鉛フリーはんだ接合評価、錫ウィスカ評価、グリーン調達材料の材料分析

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評価事例-錫ウィスカの評価など

錫ウィスカの評価、鉛フリーはんだの接合評価ほか / フォトカプラの信頼性試験

 鉛フリーはんだ接合評価

鉛フリーはんだの主なものとしては、下表のものがあります。
高温系鉛フリーはんだ 固相線 217℃以上 Sn-0.7Cu,Sn-Ag-Cu
中温系鉛フリーはんだ 液相線 217℃以下 Sn-Ag-Bi-Cu
低温系鉛フリーはんだ Sn-Pb共晶はんだ並 Sn-Zn

現在のところ一本化されておらず鉛フリーはんだの種類は多種多様ですが、傾向としてはSn-3.0Ag-0.5Cuが主流となりつつあります。
機械的強度はSn-Pb共晶はんだより強い反面融点は35℃程度高くなります。そのため搭載部品や基板の耐熱性が問題となってきます。
Sn-Ag-Bi-Cuは、融点は下がるが脆くなるため避ける方向にあります。
低融点タイプの鉛フリーはんだであるSn-9.0Znは、従来の鉛はんだと融点が近く現行設備での変更が可能であり、大型基板については将来主流となる可能性もありますが、耐湿性に問題があります。(Zn腐食の問題)

(1) 引け巣
はんだ付けの温度勾配が低い程、共晶部分が先に溶けて、次に初晶(Snのかたまり)が溶ける為。
初晶がブロックして、共晶が流れず巣(ボイド)ができる。

(2) リフトオフ
鉛フリーはんだ凝固時の応力により、フィレットまたはランドが浮き上がる。

(3) 銅食われ(高温、Sn割合大の場合)
主にフローはんだ付けの場合に発生する問題で、基板のランドが鉛フリーはんだに溶けこみランド厚が薄くなる。 

鉛フリーはんだの問題点
◎鉛フリーはんだの接合評価内容
部品が適切に実装されているかどうか、鉛フリーはんだ接合部の評価を実施します。

試験方法 : 温度サイクル試験
判定方法 : リード引張り強度試験(EIAJ ED−4702A準拠)
横押し強度試験(EIAJ ET−7403準拠)
断面観察(クラック、リフトオフ、等の有無について観察)
 鉛フリーはんだのリード引張り強度試験
リード引張り強度試験
 鉛フリーはんだの横押し強度試験(固着性試験)
横押し強度試験(固着性試験)
 鉛フリーはんだの断面観察
断面観察
その他の鉛フリーはんだ接合評価試験方法
・基板曲げ試験    
 鉛フリーはんだの基板曲げ試験
基板曲げ試験

試験実施例
・温度サイクル試験+基板限界曲げ試験
・基板繰り返し曲げ試験

判定例
・導通抵抗のモニタ

 ・振動試験、自然落下試験、等

 錫ウィスカの評価方法

ウィスカは、「猫のひげ」と呼ばれる金属めっき皮膜表面に発生したヒゲ状の結晶生成物である。ウィスカには真性ウィスカと合成ウィスカがある。
真性ウィスカ┬内因性ウィスカ :物質内部のみの要因により原始が外部へ移動して発生。 【錫,亜鉛,銀 等】
        └外因性ウィスカ :外部の要因を受けて物質内部の原子が外部へ移動して発生。 【硫化銀,銅 等】

合成ウィスカ┬蒸着生成ウィスカ :雰囲気中のガス状物質が析出堆積し結晶化して発生。
        └還元生成ウィスカ :雰囲気中のガス状物質が水素等で還元され、単体結晶物質として発生。
                     【炭素,炭化珪素 等】

