鉛フリーめっき皮膜の評価方法
【課題】鉛フリーめっき皮膜を短時間に評価する評価方法を提供する。
【解決手段】鉛フリーめっきが施された媒体３１における鉛フリーめっき皮膜の評価方法であって、前記鉛フリーめっき皮膜３２の一部の領域を鉛フリーめっき皮膜が融解するまで加熱した後に凝固させ、前記加熱させた後凝固させた領域３２ａの体積変化率を測定することを特徴とする鉛フリーめっき皮膜の評価方法を提供することにより上記課題を解決する。
【解決手段】鉛フリーめっきが施された媒体３１における鉛フリーめっき皮膜の評価方法であって、前記鉛フリーめっき皮膜３２の一部の領域を鉛フリーめっき皮膜が融解するまで加熱した後に凝固させ、前記加熱させた後凝固させた領域３２ａの体積変化率を測定することを特徴とする鉛フリーめっき皮膜の評価方法を提供することにより上記課題を解決する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉛フリーめっき皮膜の評価方法に関し、特に、電子部品の電極を接続する際に用いられる錫又は錫合金からなるめっき皮膜の評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
実装基板等に搭載される電子部品における電極の接続には、一般的にはんだめっきが用いられる。このはんだめっきに用いられる材料は、近年環境問題への配慮から鉛フリーはんだが多く用いられるようになっている。鉛フリーはんだは、鉛を含んでいないため鉛を放出することがなく、鉛による環境汚染を回避することができる。一方、従来から用いられている鉛を含むはんだめっきには、鉛が含まれているが、この鉛はウイスカと称する髭状結晶の成長を抑止する効果を有しているため、鉛を含まない鉛フリーはんだを用いてめっきを施した場合には、ウイスカの発生に起因した問題が多く発生することが確認されている。
【０００３】
また、鉛フリーはんだめっきによってウイスカの発生は多くなるが、めっきが施される部分（電子部品の電極部など）の材質や形状によってもウイスカの発生の程度が異なる。即ち、ウイスカの発生は、めっき皮膜に働く応力に依存することが知られている。この応力は、めっきの内部応力や、めっきが施される下地となる層からの原子の拡散、めっき皮膜における金属組織の回復や再結晶化によって発生する応力である。そこで、はんだめっきが施された電子部品や、そのような電子部品が搭載された実装基板に対してウイスカの発生や成長を評価し、製品の信頼性を確保することが一般的に行われている。
【０００４】
ここで、ウイスカについて、電子部品の接続端子である電極部の銅（Ｃｕ）合金の部材（媒体）の上に鉛（Ｐｂ）フリーめっきとして錫（Ｓｎ）めっきを施した場合について説明する。
【０００５】
特許文献１に記載されているように、Ｓｎめっき膜が形成された後、ある程度の時間が経過するとＳｎめっき膜の表面は酸化され表面酸化膜が形成される。また、下地となる電極部の部材におけるＣｕがＳｎめっき膜に拡散して下地拡散層が形成される。ウイスカはこの下地拡散層が厚く形成された領域上において、発生し成長する。環境条件によっては、表面酸化膜を貫通し外側に向かって成長し、長いものでは、４００μｍから１ｍｍ程度の長さにまで成長する。
【０００６】
このようなウイスカが半導体パッケージの接続端子上で発生すると、ウイスカ同士が非常に近接したり、接触したりする場合がある。ウイスカはＳｎが結晶成長したものであることから、高い導電性を有しているため、接続端子上で成長したウイスカ同士が近接したり接触したりすると、この部分で短絡が生じる場合がある。この短絡によって、半導体パッケージの動作不良が生じ、結果的にコンピュータシステムや電気通信システムに不具合を生じてしまう虞がある。
【０００７】
このようなウイスカ発生による問題を事前に調べて、ウイスカの発生のない、又は発生の少ない条件（媒体となる部材の材質、形状、めっき材の材質等）を選定するために行われる試験が、ウイスカ評価試験と称される試験である。評価対象として試験片または電子部品を室温で放置してウイスカの発生を調べる場合、例えば１０００時間以上の長時間に亙って放置する必要があり、実用的ではない。そこで、ウイスカの発生及び成長を促進して短時間でウイスカを発生させる加速評価試験が検討されている。具体的に、加速評価試験では、基本的に試験片または電子部品に熱を加えることによりウイスカの発生を促進させようとするものであり、熱の他にも湿度や圧力を加えたりする場合がある。
【０００８】
従来のウイスカ評価方法として、室温放置、または、恒温放置、恒温高湿放置、温度サイクル試験、不飽和水蒸気によるプレッシャークッカー試験（ＨＡＳＴ）等がある。これらのウイスカ評価方法は、非特許文献１に記載されている。なお、上述の高温放置、高温高湿放置、温度サイクル試験、不飽和水蒸気によるプレッシャークッカー試験等は、ウイスカの発生や成長を加速させようとする方法であるが、従来より電子部品を実装基板に搭載した際の接続信頼性を評価する際に用いられてきたものである。
【特許文献１】特開２００５−３３０５７７号公報
【非特許文献１】「鉛フリーはんだ実用化検討の２００２年成果報告書」ＪＥＩＴＡ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
実際に加速評価試験がウイスカの発生、成長を促進しているものかにつき調査したところ、熱や湿度を加える従来の加速評価試験では、反対にウイスカの成長が抑制されてしまうことを確認した。即ち、従来の加速評価試験のように加速のために熱を加える方法では、ウイスカが成長して表面酸化膜に到達するまでの間に表面酸化膜が厚く成長してしまい、ウイスカが表面酸化膜を突き破って成長することができなくなるものと考えられる。従って、表面酸化膜がウイスカの成長を抑制しているものと考えられる。
【００１０】
表面酸化膜は、Ｓｎめっき膜の表面に雰囲気中の酸素（Ｏ２）が作用して形成される酸化膜であり、このような酸化は加熱条件下で加速される。従って、表面酸化膜の成長を抑制するためには、加熱を行わないことが適当であるが、ウイスカの成長を促進するためには加熱は重要な条件であり、加熱を行わないと評価試験の時間が長くなるといった問題がある。上述の例は、Ｓｎめっき膜の表面に酸化膜が生成された場合であるが、めっき膜の材質や雰囲気条件によっては、酸化膜ではなく水酸化膜が形成される場合もある。水酸化膜も酸化膜と同様に雰囲気中の酸素の存在が生成要因となる。
【００１１】
このように、ウイスカの発生及び成長を加速して評価時間を短縮する目的の加速試験において、ウイスカの発生及び成長を抑制してしまうことは逆効果であり、評価時間が長くなるばかりでなく、正確な評価ができなくなるという問題がある。
【００１２】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、従来のウイスカ評価試験方法と異なり、ウイスカの発生の原因となるＳｎ結晶粒の回復／再結晶化現象を定量的に評価することにより、鉛フリーめっき皮膜の評価を行う方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一観点によれば、鉛フリーめっきが施された媒体における鉛フリーめっき皮膜の評価方法であって、前記鉛フリーめっき皮膜の一部の領域を鉛フリーめっき皮膜が融解するまで加熱した後に凝固させ、前記加熱させた後凝固させた領域の体積変化率を測定することを特徴とする鉛フリーめっき皮膜の評価方法が提供される。
【００１４】
本発明の別の観点によれば、鉛フリーめっきが施された媒体における鉛フリーめっき皮膜の評価方法であって、前記鉛フリーめっき皮膜の一部の領域を鉛フリーめっき皮膜が融解するまで加熱する加熱工程と、前記一部の領域を融解した後、凝固させる凝固工程と、前記一部の領域が凝固した後、前記融解された領域の膜厚と、前記融解がされていない領域の膜厚とを測定する測定工程と、前記融解がされていない領域の膜厚に対する前記融解された領域の膜厚に基づき体積変化率を算出する算出工程とを含むことを特徴とする鉛フリーめっき皮膜の評価方法が提供される。
【００１５】
