(57)【要約】【課題】半田接合部の寿命を評価するのに有利な半田接合部の評価方法を提供する。【解決手段】半田接合部をもつ基体を用意する。半田接合部に多数回の熱衝撃を加える。熱衝撃に基づく半田接合部における結晶の粒径サイズの変化を求め、結晶の粒径サイズの変化に基づいて半田接合部の寿命を評価する。【選択図】図３
2008249613.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半田接合部をもつ基体を用意する工程と、
前記基体の前記半田接合部に複数回の熱衝撃を加える熱衝撃工程と、
熱衝撃に基づく前記半田接合部における結晶の粒径サイズの変化を求め、前記結晶の粒径サイズの変化に基づいて前記半田接合部の寿命を評価する評価工程とを実施することを特徴とする半田接合部の評価方法。
【請求項２】
請求項１において、前記半田接合部における結晶の粒径サイズの変化は、前記熱衝撃を加える前の前記半田接合部における初期結晶の粒径サイズと、前記複数回の熱衝撃を加えた後の前記半田接合部における結晶の粒径サイズとに基づいて求められることを特徴とする半田接合部の評価方法。
【請求項３】
請求項１または２において、前記評価工程では、前記熱衝撃に基づいて前記半田接合部における前記結晶の粒径サイズが小さくなっている率が高いとき、前記半田接合部の寿命が近づいていると評価することを特徴とする半田接合部の評価方法。
【請求項４】
請求項１〜３のうちの一項において、前記評価工程では、所定サイズ以上または以下の結晶粒が占める存在率について、前記熱衝撃工程の前後における粒径サイズの変化を求め、前記変化に基づいて前記半田接合部の寿命を評価することを特徴とする半田接合部の評価方法。
【請求項５】
請求項１〜４のうちの一項において、前記半田接合部における結晶の粒径が最初に小さくなった領域をクラックの起点と予測することを特徴とする半田接合部の評価方法。
【請求項６】
請求項１〜５のうちの一項において、前記半田接合部における結晶の粒径サイズは、電子線後方散乱回折装置（ＥＢＳＤ法）に基づいて求められることを特徴とする半田接合部の評価方法。
【請求項７】
請求項１において、前記評価工程では、所定サイズ以上または以下の結晶粒が占める存在率と、前記半田接合部に加えた冷熱サイクル数との相関関係を求める操作と、所定サイズ以上または以下の結晶粒が占める存在率とクラック率との相関関係を求める操作と、任意に指定した指定クラック率に基づいて、前記指定クラック率に相当する結晶粒の相当存在率を求め、前記相当存在率に基づいて前記半田接合部の寿命を予測することを特徴とする半田接合部の評価方法。
【請求項８】
請求項４または７において、所定サイズは、５〜５０マイクロメートルの範囲内における任意のサイズであることを特徴とする半田接合部の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半田接合部の評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、Ｓｎ−Ａｇ系の半田接合部の疲労評価方法を開示している。このものによれば、Ｓｎ相と、Ｓｎ相に独立して存在するＡｇ３Ｓｎ相に着目し、Ｓｎ相とＡｇ３Ｓｎ相との寸法を測定する。その測定値を４乗して相成長評価パラメータＳを求める。ここで、Ｓｎ相、Ａｇ３Ｓｎ相は熱サイクルを受けることにより成長し、全体的に寸法ｄが増大する。そして、相成長評価パラメータＳｉと熱疲労亀裂発生サイクルＮｉとから、この両者の関係式を決定する。ここで、Ｓｉ＝Ａ×Ｎｉαとなる（Ａは半田の種類により特定される定数）。この相成長評価パラメータＳｉの増加の変化率ΔＳに基づいて、半田接合部に亀裂が発生するまでの熱サイクルによる熱疲労寿命を決定する。
【０００３】
特許文献２は、シミュレーションを用いた半田接合部の寿命推定方法を開示している。このものによれば、亀裂が発生していないシミュレーションモデルを作製し、冷熱サイクルが発生した際に半田接合部に生じる非弾性歪みを求め、非弾性歪に基づいて亀裂発生サイクルを求める。そして、半田材料の亀裂進展試験から求めた亀裂進展速度と破壊力学パラメータとの関係と、シミュレーションにより求めた破壊力学パラメータと亀裂長さとの関係に基づき、亀裂進展速度を亀裂長さの関数として求め、亀裂が特定の長さまで進展するまでの亀裂進展寿命を求めることにしている。
【特許文献１】特開２００４−１１９４３４号公報
