BGA锡球脱落问题解说

1、1会计学BGA锡球脱落问题解说锡球脱落问题解说目次（）Lead-free Solder錫膏印刷部品搭載合金接合回路基板印刷機搭載機回流機鋼網後工程電子部品錫膏錫球脱落問題SMT接合工法回流式自動機錫膏SMT基板概要錫球脱落回流接合後側錫球脱落錫膏印刷部品搭載合金接合回路基板印刷機搭載機回流機鋼網電子部品錫膏高精度回路板高精度Resist高濡性電鍍高耐熱性Pre Flux高信頼性高濡性高印刷性高粘着力高印刷耐久性 連続印刷性残渣美麗 etc高精度印刷位置偏差版離速度印刷速度印圧高精度搭載位置偏差極小押圧微調整開口部位置精度壁面平滑度厚錫球脱落問題SMT接合工法不良発生原因比率錫球脱落注目高寸法精

2、度搭載安定性部品電鍍高濡性酸化耐久性高耐熱性無鉛10%45%25%20%概念的不良割合理想的温度曲線自在性温度偏差極小10%15%20%20%5%最近錫球脱落問題注目錫球脱落問題錫球狭縊現象、脱落現象、界面剥離現象写真狭縊現象脱落現象界面剥離現象回流後的錫球不良三態単品時接合没問題回流後発生基板錫球脱落問題錫球電鍍錫球間金属間化合物接合側絶縁樹脂錫膏印刷基板銅箔錫膏印刷基板銅箔回流接合電鍍錫球間金属間化合物接合、但、回流時再加熱、再溶融金属間化合物成長、構成変化或溶食促進溶融後錫球径大化（錫球錫膏内球体積）溶融固化時流動変形或量的偏差拡大錫膏、銅箔間接合金属間化合物接合没問題接合没問題接合有問

3、題再加熱再溶融脱落問題発生錫球脱落問題実装不良（回流接合後錫球部接合不良発生）回流接合直後電気的接合不良発生）基板側隣端子間導通（連錫）側接合部部分的不導通錫膏印刷不良或位置偏差或錫膏量過多設計構造的問題錫球脱落（絶縁樹脂厚、間隙問題）電鍍不良（接合界面破壊）回流接合後電気的接合没問題、然、衝撃或冷熱試験時電気的接合不良発生）側試験後接合部部分的不導通設計構造的問題錫球脱落寸前縊発生（絶縁樹脂厚、間隙問題）電鍍不良剥離強度低下（接合界面破壊）基板側接合部界面剥離接合界面気泡多数PKG側基板側錫球変形aa錫球脱落bb錫球脱落問題設計構造的問題錫球脱落（絶縁樹脂厚、間隙問題）設計構造的問題錫球脱落

4、寸前狭縊発生（絶縁樹脂厚、間隙問題）絶縁樹脂厚有問題錫球径大化変形表面張力作用気泡膨張錫球脱落問題錫球変形錫球変形錫球脱落基板側側錫球脱落錫球脱落問題表面張力作用力絶縁樹脂厚、有問題設計構造的問題錫球脱落（絶縁樹脂厚、間隙問題）構造設計不良錫球脱落問題錫膏印刷基板銅箔電鍍錫球間金属間化合物接合、但、回流時再加熱、再溶融金属間化合物成長或溶食促進溶融後錫球径大化（錫球錫膏内球体積）溶融固化時流動変形錫膏、銅箔間接合金属間化合物本体基板絶縁樹脂的溶融錫球下方押下分離力発生、結果錫球分離或狭縊現象促進原因接合構造不良錫球脱落問題錫球脱落問題電気的不導通接合箇所正常接合状態界面剥離発生界面剥離発生電気

5、的接続不導通約錫球脱落問題電鍍不良剥離応力回流溶融後固化時発生剥離応力錫球量偏差大固体収縮応力発生量、時間差偏差大冷却速度不均一有温度差部品取付偏差大基板湾曲電鍍不均一落下衝撃冷熱試験短期破壊接合面積小化界面接合力低下界面金属間化合物電鍍汚損電鍍方法不適錫球脱落問題1根本的対策部品改良（接合部設計変更）部品（）廠家変更（日本製没問題）暫定的対策錫膏印刷量低減（面積或厚少化）溶融後錫球大化防止錫膏印刷精度向上（位置偏差縮小、錫量偏差縮小）、或搭載位置偏差縮小回流温度曲線変更（多数錫球及錫膏同時的溶融促進）錫球脱落問題1電鍍不良（接合界面破壊）是根本的要因、但、接合合金（錫球錫膏）溶融固化挙動時、