◎錫ウィスカの特徴

  • めっき膜から生成する。
  • 発生までに潜伏期間があり、早いものは数時間、 遅いものは1年以上経過してから発生する。
    ある程度成長するとそれ以上は成長しないことが多い。
  • 空気を遮断すると発生しない。
  • 単結晶で、機械的強度が大きい。
  • 錫ウィスカの一般的な寸法は、太さ1μm以下、長さ数mm。
  • 錫ウィスカの形状は、円、多角形、星型

◎錫ウィスカの評価について

半導体リードフレームのウィスカ評価例
・温度サイクル試験 : リードフレーム基材とめっきとの熱膨張差による応力の影響評価
・室温放置試験 : 保管時、等の通常状態での影響評価
・高温高湿試験 : 酸化によるめっき応力の影響評価

基材によるSnめっきのウィスカ評価例
・室温放置試験 : 基材がCuの場合、Cuの拡散による応力の影響評価
・高温試験    : 基材がZnの場合、Znの拡散による影響評価

判定は、顕微鏡やSEMを用いて、ウィスカの発生有無及びウィスカの長さによって行う。


 LEDの信頼性試験

LED(Light Emitting Diode,発光ダイオード)は、P-N接合を持つ半導体素子であり、電気を光に変換することが出来る。各色の発効効率は年々増加しており、現在は100lm/Wを超えるような商品も登場している。また、白色の開発も進んでおり、発効効率アップや低価格化が実現出来れば照明用途として大きく拡大することが予想される。
◎LEDの信頼性試験
発効効率アップに向けた開発最優先というメーカの背景があり、各メーカ・型名の信頼性バラツキは大きい。従って、使用用途によっては、使用前に信頼性試験を実施して信頼性を確認しておくことが大切である。

【LEDの主な不具合モード】
・ 封止樹脂の劣化 → 光束減退
・ 蛍光体の劣化 → 光束減退
・ 電極ワイヤの断線 → 不点灯
・ チップの異常 → 光束減退、不点灯
LEDの信頼性試験

【LEDの一般的な信頼性試験項目】
試験項目 参考規格
(JEITA)
試験条件例
はんだ耐熱性 4701/301 リード品 温度:260℃,時間:10s
4701/302 SMD品リフロー 温度:max.260℃
はんだ付け性 4701/303 温度:235℃,時間:5s
温度サイクル 4701/105 温度:-40℃〜100℃,各30分 1000サイクル
高温保存 4701/201 温度:100℃ 1000hr
高温連続動作 4701/101 温度:85℃ IF=20mA 1000hr
常温連続動作 4701/101 温度:25℃ IF=20mA 1000hr
高温高湿保存 4701/103 温度:60℃ 湿度:90%RH 1000hr
高温高湿連続動作 4701/102 温度:60℃ 湿度:90%RH IF=20mA 1000hr
熱衝撃 4701/307 温度:-40℃〜100℃,各5分 1000 サイクル
温湿度サイクル 4701/203 温度:-10℃〜25℃〜65℃ 湿度:90%RH 10 サイクル
振動 4701/403 200m/s2 100〜2000Hz 3方向 48分
衝撃 4701/404 15000m/s2 0.5ms 6方向
静電破壊 4701/304 HBM法 電圧:1000V〜2000V 回数:3回 極性:±
* 判定項目:光束,順方向電圧

【測定システム】
積分球を使用した光学的特性の測定システム
積分球を使用した光学的特性の測定システム
* 測定項目:光束,放射束,λd,λp,色度,等
◎LEDの選別検査
信頼性のバラツキを考慮すると、特性の優れたものだけを使用出来るように、選別検査の実施が有効な方法である。
使用用途によって、光度や色度、順方向電圧でランク分けする必要がある。

