【ホワイトペーパー】今こそ知るべき、高信頼性電子部品実装への最新アプローチ

はんだリフロー実装､ペースト焼結の課題解決 今こそ知るべき､ 高信頼性部品実装への最新アプローチ 高信頼性部品実装の実現を目指す上で、避けては通れない問題。―― はんだリフロー実装分野や銀 ナノ、銅ナノペーストの焼結分野においては、解決しなければならない問題が残されています。そ れは「ボイド残留」と「フラックス残渣」です。今、高信頼性実装が要求される市場の増加を受け、 これまで以上にその重要性が高まっています。 嘉登 浩一 高信頼性実装が要求される 市場の増加 可能性が高いことから、鉄道各社、自動 ユニテンプジャパン株式会社 代表取締役 車メーカーが、ハイブリッド方式や電気 こ のままの状況が続くと、2050年 自動車などを市場に投入していることは には二酸化炭素（CO2）や窒化酸 ご存知だと思いますが、このことが、１ 物（NOｘ）などの、気候変動に大きな影 台あたりの電子部品数の増加につながる 響を与えると考えられている温暖化効果 だけでなく、電子部品実装の高信頼性を ガスの排出量が、大幅に増加してしまう 要求する一端になっています。 1 Improving the Packaging Reliability

宇 宙 航 空 研 究 開 発 機 構 できる中～大型機まで。電気エネルギーだ （JAXA）の取り組み けで飛行することができるようになるとい 宇宙航空研究開発機構(JAXA)でも、温 う壮大なプロジェクトです。 暖化効果ガスの削減を目指したプロジェ また、JAXAでは、2014～2015年にか クトが行われています。現在の主流であ け、多重化モーター等の独自技術を世界で るジェットエンジンに代わる『ピュアエ 初めて有人機（航空機用電動推進システム飛行実 レクトリック方式』による中～大型飛行 証『FEATHER』）で成功させており、ドイツ 機を飛ばすための取り組みです。 航空宇宙センター(DLR)とともに、電動推 従来のジェットエンジンがジェット燃 進技術に関する共同研究を行っています。 料を燃焼することで推進力を得るのに対 これは、国際民間航空機関(ICAO)、国際 し、ピュアエレクトリック方式では、電 航空運送協会(IATA)で推進している、 動モーターと推進ファンを組み合わせる 2050年に2005年度比でCO2排出量の半減 ことで推進力を得ます。 を目指す目標に呼応したもので、日本のみ ピュアエレクトリック方式による航空 ならず、米ボーイング社（12人乗りのハイ 機の実現には、まだまだ乗り越えなけれ ブリッド機『ZA10』を製造中）、欧エア ばならない技術的課題があるようですが、 バス社（ハイブリッド方式の実証機『E- いずれは小型機～リージョナル機へ。そ Fan』の試験飛行を2020年に予定）など、 して、最終的には貨物や人を運ぶことが 世界的な規模での動きとなっています。 また､米NASAでも、 1986年～2005年平均気温からの気温上昇 パラレルハイブリッド （産業革命前と比較する際は0.61℃を加える） 方式のSUGAR Volt、 シ リ ー ズ ハ イ ブ リッド式のSTRAC- ABL、及び全翼機 コンセプトのN3-X の各プロジェクト を推進するなど、 温暖化効果ガス削 減の動きはもはや 既定路線と言って 出典：環境省「COOL CHOICE 地球温暖化の現状」 も過言ではないで https://ondankataisaku.env.go.jp/coolchoice/ondanka/ しょう。 Improving the Packaging Reliability 2

人工衛星による宇宙利用 全な“自動運転車”の実現も視野に入ってき 私たちが普段の生活を豊かにするため ています。 に、様々な分野で活躍してくれているの もっと身近なもので言えば、気象庁の が人工衛星です。例えば、初めて訪れる 『ひまわり』もあります。明日の天気が気 場所であっても、カーナビシステムやス になったり、台風がどのあたりにいるのか マートフォンなどに搭載されている地図 を簡単に確認することができるのも、こう アプリケーションとGPSシステムを利用 した観測衛星からの情報によるものだとい すれば、日本国内だけでなく、世界中の うことは言うまでもありません。 行きたい場所に迷わず到着することがで 今、日本のみならず、世界各国で人工衛 きます。 星の打ち上げが盛んです。近年では国単位 日本が打ち上げた准天頂GPS衛星『み ではなく、民間企業の人工衛星打ち上げや ちびき』もそのひとつです。従来のGPS 活用も盛んになっています。超小型の人工 システムとは比べものにならないぐらい 衛星を利用することで、もっとピンポイン 高精度な位置情報を得ることができます。 トでの詳細情報を取得したり、大型衛星と こうしたシステムを利用することで、完 比較して機能がシンプルで小型ロケットで 3 Improving the Packaging Reliability

