はんだクラックの原因の見分け方——熱疲労・振動・一回の力を時期と場所で分ける

この記事は、電子基板のはんだ接合部に割れ（クラック）が見つかったとき、品質担当や設計者が原因をどこまで絞れるか、社内で何ができ、何を外に頼むかを扱う。はんだ付けの作業条件をどう直すかは実装する側の仕事なので深入りしない。実装を外に出している会社が、仕入先と同じ言葉で話し、再発防止の議論を進められるようにするのが目的である。基板実装の品質の決め方は基板実装の品質はどう指定するかで、温度変化試験の条件の書き方は温度サイクル試験・熱衝撃試験の指定で扱った。

まず割れ方を 3 つに分ける

はんだが割れたと聞くと「はんだ付けが悪かった」と考えがちだが、付け方が正しくても、使われ方で割れることがある。最初に、どの力が繰り返し、あるいは一度に加わったのかを分ける。

表は見当を付けるための目安で、決め手ではない。熱と振動が両方加わる車載機器のように、二つが重なって割れることもある。それでも、どちらの側から調べ始めるかを決めるだけで、外に頼む試験の種類と順番が決まる。

もう一つ、割れに見えて実は割れではない不良がある。はんだがもともと部品の電極や基板のランドにぬれていなかった場合で、使い始めから接触が不安定になる。この場合は使われ方ではなく、はんだ付けの工程や部品の電極の状態を疑う。鉛フリーはんだのぬれ性の試験方法は JIS Z 3198 の第 4 部にあり、JIS Z 3198 は第 1 部から第 7 部まで、溶融温度範囲、引張試験、広がり試験、ぬれ性、継手の引張・せん断、QFP リードの 45 度プル、チップ部品の継手のせん断の試験方法で構成されている^[1]。

熱疲労：材料の伸び方の違いが、はんだに繰り返し力をかける

電源の入り切りなどで温度が上下すると、部品と基板はそれぞれの線膨張係数で伸び縮みする。山梨大学の研究シーズの資料は、シリコンチップの線膨張係数を 2.62×10^-6/K、プリント配線板を 16.0×10^-6/K と示し、周辺材料の伸び方の違いによる変位のずれで、はんだ接合部が周期的にせん断の負荷を受けて熱疲労破壊すると説明している^[5]。二つの値の比は約 6 倍である。部品が大きいほど、部品の端と基板の伸びのずれは大きくなるので、同じ基板の中でも大きな部品から先に割れが進む、という見当が付く。

熱疲労の割れ方は、はんだの形でも変わる。チップ部品のはんだ接合部の割れの進み方をシミュレーションで調べた論文は、割れが部品の側面に沿って進む場合と、はんだのフィレット（すそ野）の中を進む場合があり、フィレットの中を進む場合に疲労寿命が大きく下がると報告している^[6]。同じ論文は、はんだの形と割れの進み方の関係を使って、信頼性の高い接合部の設計方法を示している^[6]。割れが見つかったら、割れの経路が部品の側面沿いかフィレットの中かを、断面で確かめてもらう価値がある。

はんだの形には個体差がある。福島県ハイテクプラザの研究報告は、16 サンプルのはんだ断面写真から形や配置の代表寸法を計測して統計的に整理し、解析モデルの設計値を 3 水準で決めたうえで、Coffin-Manson 則による寿命の予測を試みている^[4]。同じ報告で、そのはんだ部では銅リードの下で破断することが分かっていた、とも書かれている^[4]。報告の解析では、代表寸法の 1 つ（a 寸法）を変えたとき、予測した寿命のサイクル数が次のように変わった^[4]。

この数字はその報告の部品・形・条件での解析結果で、他の製品にそのまま当てはまるものではない。読み取ってよいのは、はんだの寸法が数十 μm 違うだけで、予測寿命が目に見えて変わる、ということである。不良品と良品で寿命が違ったとき、はんだの量や形のばらつきを疑う理由になる。

