Title of Technical or Application Note

VISHAY BEYSCHLAG
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ITorföalsf,löa
sopf
Application Note
チップ抵抗器の熱サイクリング安定性の増加
はじめに
この調査は、お客様の基盤に半田付けされた部品の熱機構
的安定性と、その部品の半田ペーストの相互作用影響に関
する調査です。
これはチップ抵抗器で示されるように3000回サイクルまで
の熱サイクリング安定性で半田と基盤の正しい選択に関連
した構成部品設計において専門的に最適化されることによ
って、熱サイクリング安定性に至ります。
導入
熱機構ストレスによって、熱サイクリングは大規模な破損
と、半田付けされた部品の完全な不具合になってしまうこ
とさえありえます。
Ceramic
CTE ~ 6,8 ppm/K
solder SAC
CTE~ 21 ppm/K
Cu CTE ~ 16,5 ppm/K
FR4 Board
CTE ~ 15,5 ppm/K
図1: 異なる部品の熱膨張係数 (CTE) の差
通常、チップ抵抗器のような部品は、温度サイクリングを
実施することにより、部品自身のいかなる老廃が観察され
る前から、故障は半田接合部分で起こりはじめます。
いろいろな研究において調査された半田接合部で、多くの
要因は、クラック普及を決定します。この研究は、しかし
ながら部品の様々な特性の影響に関心を持つような内容で
、半田ペーストと基盤設計を除いても、熱サイクリングの
頑丈さを強化することができまる、という結論にいたりま
した。
検証
異なるサイズと設置内容でのチップ抵抗器が基盤上に半田
付けされて、熱サイクリングが導入されました。半田接合
部の感染性を評価するために、クラックの長さを決定する
ために顕微鏡で断面図を見て、剪断力寸法と抵抗値ドリフ
トの測定値が同様に使われました。
テスト:
 基盤: FR4（4層および単一層）

温度サイクル条件: 温度レンジ -40～125 (℃),
滞留時間
30 分, 移動時間 10 秒未満, 500 ～
3000 回サイクリング
半田:
鉛フリー SnAgCu (SAC 405), INNOLOT..
リフロー条件:
標準鉛フリー版（大気条件）

断面図分析:クラックの長さ測定（不具合判定基
準＝クラックの長さが濡れ端子の50%未満である
こと）
強度テスト: IEC 60068-2-21 test Ue3に沿
ったアセ
pンブリを実施（合
否判定基準＝:
剪断強度が温度サイクル実施前の初期値の 50 %
未満に下がっていないこと）。
抵抗値変化: │∆ R/R│＜ 0.5 %が良品条件