本発明の別の観点によれば、鉛フリーめっきが施された媒体における鉛フリーめっき皮膜の評価方法であって、前記鉛フリーめっき皮膜の一部の領域を鉛フリーめっき皮膜が融解するまで加熱する加熱工程と、前記一部の領域を融解した後、凝固させる凝固工程と、前記凝固工程終了後、前記鉛フリーめっき皮膜が融解した領域と融解していない領域との双方の鉛フリーめっき皮膜に垂直な断面をドライエッチングにより露出させる断面露出工程と、前記断面露出工程により露出した面において、前記融解された領域の膜厚と、前記融解がされていない領域の膜厚とを測定する測定工程と、前記融解がされていない領域の膜厚に対する前記融解された領域の膜厚に基づき体積変化率を算出する算出工程とを含むことを特徴とする鉛フリーめっき皮膜の評価方法が提供される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、本発明に記載された熱処理を行った後に鉛フリーめっき皮膜の膜厚等を測定することにより、容易に鉛フリーめっき皮膜の評価を行うことができる。これにより、今まで長期間要していたウイスカ評価試験を行うことなく鉛フリーめっき皮膜の評価を行うことができ、鉛フリーめっき皮膜の評価時間を短縮することができる。これにより、設計や開発等の期間を短縮することができ、鉛フリーめっき皮膜を用いた製品のコストダウンが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
最初に、発明者が得た本発明の基礎となる技術的知見について説明する。
【００１８】
一般に、めっき皮膜には、金属結晶粒の結晶格子に、格子欠陥が多数存在している。このめっき皮膜内の結晶粒に含まれる格子欠陥は不変的なものではなく、一定温度以上に長時間放置した場合、金属原子が移動することにより正規の結晶格子に配列し格子欠陥が解消していく回復現象や、隣接する結晶粒同士が融合して一つの結晶粒となる再結晶化現象が生じる。
【００１９】
鉛フリーめっき皮膜におけるウイスカの発生の主原因は、めっき膜内でのＳｎにおける回復や再結晶化によるものと考えられるため、回復や再結晶化を生じさせる原因となっており、めっき皮膜内の格子欠陥の数が、ウイスカの発生と相関を有しているものと考えられる。
【００２０】
また、鉛フリーめっき皮膜を加熱して融解させると、凝固の際に格子欠陥の少ない大型の結晶粒が生じる。このことは、鉛フリーめっき皮膜における融解に伴う回復、再結晶化現象である。そして、この回復や再結晶化がなされることにより、初期の鉛フリーめっき皮膜と比べ、体積が増大することを見いだした。
【００２１】
具体的に、図１に基づき説明する。鉛フリーめっき皮膜が形成された直後の状態では、図１（ａ）に示されるように、Ｓｎ結晶１ａ内において、格子欠陥の一種である転位１ｂが発生している。この後、図１（ｂ）に示されるように、融解した後に凝固させることにより、緩和によりＳｎ原子が移動し、転位１ｂが消失する。このＳｎ原子の移動により、体積が膨張するのである（１ｃに示す部分が体積膨張した部分）。
【００２２】
ここで、鉛フリーめっき皮膜を室温で放置した場合に生じる回復や再結晶化と、融解させた後に凝固させた際の回復や再結晶化とは、回復や再結晶化に至るまでの所要時間には大きな違いがあるものの、現象としては本質的には同じものである。
【００２３】
従って、融解させた後に凝固させることにより、回復や再結晶化を加速させることができ、迅速に評価を行うことができるのである。具体的には、融解させた後に凝固させたときの体積増加量、即ち、体積変化率を求めることで、鉛フリーめっき皮膜のウイスカ発生能を把握し比較することが可能となる。
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
〔第１の実施の形態〕
第１の実施の形態である鉛フリーめっき皮膜の評価方法について、図２に基づき具体的に説明する。本実施の形態は、ヒーティングブロックを有する加熱装置を用いた方法である。
【００２５】
鉛フリーめっき皮膜がなされる媒体である金属からなる薄板に、Ｓｎめっき皮膜を形成した試料を作製し、この鉛フリーめっき皮膜の評価を行う。
【００２６】
最初に、ステップ１０２（「Ｓ１０２」を意味する。以下同様。）に示すように、試料を加熱装置に水平に固定する。具体的には、図３（ａ）に示すように、試料１１を加熱装置１２本体のチャッキング部１３に試料１１が水平となるように取り付ける。尚、加熱装置１２には、チャッキング部１３の他、試料１１を加熱するためのヒーティングブロック１４及びヒーティングブロック１４を昇降するための昇降駆動部１５を有している。
【００２７】
次に、ステップ１０４に示すように、試料１１が固定されている加熱装置１２全体を不活性ガス雰囲気にする。具体的には、試料１１が固定されている加熱装置１２全体を不図示のグローブボックス等の密閉可能な容器内に設置し、グローブボックス等を密閉状態とし、グローブボックス内を排気しつつ窒素ガス等の不活性ガスを導入し、試料１１が固定されている加熱装置１２全体を不活性ガスにより包み込んだ状態にする。
【００２８】
次に、ステップ１０６に示すように、ヒーティングブロック（ＨＢ）の加熱を開始する。具体的には、ステップ１０４において導入された窒素ガスにより、グローブボックス内の酸素濃度が１００ｐｐｍ以下になるのを確認した後、ヒーティングブロック１４の加熱を開始する。尚、この状態では、試料１１とヒーティングブロック１４とは接触しておらず、非接触な状態のまま、ヒーティングブロック１４が２７０℃になるまで加熱する。
【００２９】
次に、ステップ１０８に示すように、加熱装置１２に固定されている試料１１の表面に、ヒーティングブロック１４を接触させる。具体的には、図３（ｂ）に示すように、加熱装置１２に設けられている昇降駆動部１５によりヒーティングブロック１４の先端が試料１１に接触するまで上昇させる。この際、試料１１は水平に保たれた状態で固定されており、試料１１における鉛フリーめっき皮膜の一部はヒーティングブロック１４が接触することにより融解する。
【００３０】
次に、ステップ１１０に示すように、試料１１の鉛フリーめっき皮膜の一部が局所的に融解したのを確認した後、ヒーティングブロック１４を昇降駆動部１５により降下させる。
【００３１】
次に、ステップ１１２に示すように、加熱装置１２から試料１１を取り外す。具体的には、ステップ１１０において局所的に融解した鉛フリーめっき皮膜が凝固したのを確認した後、不図示のグローブボックスより加熱装置１２を取り出し、加熱装置１２より試料１１を取り外す。
【００３２】
次に、ステップ１１４に示すように、試料１１をエポキシ樹脂等の樹脂により被覆する。具体的に、この工程について、図４及び図５に基づき説明する。最初に、図４（ａ）及び図５（ａ）に示すように、試料１１を被覆するための被覆容器２１内にあらかじめエポキシ樹脂２２を入れて硬化させたものの上にステップ１１２において取り出した試料１１を設置する。この後、図４（ｂ）及び図５（ｂ）に示すように、試料１１の全体がすべて覆われるまで未硬化のエポキシ樹脂２３を流し込み硬化させる。この後、図４（ｃ）及び図５（ｃ）に示すように、硬化させたエポキシ樹脂２２、２３を被覆容器２１から取り出す。このようにして、試料１１をエポキシ樹脂２２、２３により被覆する。
【００３３】
次に、ステップ１１６に示すように、エポキシ樹脂２２、２３により被覆された試料１１についてイオンビームエッチング（ＩＢＥ）による表面露出処理を行う。具体的には、図６に示すように、エポキシ樹脂２２、２３により試料１１が被覆されているものについて、一点鎖線で示される範囲を紙面に垂直に切り出し試料２３Ａを作製する。尚、この切り出された試料２３Ａは、ステップ１１０において、試料１１において鉛フリーめっき皮膜が融解された部分１１ａと融解されていない部分１１ｂの界面を中心に切り出される。即ち、試料２３Ａは、試料１１の鉛フリーめっき皮膜が融解された部分１１ａと融解されていない部分１１ｂの双方が、ほぼ均等に含まれるように切り出される。こののち、試料２３Ａについて、アルゴンイオンビーム加工装置により５０μｍ程度ドライエッチングを行う。アルゴンイオンビームによるドライエッチングは、応力を加えることなくエッチング加工が可能であり、断面に変形が加わることなく加工することができる。このようなアルゴンイオンビームによるドライエッチングが行われた後の試料２３Ａａの様子を図７に示す。図７に示されるように、試料２３Ａａにおいて金属からなる薄板３１の両面に鉛フリーめっき皮膜３２が形成されたドライエッチング後の断面を得ることができる。尚、本実施の形態におけるドライエッチングとは、本来的なドライエッチングのみならずイオンミーリング等の方法も含む意味である。
【００３４】