も打ち上げ可能な小型衛星を複数個、必 要なときに必要なだけ組み合わせて、大 型の災害が発生したときなど、機動力を 活かした人工衛星の活用も現実的な選択 肢になってきていると言えるでしょう。 ボイド残りが多い例 真空引き（減圧）を併用しボイドをなくした例 高信頼性部品実装の必要性 今までのお話のとおり、鉄道から始ま ボイド残留問題 り、自動車、飛行機、人工衛星と、高信 上の写真は、はんだ実装終了後のはんだ 頼性部品実装が必要とされる分野の急拡 内の様子をX線撮影したものです。白っぽ 大は言うまでもありません。どの分野で く見える部分が、フラックスの昇華残渣や、 も、電子部品実装の不良が起こり事故に 材料からの出ガス成分、また取り残された つながったり、必要な情報が得られなく 大気などにより生じた『ボイド』です。 なってしまったりすることは、最優先で 冷え固まったはんだの中に取り残された 回避しなければならないことです。 ボイドは、外観からは確認することが難し 電子部品の小型化、基板やはんだなど く、外観検査だけでは発見することができ の接合材料開発、及び接合プロセスの最 ません。そのため、そのまま良品として市 適化などを始め、各企業が得意とする分 場に出てしまうことも多いと言わざるを得 野において日々研究開発の努力を続けて ません。 おり、日進月歩で従来の問題点や課題解 そこで弊社の卓上型真空はんだリフロー 決が実現しています。しかしながら、は 装置では、バッチ式リフロー装置の特性を んだリフロー実装分野や銀ナノ、銅ナノ 活かし、はんだ融点温度以上の温度領域で ペーストの焼結分野においては、まだ解 チャンバー内の真空引き（減圧）を行い､溶 決をしなければならない問題が残されて 融中（液相）のはんだ内からボイドが外部 います。 に逃げやすくする方法をご提案しています。 ボイドが引き起こす様々な問題 1. 接合強度の劣化 → 部品外れ 2. 熱伝導の劣化 → デバイスの熱破壊 3. 接続電気抵抗の増加 → 性能不良 ボイドが残ったままになってしまうと、数々の問題を引き起こす可能性が高くなる Improving the Packaging Reliability 4

フラックス残渣問題 下の図は、フラックス入りはんだでリフ フラックス入りのはんだを利用した一 ローを行った後のフラックス残渣を洗浄に 般的なはんだリフローでは、フラックス より除去したものです。このように、フ が昇華する時に基板上のパターンや電子 ラックス残渣が完全になくなるまで洗浄を 部品の端子などに形成されている可能性 行うことができればほとんど問題になるこ がある酸化膜を取り除く効果や溶融中 とはないものと思いますが、フレキシブル （液相）のはんだ表面張力低減効果など 基板のように基板材質が変化したり、モ が期待されます。そのため、はんだリフ ジュール構造化などが進むことによって構 ロープロセスの各温度設定を正しく設定 造が複雑になってくると洗浄液が隅々にま することができれば、比較的簡単にはん で行き渡らない可能性が増加し、フラック だ実装を行うことができます。 ス残渣の心配を抱えることにつながりかね しかしながらフラックスを使用すると、 ません。 フラックスがはんだ面、基板表面、部品 水素還元によるフラックス 表面などに付着したまま、リフロープロ 残渣問題の解決 セスが終了してしまう場合があります。 これをそのまま放置してしまうとフラッ 水素還元方式は、比較的古くから行わ クスの腐食効果により、部品の脱落やは れている還元方式の一つです。 んだ部の接続不良など、様々な問題の原 水素還元方式では、リフロープロセス 因となる可能性があります。そのため、 実行時、まずチャンバー内の空気を真空 フラックス入りはんだを用いたはんだリ 引きなどにて空の状態にします。チャン フロー後には、フラックス残渣を除去す バー内に酸素が残った状態のまま高濃度 るための洗浄を行うことが一般的です。 の水素ガスを流入すると水素と酸素が反 左：フラックス残渣例 下：フラックス残渣の洗浄前後 洗浄前 洗浄後 5 Improving the Packaging Reliability

