イオンマイグレーションの原因と対策
基板の見えない不良を防ぐ

現代の電子機器は非常に高性能であり、僅かな誤作動も重大インシデントとなりえます。
絶縁性を揺るがす事象は製品の信頼性を脅かすことに他なりませんが、その中の1つの現象となりえるイオンマイグレーションは過去の出来事とされてきました。
これは、コーティングやレジストなど様々な絶縁材料の進化と無洗浄技術の高度化により克服したとされてきました。
しかし、電子基板の小型化・高密度化が急速に進む中、絶縁性の確保が難しくなっており、イオンマイグレーションのリスクは再び高まっている状況にあります。

この記事では、イオンマイグレーションがなぜ再度トレンドとなりえたのか、そのメカニズムから具体的な対策、さらには発生の可能性を探る評価手法まで解説します。

公開日と最終更新日

公開日：2025年12月24日、最終更新日：2025年12月24日

1. イオンマイグレーションとは？電子機器の信頼性を脅かす見えない不良

イオンマイグレーションとは、電子基板上で「水分」「電圧」「電解質」という3つの要素が揃った環境下で発生する電気化学現象です。

電解質がイオン化して水分中に溶け出し、電界の力によって絶縁されているはずの対向する導体へと移動し、最終的に移動したイオンが再び金属（単体）として析出し、導体間を物理的に接続することで、短絡（ショート）を引き起こします。

製品の出荷時には正常に動作していても、市場での使用中に突然の故障につながる可能性があり、現代の電子機器の信頼性を大きく脅かす存在となっています。

2. なぜ今、イオンマイグレーションが問題視されるのか？

イオンマイグレーションが近年再び問題視されるようになった背景には、電子機器の著しい進化があります。

物理的な要因としては、スマートフォンやウェアラブルデバイスの普及により、電子機器はかつてないほど小型化・高機能化が求められるようになった点が挙げられます。
これに伴い、基板上の配線パターンは劇的に微細化し、導体間距離が極めて狭くなっています。
導体間隔の狭小化は、基板に印加される電圧がたとえ低電圧であっても、導体間の電界強度を相対的に増大させます。
この高まった電界強度が、わずかな水分・電解質の存在下でイオンの移動を促進し、イオンマイグレーションの発生を容易にしています。

化学的な要因としては、はんだを始めとした接合剤に使用される活性剤の変化が挙げられます。
高温耐久性・微細接合性が求められる環境では、安定性の観点から総じて多くの活性剤が必要となり、洗浄不良などの環境要因によって不安定化してしまった際の影響は大きいと言えます。
活性剤はなくてはならないものですが、適切な環境下で取り扱いがなされることが必須となります。（詳細は5. はんだ付けフラックス由来の残渣で記述します）

現代の電子機器は、部品の進化や高性能化と引き換えに、イオンマイグレーションというリスクを再び抱え込むという状況に直面しています。

3. イオンマイグレーション発生の4ステップ

イオンマイグレーションは、可視化が難しい状態で進行し、最終的には可視化できる状態となって電子機器の故障につながる非常に厄介な現象です。
ここでは、このイオンマイグレーションがどのように発生し、短絡（ショート）に至るのかを、4つのステップに分けて詳しく解説します。

3.1 水分吸着と電解質層の形成

イオンマイグレーション発生の最初のステップは、基板表面に水分が吸着することから始まります。
私たちの身の回りには常に湿気があり、空気中の水分が基板の表面に微量ながらも吸着し、目には見えない非常に薄い水の膜（吸着水層）を形成します。
この水の膜が、基板上に存在するわずかな電解質（例：フラックス残渣中の活性剤など）を溶解させます。
不純物として残存する電解質が水に溶けることで、イオンが自由に動き回れる電解質溶液層が形成されます。

フラックス残渣中の活性剤などの電解質が溶解

電解質溶液層が形成

3.2 イオン化

水分吸着によって電解質層が形成されると、次にイオン化が起こります。
基板上の電気的にプラスの電位（アノード）側にある導体金属、例えば銅（Cu）、はんだ由来のすず（Sn）などが、先ほど形成された電解質溶液中で化学反応を起こします。
金属がイオン化し、水溶液中に溶け出すことで、イオンマイグレーションの進行に必要な移動体が生じます。

電解質溶液中で化学反応を起こし、金属がイオン化

3.3 電界によるイオンの移動

導体間に電圧が印加されていることによって生じる電界が駆動源となります。
プラスの電荷を帯びた金属イオンは、電気的にマイナスの電位（カソード）側の導体へと引き寄せられ、電解質溶液中を移動していきます。この現象こそが目に見えないレベルでイオンが基板上を移動している状態となります。
電圧差が大きいほど、この移動速度は速くなり、現象の進行も加速されることになります。

