はんだのボイドの原因と検査——BGA・パワー半導体で位置から原因を絞り、X線・超音波を選ぶ

この記事は、基板実装品やパワー半導体のはんだ接合部にボイドが見つかったとき、品質担当や設計者が原因をどこから絞り、どの検査を選び、何を外に頼めばよいかを扱う。発注書でボイドの基準をどう決めるかは基板実装の品質はどう指定するかで、X 線 CT の頼み方はX 線 CT 検査を外注するときで扱った。ここでは「なぜ出たのか」と「どう見ればよいか」に絞る。

まず、ボイドがどこにあるかで分ける

プリント配線板実装の BGA と LGA のボイドの評価を定めた JIS C 61191-6 は、ボイドを発生した場所で分類し、工程の是正処置につなげられるようにする、としている^[1]。実装後のボイドは次の 3 つのタイプに分けられる^[1]。

JIS C 61191-6 が対象にするのは、直径 10 µm から数百 µm のマクロボイドで、アンダーフィル（部品の下に流し込む樹脂）を備えた接合部やパッケージの内部の接合部には適用しない^[1]。また、実装前のはんだボールの中のボイドと実装後のボイドの間の因果関係はまだ明確になっていないとして、実装前のボイドには適用しない^[1]。一方、表面実装はんだ付けの要求事項を定めた JIS C 61191-2 は、マイクロビアなど設計に起因するボイドと、マイクロボイドやシャンペーンボイドのようなめっき工程に起因するボイドを除外し、その許容基準は当事者間で決めるとしている^[2]。どのボイドの話をしているのかを最初にそろえないと、仕入先との話がかみ合わない。

リフローで生まれるボイド：ガスが逃げ切る前に固まる

JIS C 61191-6 は、ボイドの発生原因として、ソルダペーストから抜け出す時間がなく閉じ込められたフラックスと、洗浄が不適切な基板上の汚染物の 2 つを挙げている^[1]。フラックスの揮発成分は、ソルダペーストに含まれるものか、手直しのために供給したフラックスのものである^[1]。閉じ込められた気泡と気化したフラックスが逃げ出すまでに時間の余裕がないと、リフローの温度プロファイルの温度が下がる領域で、溶けたはんだが固まるときにボイドになる、と規格は説明し、そのためリフローの温度プロファイルの設定が特に重要だとしている^[1]。

規格はさらに、ボイドの発生が、半導体デバイスや基板のランドの表面の汚れ、はんだボールとランドの間の金属間化合物、工程で除去できなかったフラックスの残さに起因するとも書いている^[1]。ビアインパッド（ビアの上に部品用のパッドを作った構造）では、基板のランドに供給したフラックスの中に閉じ込められた気泡や気化したフラックスが、はんだの中を通って逃げ出す形でボイドが出ると想定されている^[1]。

ここから、社内で確かめる順番が決まる。ボイドが基板の特定の場所や特定のランドの形に偏るなら、設計（ビアインパッドなど）か、その場所の温度の上がり方を疑う。基板全体にばらつくなら、ペーストのフラックス、リフローのプロファイル、基板の表面の状態を疑う。同じ部品の複数のボールの中だけに集まり、他の部品にないなら、部品側の問題を疑う。JIS C 61191-6 の参考の附属書も、一つの BGA ボールに複数のボイドがあり、同じ基板の他のボールにないような場合は、実装の工程より疑わしい部品の部品レベルでの抜取りをするのが望ましい、としている^[1]。

ボイドはどのくらい効くか

ボイドは、はんだ接続部の断面積を減らし、熱伝導と電気伝導の性能を下げるので、強度と機能を下げて信頼性に影響する可能性があり、小さいボイドもリフロー中に集まって大きなボイドに育つことがある、と規格は書いている^[1]。ボイドの大きさは、接合部の最大断面積に対するボイドの断面積の割合（ボイド占有率）で表し、例えば外径 300 µm の接合部に外径 50 µm のボイドがほぼ円形であれば、占有率は約 3 % になる^[1]。

JIS C 61191-6 の参考の附属書は、実験と解析から、ボイド占有率と疲労寿命の低下の関係を次のように示している^[1]。

この表の読み方には注意が要る。規格自身が、これは工程の是正の指示のための許容値ではなく、信頼性に対するボイドの影響の「最悪の場合」の可能性を示したものだ、と書いている^[1]。はんだ接合部の中の疲労亀裂の経路の近くにあるボイドだけが信頼性を下げ、亀裂の経路から離れた比較的小さいボイドは影響しない^[1]。ところが亀裂の経路は事前に分からず、X 線透視の二次元の評価ではボイドの縦方向の位置も分からないため、最悪の場合を考えるのが望ましい、という考え方である^[1]。Sn-Zn-(Bi) 系の値が緩いのは、亀裂が銅パターンとはんだの界面の近くを進み、ボイドと重なりにくいためと説明されている^[1]。

許容割合を発注書でどう決めるかは、JIS C 61191-2 が当事者間で合意する項目としており^[2]、決め方は基板実装の品質の記事で扱った。ボイドが原因で接合部のはんだ量が許容最小値を下回る場合は、JIS C 61191-1 で不適合とされる^[3]。

検査の方法を選ぶ

BGA と LGA のはんだ接合部のボイドの検出には X 線装置が必要で、X 線 CT 装置は高価だがボイドの検出と位置の認識に重要な装置となる、と JIS C 61191-6 は書いている^[1]。測定の条件と装置の性能でボイドの測定値は変わることがあり、正確に測るには既知のサンプルで校正する手順が要る^[1]。はんだを十分に透過する X 線の強さ（例えば管電圧 100 kV）が必要で、強さが足りない（例えば 40 kV）と接合部全体の影が出るだけでボイドは見えない、とも書かれている^[1]。X 線の画像では、ボイドは接合部の形の中の空洞として写る^[5]。