次に、ステップ１１８に示すように、アルゴンイオンビームによりドライエッチング加工した面について、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用い鉛フリーめっき皮膜の膜厚の測定を行う。具体的には、試料２３ＡａをＳＥＭの試料室に設置した後、試料室を排気することにより真空状態とし、試料２３Ａａにおいてドライエッチング加工された面に電子ビームを照射することにより、この面のＳＥＭ画像を得る。このように得られたＳＥＭ画像に基づき、鉛フリーめっき皮膜における融解された部分３２ａの膜厚と、融解されていない部分３２ｂの膜厚を測定する。
【００３５】
次に、ステップ１２０に示すように、融解された部分３２ａにおける体積変化率を算出する。具体的には、ステップ１１８において測定された膜厚データをもとに、融解されていない部分３２ｂの膜厚に対する融解された部分３２ａにおける膜厚の比率を算出する。ステップ１１０における融解による体積変化は、鉛フリーめっき皮膜３２の面方向における変化がないため、高さ方向、即ち、鉛フリーめっき皮膜３２の膜厚として変化するからである。
【００３６】
このようにして、本実施の形態における体積変化率を得ることができる。この体積変化率は、前述したように、ウイスカ発生能と相関があり、体積変化率が大きい程、ウイスカ発生能が高く、体積変化率が小さい程、ウイスカ発生能は低い。
【００３７】
従って、この体積変化率を得ることにより、ウイスカ発生能を知ることができ、鉛フリーめっき皮膜の評価を行うことができる。
〔第２の実施の形態〕
第２の実施の形態である鉛フリーめっき皮膜の評価方法について、図８に基づき具体的に説明する。本実施の形態は、レーザーにより加熱を行う加熱装置を用いた方法である。
【００３８】
鉛フリーめっき皮膜がなされる媒体である金属からなる薄板に、Ｓｎめっき皮膜を形成した試料を作製し、この鉛フリーめっき皮膜の評価を行う。
【００３９】
最初に、ステップ２０２に示すように、試料を加熱装置に水平に固定する。具体的には、図９（ａ）に示すように、試料１１を加熱装置５２本体の試料台５３に試料１１が水平となるように取り付ける。尚、加熱装置５２には、試料台５３の他、試料１１を加熱するためのレーザー光源５４及びレーザー光源５４を制御するための不図示の制御部を有している。
【００４０】
次に、ステップ２０４に示すように、試料１１が固定されている加熱装置５２全体を不活性ガス雰囲気にする。具体的には、試料１１が固定されている加熱装置５２全体を不図示のグローブボックス等の密閉可能な容器内に設置し、グローブボックス等を密閉状態とし、グローブボックス内を排気しつつ窒素ガス等の不活性ガスを導入し、試料１１が固定されている加熱装置５２全体を不活性ガスにより包み込んだ状態にする。
【００４１】
次に、ステップ２０６に示すように、レーザー光源５４より試料１１に対しレーザー光を照射する。具体的には、ステップ２０４において導入された窒素ガスにより、グローブボックス内の酸素濃度が１００ｐｐｍ以下になるのを確認した後、図９（ｂ）に示すように、レーザー光源５４からのレーザー光の照射を開始する。
【００４２】
次に、ステップ２０８に示すように、レーザー光源５４からのレーザー光の照射により、レーザー光の照射されている部分を中心に、試料１１の鉛フリーめっき皮膜の融解が始まる。鉛フリーめっき皮膜の一部が局所的に融解したのを確認した後、レーザー光源５４からのレーザー光の照射を停止する。次に、ステップ２１０に示すように、加熱装置５２から試料１１を取り外す。具体的には、ステップ２０８において局所的に融解した鉛フリーめっき皮膜が凝固したのを確認した後、不図示のグローブボックスより加熱装置５２を取り出し、加熱装置５２より試料１１を取り外す。
【００４３】
次に、ステップ２１２に示すように、試料１１をエポキシ樹脂等の樹脂により被覆する。具体的に、この工程について、図４及び図５に基づき説明する。最初に、図４（ａ）及び図５（ａ）に示すように、試料１１を被覆するための被覆容器２１内にあらかじめエポキシ樹脂２２を入れて硬化させたものの上にステップ１１２において取り出した試料１１を設置する。この後、図４（ｂ）及び図５（ｂ）に示すように、試料１１の全体がすべて覆われるまで未硬化のエポキシ樹脂２３を流し込み硬化させる。この後、図４（ｃ）及び図５（ｃ）に示すように、硬化させたエポキシ樹脂２２、２３を被覆容器２１から取り出す。このようにして、試料１１をエポキシ樹脂２２、２３により被覆する。
【００４４】
次に、ステップ２１４に示すように、エポキシ樹脂２２、２３により被覆された試料１１についてイオンビームエッチング（ＩＢＥ）により表面露出処理を行う。具体的には、図６に示すように、エポキシ樹脂２２、２３により試料１１が被覆されているものについて、一点鎖線で示される範囲を紙面に垂直に切り出し試料２３Ａを作製する。尚、この切り出された試料２３Ａは、ステップ１１０において、局所的に試料１１の鉛フリーめっき皮膜が融解されている部分１１ａと融解されていない部分１１ｂの界面を中心に切り出される。即ち、試料２３Ａは、試料１１の鉛フリーめっき皮膜が融解されている部分１１ａと融解されていない部分１１ｂの双方が、ほぼ均等に含まれるように切り出される。こののち、試料２３Ａについて、アルゴンイオンビーム加工装置により５０μｍ程度ドライエッチングを行う。アルゴンイオンビームによるドライエッチングは、応力を加えることなくエッチング加工が可能であり、断面に変形が加わることなく加工することができる。このようなアルゴンイオンビームによるドライエッチングが行われた後の試料２３Ａａの様子を図７に示す。図７に示されるように、試料２３Ａａにおいて金属からなる薄板３１の両面に鉛フリーめっき皮膜３２が形成されたドライエッチング後の断面を得ることができる。尚、本実施の形態におけるドライエッチングとは、本来的なドライエッチングのみならずイオンミーリング等の方法も含む意味である。
【００４５】
次に、ステップ２１６に示すように、アルゴンイオンビームによりドライエッチング加工した面について、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて鉛フリーめっき皮膜の膜厚の測定を行う。具体的には、試料２３ＡａをＳＥＭの試料室に設置した後、試料室を排気することにより真空状態とし、試料２３Ａａにおいてドライエッチング加工された面に電子ビームを照射することにより、この面のＳＥＭ画像を得る。このように得られたＳＥＭ画像に基づき、鉛フリーめっき皮膜における融解された部分３２ａの膜厚と、融解されていない部分３２ｂの膜厚を測定する。
【００４６】
次に、ステップ２１８に示すように、融解された部分３２ａにおける体積変化率を算出する。具体的には、ステップ２１６において測定された膜厚データをもとに、融解されていない部分３２ｂの膜厚に対する融解された部分３２ａにおける膜厚の比率を算出する。ステップ２０８における融解による体積変化は、鉛フリーめっき皮膜３２の面方向における変化がないため、高さ方向、即ち、鉛フリーめっき皮膜３２の膜厚として変化するからである。
【００４７】
このようにして、本実施の形態における体積変化率を得ることができる。この体積変化率は、前述したように、ウイスカ発生能と相関があり、体積変化率が大きい程、ウイスカ発生能が高く、体積変化率が小さい程、ウイスカ発生能は低い。本実施の形態では、鉛フリーめっき皮膜を加熱するために、レーザーを用いているが、レーザーを用いることにより、微小領域を短時間に加熱することが可能となり、評価時間をより一層短縮することが可能となる。
【００４８】
従って、この体積変化率を得ることにより、ウイスカ発生能を知ることができ、鉛フリーめっき皮膜の評価を行うことができる。
【実施例１】
【００４９】
実施例１は本発明に係る第１の実施の形態による評価方法により評価を行うものである。
【００５０】
具体的には、媒体である燐青銅からなる薄板３１に約１．９μｍのＳｎめっき皮膜３２を形成したものについて、第１の実施の形態における評価方法により評価を行った。加熱し融解させ凝固した後のＳｎめっき皮膜の断面を２万倍の倍率でＳＥＭ観察したところ、融解された部分３２ａにおける膜厚の平均値は、２．２μｍであり、融解されていない部分３２ｂにおける膜厚の平均値は、１．９μｍであった。Ｓｎめっき皮膜３２は、薄板３１に形成されていることから、面方向への変化はないものと考えられるため、Ｓｎめっき皮膜の体積変化率は膜厚変化率となる。よって、体積変化率は、約１６％であった。この間に要した日数は、約１日である。
【実施例２】
【００５１】
実施例２は本発明に係る第１の実施の形態による評価方法により評価を行うものである。
【００５２】