金属イオンがマイナスの
電位（カソード）側の導体へ移動

3.4 短絡（ショート）

イオンマイグレーションの最終ステップは、短絡、つまり回路のショートです。
カソード側に到達した金属イオンは、還元反応を起こし、再び金属原子に戻って析出します。そして、カソード側からアノード側に向かって徐々に伸びていき、最終的に物理的に両極を樹形状に繋いでしまいます。

この一連の現象によって、導体間に「金属の道」が形成され、本来は絶縁されているべき導体間が電気的に接続されて短絡（ショート）を引き起こし、電子機器の誤動作や故障につながります。

金属がアノード/カソードを接合 →短絡（ショート）

4.イオンマイグレーションを引き起こす3大要因

イオンマイグレーションの発生には、特定の環境条件が不可欠です。
ここでは、その発生に大きく関わる「水分（湿度）」「電圧」「電解質（イオン成分）」という3つの要因について解説していきます。

水分（湿度）

イオンマイグレーションが発生してしまう主要因が、水分（湿度）です。

水分を完全にゼロにすることは不可能で、空気中には微量ながらイオン性物質が存在し、さらに基材からイオン成分が溶出することもあります。

電圧

基板上に印加される電圧や導体間の電位差は、イオンマイグレーションを引き起こす要因のひとつです。
電圧は、電解質溶液中に溶け出した金属イオンを移動させるための駆動力となります。導体間の電圧差が大きいほど、イオンを引き寄せる力が強くなり、イオンマイグレーションの形成が加速されます。

近年では電子機器の低電圧化が進んでいますが、2項で述べたように基板の小型化・高密度化により導体間隔が狭くなると、たとえ印加電圧が低くても導体間の電界強度は高くなります。
そのため、低電圧で動作する回路でも、イオンマイグレーションが発生する可能性は十分にあります。

電解質（イオン成分）

部材や基板に使用される金属の種類は、イオンマイグレーションの発生しやすさに影響します。
金属が水に溶けてイオンになりやすい性質をイオン化傾向と呼びますが、この傾向が大きい金属ほどイオンマイグレーションに寄与するリスクが高まります。

代表的な金属材料のイオン化傾向は、一般的にAl（アルミニウム）＞Zn（亜鉛）＞Ni（ニッケル）> すず（Sn）> 鉛（Pb） > 銅（Cu）＞銀（Ag）の順で高く、はんだの主成分であるSn簡単にはイオン化するとは言えませんが、金属塩残渣としての影響が懸念されます。

上記のようにイオンマイグレーションの発生には、水分、電圧、電解質（イオン成分）という3つの基本的な要因が不可欠ですが、この中でもイオンマイグレーションの発生と進行を加速させる主体的な役目を果たすのは電解質（イオン成分）です。
電解質（イオン成分）は、基板の製造工程や実装工程で意図せず付着してしまう物質であり、見過ごされがちですが、信頼性に大きな影響を与える可能性があるため注意が必要です。
イオン成分が不純物として基板表面に存在すると、湿気（水分）と結合することで水に溶解し、水の電気伝導率を上昇させます。
その結果、イオンが移動しやすい電解質層が形成され、イオンマイグレーションが容易に発生・進行してしまいます。

5. はんだ付けフラックス由来の残渣

イオン性残渣の1つなりうる存在として、はんだ付けに使用されるフラックス残渣中の「活性剤」が挙げられます

フラックスに含まれる活性剤にはイオン性成分となりえる有機酸や、使用は少なくなりましたが、ハロゲンを含有しており、洗浄タイプのはんだ付け後に十分にフラックス残渣が除去されないと活性剤は「イオン残渣」として基板上に残留してしまいます。
水分や電圧が存在しうる環境下において、このイオン残渣はイオンマイグレーションを引き起こす大きな要因となりえます。

無洗浄タイプのフラックス残渣は、腐食性が低く、電気的絶縁性が高くなるよう設計されており、洗浄工程を省略しても高い信頼性が確保できるとされています。
しかし、無洗浄タイプのフラックス残渣であっても活性剤成分が消失するわけではなく、「安定化」された形で保管されている状態となるので、安定性の維持に留意が必要です。

