電子製品の小型化への要求に応えるため、メーカーは半導体チップや電子部品の小型化に積極的に取り組んでいます。半導体チップや電子部品のキャリアボードや回路基板への固定には、はんだ付けやプラグインが使われています。従来の鉛含有はんだは電子材料や機械材料として優れた特性を備えていますが、1990年代に入ると世界的な環境意識の高まりから、その使用に関して制限が加えられるようになってきました。欧州連合は2003年に特定有害物質使用制限指令(RoHS)を公布し、 2006年に施行しました。 この指令により、EU域内で販売される電子製品への鉛、水銀、カドミウムなどの重金属を含む材料の使用が禁止されました。この規制は、電子材料の鉛フリー化を促し、メーカーは鉛フリーはんだの研究開発や量産への投資を進めました。
鉛フリーはんだは融点が高く、製造プロセスに鉛フリーはんだを導入する場合は、リフロー温度の上昇によって引き起こされる問題を克服する必要があります。はんだ付けされた部品は、製品の寿命と信頼性を確保しながら、より高い温度に耐える必要があります。鉛フリーはんだの中では、錫銀銅(SAC)合金がはんだ接合の信頼性において優れています。プロセスを錫鉛(SnPb)合金から錫銀銅合金に変換すると、SMTの製造ラインのリフローピーク温度が220℃から250℃程度まで上昇しますが、製品の信頼性の要求を満たすために現在でも錫銀銅合金が使用されています。
近年、ハイパフォーマンスコンピューティング(HPC)や人工知能(AI)の普及により、従来のボードレベル(Board-Level)パッケージングではこのような高速で複雑な計算に必要な高性能、高帯域幅、低消費電力、マルチチップ統合、空間集積などの要求には対応できなくなりました。業界ではこれらの問題を克服するために、システムインパッケージ (SiP)や2.5D CoWoS(Chip on Wafer on Substrate) Siインターポーザパッケージなどの高度なパッケージングプロセスが求められています。しかし、この実装プロセスを錫銀銅の高融点鉛フリープロセスで使用すると、リフローはんだ付け温度によって基板の反りが発生します。そこで、低温プロセスに対応できる鉛フリー低温はんだ(LTS, Low Temperature Solder)が注目されています。
各国の環境・カーボンニュートラル政策の積極的な推進により、低温はんだの開発が進められてきました。電子製品の製造過程での炭素排出量削減施策の一つとして、鉛フリーの低温はんだペーストプロセスの採用があります。 現在、製品の歩留まりと信頼性を確保するため、鉛フリー低温はんだペーストのプロセス検証と導入が加速しています。一般的な鉛フリーはんだペーストSAC305 (Sn96.5%、Ag3%、Cu0.5%)の融点は217℃です。鉛フリー低温はんだペーストとは通常「ビスマス(Bi)」を含むはんだペーストを指します。SnBi合金では、Sn64Bi35Ag1の融点はわずか178℃であり、Sn42Bi58の 融点はさらに低く、わずか138 ℃です。つまり 、ビスマス(Bi) を含むはんだペーストの融点は、SAC305鉛フリーはんだペーストよりも39 ℃ ～79 ℃低くなります。
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鉛フリー低温はんだペーストは低温プロセスのニーズを満たすことができますが、他にメリット，デメリットはあるのでしょうか？ |
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メリット1. コスト削減 |
鉛フリー低温はんだペーストは融点が低いため、表面実装技術(SMT)プロセスのリフローはんだ付け温度を下げることができます。これにより、高温耐性はんだ部品や材料使用のコストを削減できます。回路基板の溶接にリフロー炉の温度をあまり高くする必要がないため、装置の消費電力が削減され、電力コストの節約、省エネ、炭素削減の目標が達成されます。さらに、一部のプラスチック製プラグイン部品は高温に耐えられないため、SMTプロセスが2つのプロセスに分割されますが、低温鉛フリーはんだペーストを使用することでSMTプロセス温度を下げることができ、プロセスを1つに簡素化し、時間とエネルギーを節約できます。
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メリット2．反りの軽減 |