具体的には、媒体である燐青銅からなる薄板３１に約３．２μｍのＳｎめっき皮膜３２を形成したものについて、第１の実施の形態における評価方法により評価を行った。加熱し融解させ凝固した後のＳｎめっき皮膜の断面を２万倍の倍率でＳＥＭ観察したところ、融解された部分３２ａにおける膜厚の平均値は、３．３μｍであり、融解されていない部分３２ｂにおける膜厚の平均値は、３．２μｍであった。Ｓｎめっき皮膜３２は、薄板３１に形成されていることから、面方向への変化はないものと考えられるため、Ｓｎめっき皮膜の体積変化率は膜厚変化率となる。よって、体積変化率は、約３％であった。この間に要した日数は、約１日である。
【００５３】
ここで、実施例１と同様の燐青銅からなる薄板の媒体に約１．９μｍのＳｎめっき皮膜を形成したものを５℃の環境下で２年間放置した。放置後の観察により得られたウイスカの長さは、１４０から２１０μｍであった。
【００５４】
また、実施例２と同様の燐青銅からなる薄板の媒体に約３．２μｍのＳｎめっき皮膜を形成したものを５℃の環境下で２年間放置した。放置後の観察により得られたウイスカの長さは、３０から９０μｍであった。
【００５５】
図１０に、実施例１、実施例２より得られた体積変化率と、上述のように同様のサンプルを２年間放置した場合のウイスカの長さとの関係を示す。図に示されるように、体積変化率と２年間放置した場合のウイスカの長さとの間には相関関係があり、体積変化率を測定することにより、ウイスカ発生能の評価を行うことが可能となる。
【００５６】
このことから、本発明に係る実施の形態により、鉛フリーめっき皮膜の評価を行うことが可能であり、従来のウイスカ評価方法の１／１００以下の評価時間で行うことが可能である。
【００５７】
以上、本発明の実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。
【００５８】
以上の説明に関し、更に以下の項を開示する。
（付記１）
鉛フリーめっきが施された媒体における鉛フリーめっき皮膜の評価方法であって、
前記鉛フリーめっき皮膜の一部の領域を鉛フリーめっき皮膜が融解するまで加熱した後に凝固させ、
前記加熱させた後凝固させた領域の体積変化率を測定することを特徴とする鉛フリーめっき皮膜の評価方法。
（付記２）
鉛フリーめっきが施された媒体における鉛フリーめっき皮膜の評価方法であって、
前記鉛フリーめっき皮膜の一部の領域を鉛フリーめっき皮膜が融解するまで加熱する加熱工程と、
前記一部の領域を融解した後、凝固させる凝固工程と、
前記一部の領域が凝固した後、前記融解された領域の膜厚と、前記融解がされていない領域の膜厚とを測定する測定工程と、
前記融解がされていない領域の膜厚に対する前記融解された領域の膜厚に基づき体積変化率を算出する算出工程と、
を含むことを特徴とする鉛フリーめっき皮膜の評価方法。
（付記３）
鉛フリーめっきが施された媒体における鉛フリーめっき皮膜の評価方法であって、
前記鉛フリーめっき皮膜の一部の領域を鉛フリーめっき皮膜が融解するまで加熱する加熱工程と、
前記一部の領域を融解した後、凝固させる凝固工程と、
前記凝固工程終了後、前記鉛フリーめっき皮膜が融解した領域と融解していない領域との双方の鉛フリーめっき皮膜に垂直な断面をドライエッチングにより露出させる断面露出工程と、
前記断面露出工程により露出した面において、前記融解された領域の膜厚と、前記融解がされていない領域の膜厚とを測定する測定工程と、
前記融解がされていない領域の膜厚に対する前記融解された領域の膜厚に基づき体積変化率を算出する算出工程と、
を含むことを特徴とする鉛フリーめっき皮膜の評価方法。
（付記４）
付記３に記載の鉛フリーめっき皮膜の評価方法であって、
前記凝固工程終了後、前記鉛フリーめっきが施された媒体を樹脂により被覆する被覆工程を行い、
前記被覆工程終了後、樹脂により被覆されている鉛フリーめっきが施された媒体について前記断面加工工程を行うことを特徴とする鉛フリーめっき皮膜の評価方法。
（付記５）
付記２から４のいずれかに記載の鉛フリーめっき皮膜の評価方法であって、
前記加熱工程、前記凝固工程は、窒素又は不活性ガス雰囲気中において行われるものであることを特徴とする鉛フリーめっき皮膜の評価方法。
（付記６）
付記２から５のいずれかに記載の鉛フリーめっき皮膜の評価方法であって、
前記加熱工程、前記凝固工程は、前記鉛フリーめっき被膜が水平な状態を保ったまま行われるものであることを特徴とする鉛フリーめっき皮膜の評価方法。
（付記７）
付記２から６のいずれかに記載の鉛フリーめっき皮膜の評価方法であって、
前記加熱工程は、ヒーティングブロックにより行われるものであることを特徴とする鉛フリーめっき皮膜の評価方法。
（付記８）
付記２から６のいずれかに記載の鉛フリーめっき皮膜の評価方法であって、
前記加熱工程は、レーザーにより行われるものであることを特徴とする鉛フリーめっき皮膜の評価方法。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】鉛フリーめっき皮膜の融解／凝固を行うことによる体積変化の説明図
【図２】第１の実施の形態に係る評価方法のフローチャート
【図３】第１の実施の形態における加熱工程における加熱装置の断面概要図
【図４】第１の実施の形態における被覆工程における工程を示す斜視図
【図５】第１の実施の形態における被覆工程における工程を示す断面概要図
【図６】第１の実施の形態における被覆工程終了後の上面図
【図７】第１の実施の形態における断面露出工程終了後の試料の斜視図
【図８】第２の実施の形態に係る評価方法のフローチャート
【図９】第２の実施の形態における加熱工程における加熱装置の断面概要図
【図１０】体積変化率とウイスカの長さとの相関図
【符号の説明】
【００６０】
１１ 試料
１１ａ 鉛フリーめっき皮膜が融解された部分
１１ｂ 鉛フリーめっき皮膜が融解されていない部分
１２ 加熱装置
１３ チャッキング部
１４ ヒーティングブロック
１５ 昇降駆動部
２１ 被覆容器
２２、２３ エポキシ樹脂
２３Ａａ 試料
３１ 薄板（媒体）
３２ 鉛フリーめっき皮膜
３２ａ 鉛フリーめっき皮膜が融解された部分
３２ｂ 鉛フリーめっき皮膜が融解されていない部分
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉛フリーめっき皮膜の評価方法に関し、特に、電子部品の電極を接続する際に用いられる錫又は錫合金からなるめっき皮膜の評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
実装基板等に搭載される電子部品における電極の接続には、一般的にはんだめっきが用いられる。このはんだめっきに用いられる材料は、近年環境問題への配慮から鉛フリーはんだが多く用いられるようになっている。鉛フリーはんだは、鉛を含んでいないため鉛を放出することがなく、鉛による環境汚染を回避することができる。一方、従来から用いられている鉛を含むはんだめっきには、鉛が含まれているが、この鉛はウイスカと称する髭状結晶の成長を抑止する効果を有しているため、鉛を含まない鉛フリーはんだを用いてめっきを施した場合には、ウイスカの発生に起因した問題が多く発生することが確認されている。
【０００３】
また、鉛フリーはんだめっきによってウイスカの発生は多くなるが、めっきが施される部分（電子部品の電極部など）の材質や形状によってもウイスカの発生の程度が異なる。即ち、ウイスカの発生は、めっき皮膜に働く応力に依存することが知られている。この応力は、めっきの内部応力や、めっきが施される下地となる層からの原子の拡散、めっき皮膜における金属組織の回復や再結晶化によって発生する応力である。そこで、はんだめっきが施された電子部品や、そのような電子部品が搭載された実装基板に対してウイスカの発生や成長を評価し、製品の信頼性を確保することが一般的に行われている。
【０００４】
ここで、ウイスカについて、電子部品の接続端子である電極部の銅（Ｃｕ）合金の部材（媒体）の上に鉛（Ｐｂ）フリーめっきとして錫（Ｓｎ）めっきを施した場合について説明する。
【０００５】
特許文献１に記載されているように、Ｓｎめっき膜が形成された後、ある程度の時間が経過するとＳｎめっき膜の表面は酸化され表面酸化膜が形成される。また、下地となる電極部の部材におけるＣｕがＳｎめっき膜に拡散して下地拡散層が形成される。ウイスカはこの下地拡散層が厚く形成された領域上において、発生し成長する。環境条件によっては、表面酸化膜を貫通し外側に向かって成長し、長いものでは、４００μｍから１ｍｍ程度の長さにまで成長する。