※無洗浄はんだの洗浄については以下の解説ページをご覧ください。
無洗浄はんだを使用しているのに、なぜ洗浄する必要性があるのか

6. イオンマイグレーションの発生事例とリスク箇所

イオンマイグレーションが基板上のどこで、どのような形で発生しやすいのかを具体的な事例を交えて解説します。

6.1 高密度実装基板（BGA/CSP下など）

イオンマイグレーションの発生リスクが高い代表的な箇所として、BGAなどの高密度実装されたパッケージ部品の下部が挙げられます。
高密度実装部品は電極間・バンプ間がより狭小傾向になるため、イオンが移動しやすい≒リークしやすい環境と言えます。
さらに、部品と基板の間隔が小さいため洗浄が困難となり、イオン残渣が残留しやすい点もリスクを高める要因となります。

6.2 コーティング内部での隠れた進行

コーティング前の洗浄が不十分となり基板表面にイオン残渣が残存していると、製造工程では問題が顕在化しなくても、他のデバイスに組み込まれ製品として使用されてから不具合が発生することがあります。
デバイスは稼働することで発熱し、環境が整えば結露が発生します。
コーティング下で結露が発生しイオン残渣が存在している場合、高い確率でマイグレーションは発生してしまいます。

コーティング下で結露発生

7. イオンマイグレーションの対策

イオンマイグレーション対策において、洗浄によるイオン残渣の除去は効果的な手段の1つとなります。
4.イオンマイグレーションを引き起こす3大要因で先述した通り、基板上のイオン成分を完全にゼロにすることは現実的に不可能です。
しかし、重要なのは「ゼロにすること」ではなく、イオン成分を極力残留させず、次の工程へ持ち込まないことであり、マイグレーションの起点となる高濃度なイオン残留を発生させないことに意義があります。
イオンの残留量を許容レベル以下まで低減することで、イオンマイグレーション発生のリスクを大きく抑えることが可能になります。

一方で、「洗浄」と一言で言っても、その方法は一様ではありません。洗浄剤・洗浄方式にはさまざまな種類があり、複数の選択肢があります。
どのような洗浄剤を使用し、どういった洗浄方式と組み合わせるかによって、イオン残渣の除去性能は大きく左右されるため、この選定は重要なポイントとなります。

洗浄剤および洗浄方式の基本的な考え方や選定のポイントについては、以下の記事で詳しく解説していますので、併せて参考にしてください。
フラックス洗浄剤の選び方と適正化のポイント
 フラックス洗浄方法の種類と選び方

7.1 事例：イオン残渣の洗浄性評価

こうした洗浄剤および洗浄方式の選定が、イオン除去性能にどの程度影響を与えるのかを確認するため、ゼストロンでは、実際の基板を用いてイオン残渣の洗浄性評価を実施しました。

▼評価方法
同一仕様の基板を各洗浄剤の最適な洗浄方式にて10分間洗浄し、イオンクロマトグラフィー (IC)にて残留イオン量を測定
はんだペースト：無洗浄タイプ
分析手法：IPC-TM-650, method 2. 3. 28 Bに準拠

	洗浄剤		洗浄方式
①	水系洗浄剤	VIGON® PE 305N（ゼストロン洗浄剤）	スプレー
②	溶剤系洗浄剤	炭化水素/グリコールエーテル系	超音波
③	溶剤系洗浄剤	ハロゲン系	超音波

▼結果

VIGON^® PE 305N（ゼストロン洗浄剤）は水系洗浄剤であるため、溶剤系洗浄剤と比較してイオンを溶解しやすい。その結果、イオン量を大幅に低減することができた。

ゼストロン水系洗浄剤が持つ独自のMPC^®洗浄機構とスプレー方式の組み合わせにより、溶剤系洗浄剤では溶解が困難となりがちなフラックス由来のポリマー・高耐熱性物質を、効果的に剥離洗浄できたこともイオン量の低下に寄与。
MPC^®洗浄機構とは？

8. イオンマイグレーションの評価・分析手法

イオンマイグレーション対策が効果的に機能しているか、あるいは発生した不良の原因を特定するためには、化学的に評価・分析することが必要です。
イオンマイグレーションに関わる要因を可視化・定量化し、不良原因の特定と発生リスクの把握を可能にする評価・分析手法についてご紹介します。

8.1 基板の清浄度評価（ゼロイオンなどを使用したROSE Test）

基板表面に残存するイオン性物質の総量を評価するために広く用いられるのが、ROSE Testです。
基板を純水とアルコールの混合液で抽出し、その抽出液の電気抵抗率の変化から基板表面の残存イオン総量を評価できます。
比較的簡便に測定が行えることから、日常的な工程管理や出荷前の品質チェックなどに活用されるケースが多いです。