6、接合面有乖離力発生。推定原因、全体錫球量的偏差大或基板湾曲、或、部品押付力不安定、或、熱量不平衡起因界面金属間化合物相偏差、是部分的弱体化剥離要因、或、部分的電鍍不良他要因電鍍不良剥離強度低下（接合界面破壊）是根本的要因。回流接合時、側電鍍再溶融錫球間、金属間化合物相変化、致、全体的接合強度低下現象一般的側電鍍構造是無電解方式緻密清浄的、理論合理的電鍍時没問題、電鍍液不純物管理力、或技術力不足原因、未熟電鍍是有問題。必要電鍍総合技術力廠家、指定重要。回流接合後電気的接合没有剥離部金属間化合物相回流接合後電気的接合有、但落下或基板湾曲外力、或、冷熱試験短時間接合破壊剥離部金属間化合物相電鍍問題一

7、般的側電鍍構造是無電解方式緻密清浄的、理論合理的電鍍時没問題、電鍍液不純物管理力、或技術力不足原因、未熟電鍍是有問題。必要電鍍、有総合技術力的廠家、指定重要。電鍍液汚染影響汚染少清浄電鍍液使用時汚染没有金属間化合物相、是、呈均一組成形状衝撃曲試験強（没問題）衝撃切断強度強（錫球脱落、没有）汚染大汚染電鍍液使用時汚染有金属間化合物相、是、呈異相層構造組成形状、且電鍍界面近傍存在、（）的存在、是、拡散阻害、到状態（硬脆）衝撃曲試験弱（完全破壊）衝撃切断強度弱（錫球脱落）拡散層破壊汚染時接合力低下電鍍問題汚染没有金属間化合物相、是、呈均一組成形状汚染有金属間化合物相、是、呈異相層構造組成形状、且電鍍

8、界面近傍存在、（）的存在、是、拡散阻害、到状態（硬脆）約電鍍層電鍍層金属間化合物層（層（）（汚染）金属間化合物層（）金属間化合物層（）汚染大汚染電鍍液使用時拡散層生成清浄電鍍液使用接合界面摸式図汚染電鍍液使用接合界面摸式図電鍍問題衝撃曲試験内容結果衝撃発生棒保持台時間（秒）（）衝撃曲試験結果電鍍清浄電鍍汚染電鍍電鍍清浄電鍍汚染電鍍錫球脱落試験抜粋（頁）（）（）電鍍液汚染強度、錫球脱落強度、清浄且汚染没有液使用対比約（程度強度低下）錫球材質電鍍問題基板錫球錫球銅箔銅無電解置換電鍍低濃度燐浴、中濃度燐浴、高濃度燐浴置換金浴置換金浴電鍍燐浴濃度的錫球引張強度関係引張強度錫膏燐濃度高引張強度低下傾向置

9、換金電鍍浴影響大銅電鍍上低濃度燐浴中濃度燐浴高濃度燐浴引張強度（）電鍍燐浴電鍍燐浴置換金浴電鍍燐浴置換金浴電鍍問題浴種浴種浴名浴名浴温（浴温（） ）時間（分）時間（分）無電解無電解低燐浴；低燐浴；中燐浴；中燐浴；電鍍浴電鍍浴高燐浴：高燐浴：置換金置換金置換金浴置換金浴 電鍍浴電鍍浴置換金浴置換金浴実験電鍍浴条件電鍍問題浸漬時間（分）浸漬時間（分）引張強度（）引張強度（）中燐置換金中燐置換金置換金電鍍浸漬時間影響大制御重要電鍍問題界面摸式図金属間化合物相厚（）金属間化合物相厚（）金属間化合物相厚（）金属間化合物相厚（）（）（）（）（）厚有問題薄没問題H2OR-OH合金溶融時合金溶融後気泡接合部気

