(57)【要約】    【課題】圧子圧入法による被検体のクリープ特性評価法の精度を高めることを目的とする。    【解決手段】圧子によって被検体に印加される荷重を所定の荷重値まで上昇させた後、その荷重を所定値に保持して、荷重保持時の圧子押込み深さの経時変化データを取得し、そのデータより押込み歪み速度と押込み応力を求めてクリープ特性を推定する際に、荷重上昇速度の最適領域を選定し、その最適領域内の荷重上昇速度の場合の圧子押込み深さの経時変化データに基づいてクリープ特性を推定する。【選択図】        図１
2011169635.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定条件下に保持された被検体に、被検体よりも硬く且つ制御された荷重が作用する先端の先鋭な圧子を押圧し、この圧子の被検体への押込み深さの経時変化を測定して被検体のクリープ特性を評価するクリープ特性評価方法であって、
荷重上昇速度をパラメータとし、それぞれの荷重上昇速度で所定の荷重値まで荷重を上昇させた後、その荷重を所定の時間保持し、荷重の保持時における被検体への圧子押込み深さの一連の経時変化データを取得するための圧子押込み深さ測定工程と、
この工程で取得された一連の圧子押込み深さの経時変化データから、圧子押込み深さの経過時間微分値に基づいて求められる押込み歪み速度と前記所定荷重値を圧子押込み深さに対応する圧子の断面積で除して求められる押込み応力とを算出して一連の押込み歪み速度―押込み応力特性を取得するための押込み歪み速度―押込み応力特性取得工程と、
この工程で取得された一連の押込み歪み速度―押込み応力特性から、クリープ特性を過小評価しない荷重上昇速度の範囲を選定するための荷重上昇速度選定工程と、
この工程で選定された荷重上昇速度の範囲内の荷重上昇速度に対応する押込み歪み速度―押込み応力特性に基づいて被検体のクリープ特性を評価するクリープ特性評価工程と、
を有する、
ことを特徴とするクリープ特性評価方法。
【請求項２】
所定条件下に保持された被検体に、被検体よりも硬く且つ制御された荷重が作用する先端の先鋭な圧子を押圧し、この圧子の被検体への押込み深さの経時変化を測定して被検体のクリープ特性を評価するクリープ特性評価方法であって、
荷重上昇速度をパラメータとし、それぞれの荷重上昇速度で所定の荷重値まで荷重を上昇させた後、その荷重を所定の時間保持し、荷重保持時における被検体への圧子押込み深さの一連の経時変化データを取得するための予備の圧子押込み深さ測定工程と、
この工程で取得された一連の圧子押込み深さの経時変化データから、圧子押込み深さの経過時間微分値に基づいて求められる押込み歪み速度と前記所定荷重値を圧子押込み深さに対応する圧子の断面積で除して求められる押込み応力とを算出して一連の押込み歪み速度―押込み応力特性を取得するための予備の押込み歪み速度―押込み応力特性取得工程と、
この工程で取得された一連の押込み歪み速度―押込み応力特性から、クリープ特性を過小評価しない荷重上昇速度の範囲を選定するための荷重上昇速度選定工程と、
この工程で選定された荷重上昇速度の範囲内の荷重上昇速度で、所定の荷重値まで荷重を上昇させた後、その荷重を所定の時間保持し、荷重保持時の被検体への圧子押込み深さの経時変化データを取得するための圧子押込み深さ測定工程と、
この工程で取得された圧子押込み深さの経時変化データから、圧子押込み深さの経過時間微分値に基づいて求められる押込み歪み速度と前記所定荷重値を圧子押込み深さに対応する圧子の断面積で除して求められる押込み応力とを算出して押込み歪み速度―押込み応力特性を取得するための押込み歪み速度―押込み応力特性取得工程と、
この工程で取得された押込み歪み速度―押込み応力特性に基づいて被検体のクリープ特性を評価するクリープ特性評価工程と、
を有する、
ことを特徴とするクリープ特性評価方法。
【請求項３】
前記圧子押込み深さ測定工程および前記の予備の圧子押込み深さ測定工程が硬さ試験機または硬度計による工程である、
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のクリープ特性評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電子機器全般に利用されるはんだ接合技術の接合信頼性評価などに用いられるクリープ特性評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
