はんだクラックとは？温度サイクルで接合部が割れる仕組みと寿命

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お悩み

こんなふうに思っていませんか？

温度サイクル試験の途中で、チップ部品やBGAが導通不良になった
「はんだクラックですね」と言われたが、なぜ割れるのか説明できない
何サイクルの試験をすれば、市場で何年もつと言えるのか知りたい

この記事でわかること

はんだクラックが起きる仕組み（熱膨張の差と金属疲労）
はんだにかかるひずみと、試験サイクル数から寿命を見積もる計算
割れやすい部品・場所と、設計・製造・試験での対策

はんだクラックは、基板の故障の中でも、市場で時間がたってから起きる代表的なものです。出荷したときは問題なく動き、何年か使ううちに、ある日とつぜん電気がつながらなくなります。

この記事では、なぜはんだが割れるのかを、身近なたとえと具体的な計算で順番に解説します。試験の結果を読むときに見落としやすい点も整理します。

結論｜まず30秒でわかる答え

はんだクラックとは、部品と基板の熱膨張（温度で伸び縮みする量）の差によって、温度が上下するたびにはんだ接合部がずらされ、その繰り返しで起きる金属疲労によってはんだに亀裂が入り、やがて電気がつながらなくなる故障です。寿命は、温度変化の幅（ΔT）と繰り返しの回数で決まり、温度変化の幅が大きいほど急激に短くなります。

そもそもはんだクラックとは？

はんだクラックは、部品と基板をつないでいるはんだに、少しずつ亀裂（クラック）が入っていく故障です。亀裂がはんだを横切ってしまうと、部品と基板の電気的なつながりが切れます。

まず押さえたい5つの言葉

用語	かんたんに言うと
はんだ接合部	部品の電極と基板のランド（銅の足場）を、はんだでつないでいる部分
フィレット	部品の電極の横に、すそ野のように広がったはんだの斜面
熱膨張係数（CTE）	温度が1℃上がったときに、材料がどれだけ伸びるかを表す値。単位はppm/K（100万分のいくつ伸びるか）
金属疲労	1回では壊れない小さな力でも、何度も繰り返しかかることで金属に亀裂が入る現象
温度サイクル	「低い温度→高い温度→低い温度」の1往復。昼と夜、電源のオンとオフなどで起きる

たとえると

クリップの針金を思い浮かべてください。1回曲げただけでは折れませんが、同じところを何十回も曲げ伸ばしすると、ポキッと折れます。はんだクラックも同じで、温度が上下するたびにはんだが少しだけ曲げ伸ばしされ、その積み重ねで割れていきます。

POINT

つまり、はんだクラックは「大きな力で一気に壊れる」のではなく、「小さなずれが何千回も繰り返されて壊れる」故障です。だから出荷時には見つからず、使っているうちに起きます。

なぜ割れる？熱膨張の差が生む「ずれ」

はんだが割れるいちばんの原因は、部品と基板で「温度による伸び方」が違うことです。伸び方の違う2つのものを、はんだが間でつなぎとめているため、温度が変わるたびにはんだがずらされます。

材料ごとの熱膨張係数

材料	熱膨張係数の目安	使われている場所
シリコン	約3ppm/K	ICのチップ（半導体そのもの）
アルミナ（セラミック）	約7ppm/K	チップ抵抗の本体
FR-4（一般的な基板）	約13〜25ppm/K	プリント基板（値は材料や方向で変わる）

基板は、セラミックの部品やシリコンのチップより、2倍から数倍よく伸びます。具体的な値は、部品や基板材料のデータシートで確認してください。

1サイクルで起きていること

STEP 1　温度が上がる

基板は大きく伸び、部品は少ししか伸びません。部品の両端のはんだは、基板側だけ外へ引っぱられ、斜めにゆがみます。この「上下で横にずらされる」変形を、せん断（せんだん）と呼びます。