1
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Revision: 28-Nov-12
NOTE

APPLICATION
材料特性（例えば熱膨張係数）の違いは、熱機械ストレス
（図1）を引き起こすことがあります。このストレスは塑
性変形および「クリープ現象（時間とともに変形が増大し
ていく現象）」に発展していく可能性もあり、そして半田
接合部の漸進性退廃により、結果的に図2で示す疲労性ク
ラック形成を形成してしまいます。
図2: 熱疲労クラック構造（鉛フリー端子 SnAgCu- RR
1206 半田、-40°C/125°C/2000時間温度サイクリング経
過後）
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チップ抵抗器の熱サイクリング安定性の増加
結果
60
SAC 405
mean shear force [N]
50
基盤設計への影響
熱サイクリングの影響は、半田パッド、位置、基盤の材質
、および基盤の層数に依存して極めて異なる影響が出まし
た。図3は、2000サイクルの後で異なる基盤の上でRR
0603チップ抵抗器に関するクラック構造の違いを表します
。単一層基盤においては、クラックは半田の隙間で見える
だけですが（図3の左側）、多層基盤においてクラックは
フィレットを通じて既に伝わっています（図3の右側）。
明らかに、この差は単一基盤の、より大きなPADサイズに
よるものと考えられることができますし、それは
より高い半田量によるはっきりとしたフィレットの形成に
つながり、結果的により高い抵抗温度係数で頑丈になりま
す。
INNOLOT
40
30
20
10
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
no. of Cycles
図４: RR 0603 チップ抵抗器,
3000回温度サイクリングまでのSACとINNOLOTの剪断力の比
較
図5: 0603 チップ抵抗器の断面図, 1500回温度サイク
リング（左側：SAC半田, 右側： INNOLOT半田）
図3: 2000サイクル後のRR 0603 チップ抵抗器
（ SAC半田）
他方、3000回サイクルの後でさえ、図6に10ΩRR
0603抵抗器で示されるように、抵抗値（∆ R/R）の変化は低いで
す（0.5%未満）。SACとINNOLOTの半田付けの差は、ごらんのとお
り微々たるものです。
0.25
APPLICATION
図4は、剪断強度結果の比較を表します。SAC半田のために
、プルダウン剪断力は、3000回サイクルの後で初期値の30
%に、連続的に減少します。一方で、INNOLOT半田の使用は
、サイクル数を完全なテストされた数の50%の合否判定基
準よりさらに上に剪断力を可能にします。より高い剪断力
は、半田におけるクラック構造の低い率を反映します（15
00回サイクルのテスト条件で、図5に示すとおり）。原因
は、標準的な無鉛SACはんだに対して比較した温度サイク
リング負荷の間のINNOLOT半田に対するマイナーな劣化で
あるように見えます。
0.2
dR/R [%]
NOTE
半田合金の影響 (SAC 対 INNOLOT)
SAC
InnoLot
0.15
0.1
0.05
0
1000
2000
2500
3000
図6:1500
0603, 10R チップ抵抗器:
3000回温度サイクリング、相対抵抗値ドリフト(∆ R/R)の測定結
果
2
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チップ抵抗器の熱サイクリング安定性の増加
INNOLOT半田のより高い強度にもかかわらず、部品の端子
インターフェース（Ni-Ag）の範囲内の剥離は、
（図6の2000回のような）高い温度サイクリング負荷の後
、2、3の見本で観察されることができました。
図7: RR 0603 チップ抵抗器
（2000回温度サイクリング後）
SAC半田では半田接合部内でクラック形成が見受けられ、I
NNOLOT半田では半田接合部では見受けられないが,
部品の端子接合部(Ni-Ag)で部分的に剥離が観察された 。
APPLICATION
NOTE
これらの違いの元は何でしょうか？SAC半田が使用された
状況下では、熱膨張係数によって誘発されたストレスは、
半田接合部内でクラック構造を通して軽減されますが、IN
NOLOTはこれらのストレスに耐えますので、従って部品接
続部分は、次の表１に挙げるとおり、最も弱い関係になり
ます。またINNOLOTペーストには、リフロー半田付けプロ
セスの間ボイドを生成するような顕著な傾向があります。
以下の表１で、SAC
405とINNOLOT半田付けの利点と欠点を質的にまとめます。
SOLDER
Crack formation
(stand off, fillet)
Delamination
in compnent's
interfaces
Voiding
SAC 405
o
+
+
INNOLOT
++
o
o
Key: ++ excellent
+ good
o ok
部品への影響その１～電気めっきプロセス～
今までは、温度サイクリングでの頑丈性における部品の影
響に関して、あまり詳細は調査されませんでした。この調
査で発見した部品のサイズと位置の他に、部品の電子メッ
キ端子は温度サイクリングの頑丈性に非常に影響を及ぼし
ます。1つの重要な信頼性に対する懸念は、半田接合部の
ボイドの形成です。一般に、これらのボイドの拡張性は、
主に半田ペースト（有機フラックス）の種類とリフロープ
ロファイルの正しい選択で決定されます。通常、ボイドは
半田ペースト溶媒また半田流動（例えばH2O（NH3））の反
応製品から発生します。その上、リフロープロセスの間、
すべての結合を含んだメッキ・スズ端子の全体は、半田接
合部に分解されます。半田接合部（特に半田の隙間の）の
熱機械特性は、部品のスズ端子とそのスズ端子の電気化学
的な付着物の詳細にも、自然に影響を受けます。好ましく
ない条件（例えば、光沢スズを使用して高電流で付着した
メッキの組合せ）は、早期の疲労不具合につながるといえ
