半導体パッケージのイオンマイグレーションリスクと対策

半導体パッケージが抱えるリスクは年々複雑化しており、長期信頼性を確保するためには、事前にリスクを把握し対策を講じることが重要です。中でも、湿度や電圧ストレスが原因で発生する（イオン）マイグレーションのリスクは、見落とされがちな課題です。

この記事では、半導体パッケージにみられるマイグレーションの発生プロセスを整理するとともに、半導体パッケージにおけるマイグレーション試験の実例を紹介します。

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半導体パッケージの
マイグレーションとは？

半導体パッケージにおけるマイグレーションとは、主にパッケージ外部のIC端子間で金属めっき（特に銀：Ag）が腐食し、金属イオンとなって移動・再析出する現象です。この現象は、銀めっきが外部に露出していると特に発生しやすくなります。

主な発生プロセス

めっきに使われる銀は硫黄化合物ガス（SO₂など）に対して非常に腐食されやすく、イオン化しやすい特性を持っています。銀の表面に水膜がある状態で電圧が印加されると、表面の銀原子がイオンに変わって溶け出し、電位差に従って移動します。

銀イオンは陰極側で電子を取り込み、金属銀に還元され、再び銀が表面に現れます。これを繰り返してデンドライトが十分に成長すると、端子間に金属橋が形成され、短絡に至る可能性が高まります。

半導体パッケージの
マイグレーション試験事例

試験事例として、大阪大学接合科学研究所の「2021年度 次世代パワーデバイス用焼結型接合材料のマイグレーション性評価に関する研究」をご紹介します。本研究は次世代パワーデバイスに用いられる焼結型接合材料のマイグレーション性を評価し、耐性向上策の提言を目的に実施されました。

※参照元：大阪大学接合科学研究所[PDF]（https://www.jwri.osaka-u.ac.jp/~dpt3/images/news/report.pdf）

試験の背景・課題

次世代パワーデバイスは、カーボンニュートラル実現を背景に小型化・高温動作・高電流化が進展する中で、接合部の信頼性が大きな課題となっています。Agナノ粒子を利用した焼結接合材料は高耐熱性が期待されているものの、マイグレーションによる金属移動が断線・不良の原因となるリスクが懸念されています。

使用試験機と試験方法

本研究では、室温（20℃）および昇温環境（100℃）で一定の電流密度（6.7×10^3 A/cm^2）を印加し、0～120時間の試験を実施しました。試験サンプルに櫛形パターンを用いて、250℃で20分加熱する条件としました。

試験結果

20℃および100℃の条件下で、電流密度6.7×10^3 A/cm^2に一定印加した結果、72時間後にアノード側に明らかな突起（ヒロック）が観察され、マイグレーション現象が確認されました。96時間および120時間経過時にはヒロックの成長が進み、マイグレーションによる劣化が進行していることが示されました。

120時間後には、カソード側に大きな欠陥（ボイド）が発生。ただし、試験部（0.1 mm幅）の破断までは至らなかったため、接合材料の耐久性は一定の範囲内で維持されることが示唆されました。

半導体パッケージの
マイグレーションを起こさない
ために

半導体パッケージにおけるマイグレーションを防ぐためには、複数の観点から対策を講じることが重要です。設計段階では端子間に十分なクリアランスを確保し、封止構造の最適化を行います。耐湿性・耐腐食性に優れた材料や表面処理の採用が効果的です。

製造工程においては、クリーンな環境を維持し、洗浄と乾燥を徹底することで、表面汚染や残留物による劣化リスクを抑える必要があります。製品化を行う前に定量的な評価を行うことで、実際の劣化挙動を早期に把握することが可能です。

設計や製造工程の最適化には、半導体パッケージの絶縁信頼性や劣化モードを精密に評価できるマイグレーション試験が有用です。評価結果をもとに設計や材料の見直しを行うことは、パッケージ全体の長期信頼性を高める重要なアプローチといえます。

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