STEP 2　高温のあいだ、はんだがゆっくり変形する

はんだは融点が低いので、高温では少しやわらかくなり、力がかかったままだとゆっくり形が変わります。この変形を「クリープ」と呼びます。変形した分は、温度が戻っても元に戻りません。

STEP 3　温度が下がる

今度は逆向きにずらされます。はんだは、行きと帰りで反対向きに変形させられたことになります。

STEP 4　繰り返すと亀裂が入る

この往復が何百回、何千回と繰り返されると、はんだの中に小さな亀裂ができ、1サイクルごとに少しずつ伸びていきます。

注意｜ここで間違えやすい

温度サイクルは、外の気温だけで起きるわけではありません。電源を入れると部品が発熱し、切ると冷えます。これも温度サイクルです。発熱の大きいパワー部品では、電源のオンとオフの繰り返し（パワーサイクル）が、はんだクラックの大きな原因になります。

POINT

つまり、「伸び方の違う部品と基板」を「やわらかいはんだ」でつないでいる限り、温度が変わるたびにはんだは必ずずらされます。設計でできるのは、このずれを小さくすることと、ずれに耐えられる回数を増やすことです。

身近なたとえで完全理解：二人三脚のひも

はんだクラックは、歩幅の違う二人が二人三脚を続けたとき、足を結んだひもがすり切れていくのに似ています。

基板の上で起きること

よく伸びる基板
あまり伸びない部品
両方をつなぐはんだ
温度が上下するたびにずらされる
はんだに亀裂が入って切れる

二人三脚で起きること

歩幅の大きい人
歩幅の小さい人
二人の足を結んだひも
一歩ごとにひもが引っぱられる
ひもがすり切れてほどける

一歩だけなら、ひもは何ともありません。でも、歩幅の差が大きいほど、そして歩く回数が多いほど、ひもは早くすり切れます。

はんだクラックも同じです。熱膨張の差が大きいほど、温度変化の幅が大きいほど、そして繰り返しの回数が多いほど、早く割れます。

注意｜ここで間違えやすい

二人の距離が離れているほど、ひもは大きく引っぱられます。基板でも、部品が大きいほど（部品の中心から電極までが遠いほど）、はんだは大きくずらされます。大きなチップ部品やBGAの角が割れやすいのはこのためです。

POINT

つまり、寿命を決めるのは「歩幅の差（熱膨張の差）」「部品の大きさ」「温度変化の幅」「回数」の4つです。次の計算で、この4つがどう効くかを数字で確かめます。

具体例で計算してみる：ひずみと必要な試験サイクル数

はんだクラックの起きやすさは、はんだが1サイクルでどれだけゆがむか（ひずみ）で決まり、試験と市場の関係は加速係数で表せます。2つの計算で確かめてみましょう。

計算1：チップ抵抗のはんだは、どれだけゆがむ？

はんだのゆがみの大きさは「せん断ひずみ」で表します。せん断ひずみとは、はんだの高さに対して、上下が横に何割ずれたかを示す値です。ざっくり見積もる式は次のとおりです。

公式
せん断ひずみ Δγ ≒ 中立点からの距離 L × 熱膨張係数の差 Δα × 温度差 ΔT ÷ はんだの高さ h

中立点：温度が変わっても動かない部品の中心。そこから電極までの距離がLです。
この式は考え方を示す簡易版で、実際の設計では形状による補正係数などを使います。

STEP 1　条件を決める

3216サイズ（3.2mm×1.6mm）のチップ抵抗とします。中立点から電極までの距離Lは、長さの半分の1.6mm。熱膨張係数の差Δαは、基板16ppm/K−アルミナ7ppm/K＝9ppm/K（＝0.000009/K）。電極の下のはんだの高さhは0.05mmとします。

STEP 2　試験条件で計算する

−40℃↔125℃の試験では、温度差ΔT＝165℃。Δγ＝1.6×0.000009×165÷0.05＝0.0475。はんだの高さに対して約4.8%、横にずらされています。