ます。図8は、500回温度サイクリングの後で1206のチップ
抵抗器の電気メッキ条件の極めてよくない例を表します。
明らかに、スズ端子のメッキにおける光沢度合いは高く、
すなわち異物（構造はSnOx、H2）の取り込み、これは半田
結合部における新たなボイドにつながります。
図8:
RR 1206 チップ抵抗器の断面図
（500回温度サイクル）、SAC/ニッケル・スズ端子
これは、図9の中でも示されます。Ｘ線像は、理想的な半
田付けリフローを行った2つの部品を示しますが、しかし
ながら、スズ端子上では異なる付着状況です。
- poor
表１: SAC とINNOLOT半田アロイの利点と欠点
CR 1206 component a
CR 1206 component b
図9: X線像:
3
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チップ抵抗器の熱サイクリング安定性の増加
温度サイクリングの後の剪断力への電解質化学の影響は、
図8の中で示されます。1000
回温度サイクリングの後,
100%スズの電解質は、蛍光電解質の剪断強度の2倍を成し
遂げることができます。
図11）で、この全体的なより頑丈で固有の剪断強度のため
、合金をはんだ付けしてください。（図11）
CR 0603 shear strength after TC
for different Sn -bath chemistries
shear strength [%]
100
80
60
0 Cycles
1000 Cycles
40
1500 Cycles
20
0
chemistry E
(bright tin)
図10:
chemistry T
(matt tin)
RR0603チップ抵抗器の剪断強度
図11:層のスタック
以下の表に利点と欠点を要約します。
Tin
termination
type
Solderability TC stability Voiding
Whisker
Matt tin
+
+
+
o
Bright tin
+
o
o
-/o
o ok
- poor
Key: ++ excellent
+ good
表２: 比較表（100%スズと光沢スズ）
APPLICATION
NOTE
部品への影響その２～端子設計～
部品端子の設計は、温度サイクリングの安定性にかなり影
響を与えることができます。応力および温度サイクリング
に耐える能力を改善している重合構造を持つ端子で満たさ
れている銀で、多層セラミックコンデンサ(MLCC)は成り立
っています。この設計概念をチップ
抵抗器に適用するとき、温度サイクリングの後半田接合部
のクラック構造の決定的な縮小は、SAC半田付け部品のた
めに成し遂げられることができます。熱機械ストレスは、
この粘弾性層によって部分的に吸収されます、このように
、半田接合部の初期状態での荒廃を防止します。図9は層
のスタックを表します、INNOLOT半田付けも、この設計手
法を使ってさらに改善を提供しますが、より小さい範囲（
図12: RR 0603 チップ抵抗器の剪断強度
（温度サイクリング後）
部品への影響～その３～: サイズと位置
温度サイクリングの安定度、すなわちすなわち初期の疲労
クラック構造に対する頑丈さは、部品のサイズにも依存し
ています。部品と基盤の間で適合しない熱膨張係数の影響
は部品の端子から端子への距離によって拡大されるために
、大きめの部品はクラックが発生しやすい傾向にあります
。より小さな部品は（0406のようなフットプリントでは）
、非常に高い温度サイクリングの安定性を成し遂げます。
図12は、温度サイクリングの後で0406と1206の剪断強度の
4
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チップ抵抗器の熱サイクリング安定性の増加
比較を表しまして、そしてそれは明らかに、0406抵抗器の
長所を表します。INNOLOT半田を使って、3000回サイクル
の後、0406抵抗器はまだ最初の剪断強度の76%を保持しま
す。ところが、1206抵抗器は、その初期値の30%以下に落
ちました。
図14: 部品サイズと定格電力の相関関係
まとめ
図13: 0406と1206チップ抵抗器の比較
（温度サイクル後）
熱サイクリングの頑丈性がアプリケーションで必要とされ
るときはいつでも、小さい部品サイズは大きな利点を提供
いたします。一方で小さな部品の消費電力とパルス負荷容
量は非常に低いです。
これらのトレードオフは、長辺端子のRR
0406チップ抵抗器を使用することによって、軽減すること
が可能です。この比較的大きな
コンタクト面積は（それはヒートシンクとしても役立ちま
す）、300 mWの電力定格の部品として寄与して、これはRR
1206チップ抵抗器に近くなります。しかしながら図12で示
されるとおり、温度サイクリングの頑丈性は極めて良くな
ります。実際、後者が最高3000回の熱サイクリング（図13
）に耐えて、それはRR 0603とRR 0402チップ抵抗器の間で
落ちます。
～基盤設計～
PADサイズの増加が、改善された頑丈性をもたらします。
～半田合金～
INNOLOTはSACより高い熱サイクリング数を支えます。しかし、接
触する隣接したインターフェースは高い熱サイクリング数で失敗
する場合があります。
～スズ電気メッキ～
プロセス状況は最適化される必要があります、そして、望ましい
100%スズの化学反応が適用されなければなりません。
～コンタクト設計～
SAC合金は半田接合部のパフォーマンスは、重合接触を適用する
ことによって大幅に向上することができますが、INNOLOT半田の
ために、この設計は、マイナーな改善だけを提供します。
～部品の形状～
より小さいほどよりよく、長辺端子（例えばサイズ0406）は、電
力定格と温度サイクリングの頑丈性に対して最適な組み合わせを
提供します。
NOTE
APPLICATION
チップ抵抗器の熱サイクリングの頑丈性の重要な改善は、以下の
規則を適用することによって達成できます：
5
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