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2005年12月号
Yield Management
Pbフリーが脆性破壊の問題を明らかに
Laura Peters
＊　＊　＊　＊
　従来のはんだボールシェア試験やプル試験などのはんだ接合強度試験は、これまで業界に貢献してきたが、特に脆性破壊と呼ばれる欠陥に関連した基板とはんだの接合部の微細な欠陥を検知することにおいてはあまり効果がない。Pbフリーの導入に伴って、はんだと表面仕上げの構成により、脆性破壊はさらに明るみに出てきた。結果的に新しい設備と試験方法が必要となっている。
図1　標準のシェア試験でははんだボールそのものがせん断される結果となる(左)。脆性試験での成功例ではボールと基盤を二分し(右)、製品の信頼性を向上するために利用できる
　ほとんどの試験において、はんだボールは破壊するまでせん断されるか、もしくは引っ張られる（図1）。これは接合が少なくともテスト中に加えられた力と同じ強さを持つことを示す。しかし、このテストでは実際のボールと基盤の接合強度は分からない。
　米Dage Precision Industries社と米Sun Microsystems社は、半導体メーカーと共同で設立したコンソーシアムにおいて、製造プロセスの早期段階で接合強度の脆性破壊を試験する新しい接合テスト方法を開発した。そこでは有鉛、無鉛にかかわらずはんだの接合強度は歪みが増すにつれ上がるので、高速試験を検討している。高速試験では、はんだボールからボールと基盤間の接合へと力が移動し、接合の信頼性を検査する。18ヶ月のプロジェクトでDageは新しい接合試験装置を開発し、シェア試験やプル試験、試験速度などを含むさまざまなセットアップ要求で多様な試験を評価した。このような試験方法で異なった基板の仕上げ加工とはんだ合金の組み合わせを比較することも可能となる。
　高速でのシェア試験ではボールに接触するまでの加速距離が必要である。まずサンプルの基板に対して垂直な二つの外側の列以外を一掃する。シェアテストではボールに対するツールのアライメントが必要で、ツールが正常に着地し、プログラムされたシェア高さへと戻る。そして、サンプルをツールから加速距離へと動かしプログラムされた試験速度で加速し、ボールとツールへと接触させる。追突間の速度は一定である。
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　プル試験でも似たようなアライメント処理が行われる、この5ステップの処理では、まずテストツールのツィーザーを下げ、ボールを掴む。下降を続け、サンプルを起拱点に対して押しつけ、加速距離をおく。次にツィーザーは上方向に加速しサンプルのスタート高さへと戻る。サンプルの動きは固定的に突然停止し、ツィーザーは試験速度で動き続ける。最後にはボールは試験スピードでサンプルから引っ張られる（図2）。
　これらの試験では100μm/sec から4.0 m/secの範囲でシェア特性を計り、500μm/secから 1.3m/secの範囲でプル特性を計った。プル試験は低温バンププルプロセスにておこなった。これらの試験によって以下のことが分かった。
・ ツールの形やオフセットの機能として、シェア応力に大きな違いは無い
・ シェア強度、プル強度は試験速度と共に上がる
・ 界面はんだ接合破壊率はシェア試験、低温バンププル試験の速度と共に上がる
・ リフローとENIG（無電解Ni）めっき基板上のSnPbはんだの界面破壊発生頻度が高い結果となった試験では、その間の時間が短くなっている
・ ベアCuめっき基板上よりもENIGめっき基板上のほうがSnPbはんだの界面破壊が頻繁に起こる
　Dageは最近導入された高速接合テスター「4000HS」に向けてこれらの試験方法を開発した。業界は、高速シェア・プル試験の標準規格の策定に動いている。
図2　高速プル試験では、テストツールのツィーザーを下げ、ボールを掴む。サンプルを起拱点に対して押しつけ、加速距離をおき、試験速度で引き上げる

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