温度変化で再現できるか

熱疲労を疑うなら、温度変化試験で同じ割れが出るかを確かめる。JIS C 60068-2-14:2025 は、温度変化の試験として、規定時間で移し換える温度急変試験 Na、定速温度変化試験 Nb、二液槽温度急変試験 Nc を定め、試験の厳しさを低温・高温・移し換え時間・さらし時間・試験サイクル数の組合せで規定するとしている^[2]。どれを選ぶかと条件の書き方は温度サイクル試験・熱衝撃試験の指定に譲る。原因調べで大事なのは、割れた品物の実際の温度の幅と回数を見積もってから条件を決めることである。条件を厳しくしすぎると、市場では起きない壊れ方まで出て、原因が分からなくなる。

振動：揺れやすい振動数と、重い部品

振動で割れるときは、基板や部品がどの振動数で大きく揺れるかが効く。JIS C 60068-2-6（正弦波振動試験）は、製品規格に規定がある場合に、振動条件下の供試品の挙動を調べるため、規定振動数範囲で供試品の応答を検査する振動応答検査を定めている^[3]。耐久試験には、振動数範囲を掃引する掃引耐久試験と、振動応答検査で得た臨界振動数で行う固定振動数耐久試験がある^[3]。原因調べでは、まず応答を調べて基板のどこが、どの振動数で大きく揺れるかを知り、割れた部品の位置と重なるかを見る。重なれば、振動の側からの説明が有力になる。

社内でできるのは、割れた部品の位置を基板の図に書き込み、固定点（ねじ・支柱）からの距離と、部品の重さ・背の高さを並べることである。固定点から遠く、重く背の高い部品に割れが集まっていれば、振動の側を疑う。振動試験・衝撃試験の条件の書き方は振動・衝撃試験を仕様に入れるときで扱った。

一回の大きな力：組立・基板の分割・落下

ねじで基板を筐体に締めるとき、基板が反った状態で固定されると、近くの部品のはんだに力がかかる。基板を割って分ける工程、コネクタの抜き差し、落下でも同じことが起きる。この型は、出来事の直後から不具合が出ること、力のかかった場所に集中することで見分ける。

強さを比べたいときは、はんだ継手の強度試験を使う。JIS Z 3198-7（チップ部品のはんだ継手せん断試験方法）は、径 0.5 mm の圧子をもつせん断ジグを部品の中央に垂直に当て、ジグと基板とのすき間を部品厚さの 1/4 以下にし、ジグの移動速度を 5〜30 mm/min として荷重を加え、最大せん断荷重を測定値とする^[1]。あわせて、破壊位置がはんだの中か、界面か、部品部かを観察して記録するとしている^[1]。良品と不良品のロットで、強さだけでなく壊れた場所を比べると、はんだそのものが弱いのか、界面の接合が弱いのかが分かれる。

この試験の記録項目には、基板のランドと部品電極のめっきの有無と種類、はんだとフラックスの種類、はんだ付けの方法（加熱方法、予熱温度、はんだ付温度、保持時間、加熱・冷却速度）が並んでいる^[1]。比べるときは、この情報を良品と不良品でそろえて仕入先から出してもらう。条件が違えば、強さの差がはんだ付けの差なのか材料の差なのか分からない。

社内で切り分ける手順

1. 時間と回数を集める
出荷から割れが見つかるまでの期間、電源の入り切りの回数の見当、使われた場所（屋外・車載・空調のある室内）を集める。

2. 割れた場所を基板の図に書き込む
部品の種類・大きさ・重さ、固定点からの距離、発熱する部品の近くかどうかを並べる。

3. 同じ基板の同じ種類の部品を見る
割れた 1 か所だけか、同じ大きさの部品に広く割れの兆しがあるか。拡大鏡で見える範囲で確かめる。

4. 割れていない品物と並べる
同じロットで割れていない品物、別のロットの品物を手元に残す。外に頼むとき、比べる相手がないと結論が出ない。

5. 工程の変更を確かめる
はんだ、フラックス、部品の仕入先、基板の仕様、温度の条件に、割れた時期の前後で変更がなかったか。実装の仕入先に変更の記録を求める。

社内でできる対策の考え方

原因が熱疲労なら、部品と基板の温度の幅を小さくするか、伸びのずれを受けやすい大きな部品を基板の温度の偏りの少ない所へ動かす。はんだの形が効くので^[4][6]、はんだの量や形の管理を仕入先と取り決める。振動なら、基板の支持点を増やす、重い部品を固定する、揺れやすい振動数を使用環境の振動数から外す、が考え方になる^[3]。一回の力なら、組立の手順と治具、ねじの締め順、基板の分割の方法を見直す。どの対策も、効いたかどうかは同じ試験で確かめるまで分からない。対策の前後で、同じ条件の試験を比べる段取りを先に決める。