水素還元方式による酸化膜除去反応例 H2 H2 H2O H2O CuO CuO Cu Cu ギ酸還元方式による酸化膜除去反応例 HCOOH HCOOH H2O + CO2 H2O + CO2 CuO CuO Cu Cu 応し、爆発事故を起こす可能性があるた ギ酸還元方式の場合、基板のパターン上 めです。 に形成されている「酸化膜（CuO）」に 水素還元方式では、水素の還元効果を 「ギ酸ガス（HCOOH）」が触れることで、 早めるためにチャンバー内の温度環境を 酸化膜から酸素を奪い取る「還元」反応が 約300℃程度まで昇温する必要があるこ 起こります。この結果、酸化膜はきれいに とに加え、爆発の危険性があるため、比 除去された銅面となり、また一方で酸素を 較的大掛かりな装置構成が必要になりま 奪い取ったギ酸は、H2OとCO2に変化す す。しかしながら、フラックスがないは ることになります。 んだ材料を使用しても、きれいなはんだ この時に発生するH2Oは、大気に含まれ 濡れ性を確保することができるため、フ ている水成分よりも少ないため、チャン ラックス残渣に悩まされることから解放 バー内部がウェット状態になることはあり されます。 ません。H2OもCO2も元々大気中に大量 に含まれている成分ですので、環境を破壊 ギ酸還元によるフラックス 残渣問題の解決 することなく、クリーンなはんだリフロー を行っていただくことができます。 Improving the Packaging Reliability 6

フラックスを使用しないリ フローの可能性 ギ酸による還元はとても効果的です。 銅パターン上にある酸化膜から、効果的 ギ酸還元前 ギ酸還元後 に酸素を奪い取ることにより、酸化膜を 完全に除去することができますので、フ しかしフラックス残渣が発生してしまう ラックスレスはんだが容易に濡れ性を確 と、状況は一変します。時間の経過ととも 保できるようになります。酸素を奪い にフラックス残渣が、腐食や劣化を引き起 取ったギ酸（HCOOH）は、H2OとCO2 こす可能性があるため、フラックス残渣除 に変化して排気されます。H2OもCO2も 去のための洗浄工程が欠かせません。また、 大気中に存在している成分ですので、環 洗浄廃液の適切な処理などが必要になるこ 境を破壊することなく、「ギ酸還元リフ とを考慮すると、フラックスを使用しない ロー」を行うことができます。 リフロー方式が、いかに環境を考慮したプ フラックス成分は、はんだリフローに ロセスであるのか、容易にご理解いただけ とってとても便利な材料です。銅パター るのではないでしょうか。 ン上に酸化膜が存在していても、フラッ ギ酸還元方式が万能であるわけではあり クスがその酸化膜を破ってくれるので、 ません。しかしながら、フラックスを使用 温度プロファイル管理のみを行えば、比 したはんだリフロープロセスに問題を抱え 較的簡単にどなたでもはんだリフローを ているのであれば、十分に検討に値する技 行っていただくことができます。 術であると言えます。 ギ酸還元と水素還元の比較 比較項目 ギ酸ガス還元 水素ガス還元 参考 還元効果 ◎ 強い ○ ある程度 酸化還元温度 ○ 約150℃～ △ 約270℃～ ギ酸は低い温度で還元可能 ランニングコスト ◎ 安い △ 高い ギ酸は水素と比較して約1/4のコスト 危険度 ○ 比較的安全 ✕ 危険 対応はんだ ◎ 幅広く対応 △ 狭い 還元効果温度の関係で､利用可能なはんだが異なる 信頼性 ◎ 高い ○ 比較的安い ギ酸は低温で利用できるため､熱ストレスを低減可能 総合判断 ◎ 利用しやすい △ 利用しにくい 7 Improving the Packaging Reliability

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