はんだ接合技術は、電子機器全般に広く利用され、特に小型化や高信頼化を求められる回路基板あるいはモジュール（マルチチップモジュール）等において、挿入実装部品（ＩＭＤ）や表面実装部品（ＳＭＤ）、混載実装部品を回路基板上に直接実装するのに利用されている。
【０００３】
近年、製品の高密度化が進む中、実装部品の微小接合部における接合信頼性評価方法の確立が求められている。接合信頼性評価の一つであるクリープ特性評価としては、例えば特許文献1に開示されている方法がある。この方法は、図５に示すように、例えばプリント基板１のCuパターン11にはんだ３で接合されたリード２に荷重４を負荷し、はんだ接合部のリード２の変位量を、例えばレーザ変位計５によってモニターし、所定の変位が発生した時点を捉えることで、はんだ接合部の劣化と判断している。図６は、このようにして得られた、はんだの条件をパラメータとする荷重と変位量の関係を示す特性線図の一例である。
【０００４】
このようなクリープ特性データを取得する上では、荷重条件や温度条件毎にサンプル基板を必要とし、且つ、荷重条件や温度条件によっては所定の変位量に至るまでに長期間（数ヶ月または数年）を要するという問題点を有する。
【０００５】
このような問題点を解消するためのクリープ特性評価方法としては、「特許文献２」に開示されている圧子圧入法がある。この方法は、温度制御装置を備えた雰囲気中に被検体を固定し、この被検体をこれより硬く且つ制御された荷重が作用する先端の先鋭な圧子によって押圧し、この圧子の被検体への押込み速度を測定してこの被検体のクリープ特性を測定する。一定荷重での試験以外にも、試験途中で荷重を急変させる「荷重急変試験」や、一定の荷重速度（荷重上昇速度）で圧子を被検体に押し込む「一定荷重速度試験」、所定荷重まで荷重を漸増させて被検体に圧子を押し込んだ後、荷重を所定値に保持し、保持時の押込み深さの経時変化を測定する「荷重保持試験」など、荷重のかけ方によって色々な方式がある。この方法では、被検体としては圧子を押し込むのに必要な大きさがあればよいので、それに必要な小さい試料を用意すればよく、しかもクリープ特性の推定に必要なデータを短時間に安価に取得することができる。
【０００６】
「非特許文献１」および「非特許文献２」は、圧子圧入法をはんだの評価に応用した論文であり、ともに荷重保持試験方式によるもので、前者は、保持荷重まで一定変位速度で荷重を変化させており、後者は、保持荷重まで一定荷重上昇速度で荷重を増加させている。
【０００７】
図７はこの方式の方法を工程図として示したものであり、圧子押込み深さ測定工程と押込み歪み速度―押込み応力特性取得工程とクリープ特性評価工程とからなる。押込み深さ測定工程では、圧子によって被検体に所定の押込み荷重を所定の時間印加し続け、その経過時間に対応させて圧子の押込み深さを測定する。続く押込み歪み速度―押込み応力特性取得工程では、押込み深さの経時変化データから「押込み歪み速度」を算出し、且つ荷重値と押込み深さから「押込み応力」を算出して、押込み歪み速度―押込み応力特性を取得する。この工程で取得された押込み歪み速度―押込み応力特性に基づいて、クリープ特性評価工程で、被検体のクリープ特性を推定し評価する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開2000−214160号公報
【特許文献２】特開2000−214058号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】論文「圧子圧入法による鉛フリーはんだの力学特性の予測」                      宮本輝外2名；材料，Vol.51，No.４，pp.445〜450，2002
【非特許文献２】論文「はんだのクリープ特性に及ぼす微視組織の影響」                      西山達也外4名；エレクトロニクス実装学会誌，Vol.９，No.３，pp.162〜170，2006
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