STEP 3　使う環境で計算する

0℃↔80℃で使う機器なら、ΔT＝80℃。Δγ＝1.6×0.000009×80÷0.05≒0.023。約2.3%で、試験の半分以下です。

式を見ると、部品が大きい（Lが大きい）ほど、はんだが薄い（hが小さい）ほど、ひずみが大きくなることがわかります。部品を大きくすると割れやすくなり、はんだに厚みを持たせると割れにくくなる、ということです。

計算2：10年分の試験は何サイクル？

はんだの温度サイクル寿命の加速係数は、温度差・繰り返しの速さ・最高温度の3つで決まります。鉛フリーはんだ（SACはんだ：スズ・銀・銅の合金）でよく使われるのが、Norris-Landzberg（ノリス・ランツバーグ）式です。

公式
加速係数 AF ＝（試験の温度差÷使う環境の温度差）^2.65 ×（使う環境の頻度÷試験の頻度）^0.136 × exp［2185×(1/使う環境の最高温度 − 1/試験の最高温度)］

2.65・0.136・2185は、SACはんだについて研究で求められた定数の一例です。温度はすべて絶対温度（℃に273.15を足した値）。頻度は1日あたりのサイクル数です。

STEP 1　条件を決める

試験：−40℃↔125℃（温度差165℃）、1サイクル30分で1日48サイクル。使う環境：0℃↔80℃（温度差80℃）、1日1サイクル。

STEP 2　温度差の効果

165÷80＝2.0625。これを2.65乗すると、2.0625^2.65≒6.81。温度差が2倍になると、寿命は約7分の1になる計算です。

STEP 3　頻度の効果

1÷48≒0.0208。これを0.136乗すると、0.0208^0.136≒0.591。試験はサイクルが速く、高温にいる時間が短いぶん、1サイクルあたりのダメージが少し小さくなります。

STEP 4　最高温度の効果

80℃＋273.15＝353.15K、125℃＋273.15＝398.15K。逆数は1÷353.15≒0.002832、1÷398.15≒0.002512。差は0.000320。これに2185をかけると0.699。e^0.699≒2.01です。

STEP 5　かけ合わせる

AF＝6.81×0.591×2.01≒8.1。試験の1サイクルは、使う環境の約8サイクル分に当たります。

STEP 6　必要な試験サイクル数に直す

10年は、1日1サイクルなら365×10＝3,650サイクル。3,650÷8.1≒451。この条件なら、試験で約450サイクル耐えれば、10年分に相当する目安になります。

注意｜ここで間違えやすい

この計算は「平均的に何サイクルもつか」の目安で、ばらつきや安全率は入っていません。実際の試験サイクル数は、製品の規格や客先の要求、使う環境の温度プロファイル（1日に何回、何℃から何℃まで変わるか）に合わせて決めます。定数も、はんだの種類や部品で変わります。

POINT

つまり、はんだクラックの寿命にいちばん効くのは温度差です。温度差は2.65乗で効くので、使う環境の温度変化を少し小さくするだけで、寿命は大きく延びます。

クラックはどこから始まり、どう進む？

はんだクラックは、ひずみが集中する「はんだの端」から始まり、部品の電極に沿って、はんだを横切るように進みます。始まる場所と進み方を知っておくと、不良解析で何を見ればいいかがわかります。

始まる場所：金属間化合物の近く

はんだ付けをすると、はんだと銅の境目に、スズと銅が混ざった薄い層ができます。これを「金属間化合物（きんぞくかんかごうぶつ）」と呼びます。この層は、はんだと金属をしっかりつなぐ役割を持つ一方で、硬くてもろい性質があります。

亀裂は、この金属間化合物とはんだの境目付近や、そのすぐ近くのはんだの中から始まることが多いとされています。とくに、ひずみが集中するはんだの端（部品の電極の下の角や、フィレットのすそ）が起点になりやすい場所です。