高度なパッケージングプロセスでは、SiPやCoWoSなど、多くの異なる種類のコンポーネントを同じ基板上に封止する必要があります。しかし、SMT工程では、リフローはんだ付けの高温により基板が反ることがあります。これにより、部品と基板との接合部にさらなる引っ張り応力が発生し、はんだ付けの歩留まりが悪くなり、製造コストが上昇します。一方、鉛フリーの低温はんだペーストを使用すると、SMTプロセスのリフローはんだ付け温度を下げることができるため、基板の反りの程度が軽減され、信頼性が向上します。
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デメリット |
鉛フリー低温はんだペーストの最も改善すべき点は、はんだ接合強度が比較的低いことです。温度サイクル試験(Temperature Cycling Test)、機械的衝撃試験(Mechanical Shock Test)、その他の信頼性確認試験において、その性能は主流の錫銀銅合金はんだペーストに及びません。そのため、はんだ接合部の信頼性をいかに強化するかが、低温はんだペーストの中心的な課題となっています。はんだペースト材料メーカーは、目標を達成するためにSnBi合金に他の元素を添加する研究に熱心に取り組んできました。例えば銀(Ag)を添加すると、はんだ接合部の強度を強化し、材料の耐疲労性を向上させることができ、温度サイクル試験に合格するのに役立ちます。一部の専門家は、材料に含まれるAg3Sn合金の効果であると考えています。銀化合物は脆いため、銀が多すぎると、機械的衝撃試験に合格できなくなります。そのため、現在主流となっている鉛フリー低温はんだペーストの銀含有量は多くても3%以下となっています。
鉛フリー低温はんだペースト材料を導入する場合、最良のはんだ付けを行い製品の信頼性試験に合格するためには、 SMTプロセスの温度設定も適切に合わせる必要があります。一般的には、はんだ付け品質に影響を与えない範囲で可能な限りリフローピーク温度を下げることが行われています。その目的は、製造工程における回路基板やキャリア基板の熱変形量を軽減し、工程の高速化を図ることです。リフローピーク後の冷却速度を上げることにより、低温はんだが硬化するまでの時間を短縮します。ただし、冷却速度を上げすぎると、はんだクラックが発生する可能性が高くなります。したがって、鉛フリー低温はんだペーストの特性を信頼性試験で評価したうえで適切な温度冷却速度を選択することが重要です。
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MA-tekは、実験計画からPCB作製、SMT実装、信頼性試験、故障解析サービスまで、信頼性検証サービスのトータルソリューションをお客様に提供しています(図1)。長年にわたり、世界クラスのスマートフォンやサーバーメーカーのはんだ接合部の信頼性検証に貢献してきました。MA-tekは完全な解析およびテスト機能を備えており、信頼性検証を実施した後、はんだ接合部の亀裂の故障の真の原因を顧客が迅速に特定できるよう支援します(図2)。
図1 信頼性検証サービスのトータルソリューション |
図2(上) はんだ接合部のクラック箇所の非破壊検査(3D X-ray), (下) はんだ接合部のクラック箇所の断面解析(SEM) |
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はんだ接合部の結晶方位解析 |
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鉛フリー低温はんだペーストは、現在主流の錫銀銅合金はんだペーストとは材料組成が大きく異なるため、実装後のはんだ付け特性も異なります。特にはんだ接合の結晶方位は品質と信頼性に大きな影響を与えます。 |
そこでMA-tekは電子後方散乱回折(Electron Back Scatter Diffraction, EBSD) 分析装置を導入しました。 EBSD を使用してはんだ接合部の結晶方位解析を行い、材料格子の微細構造から、結晶形態や割合を分析できます(図3)。また、はんだ接合部のクラック領域の微視的な分析を行い、故障の真の原因を特定することもできます(図4)。MA-tekの迅速かつ完全な検証および解析能力は、お客様が最適な鉛フリー低温はんだペーストと最適化されたリフローはんだ付けプロセス条件をより効率的に選択し、製品の基板レベルの信頼性を向上させ、製品の市場投入までの時間を短縮することを可能にします。
 図3 はんだ接合部の結晶構造および結晶方位解析(EBSD) |
図4 はんだ接合部のクラック領域の結晶方位解析(EBSD) |
MA-tekは、お客様にとって最良の研究開発パートナーとなるべく、常に努力を続けています。私たちは、お客様が先端プロセスや製品の量産・立ち上げを加速し、急速に発展するエレクトロニクス産業においてビジネスチャンスをつかむお手伝いをいたします。
