【ホワイトペーパー】半導体製品のはんだ付け性に及ぼす長期保管の影響について

A Rochester Electronics White Paper 半導体製品のはんだ付け性に及ぼす 長期保管の影響について Rochester Electronics, Ltd. 日本営業本部 170-6011 東京都豊島区東池袋 3-1-1 サンシャイン 60 ビル 11 階 +81.3.6709.2630 / www.rocelec. jp

はじめに 今日の消費者主導の電気製品市場では、多くの製品の耐用年数が制限されており、電子部品メーカーは 製品のライフサイクルを短縮する方向に進んでいます。しかし、半導体製品に対して、より長いライフ サイクルが要求される産業分野がいくつかあります。 産業、自動車、医療、航空宇宙、及び防衛などの分野では、アプリケーションのライフサイクルが 30 年 以上に及ぶ場合も少なくありません。その結果、これらのアプリケーションのライフサイクルを維持す るためには、継続的な部品供給が不可欠となります。 そのため、多くの半導体製品において、製造中止後も長期間の保管が求められています。 半導体製品の長期保管が必要な場合、適切な条件下で保管された半導体製品が市場において信頼できる ものであると、お客様が確信できることが重要です。品質と信頼性の重要な指標のひとつに、はんだ付 け性があります。 このホワイトペーパーでは、半導体製品のはんだ付け性が及ぼす長期保管の影響について考察します。 保管されている半導体製品の品質について 品質と信頼性は重要な懸念事項ですが、長期間保管についてもそれらと同様に、重要となります。 しかし、半導体製品の安全な保管期間はどの程度なのでしょうか？ オリジナル半導体メーカー(OCM)は、製品仕様を保証する期限の指標として、デートコードを使用し続け ていますが、実際には、指標とするデートコード以降でも、品質と信頼性を保持しておりますので、デ ートコードが超えたことによる影響はないようです。 事実上すべての製品は、メーカーが定めたデートコードを過ぎても使用することができます。 オリジナル半導体メーカー(OCM)及び多くの販売代理店では、半導体製品の在庫を引き渡すまで、数年か かる傾向にあります。しかし、ロチェスターエレクトロニクスは半導体製品を長期慣保存することに成 功し、1981 年以来長期使用されるライフの長いアプリケーションにおいて、製造中止によるサプライチ ェーンの対応をしてきました。 ロチェスターエレクトロニクスは、製造中止品(EOL)半導体(製造中止半導体とも呼ばれる)製品を、劣化 させずに何十年も継続的に供給する、オリジナル半導体メーカー認定の代理店として知られるようにな りました。 半導体製品のエンドユーザーにとっての懸念事項の一つが、「錫ウィスカ」です。 錫ウィスカは、数ミリから最大 10 ミリ程度まで成長することが確認されており、電気ショートを引き起 こし、半導体製品を組み込んだ機器を損傷させる可能性があります。 実は、ウィスカが発生する可能性がある金属は、錫だけではありません。他の金属でもウィスカが発生 することが知られています。 © Rochester Electronic , L td . 2

