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実装材料の解析 -はんだ接合部分析事例-

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プリント基板に部品を実装する場合には、はんだ接合が用いられます。高密度実装のための微細化やRoHS指令等に対応するための鉛フリー化等、はんだ接合に対する要求は、年々厳しくなっています。更には、Sn-Bi系新材料や新技術の採用により、新たな障害が発生する場合があります。
当社では、はんだ接合部に対して、さまざまな分析手法によるアプローチと豊富な経験・知識により、はんだ接合の問題点の解決をサポートしています。

こんなお悩み・ご要望はありませんか?

お悩み・ご要望はありませんか?
  • クラックがどこで発生したか、はんだの内部なのか、合金相なのか、合金相と母材の界面なのか、をキチンと知りたい。
  • 同じように作ったハズなのに、クラックの発生率に差がある。原因を知りたい。
  • クラックは発生していないけれど、今後発生しそうかどうか知りたい。
  • 普段から断面機械研磨してSEM観察をしている。でも本当にそれだけでいいのか少し不安。
  • お客様や上司に「もっと良く調べろ」と言われた。何をすればいいのか分からない。
  • 分析データは持っているけど、それが何を意味するか分からない。
はんだ接合部分析の方法

はんだ接合部分析では、どのくらいの広さを見たいか、どのくらい細かいものを見たいかなどによって方法が分かれます。

断面研磨SEM観察 1 - 50mmくらいの広い範囲を大まかに見たい場合
・大きめのクラックやボイド

FIB加工SEM/SIM観察 10 - 100μmくらいの範囲を細かく見たい場合、10nm程度の大きさのものを見たい場合
・小さいクラックやボイド
・合金相や結晶粒

TEM分析 1 - 10μmくらいの範囲を非常に細かく見たい場合、1nm以下の大きさのものを見たい場合
・初期のカーケンダルボイド(大きさ10nm)
・合金相や結晶粒の内部

どれか一つに限ったものではありません。お客様のお悩み・ご要望に合わせて最適な分析方法をご提案いたします。

※SEM: Scanning Electron Microscope、走査型電子顕微鏡
※FIB: Focused Ion Beam、集束イオンビーム
※SIM: Scanning Ion Microscope、走査型イオン顕微鏡
※TEM: Transmission Electron Microscope、透過型電子顕微鏡

富士通クオリティ・ラボが選ばれる3つの理由

  • はんだ接合部の解析に豊富な実績と経験があります。
  • 分析結果の報告だけでなく、分析データの意味するところ、何に注意すべきか等考察を含めてご報告します。
  • FIB加工時の熱影響を防止するため、冷却ステージを所有しています。低融点はんだのFIB加工観察も問題なく対応可能です。

お問い合わせボタン 044-280-9948

分析事例

1. 断面研磨

断面観察したい所を樹脂に埋め込んで、観察したい所まで機械研磨を行います。広い範囲の観察が可能で、主にサンプルを全体的にチェックする際などに用いられます。
一方、次のような理由により細かい所を詳しく調べるのには適していません。

  • 研磨ダレの発生により、小さなボイドや細いクラックが埋まってしまい見えなくなることがあります。
  • 硬い材料と軟らかい材料があると、境界部に段差が発生し、クラックがあるように見えることがあります。

断面研磨後SEM観察

2. FIB加工SEM/SIM観察

FIB装置を使い、断面観察したい所に穴を掘って、穴の側面をきれいに仕上げてSEM/SIM観察します。ダレや段差は発生しません。また、真空中で加工しそのまま観察するため、酸化の影響等もありません。細かい所を詳しく調べるのには適しています。合金相の形成状況やボイドの発生状況を明瞭に観察できます。

電解Niめっき上のはんだ接合部
電解Niめっき上のはんだ接合部
無電解Ni-Pめっき上のはんだ接合部
無電解Ni-Pめっき上のはんだ接合部

3. 研磨面FIB加工SEM/SIM観察

機械研磨してSEM観察している時、微小なクラックらしきものを発見した場合、本当にクラックなのか調査する必要があります。そんな時、当社の研磨面FIB加工SEM/SIM観察が最適です。
研磨面をFIBで鉋をかけるように平坦化し、通常のFIB加工SEM/SIM観察と同様、合金相の形成状況やクラック、ボイドの発生状況を明瞭に観察できます。