【０００６】
このようなウイスカが半導体パッケージの接続端子上で発生すると、ウイスカ同士が非常に近接したり、接触したりする場合がある。ウイスカはＳｎが結晶成長したものであることから、高い導電性を有しているため、接続端子上で成長したウイスカ同士が近接したり接触したりすると、この部分で短絡が生じる場合がある。この短絡によって、半導体パッケージの動作不良が生じ、結果的にコンピュータシステムや電気通信システムに不具合を生じてしまう虞がある。
【０００７】
このようなウイスカ発生による問題を事前に調べて、ウイスカの発生のない、又は発生の少ない条件（媒体となる部材の材質、形状、めっき材の材質等）を選定するために行われる試験が、ウイスカ評価試験と称される試験である。評価対象として試験片または電子部品を室温で放置してウイスカの発生を調べる場合、例えば１０００時間以上の長時間に亙って放置する必要があり、実用的ではない。そこで、ウイスカの発生及び成長を促進して短時間でウイスカを発生させる加速評価試験が検討されている。具体的に、加速評価試験では、基本的に試験片または電子部品に熱を加えることによりウイスカの発生を促進させようとするものであり、熱の他にも湿度や圧力を加えたりする場合がある。
【０００８】
従来のウイスカ評価方法として、室温放置、または、恒温放置、恒温高湿放置、温度サイクル試験、不飽和水蒸気によるプレッシャークッカー試験（ＨＡＳＴ）等がある。これらのウイスカ評価方法は、非特許文献１に記載されている。なお、上述の高温放置、高温高湿放置、温度サイクル試験、不飽和水蒸気によるプレッシャークッカー試験等は、ウイスカの発生や成長を加速させようとする方法であるが、従来より電子部品を実装基板に搭載した際の接続信頼性を評価する際に用いられてきたものである。
【特許文献１】特開２００５−３３０５７７号公報
【非特許文献１】「鉛フリーはんだ実用化検討の２００２年成果報告書」ＪＥＩＴＡ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
実際に加速評価試験がウイスカの発生、成長を促進しているものかにつき調査したところ、熱や湿度を加える従来の加速評価試験では、反対にウイスカの成長が抑制されてしまうことを確認した。即ち、従来の加速評価試験のように加速のために熱を加える方法では、ウイスカが成長して表面酸化膜に到達するまでの間に表面酸化膜が厚く成長してしまい、ウイスカが表面酸化膜を突き破って成長することができなくなるものと考えられる。従って、表面酸化膜がウイスカの成長を抑制しているものと考えられる。
【００１０】
表面酸化膜は、Ｓｎめっき膜の表面に雰囲気中の酸素（Ｏ２）が作用して形成される酸化膜であり、このような酸化は加熱条件下で加速される。従って、表面酸化膜の成長を抑制するためには、加熱を行わないことが適当であるが、ウイスカの成長を促進するためには加熱は重要な条件であり、加熱を行わないと評価試験の時間が長くなるといった問題がある。上述の例は、Ｓｎめっき膜の表面に酸化膜が生成された場合であるが、めっき膜の材質や雰囲気条件によっては、酸化膜ではなく水酸化膜が形成される場合もある。水酸化膜も酸化膜と同様に雰囲気中の酸素の存在が生成要因となる。
【００１１】
このように、ウイスカの発生及び成長を加速して評価時間を短縮する目的の加速試験において、ウイスカの発生及び成長を抑制してしまうことは逆効果であり、評価時間が長くなるばかりでなく、正確な評価ができなくなるという問題がある。
【００１２】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、従来のウイスカ評価試験方法と異なり、ウイスカの発生の原因となるＳｎ結晶粒の回復／再結晶化現象を定量的に評価することにより、鉛フリーめっき皮膜の評価を行う方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一観点によれば、鉛フリーめっきが施された媒体における鉛フリーめっき皮膜の評価方法であって、前記鉛フリーめっき皮膜の一部の領域を鉛フリーめっき皮膜が融解するまで加熱した後に凝固させ、前記加熱させた後凝固させた領域の体積変化率を測定することを特徴とする鉛フリーめっき皮膜の評価方法が提供される。
【００１４】
本発明の別の観点によれば、鉛フリーめっきが施された媒体における鉛フリーめっき皮膜の評価方法であって、前記鉛フリーめっき皮膜の一部の領域を鉛フリーめっき皮膜が融解するまで加熱する加熱工程と、前記一部の領域を融解した後、凝固させる凝固工程と、前記一部の領域が凝固した後、前記融解された領域の膜厚と、前記融解がされていない領域の膜厚とを測定する測定工程と、前記融解がされていない領域の膜厚に対する前記融解された領域の膜厚に基づき体積変化率を算出する算出工程とを含むことを特徴とする鉛フリーめっき皮膜の評価方法が提供される。
【００１５】
本発明の別の観点によれば、鉛フリーめっきが施された媒体における鉛フリーめっき皮膜の評価方法であって、前記鉛フリーめっき皮膜の一部の領域を鉛フリーめっき皮膜が融解するまで加熱する加熱工程と、前記一部の領域を融解した後、凝固させる凝固工程と、前記凝固工程終了後、前記鉛フリーめっき皮膜が融解した領域と融解していない領域との双方の鉛フリーめっき皮膜に垂直な断面をドライエッチングにより露出させる断面露出工程と、前記断面露出工程により露出した面において、前記融解された領域の膜厚と、前記融解がされていない領域の膜厚とを測定する測定工程と、前記融解がされていない領域の膜厚に対する前記融解された領域の膜厚に基づき体積変化率を算出する算出工程とを含むことを特徴とする鉛フリーめっき皮膜の評価方法が提供される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、本発明に記載された熱処理を行った後に鉛フリーめっき皮膜の膜厚等を測定することにより、容易に鉛フリーめっき皮膜の評価を行うことができる。これにより、今まで長期間要していたウイスカ評価試験を行うことなく鉛フリーめっき皮膜の評価を行うことができ、鉛フリーめっき皮膜の評価時間を短縮することができる。これにより、設計や開発等の期間を短縮することができ、鉛フリーめっき皮膜を用いた製品のコストダウンが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
最初に、発明者が得た本発明の基礎となる技術的知見について説明する。
【００１８】
一般に、めっき皮膜には、金属結晶粒の結晶格子に、格子欠陥が多数存在している。このめっき皮膜内の結晶粒に含まれる格子欠陥は不変的なものではなく、一定温度以上に長時間放置した場合、金属原子が移動することにより正規の結晶格子に配列し格子欠陥が解消していく回復現象や、隣接する結晶粒同士が融合して一つの結晶粒となる再結晶化現象が生じる。
【００１９】
鉛フリーめっき皮膜におけるウイスカの発生の主原因は、めっき膜内でのＳｎにおける回復や再結晶化によるものと考えられるため、回復や再結晶化を生じさせる原因となっており、めっき皮膜内の格子欠陥の数が、ウイスカの発生と相関を有しているものと考えられる。
【００２０】
また、鉛フリーめっき皮膜を加熱して融解させると、凝固の際に格子欠陥の少ない大型の結晶粒が生じる。このことは、鉛フリーめっき皮膜における融解に伴う回復、再結晶化現象である。そして、この回復や再結晶化がなされることにより、初期の鉛フリーめっき皮膜と比べ、体積が増大することを見いだした。
【００２１】
具体的に、図１に基づき説明する。鉛フリーめっき皮膜が形成された直後の状態では、図１（ａ）に示されるように、Ｓｎ結晶１ａ内において、格子欠陥の一種である転位１ｂが発生している。この後、図１（ｂ）に示されるように、融解した後に凝固させることにより、緩和によりＳｎ原子が移動し、転位１ｂが消失する。このＳｎ原子の移動により、体積が膨張するのである（１ｃに示す部分が体積膨張した部分）。
【００２２】
ここで、鉛フリーめっき皮膜を室温で放置した場合に生じる回復や再結晶化と、融解させた後に凝固させた際の回復や再結晶化とは、回復や再結晶化に至るまでの所要時間には大きな違いがあるものの、現象としては本質的には同じものである。
【００２３】
従って、融解させた後に凝固させることにより、回復や再結晶化を加速させることができ、迅速に評価を行うことができるのである。具体的には、融解させた後に凝固させたときの体積増加量、即ち、体積変化率を求めることで、鉛フリーめっき皮膜のウイスカ発生能を把握し比較することが可能となる。