NASA(National Aeronautics and Space Administration)によると、「錫ウィスカのメカニズムについ て、受け入れ可能な説明が何一つ確率されていない」[1]。とし、数秒から数年の潜伏期間を経て、ウィ スカが成長することが報告されています。そういったことから、ウィスカの発生と製品寿命との間に、 直接的な関係はないといえます。 部品の品質や信頼性を測る指標の一つとして、長期保管後のはんだ付け性があります。 ロチェスターエレクトロニクスが認定された 70 社以上ある主要半導体メーカーの一つである Allegro MicroSystems は、最大 10 年間常温で保管した部品に対して「ウェッティングバランス」法に基づくはん だ付け性試験を実施しました。その結果、長期間の保管がはんだ付け性に影響を与えず、「防湿梱包さ れた状態での保管は十分すぎるほど適切である」と結論付けています。さらに、Allegro MicroSystems は、長期保管による半導体製品の酸化レベルは、部品のはんだ付け性に影響を与えないことを示しまし た[2]。 ロチェスターエレクトロニクスのもう一つの認定された主要半導体メーカーであるテキサス・インスツ ルメンツは、長期保管後の部品の信頼性に関する詳細な研究を発表しています[3]。彼らは、はんだ付け 性、走査型電子顕微鏡(SEM)外観、SEM スペクトル分析、光学顕微鏡、水分感度レベル(MSL)性能、脱キャ ップ/視覚などいくつかのテストを行い、倉庫環境で保管されていた半導体製品の保存寿命は 15 年以上 であると結論付けています。 ロチェスターエレクトロニクスのは 35 年以上にわたり、豊富な半導体製品在庫を持ち、経年劣化した製 品の品質に影響を与える主要な問題を理解することができるユニークな立場にあります。 長期保管製品のはんだ付け性の検討 ロチェスターエレクトロニクスは、長期保管した半導体製品を実使用する際の品質を判断するために、 業界標準となる、はんだペースト付き基板実装とリフロー製造プロセスを用意て、はんだ付け性の解析 を実施しました。 ロチェスターは、PCB 組立の経験が豊富な外部の組立委託会社のサービスを利用して、組立とテスト工程 を実施しました。この組立委託会社は ISO9001 の認証を取得しており、17 年以上の経験を有していま す。 この実験では、ロチェスターの在庫から無作為に選んだ、鉛フリーの表面実装製品を使用し、図 1 及び 図 2 に示すように、3 年から 16 年までの幅広い保管期間を有するさまざまな種類のパッケージが使用さ れました。 © Rochester Electronic , L td . 3

図 1：はんだ付け性試験で使用した半導体製品の保管期間 図 2：パッケージ種類別使用半導体製品数 © Rochester Electronic , L td . 4

本実験における工程詳細： まず初めに、鉛フリー表面実装パッケージのテープとリールのデートコードの異なる 57種類を在庫から ランダムに選択しました。各デートコードごとに、銅ベースの PC ボードに搭載するためのパッドレイア ウトを設計しました。各基盤には 57 の実装箇所(各デートコードごとに一つずつ)があります。 図 3：組立工程で使用する PCB 基板のレイアウト 組立委託会社にて、標準的な製造工程で片面基板 10 枚、両面基板 10 枚を組み立てました。 組立工程の概要は以下の通りとなります。 a. テープ＆リールから自動装填される製品 b. 使用したはんだは、鉛フリーOA アルファ 152996-1998 c. 57 個のデートコードのそれぞれを基板上に配置 d. すべての部品を基板上に設置し、基盤をリフロー炉で処理 e. 公称通電時間は 4 分 30 秒 f. 図 4 によりリフロー温度プロファイルを示す g. 基板はリフロー後、検査前に洗浄 © Rochester Electronic , L td . 5

図 4：はんだリフロー工程での温度プロファイル 結果： 製造工程が完了した後、すべての基板は製造委託先により業界標準の検査を受けました。 最終報告書によると、以下のような結果となりました。 • 各部位における X 線検査 o 欠陥は見つかりませんでした • IPC(Institute for Printed Circuits) CLASSⅡに準拠した SMT 検査 o 欠陥は検出されませんでした • 自動光学検査(AOI)は 3D プログラム最終基板検査 o 欠陥の懸念は検出されませんでした © Rochester Electronic , L td . 6

まとめ 最大で 16 年間、適切に保管された半導体製品の使用性を、部品のはんだ付け性から検討しました。 業界標準の PCB 製造工程と最先端の検査技術を持つ、外部組立委託会社のサービスを利用して分析を行 いました。 この分析では、複数のオリジナル半導体メーカーの完成品在庫から幅広いサンプルまで使用しました。 サンプルは、2005 年から 2018 年までのデートコードで、様々なパッケージ仕様、鉛数、さまざまなベー スメタル、最終鉛仕上げ(NiPdAu と純錫を含む)を選択しています。 これらの独自の試験により、長期間適切に保管された製品のはんだ付け性には、部品の経年劣化による 悪影響がないことが確認されました。 参考情報 [1] https://nepp.nasa.gov/whisker/background/index.htm [2] Allegro Microsystems, Application Information – “Handling, Storage, and Shelf Life of Semiconductor Devices”, Sep 2019. See: https://www.allegromicro.com/en/insights-and- innovations/technical-documents/general-semiconductor-information/semiconductor-handling- storage-shelf-life [3] Texas Instruments, Application Report – “Component Reliability After Long Term Storage”, May 2008 © Rochester Electronic , L td . 7