【特許文献２】特開２００４−８５３９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した従来技術では、半田接合部の寿命を必ずしも効果的に評価できるものではない。そこで、産業界では、半田接合部の寿命を更に効果的に評価することができる半田接合部の評価方法の開発が要望されている。
【０００５】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、半田接合部の寿命を評価するのに有利な半田接合部の評価方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、電子基板、電気基板等の基体に用いられている半田接合部に代表される半田接合部の評価方法について鋭意開発を進めている。そして、本発明者は、冷熱サイクル等の熱衝撃を半田接合部に加え、半田接合部における結晶の粒径サイズの変化を求めれば、結晶の粒径サイズの変化に基づいて半田接合部におけるクラック成長性を予測することができ、半田接合部の寿命の評価性を高め得ることを知見し、試験で確認し、本願発明方法を完成させた。
【０００７】
様相１に係る半田接合部の評価方法は、半田接合部をもつ基体を用意する工程と、基体の半田接合部に複数回の熱衝撃を加える熱衝撃工程と、熱衝撃に基づく半田接合部における結晶の粒径サイズの変化を求め、結晶の粒径サイズの変化に基づいて半田接合部の寿命を評価する評価工程とを実施することを特徴とする。
【０００８】
本様相によれば、熱衝撃に基づく半田接合部における結晶の粒径サイズの変化を求める。粒径サイズの変化に基づいて、半田接合部の寿命を評価する。半田接合部の寿命は、半田接合部におけるクラック率に基づいて評価することができる。
【０００９】
半田接合部は半田で形成された接合部をいう。半田とは４２７℃よりも低い融点をもつ金属と定義される。半田はスズ系が例示される。必要に応じて、アンチモン、銀、銅、ビスマスのうちの少なくとも１種を含有することができる。従ってスズ系、スズ−銀系、スズ−銅系、スズ−銀−銅系が例示され、場合によってはスズ−鉛系が例示される。
【００１０】
様相２に係る半田接合部の評価方法によれば、上記様相において、半田接合部における結晶粒の変化は、熱衝撃を加える前の半田接合部における初期結晶粒の粒径サイズと、複数回の熱衝撃を加えた後の半田接合部における結晶粒の粒径サイズとに基づいて求められることを特徴とする。熱衝撃前後における結晶粒の粒径サイズの変化を求める。これにより半田接合部の寿命が評価される。結晶の粒径サイズの変化（熱衝撃による粒径サイズの変化）は、半田接合部におけるクラック成長の尺度となる。
【００１１】
様相３に係る半田接合部の評価方法によれば、上記様相において、評価工程では、熱衝撃に基づいて半田接合部における結晶の粒径サイズが小さくなっている率が高いときにおいて、半田接合部の寿命が近づいていると評価することを特徴とする。これにより半田接合部の寿命が評価される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、冷熱サイクル等の熱衝撃に基づく半田接合部における結晶の粒径サイズの変化に基づいて、半田接合部の寿命が評価される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明に係る半田接合部の評価方法は、半田接合部をもつ基体を用意する工程と、半田接合部に複数回の熱衝撃を加える熱衝撃工程と、熱衝撃に基づく半田接合部における結晶の粒径サイズの変化を求め、結晶の粒径サイズの変化に基づいて半田接合部の寿命を評価する評価工程とを実施する。基体は半田接合部をもつものであれば良く、電気基板、電子基板、機械器具などが例示される。半田接合部は半田を基材とする接合部とすることができる。半田はスズ系が例示される。必要に応じて、アンチモン、銀、銅、ビスマス、アルミニウム、インジウム、亜鉛等のうちの少なくとも１種を含有することができる。従ってスズ系、スズ−銀系、スズ−銅系、スズ−インジウム系、スズ−銀−銅系、スズ−亜鉛系、スズ−鉛系が例示される。但し、環境問題を考慮すると、鉛の含有量は少ない方が好ましく、鉛が実質的に含有されていない方が好ましい。半田接合部を構成する半田としては、スズを主要成分とする組成が例示される。『スズを主要成分とする』とは、質量比で、スズが６０％以上占めることを意味する。半田としては、例えば、質量比で、銀が０．５〜１０％、銅が０．１〜５％、残部がスズおよび不可避の不純物の組成をもつ組成が例示される。
