鉛の使用

Oct 22, 2023

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いくつかの電子市場セグメントは、依然として有害物質制限 (RoHS) 法などの鉛フリー材料規制から免除されています。 これらの市場セグメントは、過酷な環境で使用されるエレクトロニクスや、生命/システムに重要な機能を備えたエレクトロニクスである傾向があります。 航空電子機器を含むこれらの市場セグメントでは、鉛を含むはんだを使用することができますが、ROHS に準拠していない構成で高度なコンポーネントを調達することはますます困難になっています。 錫/鉛はんだ付けプロセスを使用し続ける製品設計チームは、鉛フリーはんだ球でのみ使用できるボール グリッド アレイ (BGA) コンポーネントを組立プロセスでどのように使用するかというジレンマに直面しています。 この文書では、錫/鉛はんだ付けプロセスで鉛フリー BGA コンポーネントを使用する場合のいくつかの側面について説明します。(1) 混合冶金。 (2) 固化。 (3) 錫ウィスカー。 製品の完全性を損なうことなく利用できる方法論について説明します。

混合冶金の懸念

環境法は、電子製品に使用される材料セットの点で電子産業に大きな影響を与えています。 カドミウム、六価クロム、水銀、鉛などの材料の禁止により、電子製品の製造に歴史的に使用されてきた多くの電子部品や材料プロセスが廃止されました。 はんだ合金の鉛の除去は、主要な機械的および電気的機能材料としての役割のため、おそらく電子製品に最も大きな影響を及ぼします。 図 1 は、IPC 世界はんだ統計プログラムによって追跡された、2004 年以降の世界のはんだ使用傾向が、錫/鉛はんだ合金から鉛フリーはんだ合金への置き換えを示していることを示しています。

錫/鉛はんだ付けプロセスを使用し続ける製品設計チームは、鉛フリーはんだボールでのみ使用できる BGA コンポーネントをどのように使用するかというジレンマに直面しています。 錫/鉛はんだペースト合金と鉛フリーはんだボールを備えた BGA コンポーネントを組み合わせると、「混合冶金」はんだ接合微細構造が生じ、多くの製品使用環境でははんだ接合の完全性が低下します。 混合冶金（つまり、錫/鉛アセンブリで使用される鉛フリー部品）の潜在的なはんだ接合部の完全性問題に対処するための、許容可能な方法論として 3 つの業界ソリューションが登場しました。 1 つ目の解決策は、鉛フリー BGA コンポーネントを外部サービスに送って「再ボール」してもらうことです (つまり、鉛フリーはんだボールを取り外し、錫/鉛合金はんだボールと交換します)。 厳密に制御されたプロセス手順に従えば、リボールプロセスは信頼できることが証明されています。 リボールされた BGA コンポーネントの利点は、錫/鉛のはんだ付けプロセスに対して透明であることです。 欠点は、BGA コンポーネントの再ボールに必要なコストと時間がかかることです。

図1：世界的なはんだ使用傾向。 (IPC グローバルはんだ統計プログラム)

BGA コンポーネントのリボールには、感湿レベル、はんだボールの除去/取り付け温度/時間、リボールされた BGA コンポーネントの清浄度など、いくつかの重要なプロセス パラメータの制御が必要です。 機能コンポーネントのテストは、リボールプロセスに起因するプロセスまたはコンポーネントの欠陥がないことを確認するために必要です。 次の例は、機能評価デューデリジェンスを実施することで、リボールされた欠陥のある BGA の製品への混入をどのように防ぐかを示しています。

BGA コンポーネントに、エンジニアリング プロトタイプのテスト中に機能エラーがあることが判明しました。 問題の BGA コンポーネントは、コンポーネントのサプライヤーから鉛フリー BGA として調達され、その後、共晶錫/鉛はんだ合金を使用して再ボールされました。 疑わしい BGA の X 線検査により、過剰なはんだ接合部のボイドが明らかになりました。

図2:疑わしいBGAのX線画像。

業界の調査によると、BGA のボイドは一般に、はんだ接合部の完全性の問題ではなく、パッドの設計またははんだ付けプロセスの問題を示す明らかな指標であることがわかっています。 BGA パッドにはマイクロビア技術が含まれていなかったため、当初は、はんだペーストの堆積またはリフロープロファイルに関連する問題がボイドの根本原因であると考えられていました。 図 2 は、X 線評価中に BGA はんだ接合部で観察された過剰なボイドを示しています。

観察されたはんだ接合部のボイドがはんだプロセスの問題であることを検証するために、金属組織断面分析が実施されました。 断面分析の結果、コンポーネントの銅パッドの厚さが非常に薄いため、アセンブリのリフロープロセス中に溶けたはんだボールが BGA ラミネート材料と接触し、その結果ガスが発生してボイドが発生したことが明らかになりました。 銅パッドめっきの測定により、ニッケルめっきバリアが存在しないことが判明し、これにより BGA パッドの 50% ～ 100% の銅めっきが溶解しました。

SMT マガジン 2017 年 7 月号に掲載されたこの記事全文を読むには、ここをクリックしてください。