進み方：経路で寿命が変わる

チップ部品では、亀裂の進む経路が大きく2つに分かれることが研究で報告されています。部品の電極の下を横に進む経路と、フィレットの中を斜めに進む経路です。フィレットの中を進む場合は、寿命が大きく短くなることがあります。はんだの量や形が寿命に効くのは、このためです。

壊れ方：最初は「ときどき切れる」

段階1　亀裂ができても電気は流れる

亀裂がはんだの一部だけなら、残りの部分で電気は流れます。抵抗値もほとんど変わりません。

段階2　ときどき切れる（断続故障）

亀裂がほぼ横切ると、温度で部品がずれたときだけ亀裂が開いて、電気が切れます。常温に戻ると亀裂が閉じて、またつながります。

段階3　完全に切れる（オープン）

亀裂が完全に横切り、すき間が広がると、常温でもつながらなくなります。

POINT

つまり、はんだクラックは「完全に壊れる前に、ときどき切れる期間がある」故障です。市場で「たまに動かなくなる」「寒い朝だけ動かない」という不具合は、はんだクラックを疑うきっかけになります。

割れやすい部品と場所

はんだクラックが起きやすいのは、「熱膨張の差が大きい」「部品が大きい」「はんだが薄い」「温度変化が大きい」のどれかに当てはまる場所です。計算1の式の、どの項が大きくなるかで考えると整理できます。

部品・場所	割れやすい理由
大きなセラミックチップ部品（3216、5025、6432など）	セラミックは伸びにくく、部品が大きいほど電極が中心から遠い
BGAの外周、とくに四隅のボール	パッケージの中心から最も遠い
QFNなど、足のない薄いパッケージ	部品と基板のすき間が小さく、はんだが薄い
発熱の大きいパワー部品	電源のオンとオフのたびに、部品自身が大きな温度変化を起こす
基板の端、ねじ止めの近く、コネクタの近く	基板の反りや、組み立て・抜き差しの力が、温度のずれに上乗せされる
大きく重い部品（コイル、大型コンデンサなど）	振動の力も加わり、温度のずれと合わせて疲労が進みやすい

注意｜ここで間違えやすい

同じ部品でも、基板のどこに置くかで寿命が変わります。部品の性能だけを見て選び、置き場所を基板の端やねじの近くにすると、試験で思わぬ早さで割れることがあります。部品選定と部品配置は、セットで考えます。

POINT

つまり、設計レビューでは「大きなセラミック部品」「BGAの四隅」「QFN」「パワー部品」「基板の端とねじの近く」の5つを重点的に見ると、はんだクラックのリスクを効率よく洗い出せます。

設計と製造でできる対策

はんだクラックの対策は、「ずれを小さくする」「ずれに耐えられる回数を増やす」「温度変化そのものを小さくする」の3方向です。

設計でできる対策

対策	効く項	具体的には
大きな部品を小さな部品に分ける	L（大きさ）	大きなチップ抵抗1個を、小さいサイズの直列・並列に置き換える
熱膨張の近い組み合わせを選ぶ	Δα（伸びの差）	部品と基板材料の熱膨張係数を確認し、差の小さい組み合わせにする
電極に柔軟な層を持つ部品を使う	ずれの吸収	電極に樹脂層を入れた「ソフトターミネーション」品などで、ずれを部品側で受け止める
BGAにアンダーフィルを入れる	ずれの分散	部品と基板のすき間を樹脂で埋め、力をはんだ以外にも分散させる
置き場所を工夫する	反り・外力	大きな部品を、基板の端・ねじ・コネクタから離す
温度変化を小さくする	ΔT（温度差）	放熱を良くしてパワー部品の温度上昇を抑える。温度差は2.65乗で効くので効果が大きい

