ボイドとは

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ボイドとは、はんだや樹脂の接合部の中に残った空隙です。 接合部の表面が整っていても、内部に空隙が残っている場合があります。空隙は熱と電気の通り道を細くし、後の加熱で大きくなるので、3D積層では積む段数がそのままボイドの成長と検査の難しさに効きます。減らす対策も見つける検査も、それぞれ別の負担と引き換えです。

ボイドは接合の断面を削り、熱と電気の通り道を細くする

接合部の断面と通り道

外形の大きさが同じ接合部でも、中の空隙のぶんだけ熱と電気が通る断面が細くなります。

はんだ接合部内の空隙であるボイドについて、弘輝は発生要因に気泡、はんだ不濡れ、気泡排出不良の3つを挙げています¹。同社はボイドを6つに分類しています。はんだ組織中のボイド、はんだ不濡れによるボイド、はんだ接合界面近傍のボイド、マイクロビア部のボイド、ピンホール（ブローホール）、カーケンダルボイドです。

効いてくるのは断面積の減少です。弘輝によると、ボイドははんだ接合部の断面積を減らすため、熱伝導性能と電気伝導性能の低下を引き起こします¹。接合強度と機能も下がり、接合の信頼性に影響する懸念があるため、発生を可能な限り抑えた低ボイド実装が望ましいとされています。

チップが生んだ熱は、はんだの金属を通って基板へ流れ、電流も同じ道を通ります。空隙のところではその道が途切れるので、外観の大きさが同じ接合部でも、中に空隙が広がっているほど熱と電気が通る実質の断面は細くなります。ダイボンディングやアンダーフィルのように面で受け持つ部位ほど、この差が響きます。断面積が減ると悪化する指標が熱抵抗です。

内部実装で残った空隙は、後の加熱で育つ

積層のたびに再加熱される接合部

最初の接合で残った小さな空隙は、2段目を積む加熱、基板へ実装する加熱のたびに大きくなります。いちばん下の接合部ほど、加熱される回数が多くなります。

弘輝によると、モジュールメーカーが部品の内部実装を行う場合、そのモジュール部品は客先で再びリフローに投入されます。内部実装の際に発生したボイドが、その後のリフロー加熱で成長し、接合信頼性に影響する懸念から²、低ボイドが求められています。放熱特性を持たせたパッケージ部品の採用が進む中で、はんだ接合部のボイドが放熱特性に影響するという懸念からも、低ボイドが要求されています。

3D積層では、積層するほど加熱の回数が増えるため、この問題がより大きくなります。1段目を接合し、2段目を積み、できたパッケージを基板に実装するたびに、いちばん下の接合部は加熱されます。1回目に残った小さな空隙が、2回目、3回目の加熱で成長します。ボイドが歩留まりを直接決める例もあり、Adeiaのハイブリッド接合の試作では、電気歩留まりの損失のほとんどがボイドと相関しました。

超音波は空隙の境界で大部分が反射し、厚さ5nmの隙間を検出した例もある

超音波検査では、水などの液体を媒体にして固体へ超音波を伝え、内部で反射源となるボイド、剥離、クラックからの反射信号（エコー）を計測します³。音波は伝わる途中で徐々に減衰し、音響インピーダンスが急に切り替わるところで一部が反射して戻ります。物質が連続している部分ではゆっくり減衰しながら伝わり、空隙などでつながっていないところでは境界面で大部分が反射します³。そのため非常に薄い空隙にも反応し、日立パワーソリューションズは厚さ5nmの隙間も明確に検出できたとしています。

X線検査とは測る量が異なります。日立パワーソリューションズによると、超音波検査は音波の伝播経路の性質や距離の差を測るため、経路上の材質や密度の差と内部の連続性が分かります。X線検査は透過経路でのX線の吸収量の差を測るため、部品形状の観察が得意ですが、部品どうしが接していても多少離れていても同じ像になります。同社の比較表では、剥離の検出は超音波が◎、X線が×、X線CTが△で、厚みのあるボイドは超音波が◎、X線が○、X線CTが◎です。

同社の事例には、積層に近いものもあります。チップ2段構造のスタックドICパッケージでは、上下のチップに挟まれたダイアタッチフィルムの剥離を映像化しています。CSPでは、アンダーフィルの剥離とボイドの評価に有効で、バンプ間と周辺部までボイドの有無を観察できるとしています⁴。IGBTをはじめとする部品の接合部ではインライン検査に使われています。貼り合わせウェーハでは、条件によって10μm径の未接合部も検出できるとしています。

周波数を下げれば深く届き、上げれば細かいものが分かる

周波数と届く深さ・分解能

低い周波数は最下段の接合部まで届きますが、微小な空隙は見分けにくくなります。高い周波数は微小な空隙まで分かる代わりに、届く深さが浅くなります。

超音波が物質内を伝わる透過力と分解能は、周波数に対して相反する関係にあります³。周波数を下げると深いところまで音が届いて反射も返ってきますが、微小なものは分かりません。周波数を上げると細かいものが分かる代わりに、音の届く深さが浅くなります。そのため、検査対象に合わせて周波数を選ぶ必要があります。

ビーム径にも同じ関係があります。日立パワーソリューションズは、ビーム径70μmでは解像度を測るためのパターンがぼやけ、近接したパターンの分離も困難ですが、ビーム径8μmでは理想的な条件下で10μmピッチのパターンを独立したパターンとして認識できる場合があるとしています。

