はんだ(半田)の実装部不具合事例・信頼性試験

カーケンダルボイド発生による、はんだ接合界面劣化 [実装部の不具合事例]

使用環境の熱影響によるはんだ接合界面の劣化(Cu-Sn金属間化合物層が成長し、カーケンダルボイドが多量に発生)
使用環境の熱影響によるはんだ接合界面の劣化

カーケンダルボイドが多量に発生したことによる接合界面の劣化事例です。実装時の過剰の熱影響、使用環境の熱影響など により、金属間化合物層が成長し、それに伴い、カーケンダルボイドが多量に発生することがあります。

* カーケンダルボイド発生のメカニズム
一般にカーケンダルボイドは、相互拡散の不均衡により発生した原子空孔(格子欠陥)が消滅することなく集積したことにより発生します。Sn/Cuの界面の場合、Cuの拡散に対してSnの拡散が少ないため、金属間化合物とCu界面に空孔が集積すると考えられています。
実装時の過剰の熱影響によるはんだ接合界面の劣化(チップコンデンサのはんだ接合界面にカーケンダルボイドが多量に発生)
実装時の過剰の熱影響によるはんだ接合界面の劣化

はんだ濡れ不具合 [実装部の不具合事例]

はんだ濡れ不具合部の外観
はんだ濡れ不具合部の外観

電子部品の電極やプリント基板ランドのめっき不具合により、はんだ濡れ不具合が発生します。

以下に示したのは、プリント基板のSnめっき不具合起因による事例です。
はんだ濡れ不具合部は、最表面にCu-Sn金属間化合物が存在していました。 Sn/Cu界面には金属間化合物が生成していますが、金属間化合物は融点が高く不活性であるため、はんだ濡れ性が劣化します。 この領域は、ランドのSnめっきが薄く、Cu-Sn金属間化合物が表面に露出していたと推測されます。

電子部品電極のめっき状態を評価するため、はんだ濡れ性試験を調査することもあります。

はんだ濡れ不具合部断面のSEM像
はんだ濡れ不具合部断面のSEM像

関連リンク:はんだ濡れ性試験

はんだ接合部評価(温度サイクル試験)[信頼性試験]

温度サイクル試験
温度サイクル試験

プリント基板実装品のはんだ接合部を評価する方法として、温度サイクル試験が一般的に用いられています。温度サイクル試験により、はんだ接合部に熱応力(各材料の熱膨張の差による)を負荷させ、強度変化及びクラック発生状態を調査します。

また、必要に応じて、欠陥部の調査として元素分析なども実施します。

はんだ接合部の強度変化及びクラック発生率
はんだ接合部の強度変化及びクラック発生率
QFP端子引張り試験
QFP端子引張り試験
チップ部品せん断試験
チップ部品せん断試験
はんだ接合部の断面観察
はんだ接合部の断面観察
ボイド発生部のEPMA元素マッピング
ボイド発生部のEPMA元素マッピング
(融点100℃以下のSn-Bi-Pb3元共晶合金 が生成したことによりボイドが発生)

はんだペースト、フラックスのマイグレーション試験 [信頼性試験]

はんだペーストのフラックスには、金属表面の酸化層を除去するために活性剤が含まれています。フラックスの種類によっては、フラックス残渣の影響によりはんだ成分がイオン化し、電位差のある端子間において短絡するケースがあります。そのフラックスの評価方法として、JIS Z 3197「はんだ付用フラックス試験方法」 電圧印加耐湿試験-イオンマイグレーション試験が規定されています。

試験方法
  1. くし形基板にはんだペーストを印刷し、リフローによりはんだ付け
  2. くし形基板の絶縁抵抗を測定(DC100V印加での1014Ωレベルで測定)
  3. くし形基板を恒温恒湿槽(例85℃-85%RH)に設置し、DC50Vを印加して、抵抗値をモニター。
  4. 恒温恒湿試験1000hr実施後にマイグレーションの有無及び絶縁抵抗を確認

イオンマイグレーション試験
イオンマイグレーション試験

はんだ濡れ性試験 [信頼性試験]

はんだ濡れ性試験
試験装置外観

電子部品電極などのはんだ濡れ性試験は、JIS Z 3198-4「鉛フリーはんだ試験方法-第4部:ウェッティングバランス法及び接触核法による濡れ性試験方法」に規定されています。以下にウェッティングバランス法について紹介します。

なお、評価方法は、試料形状などに影響されるため、同形状の製品(正常品など)との相対比較となります。

ウェッティングバランス法によるはんだぬれ評価(JIS Z 3198-4より引用)
ウェッティングバランス法によるはんだぬれ評価(JIS Z 3198-4より引用)

関連リンク:メニスコグラフ法による半田(はんだ)ぬれ試験

実装基板のはんだ耐久試験(曲げ試験) [信頼性試験]

耐基板曲げ試験
耐基板曲げ試験 装置外観

BGA、CSPは、実装基板へのストレスが多い携帯機器など使用されています。BGA、CSPなどのはんだ接合部耐久性試験の一つとして、実装基板の曲げ試験による評価方法(EIAJ ED-4702 耐基板曲げ試験方法など)があります。はんだ接合部の抵抗をモニターし、破断までのサイクル数を調査します。

耐基板曲げ試験方法
耐基板曲げ試験方法

各サイクルの抵抗値測定結果
各サイクルの抵抗値測定結果

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