販売責任者 ダリン・ハイスターカンプ
SAFI-Tech, Inc.
はじめに
はんだ付けの技術は数千年の歴史がありますが、現在でも電子機器の組み立てに欠かせない要素であり、これなくして私たちの高度な電子機器は機能しないのです。はんだ付けは、現代では多少改良されましたが、はんだ合金を溶融状態まで加熱し、接点に熱を加えて導電性のはんだ接合部を形成することで実現されています。現在主流の錫-銀-銅系はんだ合金（SAC305）の場合、その処理温度は240℃〜260℃であり、そこに大きな問題がある。
次世代のエレクトロニクス製品を開発する設計者は、既存のフォーマットにとらわれない、より小型で、より機能豊富な新しいソリューションに対する消費者の要求に迫られています。この要求に応えるためには、より薄く、より軽く、より柔軟な新素材と、小型化・高密度化・高集積化された設計が必要です。残念ながら、そのような新製品は高温はんだ付けとは全く相性が悪いのですが、それでも機能するためにはフルメタル導電性はんだ接合の利点が必要です。
新しい過冷却はんだ付け技術
図1: 過冷却液体金属マイクロカプセル.
図2: 過冷却液体域を示す熱量測定グラフ。
SAFI-Techは、この問題を解決するために、SAC305を使用した新しい過冷却はんだ付け技術™を開発しました。過冷却は、液体から固体への相転移において、すべての材料が経験する現象です。SAFI-Techのマイクロカプセル化プロセスは、SAC305の過冷却液相をナノフィルムシェル内に安定化させ、この液相の有用性を合金の通常の凝固点よりかなり低い温度まで拡張する新しいフォームファクターを作成します（図1参照）。これにより、SAC305はこの拡張された液相領域全体に適用され、各製品設計に最適な温度で完全金属導電性はんだ接合を形成することができます（図2参照）。
この新しいはんだ接合技術は、部品や材料への熱的ダメージを回避し、熱膨張係数のミスマッチに起因する品質問題を軽減することができます。SAFI-Techの過冷却液体金属マイクロカプセルは微粉末であり、一般的なはんだペーストの処方に組み込むことが可能です。マイクロカプセル内の金属コアは液体であるため、シェルに作用した後、流れ出し、濡れ、合体し、固化してはんだ接合部を形成することができます。既存のソルダーペーストと同様に、ソルダーフラックスでシェルを溶かし、目的の温度で液体金属を放出することで対向する接点を接合することができます（図3参照）。
図3：はんだフラックスがマイクロカプセルの殻を溶かし、はんだ接合部を形成している様子。
製品デモの様子
SAFI-Techは、このSAC305を用いた過冷却はんだ付け技術を、BGA集積回路パッケージを低温でプリント基板に取り付けることで実証しています。BGAパッケージの高集積化に伴い、集積回路部品は高温のはんだ付けプロセスによって引き起こされる熱による動的な反りの影響を受けやすくなり、これが取り付け不良の原因となります。このデモのために、SAFI-Techは、通常のSAC305リフロー温度より60℃以上低い180℃の活性化温度を持つペースト処方とフラックスを試作した。これは、BiSn合金の低温はんだ付けが行われる領域と同じです。デモは以下のように設定された。
テストボード
- FR4 PCB
- ImmAg表面処理
- 電気テスト用コンタクト
印刷条件
- スチール製スキージ付きステンシル
- 直径480μmのアパーチャー
- 厚さ4mil
図4、図5は、回路基板上のBGAグリッドパターンにおけるペーストとステンシルの印刷特性を示している。
図4：試作した過冷却ソルダペーストのレオメトリー。
図5：BGAのグリッドパターンに印刷されたペースト
過冷却はんだ付け後のBGAコンポーネントの断面画像は、BGA SAC305はんだボールとSAFI-Techの過冷却SAC305はんだの間の良好な接合形成を示します（図6を参照）。BGAボードアセンブリは予備分析のためにSTI Electronicsに送られ、1000サイクルの熱衝撃（-40℃～110℃）後もすべてのBGA接合部は故障することなく導電性を維持しました。
図6：SAC305ボールを取り付けたBGAをFR4基板に、SAFI-Tech過冷却SAC305ソルダーペーストを用いて180℃ではんだ付け（通常のSAC305リフローは240～260℃）した例。
特に興味深いのは、この温度でSAC305で形成された望ましいCu6Sn5金属間化合物（IMC）層が明確に存在していることです（図7参照）。金属間化合物は、はんだ接合部の機械的強度と信頼性に重要な役割を果たします。一般的にIMC層は4μm以下が好ましいとされており、過冷却はんだのIMC層は2.5μmと測定されました(図8参照)。これは、従来のピークリフロー温度でSAC305を用いて形成された典型的なIMC層と非常によく似ている。
図7：金属間化合物（IMC）層を示すSAFI-Tech過冷却SAC305はんだ接合界面の断面図。
図8：2.5μmの金属間化合物（IMC）層のEDSラインマッピング。
さらなる発展
SAFI-Techは、過冷却SAC305の開発作業を続けており、この合金の0℃に近い過冷却液体状態を達成することを目標としています（図9を参照）。さらに、SAFI-Techの特許取得済みで特許出願中のマイクロカプセル化技術は、合金にとらわれません。さらなる開発により、産業界にとって重要な他の合金も、過冷却はんだ付け技術を使用して適用すれば、さらに有利になる可能性があります。
図9：SAFI-Techによる過冷却型SAC305マイクロカプセルの開発。
SAFI-Techについて
SAFI-Tech, Inc.は、プラットフォーム過冷却マイクロカプセル化技術の共同発明者であるマーティン・トゥオ教授とイアン・テビス博士によって2016年に設立されました。SAFI-Techは、エレクトロニクスの次の進化に向けて、導電性インターコネクトおよびメタライゼーション技術に新しいフルメタル・ノーヒートパラダイムをもたらします。「SAFI」は、クリーンまたはピュアという意味で、経済的・社会的にプラスの影響を与える新技術を市場に送り出すという当社の取り組みの指針となっています。
(本資料は、米国エネルギー省科学局 SBIR プログラム (賞番号 DE-SC0020704) の支援を受けた研究に基づいています)。 [This is automatically translated from English]