機械研磨面SEM観察
機械研磨SEM観察
研磨面FIB加工SIM観察
左図の試料に対し、同じ場所を
研磨面FIB加工SIM観察したもの

研磨面FIB加工SIM観察(拡大)
上図の青枠内を拡大観察

4. TEM分析

分析エリアは10μm以下と小さくなりますが、非常に細かい所まで観察/分析が可能です。直径10nm以下のボイドや厚さ10nm程度の合金の層も観察できます。
また、スポット径1nmでEDX分析が可能です。非常に小さい結晶粒などの組成を知ることができます。

電解Niめっき上のはんだ接合部のTEM分析例

  • 概ね上からSn相/(Cu,Ni)6Sn5相/(Ni,Cu)3Sn4相/Ni という構成になっています。
  • Sn相の内部には棒状のNi3Sn4金属間化合物が多数析出しており、方向が揃っています。
  • (Cu,Ni)6Sn5相は、Cu6Sn5金属間化合物で、Cuの約40%がNiに置き換わったものに、微量のAuが混ざっています。また、(Cu,Ni)6Sn5相内部、(Cu,Ni)6Sn5相/(Ni,Cu)3Sn4相界面には、大きさ100 - 200nmのボイドが点在しています。
  • (Ni,Cu)3Sn4相は、Ni3Sn4金属間化合物で、Niの約20%がCuに置き換わったものです。また、大きさ10 - 30nmのカーケンダルボイドが大量に発生しています。

一見、何の問題も無いように見えますが、Sn相内部に析出した棒状のNi3Sn4金属間化合物により、Sn相の硬さなどが変化し、クラックが発生し易くなる場合があります。また将来、(Cu,Ni)6Sn5相/(Ni,Cu)3Sn4相界面の大きさ100 - 200nmのボイドが成長すると、ここがクラックの発生場所になります。

電解Niめっき上のはんだ接合部のTEM分析結果
電解Niめっき上のはんだ接合部のTEM分析結果

電解Niめっき上のはんだ接合部のTEM分析結果

無電解Ni-Pめっき上のはんだ接合部のTEM分析例

  • 概ね上からSn相/(Ni,Cu)3Sn4相/Ni3Sn-P相/Ni3P相/Ni-P という構成になっています。
  • (Ni,Cu)3Sn4相は、Ni3Sn4金属間化合物で、Niの約20%がCuに置き換わったものです。棒状の結晶粒が縦方向に成長していて、結晶粒間に大きさ200nm程度のボイドが発生しています。また、一部にAg3Sn、AuSn4の結晶粒も有ります。
  • Ni3Sn-P相は非常に薄い相で、ここに、大きさ10 - 30nmのカーケンダルボイドが発生しています。
  • Ni3P相は、Pリッチ相とも呼ばれています。縦スジ状の空隙が大量に発生しており、Ni-10at%Pめっきから、Niが抜けてこのような状態になったと考えられます。

無電解Ni-Pめっき上のはんだ接合部はNi3P相が形成されることが特徴で、これまでの経験からも、Ni3P相やNi3Sn-P相のカーケンダルボイド群がクラックの発生場所になった事例が多く見られます。

無電解Ni-Pめっき上のはんだ接合部のTEM分析結果
無電解Ni-Pめっき上のはんだ接合部のTEM分析結果

無電解Ni-Pめっき上のはんだ接合部のTEM分析結果

パンフレット

はんだ接合部のTEM分析 (601 KB/A4, 2 pages)

私にご相談ください

瀬山喜彦はんだ接合部は、ただ単に分析結果があれば良いというものではありません。「知りたいこと、解決すべきことに対して、最適な分析方法は何か」から、「分析結果、特に元素分析の結果をどのように見るべきなのか」まで、多様な専門知識を基礎としてお客様をサポートします。

瀬山喜彦(Seyama Yoshihiko):入社以来20年間、金属の焼結や磁気ディスクの研究に従事し、TEM分析を依頼する立場が高じてTEM分析担当となる。信条は「原因は微細部に宿る」

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