10、泡的信頼性影響錫球内気泡没有影響界面気泡接合面積対比影響基板錫球関連要素関連要素対策対策溶剤沸点回流炉温度不一致。本加熱時溶剤残留溶剤沸点低温化Or高温化予備加熱温度強化還元時発生水分、材料吸湿突沸吸湿性少材料選定印刷後放置時間短縮合金融合速度速活性力制御抑制昇温速度慢慢化気泡排出挙動時発生飛散予備加熱温度抑制昇温速度万慢化基板部品汚染、吸湿管理BGA部品錫球組成融点低時(有鉛)、初期溶融無鉛錫膏以後溶融呈捲込融合形態気泡発生可能性大有鉛SnPb Ball vs無鉛M705 Paste無鉛M705 Ball vs 無鉛M705 PasteSnPb BallM705 PasteM705 Past

11、eM705 Ball0.5mmPitchCSP：0.3mmDia：110umt0.5mmPitchCSP：0.3mmDia：110umt同時溶融有鉛速溶融開始以後無鉛溶融 有鉛SnPb Ball vs 無鉛M705 Paste無鉛M705 Ball vs 無鉛M705 PasteBGA部品錫球組成融点低時(有鉛)、初期溶融無鉛錫膏以後溶融呈捲込融合形態気泡発生大気泡発生量大錫球基板基板基板基板錫球錫球錫球基板側錫膏基板側錫膏基板側錫膏基板側錫膏錫球錫球気泡少気泡大気泡小気泡中従来方式無鉛化移行途上完全無鉛化温度曲線変更必要関連技術金溶蝕現象溶食時間19020021022023025020135

12、断線時間(sec)金含有機械強度劣化金溶蝕速度高速26金線4240金含有錫合金接合特性劣化金電鍍拡散溶解速度高速金電鍍厚薄良好金電鍍接合下地電鍍重要的金溶食速度（）秒約秒図1M705Au DSC溶融温度2002052102152202250.01.02.03.04.05.0Au量(wt)温度()液相線固相線関連技術溶融温度変化関連技術 96.5Sn/3.5Ag 63Sn/37PbAu content (mass %)0123456789102040600Tensile strength (Mpa)金濃度高、金属強度増加傾向、但濃度超過漸次低下傾向関連技術 96.5Sn/3.5Ag 63Sn/3

13、7PbAu content (mass %)0123456789101030400506020Tenslle fracture elongation (%)金濃度高、是金属的伸長低下顕著、脆化破壊要因大超過、呈伸長急激低下現象注意超過、呈伸長急激低下現象注意関連技術Au厚510中中金金濃濃度度( (% %) )012345678910厚100厚150厚200厚金厚銅基板合金中金濃度（）金電鍍厚（）銅箔鋼網厚（）金電鍍厚（）鋼網厚（）鋼網厚（）鋼網厚（）錫膏関連技術AgAlFe3Sb3FeSb2FeSnFeSn2Fe(鉄)Ni15SbNi8SbNi7Sb3NiBiNiBi3Ni3SnNi3Sn2

14、Ni3Sn4NiAu6I)nAu9In6AuIn AuIn2AuSb2AuBiAu2PbAuSnAuSn2AuSn4Au(金)Ag3InAg2InAgiN2AgxSbyAg6SnAg3SnAg(銀)CuIn4CuIn2Cu4In3Cu13Sb3Cu2SbCu3SnCu6Sn5Cu(銅)InSbBiPb(鉛)Cu(銅)Ag(銀)Sn(錫)金属母材接合合金金属間化合物Sn(錫)多種金属相溶金属間化合物生成関連技術基板、部品表面基板、部品表面処理処理接合合金材料接合合金材料基板、部品側発基板、部品側発生金属間化合物生金属間化合物接合合金側金属接合合金側金属間化合物間化合物CuSn3Ag0.5CuCu

15、6Sn5Cu3SnCu+Sn(薄薄)Sn37PbCu6Sn5Cu3SnCu+Ni+AuSn3Ag0.5Cu(Cu,Ni)6Sn5(Cu,Ni)6Sn5Cu+Ni+AuSn3AgNi3Sn4Ni3Sn4Sn(厚厚)Sn3Ag0.5CuSnSn基板、部品間無鉛合金接合時発生金属間化合物Lead-free Solder QFP2次波峰熱伝播再溶融界面剥離部品脚剥離190以下混載実装基板基板湾曲変位剥離力発生高温下剥離強度低下関係図混載実装時波峰熱伝播+基板湾曲原因接合部剥離力合金銅箔間界面剥離発生対応策基板湾曲防止板使用表面温度制御無鉛合金+鉛濃度固相温度低下関係図電鍍（Sn10Pb)0.5%2%P