この発明は、従来のクリープ試験に替わる圧子圧入法によるクリープ特性推定評価の精度を高めることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明は、発明者による圧子圧入法の検討の過程において把握された以下の知見に基づくものである。その知見は、後述の実施例1の中で詳しく説明するが、圧子圧入法によって取得される押込み歪み速度―押込み応力特性において荷重上昇速度に臨界値があり、臨界値より小さい荷重上昇速度の場合には、同じ押込み応力に対する押込み歪み速度が小さくなる、という事実である。言い換えれば、臨界値より小さい荷重上昇速度で得た押込み応力―押込み歪み速度特性を用いてクリープ特性を評価すれば、クリープ量を過小評価することになり、信頼性を確保できなくなるということである。
【００１２】
請求項１の発明は、所定条件下に保持された被検体に、被検体よりも硬く且つ制御された荷重が作用する先端の先鋭な圧子を押圧し、この圧子の被検体への押込み深さの経時変化を測定して被検体のクリープ特性を評価するクリープ特性評価方法であって、荷重上昇速度をパラメータとし、それぞれの荷重上昇速度で所定の荷重値まで荷重を上昇させた後、その荷重を所定の時間保持し、荷重の保持時における被検体への圧子押込み深さの一連の経時変化データを取得するための圧子押込み深さ測定工程と、この工程で取得された一連の圧子押込み深さの経時変化データから、圧子押込み深さの経過時間微分値に基づいて求められる押込み歪み速度と前記所定荷重値を圧子押込み深さに対応する圧子の断面積で除して求められる押込み応力とを算出して一連の押込み歪み速度―押込み応力特性を取得するための押込み歪み速度―押込み応力特性取得工程と、この工程で取得された一連の押込み歪み速度―押込み応力特性から、クリープ特性を過小評価しない荷重上昇速度の範囲を選定するための荷重上昇速度選定工程と、この工程で選定された荷重上昇速度の範囲内の荷重上昇速度に対応する押込み歪み速度―押込み応力特性に基づいて被検体のクリープ特性を評価するクリープ特性評価工程と、を有する。
【００１３】
荷重上昇速度をパラメータとして一連の圧子押込み深さの経時変化データを取得し、それによる一連の押込み歪み速度―押込み応力特性から、クリープ特性を過小評価しない荷重上昇速度の範囲を選定し、その範囲内の荷重上昇速度に対応する押込み歪み速度―押込み応力特性に基づいて被検体のクリープ特性を評価するので、被検体のクリープ特性を過小評価することはない。
【００１４】
請求項２の発明は、所定条件下に保持された被検体に、被検体よりも硬く且つ制御された荷重が作用する先端の先鋭な圧子を押圧し、この圧子の被検体への押込み深さの経時変化を測定して被検体のクリープ特性を評価するクリープ特性評価方法であって、荷重上昇速度をパラメータとし、それぞれの荷重上昇速度で所定の荷重値まで荷重を上昇させた後、その荷重を所定の時間保持し、荷重保持時における被検体への圧子押込み深さの一連の経時変化データを測定するための予備の圧子押込み深さ測定工程と、この工程で取得された一連の圧子押込み深さの経時変化データから、圧子押込み深さの経過時間微分値に基づいて求められる押込み歪み速度と前記所定荷重値を圧子押込み深さに対応する圧子の断面積で除して求められる押込み応力とを算出して一連の押込み歪み速度―押込み応力特性を取得するための予備の押込み歪み速度―押込み応力特性取得工程と、この工程で取得された一連の押込み歪み速度―押込み応力特性から、クリープ特性を過小評価しない荷重上昇速度の範囲を選定するための荷重上昇速度選定工程と、この工程で選定された荷重上昇速度の範囲内の荷重上昇速度で、所定の荷重値まで荷重を上昇させた後、その荷重を所定の時間保持し、荷重保持時の被検体への圧子押込み深さの経時変化データを取得するための圧子押込み深さ測定工程と、この工程で取得された圧子押込み深さの経時変化データから、圧子押込み深さの経過時間微分値に基づいて求められる押込み歪み速度と前記所定荷重値を圧子押込み深さに対応する圧子の断面積で除して求められる押込み応力とを算出して押込み歪み速度―押込み応力特性を取得するための押込み歪み速度―押込み応力特性取得工程と、この工程で取得された押込み歪み速度―押込み応力特性に基づいて被検体のクリープ特性を評価するクリープ特性評価工程と、を有する。
【００１５】