 グリーン調達関連材料分析

グリーン調達とは、企業が原材料等を購入する際、環境負荷の少ない物質を優先すること、またはそのような配慮をしている企業から優先して調達することを言います。

◎規制対象物質の主な用途

 規制対象物質  主な用途
はんだ(鉛フリーはんだで代替)、鉛蓄電池、ガラス、表面処理、セラミック、マッチ、硬化材、ゴム硬化材、塗料、他
水銀 電極、水銀電池、防腐剤、金属エッチング、フェルト、触媒、殺菌剤、乾電池、他
カドミウム 表面処理、低融点はんだ、ヒューズ、アルカリ電池原料、半導体受光素子ペイント、着色料、他
六価クロム 触媒、めっき、腐食防止、防錆、表面処理、セラミック着色剤、電池、塗料、他
PBB 難燃剤、他
PBDE 難燃剤、他 

◎グリーン調達関連分析が必要なわけ

2006年7月から、EU域内でWEEE/RoHSの規制が施行されることが決まりました。RoHSとは、環境や人の健康に及ぼす危険を最小限にすることを目的とし、電気・電子機器における危険物質の使用制限を定めた規制です。規制の対象となるのは、鉛・水銀・カドミウム・六価クロム・ポリ臭化ビフェニール(PBB)・ポリ臭化ジフェニルエーテルの6物質です。WEEEとは、電気・電子機器廃棄物のリサイクル・環境汚染を提言した規制で、電気・電子機器廃棄物を一般の廃棄物と分別して回収し、リサイクル率70%を目標としたものです。
また、2003年7月以降にEU域内で販売される自動車については、鉛・水銀・カドミウム・六価クロムの使用を禁止する、ELV指令が施行されています。
関連企業は、鉛については鉛フリーはんだを用いるなどしてこれらの規制対策に積極的に取り組んでおり、使用を禁止・制限された化学物質が基準値以下である確認や、含有データの提示を求められる場合があります。違反があった場合、取引先の責任を明示しているケースも見受けられます。

◎主な分析方法

 分析方法 制限指令元素と検出下限
Cd Pb Hg Cr6+
フレーム原子吸光分析
(AAS,F-AAS)
×
フレームレス原子吸光分析
(FL-AAS)
×
プラズマ発光分析
(ICP-AES)
×
プラズマ質量分析
(ICP-MS)
×
湿式化学分析

* 検出下限 ◎:<1 ○:1〜 △:10〜 ◇:>100 ×:対応不可  (ppm)
* PBB,PBDEは上記以外の方法にて分析可能

 はんだボールの再搭載(リボール)

リボールとは、一度基板より取り外したBGA/CSP ICの溶融して使用不可となったはんだボールを除去し、再度新しいはんだボールを搭載する事により、部品の再利用を可能にする技術です。

◎リボールを行うメリット
(1)製品の不良箇所特定(不良原因の切り分け)に活用することが可能となり、製品の早期品質向上に寄与します。
(2)はんだ付けに起因する不良であった場合、部品を再利用することにより、高価な部品や基板の廃棄数を減少させて、御社の製造コスト低減に寄与します。
(3)短納期にて実施可能で試作、研究開発をご支援致します。

◎特急対応
はんだボール・パッケージサイズ/メタルマスクなどの在庫あるものは、特急対応が出来ますので、ご相談願います。最短コースでは着後翌日発送も可能です。
(在庫はんだボールサイズ:φ0.3mm、φ0.45mm、φ0.5mm、φ0.6mm)

はんだボールの再搭載(リボール)   はんだボールの再搭載(リボール)
◎オプション
基板上のBGA/CSPを交換作業致します。(下記をご用意をお願い致します。)
・パッケージの寸法図面 / ・温度プロファイル
・温度プロファイル採取用サンプル基板/部品

 錫ウィスカ評価などのお問い合わせ

錫ウィスカ評価に用いる検査機器、各種環境試験装置、機能検査のためのテスタ、万一の不良解析(ウィスカの評価など)のための走査形電子顕微鏡、電子線マイクロアナライザ、超音波探傷装置、エミッション顕微鏡などをはじめとする解析装置を揃え、電子部品・半導体の信頼性試験総合アウトソーシングソリューションを提供いたします。お気軽にお問い合わせください。

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