積層で困るのは、この2つが同時に効くためです。段を増やすほど、いちばん下の接合部は表面から遠いところへ移ります。深さを取れば微小な空隙の判別が粗くなり、細かさを取れば届く範囲が上の層までになります。TSVやハイブリッドボンディングで段数を増やす計画は、検査の届く範囲の計画とセットで進むことになります。

減らす方法は2種類で、どちらも別の負担を増やす

ボイドへの対策は、気泡の発生源を材料と濡れ性で減らす方法と、発生した気泡を減圧や還元ガスで抜く方法の2種類です。弘輝は、はんだ溶融時に発生する気泡量を減らす、はんだ濡れ性を向上させる、はんだ溶融時の気泡の排出を促進する、などの対策でボイドを低減できるとしています¹。どちらを強めても、洗浄、材料コスト、装置の温度範囲といった別の負担が増えます。ボイド率の目標値は、これらの負担との兼ね合いで決まります。

印刷の設計も効きます。AIM Solderは、裏面電極部品（BTC）の下のボイドについて、ペーストを塗る面積の割合よりも、ステンシル開口の設計に強く左右されたとしています⁵。

弘輝によると、リフローの雰囲気は大気とN2が主流でしたが、低ボイドの要求が強まるにつれて真空雰囲気を選ぶ例が増えています。千住金属工業の真空N2リフロー炉SVR-625GT-Cは、独自の真空制御によるボイドの低減と飛散の抑制、最高380℃までの温度設定によるパワー半導体向け高温プロファイルへの対応を特長としています⁶。SVR-1040GT-PCは通常のリフロー炉としても使えるハイブリッド機で、真空ゾーンの加熱能力の向上と400mm幅の大型基板への対応を特長としています。

真空リフローでは、はんだが溶けている状態で減圧するため、フラックス飛散やはんだボールが発生することがあり、多いとリフロー後に基板洗浄を行う必要が出てきます²。弘輝は、真空リフロー用にフラックスを調整したソルダーペーストを使うと、飛散とはんだボールの発生を抑えられるとしています。

パワーデバイスの実装では、ボイドを極力抑えた接合部が要求されます⁷。従来ははんだ箔を使ったギ酸還元リフローで接合してきましたが、材料のコストが高いこと、柔軟なサイズ変更が難しいこと、部品を配置するための治具が必要なことが課題でした。弘輝は、ソルダーペーストに置き換えると材料コストを約50%削減できるとしています。一方、ロジンのような樹脂を含む従来のソルダーペーストは、加熱の途中で軟化して熱ダレを起こし、はんだ粉どうしの隙間が詰まるため、還元ガスであるギ酸ガスの浸透が妨げられます。弘輝は、予熱時にはんだ粉どうしを結合させて隙間を作る特許技術（予熱揮発法）でこれに対応しています。

よくある質問（FAQ）

ボイドとは何ですか？

はんだや樹脂の接合部の中に取り残された空隙です。弘輝は、はんだ接合部内の空隙をボイドとし、発生要因として気泡、はんだ不濡れ、気泡排出不良の3つを挙げています。

ボイドがあると何が起きますか？

熱と電気の通り道が細くなります。弘輝によると、ボイドははんだ接合部の断面積を減らすため、熱伝導性能と電気伝導性能の低下を引き起こし、接合強度と機能も下げて接合信頼性に影響する懸念があります。

ボイドには種類がありますか？

弘輝は6つに分類しています。はんだ組織中のボイド、はんだ不濡れによるボイド、はんだ接合界面近傍のボイド、マイクロビア部のボイド、ピンホール（ブローホール）、カーケンダルボイドです。

なぜ積層でボイドの影響が大きくなるのですか？

同じ接合部が何度も温まるためです。弘輝は、部品の内部実装で生じたボイドがその後のリフロー加熱で成長し、接合信頼性に影響する懸念があるため、低ボイドが求められているとしています。

ボイドはどうやって見つけるのですか？

超音波映像装置が使われます。水などの液体を媒体にして固体へ超音波を伝え、ボイド、剥離、クラックからの反射信号を計測します。音波は空隙の境界面で大部分が反射するため、日立パワーソリューションズは厚さ5nmの隙間も明確に検出できたとしています。

X線検査との違いは何ですか？

測っている量が異なります。日立パワーソリューションズによると、X線検査は透過経路でのX線の吸収量の差を測るため部品形状の観察が得意ですが、部品どうしが接していても多少離れていても同じ像になります。日立パワーソリューションズの比較表では、剥離の検出は超音波が◎、X線が×、X線CTが△です。

ボイドを減らす方法の欠点は何ですか？

洗浄の手間が増えることです。弘輝によると、真空リフローではんだが溶けた状態で減圧するとフラックス飛散やはんだボールが発生する場合があり、多い場合はリフロー後に基板を洗浄する必要があります。

比較・違いを学ぶ

アンダーフィルとは── 空隙が入ると保護の働きが落ちる樹脂
リフローとは── 気泡が生まれ、そして育つ加熱そのものです
熱抵抗とは── 断面積が減ると悪化する指標

出典

7件を表示

1
弘輝：低ボイドko-ki.co.jp a b c
2
弘輝：真空リフローko-ki.co.jp a b
3
日立パワーソリューションズ：超音波の基礎hitachi-power-solutions.com a b c
4
日立パワーソリューションズ：超音波検査の事例hitachi-power-solutions.com ↩
5
AIM Solder：Minimizing BTC Voidsaimsolder.com ↩
6
千住金属工業：リフロー炉senju.com ↩
7
弘輝：ギ酸還元リフローko-ki.co.jp ↩