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
〔第１の実施の形態〕
第１の実施の形態である鉛フリーめっき皮膜の評価方法について、図２に基づき具体的に説明する。本実施の形態は、ヒーティングブロックを有する加熱装置を用いた方法である。
【００２５】
鉛フリーめっき皮膜がなされる媒体である金属からなる薄板に、Ｓｎめっき皮膜を形成した試料を作製し、この鉛フリーめっき皮膜の評価を行う。
【００２６】
最初に、ステップ１０２（「Ｓ１０２」を意味する。以下同様。）に示すように、試料を加熱装置に水平に固定する。具体的には、図３（ａ）に示すように、試料１１を加熱装置１２本体のチャッキング部１３に試料１１が水平となるように取り付ける。尚、加熱装置１２には、チャッキング部１３の他、試料１１を加熱するためのヒーティングブロック１４及びヒーティングブロック１４を昇降するための昇降駆動部１５を有している。
【００２７】
次に、ステップ１０４に示すように、試料１１が固定されている加熱装置１２全体を不活性ガス雰囲気にする。具体的には、試料１１が固定されている加熱装置１２全体を不図示のグローブボックス等の密閉可能な容器内に設置し、グローブボックス等を密閉状態とし、グローブボックス内を排気しつつ窒素ガス等の不活性ガスを導入し、試料１１が固定されている加熱装置１２全体を不活性ガスにより包み込んだ状態にする。
【００２８】
次に、ステップ１０６に示すように、ヒーティングブロック（ＨＢ）の加熱を開始する。具体的には、ステップ１０４において導入された窒素ガスにより、グローブボックス内の酸素濃度が１００ｐｐｍ以下になるのを確認した後、ヒーティングブロック１４の加熱を開始する。尚、この状態では、試料１１とヒーティングブロック１４とは接触しておらず、非接触な状態のまま、ヒーティングブロック１４が２７０℃になるまで加熱する。
【００２９】
次に、ステップ１０８に示すように、加熱装置１２に固定されている試料１１の表面に、ヒーティングブロック１４を接触させる。具体的には、図３（ｂ）に示すように、加熱装置１２に設けられている昇降駆動部１５によりヒーティングブロック１４の先端が試料１１に接触するまで上昇させる。この際、試料１１は水平に保たれた状態で固定されており、試料１１における鉛フリーめっき皮膜の一部はヒーティングブロック１４が接触することにより融解する。
【００３０】
次に、ステップ１１０に示すように、試料１１の鉛フリーめっき皮膜の一部が局所的に融解したのを確認した後、ヒーティングブロック１４を昇降駆動部１５により降下させる。
【００３１】
次に、ステップ１１２に示すように、加熱装置１２から試料１１を取り外す。具体的には、ステップ１１０において局所的に融解した鉛フリーめっき皮膜が凝固したのを確認した後、不図示のグローブボックスより加熱装置１２を取り出し、加熱装置１２より試料１１を取り外す。
【００３２】
次に、ステップ１１４に示すように、試料１１をエポキシ樹脂等の樹脂により被覆する。具体的に、この工程について、図４及び図５に基づき説明する。最初に、図４（ａ）及び図５（ａ）に示すように、試料１１を被覆するための被覆容器２１内にあらかじめエポキシ樹脂２２を入れて硬化させたものの上にステップ１１２において取り出した試料１１を設置する。この後、図４（ｂ）及び図５（ｂ）に示すように、試料１１の全体がすべて覆われるまで未硬化のエポキシ樹脂２３を流し込み硬化させる。この後、図４（ｃ）及び図５（ｃ）に示すように、硬化させたエポキシ樹脂２２、２３を被覆容器２１から取り出す。このようにして、試料１１をエポキシ樹脂２２、２３により被覆する。
【００３３】
次に、ステップ１１６に示すように、エポキシ樹脂２２、２３により被覆された試料１１についてイオンビームエッチング（ＩＢＥ）による表面露出処理を行う。具体的には、図６に示すように、エポキシ樹脂２２、２３により試料１１が被覆されているものについて、一点鎖線で示される範囲を紙面に垂直に切り出し試料２３Ａを作製する。尚、この切り出された試料２３Ａは、ステップ１１０において、試料１１において鉛フリーめっき皮膜が融解された部分１１ａと融解されていない部分１１ｂの界面を中心に切り出される。即ち、試料２３Ａは、試料１１の鉛フリーめっき皮膜が融解された部分１１ａと融解されていない部分１１ｂの双方が、ほぼ均等に含まれるように切り出される。こののち、試料２３Ａについて、アルゴンイオンビーム加工装置により５０μｍ程度ドライエッチングを行う。アルゴンイオンビームによるドライエッチングは、応力を加えることなくエッチング加工が可能であり、断面に変形が加わることなく加工することができる。このようなアルゴンイオンビームによるドライエッチングが行われた後の試料２３Ａａの様子を図７に示す。図７に示されるように、試料２３Ａａにおいて金属からなる薄板３１の両面に鉛フリーめっき皮膜３２が形成されたドライエッチング後の断面を得ることができる。尚、本実施の形態におけるドライエッチングとは、本来的なドライエッチングのみならずイオンミーリング等の方法も含む意味である。
【００３４】
次に、ステップ１１８に示すように、アルゴンイオンビームによりドライエッチング加工した面について、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用い鉛フリーめっき皮膜の膜厚の測定を行う。具体的には、試料２３ＡａをＳＥＭの試料室に設置した後、試料室を排気することにより真空状態とし、試料２３Ａａにおいてドライエッチング加工された面に電子ビームを照射することにより、この面のＳＥＭ画像を得る。このように得られたＳＥＭ画像に基づき、鉛フリーめっき皮膜における融解された部分３２ａの膜厚と、融解されていない部分３２ｂの膜厚を測定する。
【００３５】
次に、ステップ１２０に示すように、融解された部分３２ａにおける体積変化率を算出する。具体的には、ステップ１１８において測定された膜厚データをもとに、融解されていない部分３２ｂの膜厚に対する融解された部分３２ａにおける膜厚の比率を算出する。ステップ１１０における融解による体積変化は、鉛フリーめっき皮膜３２の面方向における変化がないため、高さ方向、即ち、鉛フリーめっき皮膜３２の膜厚として変化するからである。
【００３６】
このようにして、本実施の形態における体積変化率を得ることができる。この体積変化率は、前述したように、ウイスカ発生能と相関があり、体積変化率が大きい程、ウイスカ発生能が高く、体積変化率が小さい程、ウイスカ発生能は低い。
【００３７】
従って、この体積変化率を得ることにより、ウイスカ発生能を知ることができ、鉛フリーめっき皮膜の評価を行うことができる。
〔第２の実施の形態〕
第２の実施の形態である鉛フリーめっき皮膜の評価方法について、図８に基づき具体的に説明する。本実施の形態は、レーザーにより加熱を行う加熱装置を用いた方法である。
【００３８】
鉛フリーめっき皮膜がなされる媒体である金属からなる薄板に、Ｓｎめっき皮膜を形成した試料を作製し、この鉛フリーめっき皮膜の評価を行う。
【００３９】
最初に、ステップ２０２に示すように、試料を加熱装置に水平に固定する。具体的には、図９（ａ）に示すように、試料１１を加熱装置５２本体の試料台５３に試料１１が水平となるように取り付ける。尚、加熱装置５２には、試料台５３の他、試料１１を加熱するためのレーザー光源５４及びレーザー光源５４を制御するための不図示の制御部を有している。
【００４０】
次に、ステップ２０４に示すように、試料１１が固定されている加熱装置５２全体を不活性ガス雰囲気にする。具体的には、試料１１が固定されている加熱装置５２全体を不図示のグローブボックス等の密閉可能な容器内に設置し、グローブボックス等を密閉状態とし、グローブボックス内を排気しつつ窒素ガス等の不活性ガスを導入し、試料１１が固定されている加熱装置５２全体を不活性ガスにより包み込んだ状態にする。
【００４１】
次に、ステップ２０６に示すように、レーザー光源５４より試料１１に対しレーザー光を照射する。具体的には、ステップ２０４において導入された窒素ガスにより、グローブボックス内の酸素濃度が１００ｐｐｍ以下になるのを確認した後、図９（ｂ）に示すように、レーザー光源５４からのレーザー光の照射を開始する。
【００４２】