16、b濃度（%）界面鉛濃度大固相温度低下178220温度（）220190200強度温度（）無鉛合金高温剥離強度低下関連技術SMT不良事例 混載実装界面剥離現象及対策回流接合後発生脚部界面剥離関連要素関連要素対策対策冷却（凝固）過程発生応力（基板湾曲）湾曲対策湾曲防止板部品電鍍Pb混入接合界面組成低融点化無鉛電鍍使用各合金Pb混入溶融温度変化関連技術SMT不良事例Lead-free Solder LAND剥離1401401501501601601701701901901801802002000 010102020303040405050606070708080909010010010%Bi10%Bi

17、0% Bi0% Bi5% Bi5% Bi温度()温度()強度(N)強度(N)Bi0%Bi0%221221217217Bi5%Bi5%216216201201Bi10%Bi10%211211175175銅箔剥銅箔剥剥離剥離溶融界面剥離溶融界面剥離210210220220独立LAND高温領域LAND-基板間呈剥離現象LAND剥離原因1.接合直後高温状態、基板湾曲時、部品脚部剥離応力発生、独立LAND等面積小部分基板LAND間剥離発生2.基板、LAND間接着強度、高温時、呈低下現象対策1.LAND面積大化接着強度補強2 OVER RESIST処理OVER RESIST基板湾曲変位剥離応力発生関連技術

18、SMT不良事例 銅箔剥離現象及対策要求特性高信頼性（耐湿絶縁特性）粘着力持続性高耐熱持続性4高濡浸潤性5高印刷特性(版抜性)6粘度持続安定性(連続印刷安定性印刷後形状変化没有)7残渣色調透明美麗千住標準基板用無鉛対応錫膏(M705)標準錫膏GRN360K2V高精細印刷錫膏PLG-32-11千住金属最新錫膏錫膏要求特性無鉛合金千住金属最新錫膏紹介型式M-GRN-K-V粘度Pa.s標準合金組成Sn3Ag0.5Cu溶融温度217表面絶縁抵抗1.0E+12以上銅鏡試験合格弗化物試験合格銅板腐食試験合格FLUX含有量11.5%塩素含有量0.0%粒度2536製品保証月FLUX残渣透明耐熱性向上錫珠抑制連続

19、印刷安定性増粘対策強化高信頼性特徴粘着力、保持力変化1.01.551.3512Hr0024Hr48Hr24Hr粘着力(N)粘度(Pa.S)225180千住金属最新錫膏 錫膏要求特性無鉛合金対応最多実績標準無鉛錫膏最新項目項目M705-PLG-32-11試験方法試験方法（）（）FLUX構成ROJ-STD-004活性度L0J-STD-004塩素含有量0.02%Flux電位差滴定電圧印加耐湿性試験（8585%RH，電圧印加DC45V，1000h後）1.0E+10以上（）発生無JIS Z 3197銅鏡試験合格JIS Z 3197弗化物試験合格JIS Z 3197水溶液抵抗1060mJIS Z 3197

20、錫膏錫膏粘度200Pa.sJIS Z 3284Chikiso比0.6JIS Z 3284FLUX含有量11.0%JIS Z 3197加熱延性0.2mm以下JIS Z 3284粘着力1.3NJIS Z 3284粘着保持性24h1.0N以上JIS Z 3284濡広率78%JIS Z 3197濡効力及De WettingLank（）12JIS Z 3284錫球Lank（）12JIS Z 3284銅板腐食試験合格JIS Z 3197製品保証期限6月月未開封、冷蔵保管：010千住金属最新錫膏錫膏要求特性無鉛合金対応M705-PLG-32-11特徴FLUX残渣透明耐熱性向上錫珠抑制連続印刷安定性増粘対策強