製造でできる対策

対策	具体的には
はんだの量と形を安定させる	メタルマスクの開口と厚みを管理し、はんだの厚みとフィレットの形をそろえる。はんだが薄いとひずみが大きくなる
ボイド（はんだの中の空洞）を減らす	空洞があると、はんだのつながっている面積が減り、亀裂が早く横切る
加熱条件を管理する	加熱しすぎると金属間化合物が厚くなり、もろい層が増える
組み立てで基板を曲げない	基板の分割やねじ締めで曲げると、出荷前に微小な亀裂の起点ができることがある

POINT

つまり、設計では「部品を小さく・伸びの差を小さく・置き場所を選ぶ・温度差を小さく」、製造では「はんだの量と形をそろえる・空洞を減らす・曲げない」が基本です。

試験で確かめる方法と、結果の見方

はんだクラックは、温度サイクル試験で温度の上げ下げを繰り返し、導通を見張りながら、決めたサイクル数まで耐えるかで確かめます。試験が終わったら、断面を見て亀裂の進み具合を確認します。

試験条件の例（IPC-9701）

表面実装のはんだ接合部の温度サイクル試験では、IPC-9701という規格の条件がよく参照されます。

条件	温度範囲	温度差
TC1（基準）	0℃↔100℃	100℃
TC2	−25℃↔100℃	125℃
TC3	−40℃↔125℃	165℃
TC4	−55℃↔125℃	180℃
TC5	−55℃↔100℃	155℃

故障の判定は、はんだ接合部を数珠つなぎにした回路（デイジーチェーン）の抵抗値を連続して測り、抵抗値が初期より20%上がったら故障、とするのが一般的です。実際の条件や判定基準は、製品の規格や客先の要求で決まります。

試験後に亀裂を確かめる方法

方法	わかること
断面観察	接合部を樹脂で固めて切断・研磨し、顕微鏡で亀裂の起点・経路・長さを見る。最も確実
染色浸透（赤インク試験）	赤い染料をしみこませてから部品をはがし、亀裂の広がった面積を見る。BGAで多く使う
X線観察	ボイドやはんだの形は見やすいが、閉じた細い亀裂は写りにくい

POINT｜品質保証の現場で見るポイント

「合格／不合格」だけでなく、合格したサンプルも断面を見て、亀裂がはんだのどこまで進んでいるか（接合長さに対する亀裂の割合）を記録する。余裕がどれだけあるかがわかる。
試験の途中（例えば規定サイクルの半分）でもサンプルを抜き取って断面を見ると、亀裂の進み方の傾向がつかめる。
故障したサイクル数は、ワイブル分布で整理すると、ばらつきを含めた寿命を推定できる。
断面で亀裂が見つかったら、起点と経路を記録する。起点が金属間化合物の付近か、ボイドからか、フィレットのすそからかで、打つべき対策が変わる。

よくある間違い・つまずきポイント

はんだクラックの評価で多い間違いは、試験の見張り方と、加速のさせ方です。現場でよく見る5つの思い込みを整理します。

よくある思い込み	実際は
試験後に常温で導通を確認して、つながっていれば合格	亀裂は常温で閉じるので、断続故障を見逃します。試験中に連続して見張る必要があります
温度差を大きくするほど、早く結果が出てよい	基板のガラス転移温度（Tg）を超えるほど高温にすると、基板の伸び方が変わり、市場では起きない壊れ方をすることがあります
高温放置試験の結果（アレニウスモデル）で、温度サイクル寿命も見積もれる	はんだクラックは「温度の高さ」より「温度差と回数」で進む故障です。加速の考え方が違うので、温度サイクル試験で確かめます
はんだ付け直後の不良と同じもの	イモハンやブリッジは製造時の初期不良です。はんだクラックは、正しくはんだ付けされた接合部が使ううちに疲労して割れるもので、原因も対策も違います
熱衝撃試験と温度サイクル試験は同じ	熱衝撃試験は温度の切り替えが非常に速く、急な温度変化に耐えられるかを見る試験です。温度の変わる速さが違うと、壊れ方や加速の度合いも変わります