次に、ステップ２０８に示すように、レーザー光源５４からのレーザー光の照射により、レーザー光の照射されている部分を中心に、試料１１の鉛フリーめっき皮膜の融解が始まる。鉛フリーめっき皮膜の一部が局所的に融解したのを確認した後、レーザー光源５４からのレーザー光の照射を停止する。次に、ステップ２１０に示すように、加熱装置５２から試料１１を取り外す。具体的には、ステップ２０８において局所的に融解した鉛フリーめっき皮膜が凝固したのを確認した後、不図示のグローブボックスより加熱装置５２を取り出し、加熱装置５２より試料１１を取り外す。
【００４３】
次に、ステップ２１２に示すように、試料１１をエポキシ樹脂等の樹脂により被覆する。具体的に、この工程について、図４及び図５に基づき説明する。最初に、図４（ａ）及び図５（ａ）に示すように、試料１１を被覆するための被覆容器２１内にあらかじめエポキシ樹脂２２を入れて硬化させたものの上にステップ１１２において取り出した試料１１を設置する。この後、図４（ｂ）及び図５（ｂ）に示すように、試料１１の全体がすべて覆われるまで未硬化のエポキシ樹脂２３を流し込み硬化させる。この後、図４（ｃ）及び図５（ｃ）に示すように、硬化させたエポキシ樹脂２２、２３を被覆容器２１から取り出す。このようにして、試料１１をエポキシ樹脂２２、２３により被覆する。
【００４４】
次に、ステップ２１４に示すように、エポキシ樹脂２２、２３により被覆された試料１１についてイオンビームエッチング（ＩＢＥ）により表面露出処理を行う。具体的には、図６に示すように、エポキシ樹脂２２、２３により試料１１が被覆されているものについて、一点鎖線で示される範囲を紙面に垂直に切り出し試料２３Ａを作製する。尚、この切り出された試料２３Ａは、ステップ１１０において、局所的に試料１１の鉛フリーめっき皮膜が融解されている部分１１ａと融解されていない部分１１ｂの界面を中心に切り出される。即ち、試料２３Ａは、試料１１の鉛フリーめっき皮膜が融解されている部分１１ａと融解されていない部分１１ｂの双方が、ほぼ均等に含まれるように切り出される。こののち、試料２３Ａについて、アルゴンイオンビーム加工装置により５０μｍ程度ドライエッチングを行う。アルゴンイオンビームによるドライエッチングは、応力を加えることなくエッチング加工が可能であり、断面に変形が加わることなく加工することができる。このようなアルゴンイオンビームによるドライエッチングが行われた後の試料２３Ａａの様子を図７に示す。図７に示されるように、試料２３Ａａにおいて金属からなる薄板３１の両面に鉛フリーめっき皮膜３２が形成されたドライエッチング後の断面を得ることができる。尚、本実施の形態におけるドライエッチングとは、本来的なドライエッチングのみならずイオンミーリング等の方法も含む意味である。
【００４５】
次に、ステップ２１６に示すように、アルゴンイオンビームによりドライエッチング加工した面について、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて鉛フリーめっき皮膜の膜厚の測定を行う。具体的には、試料２３ＡａをＳＥＭの試料室に設置した後、試料室を排気することにより真空状態とし、試料２３Ａａにおいてドライエッチング加工された面に電子ビームを照射することにより、この面のＳＥＭ画像を得る。このように得られたＳＥＭ画像に基づき、鉛フリーめっき皮膜における融解された部分３２ａの膜厚と、融解されていない部分３２ｂの膜厚を測定する。
【００４６】
次に、ステップ２１８に示すように、融解された部分３２ａにおける体積変化率を算出する。具体的には、ステップ２１６において測定された膜厚データをもとに、融解されていない部分３２ｂの膜厚に対する融解された部分３２ａにおける膜厚の比率を算出する。ステップ２０８における融解による体積変化は、鉛フリーめっき皮膜３２の面方向における変化がないため、高さ方向、即ち、鉛フリーめっき皮膜３２の膜厚として変化するからである。
【００４７】
このようにして、本実施の形態における体積変化率を得ることができる。この体積変化率は、前述したように、ウイスカ発生能と相関があり、体積変化率が大きい程、ウイスカ発生能が高く、体積変化率が小さい程、ウイスカ発生能は低い。本実施の形態では、鉛フリーめっき皮膜を加熱するために、レーザーを用いているが、レーザーを用いることにより、微小領域を短時間に加熱することが可能となり、評価時間をより一層短縮することが可能となる。
【００４８】
従って、この体積変化率を得ることにより、ウイスカ発生能を知ることができ、鉛フリーめっき皮膜の評価を行うことができる。
【実施例１】
【００４９】
実施例１は本発明に係る第１の実施の形態による評価方法により評価を行うものである。
【００５０】
具体的には、媒体である燐青銅からなる薄板３１に約１．９μｍのＳｎめっき皮膜３２を形成したものについて、第１の実施の形態における評価方法により評価を行った。加熱し融解させ凝固した後のＳｎめっき皮膜の断面を２万倍の倍率でＳＥＭ観察したところ、融解された部分３２ａにおける膜厚の平均値は、２．２μｍであり、融解されていない部分３２ｂにおける膜厚の平均値は、１．９μｍであった。Ｓｎめっき皮膜３２は、薄板３１に形成されていることから、面方向への変化はないものと考えられるため、Ｓｎめっき皮膜の体積変化率は膜厚変化率となる。よって、体積変化率は、約１６％であった。この間に要した日数は、約１日である。
【実施例２】
【００５１】
実施例２は本発明に係る第１の実施の形態による評価方法により評価を行うものである。
【００５２】
具体的には、媒体である燐青銅からなる薄板３１に約３．２μｍのＳｎめっき皮膜３２を形成したものについて、第１の実施の形態における評価方法により評価を行った。加熱し融解させ凝固した後のＳｎめっき皮膜の断面を２万倍の倍率でＳＥＭ観察したところ、融解された部分３２ａにおける膜厚の平均値は、３．３μｍであり、融解されていない部分３２ｂにおける膜厚の平均値は、３．２μｍであった。Ｓｎめっき皮膜３２は、薄板３１に形成されていることから、面方向への変化はないものと考えられるため、Ｓｎめっき皮膜の体積変化率は膜厚変化率となる。よって、体積変化率は、約３％であった。この間に要した日数は、約１日である。
【００５３】
ここで、実施例１と同様の燐青銅からなる薄板の媒体に約１．９μｍのＳｎめっき皮膜を形成したものを５℃の環境下で２年間放置した。放置後の観察により得られたウイスカの長さは、１４０から２１０μｍであった。
【００５４】
また、実施例２と同様の燐青銅からなる薄板の媒体に約３．２μｍのＳｎめっき皮膜を形成したものを５℃の環境下で２年間放置した。放置後の観察により得られたウイスカの長さは、３０から９０μｍであった。
【００５５】
図１０に、実施例１、実施例２より得られた体積変化率と、上述のように同様のサンプルを２年間放置した場合のウイスカの長さとの関係を示す。図に示されるように、体積変化率と２年間放置した場合のウイスカの長さとの間には相関関係があり、体積変化率を測定することにより、ウイスカ発生能の評価を行うことが可能となる。
【００５６】
このことから、本発明に係る実施の形態により、鉛フリーめっき皮膜の評価を行うことが可能であり、従来のウイスカ評価方法の１／１００以下の評価時間で行うことが可能である。
【００５７】
以上、本発明の実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。
【００５８】
以上の説明に関し、更に以下の項を開示する。
（付記１）
鉛フリーめっきが施された媒体における鉛フリーめっき皮膜の評価方法であって、
前記鉛フリーめっき皮膜の一部の領域を鉛フリーめっき皮膜が融解するまで加熱した後に凝固させ、
前記加熱させた後凝固させた領域の体積変化率を測定することを特徴とする鉛フリーめっき皮膜の評価方法。
（付記２）
鉛フリーめっきが施された媒体における鉛フリーめっき皮膜の評価方法であって、
前記鉛フリーめっき皮膜の一部の領域を鉛フリーめっき皮膜が融解するまで加熱する加熱工程と、
前記一部の領域を融解した後、凝固させる凝固工程と、
前記一部の領域が凝固した後、前記融解された領域の膜厚と、前記融解がされていない領域の膜厚とを測定する測定工程と、
前記融解がされていない領域の膜厚に対する前記融解された領域の膜厚に基づき体積変化率を算出する算出工程と、
を含むことを特徴とする鉛フリーめっき皮膜の評価方法。
（付記３）
鉛フリーめっきが施された媒体における鉛フリーめっき皮膜の評価方法であって、
前記鉛フリーめっき皮膜の一部の領域を鉛フリーめっき皮膜が融解するまで加熱する加熱工程と、
前記一部の領域を融解した後、凝固させる凝固工程と、
前記凝固工程終了後、前記鉛フリーめっき皮膜が融解した領域と融解していない領域との双方の鉛フリーめっき皮膜に垂直な断面をドライエッチングにより露出させる断面露出工程と、