21、化高信頼性高版抜性最新従来品従来品PLG0.35mm0.30mm0.35mm0.30mm枚目枚目枚目枚目試験条件（高速印刷）鋼網厚：0.15mm印刷速度：150mm / sec.印刷圧：0.33N （1mm当）基板版離速度：10mm / sec.鋼網：offGAP：0.0mm千住金属最新錫膏SMT接合工法錫膏印刷性能改善例(1)従来品従来品PLG0.25mm slit0.23mm slit0.25mm slit0.23mm slit枚目枚目枚目枚目千住金属最新錫膏SMT接合工法錫膏印刷性能改善例(2)Heat-resistant limit of SMT components230 無鉛(Sn

22、AgCu)Solder melting temp. 温度余力47 温度余力20240温度 有鉛(63SnPb)無鉛合金、温度余力少管理精度重要無鉛合金、温度余力少管理精度重要SMT接合工法回流温度曲線有鉛、無鉛錫膏(回流機)温度余力比較SMT接合工法回流温度曲線回流機温度曲線浸潤不足以上未溶融Reflow Temp.基板材質厚部品設備構造変化調整必要温度240予熱温度18090120秒 0.51.5/秒10023020秒以上保持180M705標準回流温度曲線有鉛回流帯域200210220230240250012345濡時間(秒)温度()190180Sn37PbSn37Pb(有鉛合金)(有鉛合金

23、)Sn3Ag0.5CuSn3Ag0.5Cu(無縁合金)(無縁合金)260無鉛回流帯域Sn37PbSn37Pb(温度差37)(温度差37)Sn3Ag0.5Cu(温度差17)SMT接合工法回流温度曲線回流温度溶融域条件設定温度230 時溶融時間約5秒余力4倍=20秒保持220液相温度溶融温度時間不安定領域安定領域230 規定他MT不良事例未溶融印刷機錫膏錫膏鋼網装着機回流回流機機基板電子部品他不良原因 内容印刷後放置錫球径小錫球径小酸化酸化水混入水混入攪拌過多攪拌過多期限超過期限超過温度温度低下低下予備予備加熱加熱過大過大酸化酸化RESIST OVER酸化印刷機印刷機錫膏錫膏鋼網鋼網装着機回流機基

24、板基板電子部品他不良原因内容位置精位置精度印度印刷条件刷条件不一致不一致増粘増粘性能性能不良不良開口開口面積面積開口開口部汚部汚再転再転写写位置精度押圧温度曲線不一致LAND間間GAP狭小狭小Resist没有没有脚曲他SMT不良事例連錫Heat Temp.Cold SlumpHot Slump 150 3min170 3min190 3min0.7mm Slit1.5mm Slit0.7mm Slit1.5mm Slit.他SMT不良事例印刷機錫膏錫膏鋼網鋼網装着機回流回流機機基板電子部品他不良原因内容位置精度印刷条件不一致性能不良清掃不良再転写開口面積位置精度押圧温度曲線不一致吸湿酸化LAN

25、D面積酸化電鍍他SMT不良事例錫球飛散FLUX飛散H2OR-OH合金溶融時合金溶融後H2OR-OH合金溶融時合金溶融後外部接触端子FLUX付着関連要素関連要素対策対策溶剤沸点回流炉温度不一致。本加熱時溶剤残留溶剤沸点低温化Or高温化予備加熱温度強化還元時発生水分、材料吸湿突沸吸湿性少材料選定印刷後放置時間短縮合金融合速度速活性力制御抑制昇温速度慢慢化気泡排出挙動時発生飛散予備加熱温度抑制昇温速度万慢化基板部品汚染、吸湿管理他SMT不良事例錫球飛散他SMT不良事例錫珠(Side Ball)対策方法錫膏量過多調整鋼網開口面積内側部分CUT部品押圧時適正拡張SLUMP錫球流失防止2./秒以下対策方法