社内で手に負えないとき、外に何を頼むか

目視と社内の切り分けで決まらないときは、解析と試験を外に頼む。頼む中身は次のとおりに分かれる。

壊さずに見る方法の頼み方はX 線 CT 検査を外注するとき、切る位置の指定は断面観察の依頼で決めることで扱った。順番は、壊さない観察を先に、断面は後にする。断面は一度切ると作り直せない。割れの原因調べを全体としてどう頼むかは故障解析を外に頼むとき、試験の結果から寿命を見積もる方法は部品の寿命予測の方法で扱う。

頼む前に、何を決めたいのかを書いておく。「原因を知りたい」だけだと、試験は際限なく増える。「熱疲労か振動かを分けたい」「対策前後で寿命が延びたかを比べたい」のように、決めたいことを一文にすると、分析先も試験の組み方を提案しやすい。

よくある質問

温度変化試験で割れなければ、熱疲労ではないと言えますか

言えない。試験の温度の幅や回数が、実際の使われ方より穏やかなら割れは出ない。逆に厳しすぎると、市場とは違う壊れ方が出る。試験の条件を、使われ方の見積もりから決めているかを先に確かめる。

はんだを多く盛れば割れにくくなりますか

はんだの形が寿命に効くことは報告されている^[4][6]が、多ければよいとは限らない。割れの経路によって寿命の差が大きく出るので^[6]、どの形が良いかは部品ごとに確かめる。量を変えるなら、変える前後で同じ試験を比べる。

仕入先から「はんだ付けは規格どおり」と言われました

付け方が正しくても、使われ方で割れることはある。規格どおりかどうかとは別に、割れた場所と時期の情報を出して、熱・振動・一回の力のどれかを一緒に切り分ける。継手の強度試験の記録項目^[1]をそろえてもらうと、話が進みやすい。

まとめ

はんだクラックは、熱疲労・振動の繰り返し・一回の大きな力の 3 つに分けて調べ始める。熱疲労は材料の伸びのずれによるせん断の繰り返しで起き^[5]、はんだの形と割れの経路で寿命が変わる^[4][6]。振動は揺れやすい振動数と部品の位置の重なりで見る^[3]。社内では時間・場所・同種部品・比較品・工程の変更を集め、決まらなければ非破壊の観察、断面、温度変化試験^[2]、振動試験、強度試験^[1]を外に頼む。

あわせて、めっき不良の原因の切り分け、インバータのノイズ対策も参照してほしい。

出典・参考資料

1. JIS Z 3198-7:2003 鉛フリーはんだ試験方法－第 7 部：チップ部品のはんだ継手せん断試験方法（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧／2003 年 6 月 20 日制定・2023 年 10 月 20 日確認）
2. JIS C 60068-2-14:2025 環境試験方法－電気・電子－第 2-14 部：温度変化試験方法（試験記号：N）（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧／2025 年 8 月 20 日改正）
3. JIS C 60068-2-6:2010 環境試験方法－電気・電子－第 2-6 部：正弦波振動試験方法（試験記号：Fc）（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧／2010 年 2 月 22 日改正・2024 年 6 月 20 日確認）
4. 工藤弘行・矢内誠人「CAE を用いたプリント基板上のはんだクラックの解析」（令和元年度 福島県ハイテクプラザ試験研究報告）
5. 林丈晴「はんだ接合部の熱疲労寿命評価のための有限要素解析」研究シーズ（山梨大学）
6. Kanji TAKAGI ほか「Study on Reliability Design Method of Solder Joint on Chip Component（Crack Propagation Mode and Design Method of Solder Joint）」（エレクトロニクス実装学会誌 Vol.12 No.7／2009 年）

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