【００１４】
熱衝撃は、一般的には、半田接合部に対して冷熱サイクルを加えることにより与えられる。冷熱サイクルは、半田接合部を０℃未満の低温雰囲気に維持する操作と、０℃を越える高温雰囲気に維持する操作とを交互に加えることにより実施される。低温雰囲気としては、半田接合部の種類、用途等に応じて選択されるが、−６０〜−０℃未満の範囲内の温度が例示される。高温雰囲気としては、半田接合部の種類、用途等に応じて選択されるが、０℃越え〜１５０℃の範囲内の温度が例示される。低温雰囲気に保持される時間としては、半田接合部の種類、用途等に応じて選択されるが、５〜２００分間の範囲内が例示される。高温雰囲気に保持される時間としては、半田接合部の種類、用途等に応じて５〜２００分間の範囲内が例示される。熱衝撃に基づく半田接合部における結晶の粒径サイズの変化に基づいて、半田接合部の寿命が評価される。半田接合部の寿命は、半田接合部におけるクラック率に基づくことができる。
【００１５】
半田接合部における結晶粒のサイズの変化は、熱衝撃を加える前の半田接合部における初期結晶粒のサイズと、複数回の熱衝撃を加えた後の半田接合部における結晶粒のサイズとに基づいて求められる形態が例示される。これにより半田接合部におけるクラック発生性が予測され、ひいては半田接合部の寿命が評価される。
【００１６】
評価工程においては、熱衝撃に基づいて半田接合部における結晶の粒径サイズが小さくなっている率が高いときにおいて、半田接合部の寿命が近づいていると評価する形態が例示される。結晶粒経のサイズが小さくなることが、半田接合部におけるクラックの発生に影響しているものと推察される。ここで、半田接合部における結晶の粒径サイズが最初に小さくなった領域を、クラックの起点と予測する形態が採用できる。半田接合部における結晶の粒経のサイズが小さくなることが、歪み応力の集中部を形成するためであると推察されるためである。
【００１７】
評価工程においては、所定サイズ以上または以下の結晶粒が占める存在率について、熱衝撃工程前後の変化率を求め、当該変化率に基づいて半田接合部の寿命を評価すること形態が例示される。熱衝撃工程前後の変化率が大きいときには、当該変化率が小さい場合に比較して、半田接合部の寿命が近づいていると評価される。存在率の基準となる所定サイズとしては、金属結合部の材質等によって相違するものの、例えば５〜５０マイクロメートルの範囲内において適宜選択できる。
【００１８】
評価工程においては、所定サイズ以上または以下の結晶粒が占める存在率と、半田接合部に加えた冷熱サイクル数との相関関係を求める操作と、所定サイズ以上または以下の結晶粒が占める存在率とクラック率との相関関係を求める操作と、任意に指定した指定クラック率に基づいて、指定クラック率に相当する結晶粒の相当存在率を求め、相当存在率に基づいて寿命を予測する形態が例示される。
【００１９】
なお、半田接合部における結晶の粒径サイズの求める方法としては、次の（ｉ）〜（ｖ）が例示される。
【００２０】
（ｉ）電子線後方散乱回折装置（ＥＢＳＤ法：Electron Backscatter Diffraction）による方法
ＥＢＳＤ法は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にＥＢＳＤ検出器を接続し、電子ビームを試料表面に照射したときに発生する結晶の回折像方位を解析し、方位データと測定点との位置情報から材料の結晶方位を測定する方法である。結晶方位差から結晶の粒径サイズを観察し、結晶粒径サイズを測定する。結晶粒の長手方向のサイズを測定し、結晶粒径サイズとすることができる。結晶方位差としては、２°〜１８０°、５°〜１８０°、あるいは１０°〜１８０°、１５°〜１８０°が例示される。
【００２１】
（ｉｉ）反射電子像観察（ＳＥＭ）による方法
この方法は、電子ビーム照射時における結晶方位による信号強度変化（チャネリングコントラスト）により結晶粒を観察し、半田接合部における結晶粒径を測定する方法である。
【００２２】
（ｉｉｉ）化学的エッチングを行った試料観察による方法
この方法においては、腐食液を用いたエッチングで、異なる結晶方位をもつ結晶粒間にコントラストを形成し、結晶粒を観察できるようした状態で結晶粒径を測定する。腐食液としては塩酸系、硝酸系、塩酸および硝酸の混合系が例示される。混合系としては、質量比で、塩酸：硝酸：水＝（１〜５）：（１〜１０）：（８５〜９８）が例示される。ここで、塩酸：硝酸：水＝２：５：９３が例示される。