前記断面露出工程により露出した面において、前記融解された領域の膜厚と、前記融解がされていない領域の膜厚とを測定する測定工程と、
前記融解がされていない領域の膜厚に対する前記融解された領域の膜厚に基づき体積変化率を算出する算出工程と、
を含むことを特徴とする鉛フリーめっき皮膜の評価方法。
（付記４）
付記３に記載の鉛フリーめっき皮膜の評価方法であって、
前記凝固工程終了後、前記鉛フリーめっきが施された媒体を樹脂により被覆する被覆工程を行い、
前記被覆工程終了後、樹脂により被覆されている鉛フリーめっきが施された媒体について前記断面加工工程を行うことを特徴とする鉛フリーめっき皮膜の評価方法。
（付記５）
付記２から４のいずれかに記載の鉛フリーめっき皮膜の評価方法であって、
前記加熱工程、前記凝固工程は、窒素又は不活性ガス雰囲気中において行われるものであることを特徴とする鉛フリーめっき皮膜の評価方法。
（付記６）
付記２から５のいずれかに記載の鉛フリーめっき皮膜の評価方法であって、
前記加熱工程、前記凝固工程は、前記鉛フリーめっき被膜が水平な状態を保ったまま行われるものであることを特徴とする鉛フリーめっき皮膜の評価方法。
（付記７）
付記２から６のいずれかに記載の鉛フリーめっき皮膜の評価方法であって、
前記加熱工程は、ヒーティングブロックにより行われるものであることを特徴とする鉛フリーめっき皮膜の評価方法。
（付記８）
付記２から６のいずれかに記載の鉛フリーめっき皮膜の評価方法であって、
前記加熱工程は、レーザーにより行われるものであることを特徴とする鉛フリーめっき皮膜の評価方法。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】鉛フリーめっき皮膜の融解／凝固を行うことによる体積変化の説明図
【図２】第１の実施の形態に係る評価方法のフローチャート
【図３】第１の実施の形態における加熱工程における加熱装置の断面概要図
【図４】第１の実施の形態における被覆工程における工程を示す斜視図
【図５】第１の実施の形態における被覆工程における工程を示す断面概要図
【図６】第１の実施の形態における被覆工程終了後の上面図
【図７】第１の実施の形態における断面露出工程終了後の試料の斜視図
【図８】第２の実施の形態に係る評価方法のフローチャート
【図９】第２の実施の形態における加熱工程における加熱装置の断面概要図
【図１０】体積変化率とウイスカの長さとの相関図
【符号の説明】
【００６０】
１１ 試料
１１ａ 鉛フリーめっき皮膜が融解された部分
１１ｂ 鉛フリーめっき皮膜が融解されていない部分
１２ 加熱装置
１３ チャッキング部
１４ ヒーティングブロック
１５ 昇降駆動部
２１ 被覆容器
２２、２３ エポキシ樹脂
２３Ａａ 試料
３１ 薄板（媒体）
３２ 鉛フリーめっき皮膜
３２ａ 鉛フリーめっき皮膜が融解された部分
３２ｂ 鉛フリーめっき皮膜が融解されていない部分
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛フリーめっきが施された媒体における鉛フリーめっき皮膜の評価方法であって、
前記鉛フリーめっき皮膜の一部の領域を鉛フリーめっき皮膜が融解するまで加熱した後に凝固させ、
前記加熱させた後凝固させた領域の体積変化率を測定することを特徴とする鉛フリーめっき皮膜の評価方法。
【請求項２】
鉛フリーめっきが施された媒体における鉛フリーめっき皮膜の評価方法であって、
前記鉛フリーめっき皮膜の一部の領域を鉛フリーめっき皮膜が融解するまで加熱する加熱工程と、
前記一部の領域を融解した後、凝固させる凝固工程と、
前記一部の領域が凝固した後、前記融解された領域の膜厚と、前記融解がされていない領域の膜厚とを測定する測定工程と、
前記融解がされていない領域の膜厚に対する前記融解された領域の膜厚に基づき体積変化率を算出する算出工程と、
を含むことを特徴とする鉛フリーめっき皮膜の評価方法。
【請求項３】
鉛フリーめっきが施された媒体における鉛フリーめっき皮膜の評価方法であって、
前記鉛フリーめっき皮膜の一部の領域を鉛フリーめっき皮膜が融解するまで加熱する加熱工程と、
前記一部の領域を融解した後、凝固させる凝固工程と、
前記凝固工程終了後、前記鉛フリーめっき皮膜が融解した領域と融解していない領域との双方の鉛フリーめっき皮膜に垂直な断面をドライエッチングにより露出させる断面露出工程と、
前記断面露出工程により露出した面において、前記融解された領域の膜厚と、前記融解がされていない領域の膜厚とを測定する測定工程と、
前記融解がされていない領域の膜厚に対する前記融解された領域の膜厚に基づき体積変化率を算出する算出工程と、
を含むことを特徴とする鉛フリーめっき皮膜の評価方法。
【請求項４】
前記凝固工程終了後、前記鉛フリーめっきが施された媒体を樹脂により被覆する被覆工程を行い、
前記被覆工程終了後、樹脂により被覆されている鉛フリーめっきが施された媒体について前記断面加工工程を行うことを特徴とする請求項３に記載の鉛フリーめっき皮膜の評価方法。
【請求項５】
前記加熱工程、前記凝固工程は、窒素又は不活性ガス雰囲気中において行われるものであることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の鉛フリーめっき皮膜の評価方法。
【請求項１】
鉛フリーめっきが施された媒体における鉛フリーめっき皮膜の評価方法であって、
前記鉛フリーめっき皮膜の一部の領域を鉛フリーめっき皮膜が融解するまで加熱した後に凝固させ、
前記加熱させた後凝固させた領域の体積変化率を測定することを特徴とする鉛フリーめっき皮膜の評価方法。
【請求項２】
鉛フリーめっきが施された媒体における鉛フリーめっき皮膜の評価方法であって、
前記鉛フリーめっき皮膜の一部の領域を鉛フリーめっき皮膜が融解するまで加熱する加熱工程と、
前記一部の領域を融解した後、凝固させる凝固工程と、
前記一部の領域が凝固した後、前記融解された領域の膜厚と、前記融解がされていない領域の膜厚とを測定する測定工程と、
前記融解がされていない領域の膜厚に対する前記融解された領域の膜厚に基づき体積変化率を算出する算出工程と、
を含むことを特徴とする鉛フリーめっき皮膜の評価方法。
【請求項３】
鉛フリーめっきが施された媒体における鉛フリーめっき皮膜の評価方法であって、
前記鉛フリーめっき皮膜の一部の領域を鉛フリーめっき皮膜が融解するまで加熱する加熱工程と、
前記一部の領域を融解した後、凝固させる凝固工程と、
前記凝固工程終了後、前記鉛フリーめっき皮膜が融解した領域と融解していない領域との双方の鉛フリーめっき皮膜に垂直な断面をドライエッチングにより露出させる断面露出工程と、
前記断面露出工程により露出した面において、前記融解された領域の膜厚と、前記融解がされていない領域の膜厚とを測定する測定工程と、
前記融解がされていない領域の膜厚に対する前記融解された領域の膜厚に基づき体積変化率を算出する算出工程と、
を含むことを特徴とする鉛フリーめっき皮膜の評価方法。
【請求項４】
前記凝固工程終了後、前記鉛フリーめっきが施された媒体を樹脂により被覆する被覆工程を行い、
前記被覆工程終了後、樹脂により被覆されている鉛フリーめっきが施された媒体について前記断面加工工程を行うことを特徴とする請求項３に記載の鉛フリーめっき皮膜の評価方法。
【請求項５】
前記加熱工程、前記凝固工程は、窒素又は不活性ガス雰囲気中において行われるものであることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の鉛フリーめっき皮膜の評価方法。
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１】
【図１０】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−２４２８９６（Ｐ２００９−２４２８９６Ａ）
【公開日】平成２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−９２５８１（Ｐ２００８−９２５８１）
【出願日】平成２０年３月３１日（２００８．３．３１）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月３１日（２００８．３．３１）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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