JIS C 61191-6 は、測定装置の性能の目安として、最大管電圧 120 kV 以上、分解能 2 µm、最大幾何倍率 100 倍以上を挙げ、例えば直径 500 µm の接合部を測るなら 80 倍程度が望ましいとしている^[1]。試験機関の装置が目的のボイドを見分けられるかは、見積の段階で確かめる。測定値の記録には、接合部ごとのボイド占有率と X 線透視画像を残すことが望ましいとされる^[1]。

パワー半導体の部品の下：広いはんだ面は超音波で見る

パワーモジュールのようにチップや基板を広い面ではんだ付けした部品では、ボイドや剥離が熱の逃げ道をふさぐ。九州大学応用力学研究所の技術報告は、通電による加熱と冷却の繰り返しで異種材料の接合部に応力がかかり、はんだのクラックやボンディングワイヤの剥離が起き、電気抵抗や熱抵抗の増加の要因になると書いている^[4]。同じ報告は、劣化の度合いの指標として熱抵抗を使い、超音波顕微鏡で非破壊・非接触ではんだ部を観察した^[4]。超音波は材料の境目や剥離・ボイドで反射し、空洞は周囲との密度差が大きいので強い反射として白く表示される^[4]。材料ごとの音速と時間から深さを計算できるので、部品の構造（材料と厚さ）が分かっていれば、どの深さの像かをおおよそ判定できる^[4]。

この報告では、50 MHz のプローブでは明瞭な像が得られず、その理由は表面の封止ゲルのためと考えられている。25 MHz に下げると深い領域まで観察できた^[4]。周波数が低いほど深くまで届くが解像度は下がる^[4]。外に頼むときは、部品の断面構造の図（各層の材料と厚さ）と封止の有無を渡すと、試験機関がプローブと見る深さを決めやすい。熱抵抗が上がっている疑いがあるなら、発熱と放熱の側の切り分けは発熱の原因と放熱の手が近い。

社内で切り分ける手順

1. どのタイプのボイドかを決める
ボールの中か、部品側か、基板側か、平らな小さなものか、設計による空間か^[1][2]。X 線透視で位置が分からなければ、代表の 1 個だけ CT か断面で確かめる。

2. 基板の中での分布を地図にする
部品ごと、ランドの形ごと、基板の場所ごとにボイドの出方を数える。偏りがあれば、設計か温度の上がり方を疑う。

3. 部品のロットを分けて見る
一つの部品にだけボイドが集まるなら、実装より部品を疑う^[1]。受け入れた時点の部品を X 線で見ておく。

4. 工程の変更を確かめる
ペーストの銘柄とロット、リフローのプロファイル、基板の表面処理、手直しの有無に、ボイドが増えた時期の前後で変更がないか^[1]。

5. 比べる相手を残す
ボイドの多い品物と少ない品物、変更前と後の品物を手元に置く。外に頼むとき、比べる相手がないと原因が言えない。

外に頼むときに渡すもの・受け取るもの

順番は、壊さない検査を先に、断面は後にする。断面の頼み方は断面観察の依頼で決めることで扱った。ボイドが割れの起点になっていないかを知りたいなら、はんだクラックの原因の見分け方と合わせて、温度変化試験での再現まで計画する。原因調べ全体の段取りは故障解析を頼むときが近い。

どの検査から始めるか迷うなら、ボイドの出方を見せて相談を→ 相談する

よくある質問

ボイドをゼロにすることはできますか

規格は、ボイドの除去か少なくとも低減がほとんどの場合に望ましいとしつつ^[1]、許容割合は当事者間で合意する項目としている^[2]。ゼロを条件にすると、測る装置の性能で合否が変わってしまう。どの大きさ以上を数えるかと、許容の値を一緒に決める方が現実的である。

試験機関によって占有率の値が違います

測定の条件と装置の性能で測定値は変わることがあり、校正の手順が要る^[1]。X 線の強さや画像処理の条件、接合部の外形の取り方で値が動く。比べるときは、同じ装置・同じ条件で良品と不良品を測ってもらう。

占有率が 20 % 未満なら問題ないと考えてよいですか

言えない。表の値は最悪の場合の寿命の低下の目安で、工程の許容値ではない^[1]。どの値なら製品として許すかは、製品の使われ方と求める寿命から決め、取引先と合意する^[2]。

まとめ

はんだのボイドは、ボールの中・部品側の界面・基板側の界面のどこにあるかで分類し^[1]、設計やめっき工程によるものは別に扱う^[2]。主な原因は、リフローで逃げ切れなかったフラックスの揮発成分と表面の汚れで、温度プロファイルの設定が特に重要とされる^[1]。検査は X 線透視が基本で、位置は CT、広い接合面は超音波で見る^[1][4]。占有率と疲労寿命の関係は最悪の場合の目安で^[1]、許容値は取引先と合意する^[2][3]。

出典・参考資料

1. JIS C 61191-6:2011 プリント配線板実装－第 6 部：BGA 及び LGA のはんだ接合部のボイド評価基準及び測定方法（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧）
2. JIS C 61191-2:2020 プリント配線板実装－第 2 部：部門規格－表面実装はんだ付け要求事項（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧）
3. JIS C 61191-1:2021 プリント配線板実装－第 1 部：通則－表面実装及び関連する実装技術を用いた電気機器・電子機器用はんだ付け実装要求事項（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧）
4. 中野智「超音波顕微鏡を用いたパワーモジュールはんだクラックの観察」（九州大学 応用力学研究所 技術室）
5. 寺本篤司ほか「はんだバンプに発生した微小ボイドの自動検出」（電気学会論文誌 D 126 巻 11 号／2006 年）

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