Test Navi Report

Abstract
電子機器の鉛フリー化により、半導体リードフレームから発生するウィスカによるショート故障が懸念されているが、ウィスカ評価の試験時間が長く、半導体実装基板での評価事例は少ないため、ウィスカ発生モードやメカニズムの解明は十分には成されていない。そこで我々はFe-NiとCuの2種類のリード母材に各種のめっきを施したQFPを鉛フリーはんだで実装した基板を用いて、恒温恒湿試験、高度加速寿命試験(HAST)、Air-HAST、熱サイクル試験等の複数の試験を実施した。また、試験後のQFPをマイクロスコープ観察及びSEM観察にて外観変化を調査し、EPMA分析を行って、ウィスカ発生の原因について解析を行った。その結果、Air-HAST 200hでウィスカが発生しており、試験時間を短縮できる可能性がある。

 

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はんだ合金は,実用環境がT>0.4Tm(Tmは融点の絶対温度)であるため,クリープが支配的な変形機構となる。このクリープははんだ合金の組織と密接に関連しているため,組織とクリープ変形機構を精査することは,信頼性解析を行う上では極めて重要である。鉛フリーはんだの代表であるスズ-銀-銅(Sn-Ag-Cu)系と従来のスズ-鉛(Sn-Pb)共晶はんだでは異なるクリープ特性を示す。特に,Sn-Pb共晶はんだでは高温域もしくは低ひずみ速度域において,巨大な伸びを示す粒界すべりが主たる変形機構となるが,Sn-Ag-Cu系は,粒子分散強化の変形機構を示す。この変形機構の相違が信頼性の相違と関連している。本稿では,これら変形機構の違いに着目し,はんだ合金の信頼性を基礎的に解説した。

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はんだめっき材料の耐食性評価として、銅材の表面に各種溶融はんだめっきを施した後の試料に対して塩水噴霧試験、ガス腐食性試験、大気暴露試験を実施した。さらに、実験後の表面および断面解析によって、はんだめっき材料の腐食要因と下地銅板への影響を検討した。その結果、はんだめっき材料の腐食要因は、(1)スズ−鉛はんだ(Sn-37Pb)の場合、成分中の鉛(Pb)およびスズ(Sn)成分、(2)スズ−銀−銅はんだ(Sn-3Ag-0.5Cu)の場合、成分中のSn成分、(3)スズ−亜鉛はんだ(Sn-9Zn)の場合、成分中の亜鉛(Zn)成分と、環境中の腐食因子(硫黄や塩素)が優先的に反応し腐食生成物を形成することがわかった。

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鉛フリーはんだの中で、Sn-Zn系はんだは低融点はんだとして知られ、実用化されつつある。今後更なる実用化のためには、Sn-Zn系はんだ材に対する信頼性評価について検討する必要がある。 そこで、 本報告では鉛フリーはんだであるSn-8Zn-3Biはんだの各種信頼性評価を行った。

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エスペックでは、2002年4月より鉛フリーはんだ対応基板の量産化を開始した。鉛フリーはんだは、長年にわたり使用してきた鉛含有(Sn-Pb共晶)はんだと性質が異なるため、その実用化に向けて実装工程や生産設備、設計に至るまで見直しを検討する必要があった。さらに、鉛フリーはんだ実装ではさまざまな電子部品が実装されるため、実装温度の上昇による部品への熱ストレスなどに対する信頼性を、実際の製品基板で評価する課題があった。そこで本報告では、エスペックが進めてきた鉛フリーはんだ対応基板の実用化へ向けた取り組み内容と、量産化した製品基板の信頼性試験評価結果を報告する。

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今回は接合強度劣化要因の調査のため、Sn-3.5Ag-0.75CuとSn-2Ag-0.75Cu-3Biについて解析を行った。解析方法は、はんだ組織および接合界面合金層変化を、SEMによる組織観察、EPMAによる元素分析で行った。その結果、はんだ組織の変化は、Ag3Snのネットワーク構造が変化する。また、信頼性試験後の強度劣化は、合金層の異常成長と関係することがわかった。

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本報告では、前報に引き続きマイグレーション発生要因を解明するため、カソード析出過程と析出形態について、鉛フリーはんだと鉛はんだ(Sn-37Pb)とを比較検討した。その結果、鉛フリーはんだは、安定な不動態皮膜(酸化皮膜や水酸化皮膜)により溶解反応を防止することによってカソード析出反応も抑制され、従来の鉛はんだに比べて耐マイグレーション性が高いことがわかった。

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本報告では鉛フリーはんだの表面組織状態と自然電極電位、金属溶解特性からイオンマイグレーションの発生要因を検討した。その結果、Sn-3.5Ag、 Sn-0.8Cu、Sn-58Biはんだの場合はスズの選択的溶解特性を示し、Sn-9Znにおいては亜鉛とスズの溶解特性が関係することがわかった。

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2000年度は、鉛フリーはんだ実装技術が日本の市場に拡大する年となり、新世紀を迎えてすでに多くの鉛フリーはんだ実装製品を店頭に見いだせるようになった。E U のWEEE/ROHS指令案の審議も最終段階を迎え、本年から来年にかけて議会で最終投票が行われる。部品表面処理の鉛フリー化も次第に方向が定まって来ており、真の意味での鉛フリーはんだ実装が可能になろうとしている。本稿では、日本と世界の鉛フリーはんだ技術推進の状況と今後の展望に関して紹介したい。

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本報告では、近年実用化が迫られている鉛フリーはんだめっきについてガス腐食試験を行い、外観変化、ぬれ性、表面分析を行ったので報告する。

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