荷重上昇速度をパラメータとして一連の圧子押込み深さの経時変化データを取得し、クリープ特性を過小評価しない荷重上昇速度の範囲を選定する予備工程を有し、予備工程で選定された荷重上昇速度によって評価用の押込み歪み速度―押込み応力特性を取得するので、被検体のクリープ特性を過小評価することはないのに加えて、評価に使用する押込み歪み速度―押込み応力特性をより高い精度で取得することができる。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項1の発明または請求項に2の発明において、前記圧子押込み深さ測定工程および予備の圧子押込み深さ測定工程が硬さ試験機または硬度計による工程である。
【００１７】
硬さ試験機および硬度計は、この発明を正確に且つ効率よく安価に実行するための最適の装置である。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１の発明においては、荷重上昇速度をパラメータとして一連の圧子押込み深さの経時変化データを取得し、それによる一連の押込み歪み速度―押込み応力特性から、クリープ特性を過小評価しない荷重上昇速度の範囲を選定し、その範囲内の荷重上昇速度に対応する押込み歪み速度―押込み応力特性に基づいて被検体のクリープ特性を評価するので、被検体のクリープ特性を過小評価することはない。
【００１９】
したがって、この発明によれば、被検体のクリープ特性を高い精度で推定することができる。
請求項２の発明においては、荷重上昇速度をパラメータとして一連の圧子押込み深さの経時変化データを取得し、クリープ特性を過小評価しない荷重上昇速度の範囲を選定する予備工程を有し、予備工程で選定された荷重上昇速度によって評価用の押込み歪み速度―押込み応力特性を取得するので、被検体のクリープ特性を過小評価することはないのに加えて、評価に使用する押込み歪み速度―押込み応力特性をより高い精度で取得することができる。
【００２０】
したがって、この発明によれば、被検体のクリープ特性をより高い精度で推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】この発明によるクリープ特性評価方法の実施例１を示す工程図
【図２】この発明によるクリープ特性評価方法の実施例２を示す工程図
【図３】実施例1において取得された押込み荷重と押込み深さの関係を示す特性図
【図４】実施例1において取得された押込み歪み速度と押込み応力の関係を示す特性図
【図５】従来のクリープ特性評価方法を説明するための構成図
【図６】従来のクリープ特性評価方法で取得される荷重と変位量の関係を示す線図
【図７】従来の圧子圧入法によるクリープ特性評価法を示す工程図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
この発明は、圧子圧入法によってクリープ特性を推定する方法の内の、所定荷重まで荷重を漸増させて被検体に圧子を押し込んだ後、荷重を所定値に保持し、保持時の押込み深さの経時変化を測定する「荷重保持試験」に関するものであり、前述したように、荷重上昇速度を臨界値以上にすることが評価精度を確保する上で必要である、という知見に基づいており、この発明の特徴は、その条件を満たす荷重上昇速度を選定することとその工程で選定された荷重上昇速度によって取得されたデータからクリープ特性を評価することである。
【００２３】
以下において、実施例を用いてこの発明の実施形態を説明する。
【実施例１】
【００２４】
実施例１は、請求項1の発明の実施例であり、図1にその工程を示している。この実施例１は、一連の圧子押込み深さ測定工程と一連の押込み歪み速度―押込み応力特性取得工程と荷重上昇速度選定工程とクリープ特性評価工程とで構成される。圧子の押込み深さ測定は、硬さ試験機で実施した。硬度計でも同様の測定を実施することができる。
【００２５】
一連の押込み深さ測定工程では、荷重上昇速度をパラメータとし、それぞれの荷重上昇速度で荷重を所定値まで上昇させた後、その荷重を保持した状態で所定の時間荷重を印加し続け、その経過時間に対応させて圧子の押込み深さを測定し、荷重保持状態での経過時間に対応する一連の圧子押込み深さの経時変化データを取得する。
【００２６】