26、温度曲線調整印刷機 錫膏鋼網装着機回流機基板基板電子部品他不良原因内容位置精度印刷条件不一致酸化性能不良温度曲線予熱過多酸化酸化電鍍電鍍不良不良吸湿吸湿酸化他SMT不良事例現象対策観察呈濡引戻現象Au電鍍Ni電鍍他SMT不良事例L寸法長大視認外観判定安心感LAND長短Resist処理先端後切断電鍍没有濡不良、呈凹現象対策1.LAND L寸法短縮化2.鋼網開口寸法LAND寸法錫膏印刷0.3mm寄揚効果t以上t印刷機錫膏錫膏鋼網装着機回流機基板電子電子部品部品他不良原因内容気泡気泡抜性抜性能能性能性能不良不良温度曲線不一致吸湿電鍍電鍍不良不良他SMT不良事例気泡残渣発泡状態（紙基材基板実装）残渣中

27、多数気泡発生確認関連要素回流接合時基板内GAS放出回流接合時FLUX残渣粘性対策基板再加熱除湿、吸湿対策、吸湿保護樹脂膜etc錫膏FLUX（残渣)流動性向上基板材質変更他SMT不良事例濡引戻現象(DE WETTING)原因1.基板銅面有酸化皮膜(及Ni電鍍面)濡浸潤作用阻害、初期一次浸潤以降溶融合金、呈引戻現象観察呈濡引戻現象Au電鍍Ni電鍍1.基板吸湿酸化2.基板電鍍処理方法不適3.Au電鍍有PIN HOLENi電鍍酸化対策1.基板交換2.基板製造廠家変更他SMT不良事例現象対策電解Au電鍍剥離HG0.001.202.403.604.806.007.208.409.6010.80keVG08

28、0160240320400480560640720CountsNiLlNiLaNiKaNiKbAuMzAuMaAuMrAuLlAuLaAuLbAuLb20.001.202.403.604.806.007.208.409.6010.80keVH020040060080010001200CountsNiLlNiLaNiKaNiKbG： Au主体H： Ni主体濡不良Chip強度不足他SMT不良事例Au電鍍不良他MT不良金現象金電鍍的的電鍍欠陥部、硫化作用生成拡散金電鍍表面全面的被覆硫化物発生現象空気回流接合後、連接器端子金電鍍部変色発生窒素回流接合没有発生変色。原因推定中的臭化物及金電鍍表面処理剤中

29、、処理物質、是加熱中激烈反応、致変色推定。対策連接器廠家変更結果本問題解決。台湾廠家設計的SMT不良撲滅指針1.基板実装設計無修正化設計思考板取方向材質選定流方向指定熱伝導平衡部品重量配分部品配置位置、方向、LAND径部品電極径適正SIZE、LAND寸法、基準位置PATERN間隙、SILK分離帯、基板廠家品質調査、電鍍指定 最適錫膏、最適錫膏厚、理想体積 etc製造技術的不良撲滅指針1.基板組立製造技術検討DATA、KNOW-HOW設計基準化2.設備使用状態最高水準化及最高水準状態維持管理印刷機最適印刷速度、印刷圧力、版離速度最適化鋼網高精度品採用、洗浄頻度決定、収納時洗浄実施、洗浄布交換、設

30、備維修、清掃最適錫膏選定、攪拌基準、保管基準自動装着機装着手順、個別部品押圧設定、精度維持管理精度維持点検、定期点検維修実施、清掃、基板治具精度維持、etc回流機最適温度曲線検討、温度測定、槽内清掃実施etc無鉛合金接合不良対策結論(1) 回流式SMT接合不良化可能理由接合体積理想体積化可能定量化可能（重力方向）不良原因接合要素不平衡状態熱高低時間多少予熱過多予熱不足(錫膏)機能不足水分混入塗布量過不足 予熱不適部品（基板）酸化電鍍状態体積熱量材料濡特性合金(錫膏)酸化不純物混入残渣再付着不適合温度条件過流動最高度接合設計条件（基板配置部品配置材料）他最高度接合生産技術（温度時間方法作業搭載）極限低不良率、及無修正接合技術的達成10ppm以下無鉛合金接合不良対策結論() 界面剥離発生電気的接続不導通約錫球脱落問題電鍍不良剥離応力回流溶融後固化時発生剥離応力錫球量偏差大固体収縮応力発生量、時間差偏差大冷却速度不均一有温度差部品取付偏差大基板湾曲電鍍不均一落下衝撃冷熱試験短期破壊接合面積小化界面接合力低下界面金属間化合物電鍍汚損電鍍方法不適電鍍問題汚染没有金属間化合物相、是、呈均一組成形状汚染