ＢＧＡデバイス基板のメッキ条件別ハンダボール接合強度試験

１．実験目的と結果

ＢＧＡ(Ball Grid Array)デバイス基板（キャリア）のメッキ条件を３条件振り、ハンダボールの実装後、ＨＴＳ（High Temperature Storage：高温放置)での、ハンダボールとランドとの接合強度の経時変化を調査した。

試験方式は下記の３方式でそれぞれ実施した。

･シェアテスト方式《Ｆｉｇ−１》

･常温式バンププルテスト方式（ＣＢＰテスト）《Ｆｉｇ−２》

･加熱式バンププルテスト方式（ＨＢＰテスト）《Ｆｉｇ−３》

結果は、リフロー直後（イニシャル）では上記各テスト間のメッキ条件別での強度差は見られなかった。しかし、高温放置後にテストを行うと常温式バンププルテストと加熱式バンププルテストではメッキ条件別での接合強度の違いや破壊モードの違いが顕著に確認できたのに対し、シェアテストでは全てが「ハンダボール自体の剪断モード」になり接合強度の経時変化は確認出来なかった。この結果から、製造条件や材料等を変更する事でのハンダボールの接合状態の評価にはシェアテスト方式より常温式バンププルテスト／加熱式バンププルテスト方式の方が適していると判断される。

　

　

２．試験装置の紹介

試験装置にはデイジ社の万能型ボンドテスター「シリーズ４０００」を用いた《Ｆｉｇ−４》。このテスタは高密度実装に於ける各種接合強度評価に幅広く使用され、特に常温式バンププルテスト・加熱式バンププルテスト・シェアテスト等が一台で出来る世界で唯一の装置である。

　

　

　

　

　

　

３．実験サンプルの詳細

サンプル構造を《Ｆｉｇ−５》に示す。

　

リフロー条件はプリヒート１５０℃、ピーク２１０℃。前処理はリフロー３回＋１２５℃／２０ｈｒを施してある。このサンプルを用いて接合強度試験を行った。

　

４．接合強度測定結果

４−１：シェアーテストの測定結果

シェアテストでの測定結果を《Fig-6》に示す。破壊モードはイニシャルから高温放置５００ｈｒ後まで全ラップの全ハンダボールがハンダボール自体の剪断モードとなり接合界面からは破壊しなかった。メッキ条件別に強度差がほんの少し見られるのは、Ｎｉがハンダボール内のＳｎへ拡散する量の違いと推測している。

４−２：常温式バンププルテストの測定結果

常温式バンププルテストでの測定結果を《Ｆｉｇ−７》に示す。イニシャル〜前処理まで｢ハンダボール自体のちぎれモード｣が発生した。これはハンダ自体の強度が接合界面の接合強度より弱い為、いかにハンダボールを確実にグリップしても接合界面から剥離せずハンダボール自体が先にちぎれてしまう。

４８ｈｒ以降からはハンダボール内の化合物層が成長しＰｂ偏析層が形成され、その柔らかいＰｂ偏析層とＡｕ−Ｎｉ−Ｓｎ化合物層の間で剥離された。またメッキ条件別に強度差がハッキリと見られるのはＰｂ偏析層の厚さ及び濃度差によるものと思われる。

５．高温放置におけるハンダボールの接合状態の観察

高温放置を行うとハンダボール接合部にどの様な反応が起きるのか考察してみた。ハンダとランドの接合部の反応層の成長過程を以下に示す。まず、リフローを行った場合のハンダ接合部組織形成機構を述べる。リフロー時にハンダ部とＮｉメッキ層界面にＮｉ-Ｓｎの極薄い（１μｍ以下の)Ｎｉ-Ｓｎ化合物が形成される。また、Ａｕメッキ層はハンダのＳｎと反応しやすく、ハンダボールのＳｎへ拡散する《Fig-9》。

　

　

熱加速試験である前処理や高温放置の初期においては、Ｎｉメッキ層側からＮｉがＮｉ-Ｓｎ化合物層中とハンダ部に拡散しＮｉ-Ｓｎ化合物層内及びハンダ部のＳｎと反応し接合強度が上がる。更に高温放置を行うとハンダの粗大化が進行し、Ｎｉ-Ｓｎ化合物層が成長する。そのＮｉ-Ｓｎ化合物層の直上のＳｎ濃度が上がり、ハンダ内に拡散していたＡｕが再集合しＡｕＮｉ-Ｓｎ層が形成される。その後、元々その場所に存在していたＰｂはＡｕ-Ｎｉ-Ｓｎ層上に排出されＰｂ偏析層を形成すると思われる《Fig-10》。

　

ＢＧＡ／ＣＳＰの基板への接合で問題になっているハンダボール脱落不良品の破壊モードはＮｉ-Ｓｎ層下部とＮｉメッキ層の間が破壊している事が多く、その場所の強度が信頼性に大きく影響する。今回の実験で判明した事は加熱式バンププルテストでの破壊箇所は上記のハンダボール脱落不良と同じＮｉ-Ｓｎ層下部とＮｉメッキ層の間から破壊する《Fig-12》。また、常温式バンププルテストではＡｕ-Ｎｉ-Ｓｎ層とＰｂ偏析層の間から破壊する事が確認できた《Fig-11》。

　

　

　

　

では、なぜ加熱式バンププルテストではＮｉ-Ｓｎ層下部とＮｉメッキ層の間が破壊するのか？　これは次の様に推測している。Ｓｎ-Ｐｂハンダは高温放置を行うとハンダの粗大化が起こる。その後、加熱式バンププルテストでの再加熱（１００℃以上の温度印可時間は約３０秒）を行うと粗大化したハンダは元に戻る。Ａｕ-Ｎｉ-Ｓｎ化合物もイニシャル状態に近くなる。また、加熱プローブがハンダボール内でコアの様に補強される。Ｎｉ-Ｓｎ化合物層は高温放置後の特性（含む厚さ）を保持しており、結果的に一番観察したいＮｉ-Ｓｎ化合物層とＮｉメッキ層の間から破壊するとおもわれる。これは、加熱式バンププルテストの固有のメリットであり、常温式バンププルテストでは観察できない破壊モードである。
この様に、ＢＧＡ／ＣＳＰ実装工程の製造・保管、使用条件は温度管理が必要である。また、鉛フリーハンダの過渡期にある現在、ハンダ成分と基板パッドの諸特性が品質・信頼性に大きな影響を及ぼす事は認識されており、関連技術の相互の協力関係が必須である。この様な各種条件別でのハンダボール接合強度の解析・評価に常温式バンププルテスト／加熱式バンププルテスト方式は有効に寄与すると考えられる。


６．まとめ

以上の結果をまとめると、

�@ＢＧＡ／ＣＳＰのハンダボールとランドとの接合性試験はシェアテスト方式よりバンププルテスト方式の方が
有意性がハツキリと判定でき、適した方法と思われる。

　・加熱式バンププルテストはメッキ条件別での接合強度を定量的に把握できる。

　・常温式バンププルテストはサイクルタイムが速く、量産行程における出荷／受入時のＧｏ／Ｎｏ−Ｇｏ判定が
素 早くできる。

�Aデバイス基板（キャリア）のメッキ条件出しはイニシャル状態でのテストではその有意差が判断しづらい。

�B高温放置を行うとプリント基板の接合強度差・破壊モードが判断しやすくなる。（但し、シェアテストでは判断しづらい。）

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