測定例として上図に示すようなグラフの場合は連続的に数値が上昇していることから総イオン量は多く、十分な清浄度が得られていないことを示唆しています。

8.2 残留イオンの特定（イオンクロマトグラフィー）

ROSE Testと異なり、各種イオンを個別に測定し数値化することができるのがイオンクロマトグラフィー（IC）です。
イオン種ごとに定量的な分析を行うことで、検出されたイオンの種類を手がかりに、残渣の原因となる物質や関与している工程を特定し、適切な対策へとつなげることができます。

区分	主なイオン種
アニオン	フッ素　塩素　臭素　亜硝酸　硝酸　リン酸　硫酸
カチオン	リチウム　ナトリウム　アンモニウム　カリウム　カルシウム　マグネシウム
有機酸	酢酸　アジピン酸　ギ酸　グルタミン酸　メタンスルホン酸　リンゴ酸　コハク酸（フタル酸）

8.3 現象の直接観察と原因究明（SEM-EDS）

基板上に存在する残渣の形状と構成元素を同時に把握できるのが、走査型電子顕微鏡エネルギー分散型X線分光法（SEM-EDS）です。
はんだ接合部以外に分布する金属元素や、炭素・酸素が高濃度で検出される位置を特定することで、金属塩の存在を確認することも可能です。

金属塩は、はんだ付け時にフラックス中の活性剤と金属（主にSn）が反応することで生成されますが、副反応を起こしてしまうことでSn塩が予期せぬ形で残存してしまう可能性があります。

Sn塩のような金属塩は、吸湿性や導電性を有することがあり、イオンマイグレーションのリスクを高める要因となります。

SEM-EDSによって金属塩の分布位置や元素組成を把握することで、発生起点や関与している工程を特定でき、洗浄条件の見直しなど具体的なイオンマイグレーション対策へとつなげることができます。

※金属塩の詳細は以下の解説ページをご覧ください。
金属塩とは？絶縁抵抗不良を引き起こしうる『金属塩』の洗浄について発生メカニズムや確認・分析方法を解説

▼残渣の分析事例

これらの分析手法は単独で用いるだけでなく、複合的に組み合わせることで、より精度の高い評価と原因究明が可能になります。
ただし、いずれの分析においても、サンプリング方法や測定条件、結果の解釈には専門的な知識が必要です。
分析結果の信頼性を高め、原因を正しく見極めるためには、分析専門機関や材料メーカーの知見を活用することも有効な手段となります。

ゼストロンでは、ご紹介した各種分析装置を社内に保有しており、イオンマイグレーション対策や洗浄条件の検討において、評価・分析が必要な場合には、技術的な知見に基づいたサポートを行っています。
また、弊社は各はんだメーカー様とも技術的な協力関係を構築しているため、ご用途に応じた適切なフォローアップも可能となります。
詳しくは分析サポートをご覧ください。

9. よくあるご質問

イオンマイグレーションとエレクトロマイグレーションの違いは？
どちらも金属原子の移動を伴う現象ですが、その発生メカニズムと原理は全く異なります。
イオンマイグレーションは、水分が存在する環境下で電圧が印加されることにより、金属がイオン化して電界によって移動する「電気化学反応」です。
一方、エレクトロマイグレーションは、導体に流れる大電流によって電子が金属原子に衝突し、その運動量で金属原子を物理的に移動させる「物理現象」です。

イオンマイグレーションにはどのような種類がある？
イオンマイグレーションの種類として代表的なものに、「デンドライト」があります。
デンドライトは、表面の水分やフラックス残渣を介して金属イオンが移動し、カソード側で樹枝状に成長する析出物です。

コーティング下でデンドライト発生

10. イオンマイグレーション対策に関するご相談はゼストロンまで

イオンマイグレーションは、電子機器の信頼性を大きく左右する問題です。
その発生を防ぐためには適切な対策が不可欠であり、洗浄はその有効な手段の一つです。しかし、洗浄方法は多種多様です。
フラックスの種類や実装条件、基板設計によって最適な洗浄方法は異なり、マイグレーション対策として有効な洗浄方法を見極めることは容易ではありません。
また、分析においてもサンプリング方法や測定条件、結果の解釈には専門的な知識が必要です。評価手法や結果の解釈が適切でない場合、イオンマイグレーションの原因を正確に捉えきれないことがあります。

ゼストロンでは、イオンマイグレーションの発生メカニズムを踏まえ、洗浄プロセスの検討から評価・分析までを一貫してサポートしています。
水系・溶剤系洗浄剤の豊富なラインアップに加え、ROSE Test、イオンクロマトグラフィー（IC）、SEM-EDSなどの各種分析装置を社内に保有しているため、実ワークを用いた洗浄テスト、清浄度評価、原因解析をワンストップで実施することが可能です。

イオンマイグレーション対策においてお困りの際は、ぜひゼストロンまでご相談ください。