図3は、Sn-Ag-Cu系はんだで取得した、押込み荷重Ｆと圧子押込み深さ（図3では、押込み変位量）ｈの関係を示す実測特性図であり、荷重上昇部も含めて表示されている。この図の上部の平らな部分が、荷重保持時の圧子押込み深さの変化を示しており、この部分から、荷重上昇速度をパラメータとした、荷重保持状態での経過時間に対応する一連の圧子押込み深さ測定データが得られる。荷重上昇速度として0.17ｍN/sから6.62ｍN/sまでの６条件を選び、保持荷重を100ｍN、保持時間を100ｓとしている。図中の（  ）内に示した時間は、荷重上昇に要するおよその時間である。
【００２７】
なお、図3では、荷重上昇だけではなく荷重下降も含まれているので、荷重上昇速度に代えて負荷除荷速度と記されている。
続く一連の押込み歪み速度―押込み応力特性取得工程では、前工程で得られた荷重上昇速度をパラメータとした、荷重保持状態での経過時間に対応する一連の圧子押込み深さ測定データを用いて、「押込み歪み速度」を、圧子押込み深さｈの経過時間微分値をそのときの圧子押込み深さｈで除した“（1/h）dh/dt”として算出し、且つ、「押込み応力」を、所定荷重値Ｆsを圧子押込み深さに対応する圧子の断面積Ａsで除した“Ｆs/Ａs”として算出する。図4は、図3に示した測定結果に基づいて算出した押込み歪み速度および押込み応力による押込み歪み速度―押込み応力特性図である。この特性図から、荷重上昇速度が0.17ｍN/sおよび0.25ｍN/sである場合には、それ以外の場合に比べて、同じ押込み応力値における押込み歪み速度が小さくなっていることが判る。このことは、荷重上昇速度がある値より遅くなると、クリープ特性を過小に評価することを示しており、クリープ特性を正確に評価するためには、適切な荷重上昇速度を選定することが必要となる。
【００２８】
次の荷重上昇速度選定工程は、上記の知見に基づく工程であり、この実施例においては、適切な荷重上昇速度の領域として、荷重上昇速度が0.51ｍN/s以上の領域を選定した。
最後のクリープ特性評価工程は、前工程で選定された領域の荷重上昇速度に対応する押込み歪み速度―押込み応力特性を用いてクリープ特性を評価する。この実施例においては、荷重上昇速度が0.51ｍN/s以上の領域の押込み歪み速度―押込み応力特性を用いて、有限要素法により、はんだ接合部の応力分布（von-mises-stress）を算出し、クリープ加速試験による破断部近傍の断面写真と比較したところ、有限要素法による応力集中箇所およびクリープ歪み分布が、はんだ接合部の破断モード（破断形態）に相当することが確認された。
【実施例２】
【００２９】
実施例２は、請求項２の発明の実施例であり、図２にその工程を示している。この実施例２は、一連の圧子押込み深さ測定工程と一連の押込み歪み速度―押込み応力特性取得工程と荷重上昇速度選定工程と適切な荷重上昇速度での圧子押込み深さ測定工程と押込み歪み速度―押込み応力特性取得工程とクリープ特性評価工程とで構成される。圧子の押込み深さ測定は、実施例1と同様に硬さ試験機で実施した。硬度計でも同様の測定を実施することができる。
【００３０】
この実施例では、前半の3工程は、適切な荷重上昇速度の領域を選定するための予備工程であり、後半の3工程がクリープ特性評価の本工程である。各工程の内容は、実施例1と同様であるので説明を省略する。
【００３１】
この実施例の場合には、選定された適切な荷重上昇速度に対応する圧子押込み深さを再度測定するので、予備工程に比べて本工程に十分な時間をかけ、測定精度を高め、精度の高い評価を効率よく実施することができる。
【００３２】
なお、実施例では、はんだのクリープ特性評価について説明したが、この方法がクリープ特性を示す他の材料にも適用可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００３３】
１  プリント基板            11  Cuパターン
２  リード
３  はんだ
４  荷重
５  レーザ変位計            51  レーザ光
【図１】
2011169635.tif 000003
【図２】
2011169635.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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