【００２３】
（ｉｖ）ドライエッチングを行った試料観察による方法
この方法においては、アルゴンイオンビームによるドライエッチングで、比較的弱い粒界部分を多くエッチングし、半田接合部を構成する結晶粒を観察できるようした状態で結晶粒径を測定する。
【００２４】
（ｖ）偏光顕微鏡観察による方法
この方法においては、結晶構造によって光の進行方向を変える偏光性を利用し、この偏光性から結晶粒を観察し、半田接合部における結晶粒径を測定する。
【実施例１】
【００２５】
以下、本発明の実施例１について図１〜図７を参照して説明する。本実施例によれば、基体として、金属接合部として機能する半田接合部２によりチップ１５（電子部品，相手部品）を接合した搭載した図１に示す基板１（寸法：１４０ｍｍ×７０ｍｍ×１．６ｍｍ，基体に相当）を用意した。基板１には薄膜状の導電電極（銅電極）１ｘが形成されている。半田接合部２を構成する半田は、質量比で、銀が３％、銅が０．５％、残部がスズおよび不可避の不純物を含有する組成からなる。但しこれに限定されるものではない。この半田は、実質的に鉛を含有していない鉛フリー半田（非鉛系半田）である。ここで、図１に示すように、半田接合部２は、チップ１５の裏面１５ａと基板１の表面１ａ側との間に配置された部品下半田部として機能する薄肉半田接合部２１と、チップ１５の側端面１５ｃに配置された部品横半田部として機能する厚肉半田接合部２５とで形成されている。
【００２６】
図１に示すように、薄肉半田接合部２１は、チップ１５の裏面１５ａと基板１の表面１ａとの間において拘束されており、薄肉状とされている。厚肉半田接合部２５は、チップ１５の側端面１５ｃにおいて、自由端面２５ｅを有するように形成されている。厚肉半田接合部２５は、薄肉半田接合部２１よりも肉厚が厚く、チップ１５および基板１による拘束性が低い。薄肉半田接合部２１は、厚肉半田接合部２５よりも肉厚が薄く、チップ１５および基板１による拘束性が厚肉半田接合部２５よりも高い。
【００２７】
次に、上記した基板１に熱衝撃を与えた。即ち、冷熱試験槽を用い、上記した半田接合部２が設けられた基板１を、−３０℃（低温雰囲気）に所定時間（３０分間）保持すると共に、８０℃（高温雰囲気）に所定時間（３０分間）保持することを、冷熱サイクル（熱衝撃）の１サイクルとした。そして、半田接合部２をもつ基板１に多数回の冷熱サイクルを加える冷熱サイクル工程（熱衝撃工程）を実施し、半田接合部２に多数回の熱衝撃を与えた。この試験では、冷熱サイクル数を３０００サイクルまで実施した。サイクル数は必要に応じて設定される。
【００２８】
本実施例によれば、評価工程においては、薄肉半田接合部２１および厚肉半田接合部２５に分けて個別に実施した。即ち、薄肉半田接合部２１において所定サイズ（３０マイクロメートル）以上の結晶粒（スズ結晶粒）が占める存在率を各サイクルにおいて求めた。存在率は面積比に基づく。そして当該存在率と、薄肉半田接合部２１に加えた冷熱サイクル数との相関関係を求めた。これを相関関係図Ａ１（図２参照）として示す。
【００２９】
ここで、薄肉半田接合部２１における結晶粒径（スズの結晶粒の粒経）のサイズについては、ＥＢＳＤ法（電子線後方散乱回折装置）に基づいて測定した。この場合、結晶方位は１５°〜１８０°とした。ＥＢＳＤ法によれば、半田結合部２を構成する半田組織の結晶方位差を捉えることにより、スズの結晶粒を観察するため、正確なスズの結晶粒の粒経のサイズを得ることができる。
【００３０】
上記した図２に示す相関関係図Ａ１によれば、横軸は、薄肉半田接合部２１に加えられた冷熱サイクル数を示し、縦軸は、薄肉半田接合部２１において３０マイクロメートル以上のスズの結晶粒が占める存在率（％）を示す。本実施例では、図２〜図５において、□印は１５マイクロメートル未満の肉厚をもつ試験片の結果を示す。△印は１５〜３０マイクロメートルの肉厚をもつ試験片の結果を示す。○印は３０マイクロメートルを越える肉厚をもつ試験片の結果を示す。
【００３１】
上記した相関関係図Ａ１（図２参照）を検討すると、相関関係図Ａ１において特性線Ｗ１，Ｗ２に示すように、冷熱サイクル数が繰り返して基板１の半田接合部２に加えられると、スズの結晶の粒経のサイズが次第に小さくなっていることがわかる。
【００３２】
