鉛フリーはんだ実装における凝固欠陥の抑制技術開発

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13355029
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 菅沼 克昭 大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (10154444)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 末次 憲一郎 松下電器株式会社, 生産技術本部, 主担当 ; 井上 雅博 大阪大学, 産業科学研究所, 助手 (60291449) ; 奥 健夫 大阪大学, 産業科学研究所, 助教授 (30221849)
• Keywords: 鉛フリーはんだ / 実装 / 凝固 / 欠陥 / デンドライト / その場観察 / 凝固シミュレーション / はんだ付け

Research Abstract

本研究では,これまで全く検討されていない鉛フリーはんだの凝固欠陥の形成過程や要因などをはんだ付け凝固のその場観察,シミュレーションおよび組織観察を通して明らかにし,欠陥生成の抑制へ結びつけることを目的とした.本年度は,モデルICのリード端子のSn-Ag-Cuはんだによるはんだ付け凝固その場観察に成功し,微小はんだ付け部での凝固の不均一性やリード材質がはんだ組織や凝固欠陥形成へ大きく影響することを明らかにした.この現象をさらに凝固シミュレーションを通して詳細なメカニズムまで解析し,凝固欠陥形成に与える諸パラメーターを明らかにした.その結果,特にリードの材質の熱伝導度の大小が大きく影響することが示唆され,はんだフィレットの冷却速度が遅い部分で欠陥形成が予測された.そこで,実際に銅とインバー合金(Fe-42Ni)を持いたICで微細組織の比較を行い,実際にデンドライト組織に大きな差が生じ,特に表面欠陥が粗大なデンドライトを形成するインバー合金で出やすいことを明らかにした.この一連の成果により,鉛フリーはんだにおける凝固のその場観察とシミュレーションの有効性が証明され,詳細な諸パラメーターの凝固欠陥発生に対する影響を明らかに出来た.一方,鉛フリーめっき処理表面の微細構造をTEM観察により明らかにし,更に鉛フリーはんだ/鉄系およびニッケル系合金のはんだ付けの短時間接合処理で形成する界面には,百nm程度のこれまでに報告されてなかった微細な界面層を形成することを明らかにした.なお,本研究成果は,論文投稿や米国TMS国際会議などの発表や招待講演として公表した.

Research Products

• [Publications] S-H.Huh, K-S.Kim, K.Suganuma: "Effects of cooling speed on microstructure and tensile properties of Sn-Ag-Cu alloys"Materials Science & Engineering A. 333. 106-114 (2002)
• [Publications] 金槿銖, 金迎奄, 菅沼克昭, 中嶋英雄: "高温保持によるSn-Zn系鉛フリーはんだとCu接合部の微細組織変化"エレクトロニクス実装学会誌. 5・7. 666-671 (2002)
• [Publications] K.Suganuma, T.sakai, K-S Kim, Y.Takagi, J.Sugimoto, M.Ueshima: "Thermal and Mechanical Stability of Soldering QFP With Sn-Bi-Ag Lead-Free Alloy"IEEE Transactions on Electronics Packaging Manufacturing. 25・4. 257-261 (2002)
• [Publications] S-H Huh, K-S Kim, K.Suganuma: "Improvement of properties of Sn-Cu lead-free solder by third element alloying and its reliability for through-hole circuit assembly"Adv. In Tech. of Mat. And Mat. Proc. J. 5・1. 1-6 (2003)
• [Publications] Y-S.Kim, K-S.Kim, C.-W.Hwang, K.Suganuma: "Effect of composition cooling rate on the microstructure and tensile properties of Sn-Zn-Bi solder alloy"J. Alloys Compounds. 352(1-2). 237-245 (2003)
• [Publications] C.Hwang, J.-G.Lee, K.Suganuma, H.Mori: "Interfacial Microstructure between Sn-3 Ag-xBi Alloy and Cu Substrate with or without Electrolytic Ni Plating"J. Electro. Mater. (in press). (2003)
• [Publications] C.-W.Hwang, K.Suganuma, J.-G.Lee, H.Mori: "Interface Microstructure between Fe-42Ni Alloy and Pure Sn"J.Mater.Res. (in press). (2003)
• [Publications] K.Suganuma, T.Tsukui, T.Suga, T.Makimoto: "JIEP low temperature lead-free soldering project"International Conference on Electronics Packaging (2002ICEP)Proceedings. 74-78 (2002)
• [Publications] K.S.Kim, S.H.Huh K, Suganuma: "Joining reliability of Sn-Ag-Cu series solder alloys"International Conference on Electronics Packaging (2002ICEP) Proceedings. 89-92 (2002)
• [Publications] K.Suganuma, T.Sakai, K.-S.Kim, Y.Takagi, J.Sugimoto, M.Ueshima: "Thermal and Mechanical Stability of SMT Structure Soldered with Sn-Bi-Ag Lead-Free Alloy"HDP'02, IEEE CPMT Proceedings. 161-164 (2002)
• [Publications] K.Suganuma, K-S.Kim, C.-W.Hwang: "Alloying design for lead-free soldering"International Conf. on Designing and Interfacial Structures in Advanced Materials and their Joints (DIS'02) Proceedings. 697-703 (2002)
• [Publications] 金迎奄, 黄致元, 菅沼克昭: "Sn-Zn-Bi系はんだとFe系合金との接続信頼性"エコデザイン2002ジャパンシンポジウム論文集. 124-127 (2002)
• [Publications] 菅沼克昭: "導電性接着剤で接続した電子部品の簡易な剥離法"メインテナンス. 231. 82-84 (2002)
• [Publications] K.Suganuma: "The current status of lead-free soldering"Espec Technology Report. 13. 1-8 (2002)
• [Publications] 菅沼克昭: "欧州の環境規制と世界の実用化へ向けた鉛フリー実装技術動向"電子材料5月号別冊 実装技術ガイドブック2002年. 83-88 (2002)
• [Publications] 菅沼克昭: "鉛フリーはんだ実装への世界の対応状況とEU指令"JPCA NEWS. 406・6. 10-17 (2002)
• [Publications] 菅沼克昭: "鉛フリーはんだ材料と対応プロセスの現状"実装技術. 18・8. 22-27 (2002)
• [Publications] 菅沼克昭, 金 グンス, 山下宗哲: "界面工学に基づく環境に優しい電子実装工学への取り組み"マテリアルインテグレーション. 15・10. 26-31 (2002)
• [Publications] 菅沼克昭: "実装における鉛フリー化とハロゲンフリー化の技術"O plus E. 24・10. 1120-1125 (2002)
• [Publications] 菅沼克昭: "鉛フリーはんだ実装の技術と科学"科学と工業. 76・10. 494-502 (2002)
• [Publications] 菅沼克昭: "WEEE/RoHS指令と鉛フリーはんだ付け技術の動向"産業と環境. 12. 67-74 (2002)
• [Publications] 菅沼克昭: "鉛フリーはんだ付け技術を中心とした環境対応実装技術の動向"表面実装マガジン(電子技術). 1. 2-9 (2003)
• [Publications] 菅沼克昭: "鉛フリー実装技術の現状と展望"RCJ会報. 29・4. 2-11 (2003)
• [Publications] 菅沼克昭: "はじめてのはんだ付け技術"工業調査会. 197 (2002)
• [Publications] 菅沼克昭: "鉛フリーはんだのぬれ性と界面組織(分担執筆)"技術情報協会. 39-52 (2002)