次に、薄肉半田接合部２１において３０マイクロメートル以上の結晶粒が占める存在率（％）と、薄肉半田接合部２１において発生するクラック率との相関関係を求めた。これを相関関係図Ｂ１（図３参照）として示す。相関関係図Ｂ１（図３参照）によれば、横軸は、薄肉半田接合部２１におけるクラック率を示し、縦軸は、薄肉半田接合部２１において３０マイクロメートル以上の結晶粒が占める存在率（％）を示す。図３の特性線Ｗ３に示すように、３０マイクロメートル以上の結晶粒が占める存在率（％）が低下すると、即ち、薄肉半田接合部２１においてスズの結晶の粒径サイズが小さくなると、クラック率が高くなり、寿命が近いことがわかる。
【００３３】
そして、寿命を評価するにあたりクラック率を任意に指定し、これを指定クラック率とした。例えば、クラック率を５０％に指定し、これを指定クラック率とした。ここで、クラック率５０％とは、薄肉半田接合部２１すべてにクラックが発生したときをクラック率１００％とし、その２分の１の割合までクラックが入った状態を意味する。図３に示す相関関係図Ｂ１によれば、指定クラック率（５０％）に相当する結晶粒の相当存在率は約３０％となった。そして、相当存在率を３０％として設定したときにおける仮想線β１を相関関係図Ａ１（図２参照）に設定する。相関関係図Ａ１において仮想線β１よりも下方の領域は、薄肉半田接合部２１においてクラック率が５０％以上のクラックが発生する領域を意味する。相関関係図Ａ１において仮想線β１よりも上方の領域は、クラック率５０％以上のクラックが発生しない領域を意味する。
【００３４】
従って相関関係図Ａ１（図２参照）によれば、冷熱サイクルが８００サイクル以下であれば、□印、△印、○印の試験片ではクラックが発生していない。しかしながら相関関係図Ａ１（図２参照）によれば、冷熱サイクルが１０００サイクルに増加すれば、□印、△印の試験片は仮想線β１の近傍に位置しており、クラック率５０％のクラックが発生するおそれが高いといえる。更に、相関関係図Ａ１（図２参照）によれば、冷熱サイクルが２０００サイクルに増加すれば、○印の試験片でクラック率５０％以上のクラックが発生する傾向が得られる。このようにして薄肉半田接合部２１におけるクラック発生可能性を測定する。
【００３５】
同様に、半田接合部２を構成する他方の厚肉半田接合部２５についても、同様に試験した。即ち、評価工程においては、先ず、厚肉半田接合部２５において所定サイズ（３０マイクロメートル）以上の結晶粒が占める存在率を各冷熱サイクル毎に求めた。そして、当該存在率と、厚肉半田接合部２５に加えられた冷熱サイクル数との相関関係を求める操作を実施した。これを相関関係図Ａ２（図４参照）として示す。相関関係図Ａ２（図４参照）によれば、横軸は、薄肉半田接合部２１に加えられた冷熱サイクル数を示し、縦軸は、厚肉半田接合部２５において所定サイズ（３０マイクロメートル）以上の結晶粒が占める存在率（％）を示す。
【００３６】
次に、厚肉半田接合部２５において３０マイクロメートル以上の結晶粒が占める存在率（％）と、クラック率との相関関係を求める操作を実施した。これを相関関係図Ｂ２（図５参照）として示す。相関関係図Ｂ２（図５）に示すように、横軸は、厚肉半田接合部２５におけるクラック率を示し、縦軸は、厚肉半田接合部２５において３０マイクロメートル以上の結晶粒が占める存在率（％）を示す。図５の特性線Ｗ５に示すように、３０マイクロメートル以上の結晶粒が占める存在率（％）が低下すれば、クラック率が増加し、寿命が近づいていることがわかる。
【００３７】
ここで、クラック率を任意に指定し、これを指定クラック率とした。例えば、クラック率を５０％に指定し、これを指定クラック率とした。
【００３８】
図５に示す相関関係図Ｂ２によれば、指定クラック率（５０％）に相当する結晶粒の相当存在率は９２％である。相当存在率が９２％であるときにおける仮想線β２を相関関係図Ａ２（図４参照）に設定する。相関関係図Ａ２において仮想線β２よりも下方の領域は、厚肉半田接合部２５においてクラック率が５０％以上のクラックが発生する領域を意味する。仮想線β２よりも上方の領域は、クラック率が５０％以上のクラックが発生しない領域を意味する。
【００３９】
従って、相関関係図Ａ２（図４参照）によれば、冷熱サイクルが２０００サイクル以下であれば、□印、△印、○印の試験片では、クラック率５０％以上のクラックは基本的には発生しない。しかしながら相関関係図Ａ２によれば、冷熱サイクルが３０００サイクルに増加すれば、○印、□印は仮想線β２よりも下方に位置しており、クラック率５０％以上のクラックが発生するおそれが高い。相関関係図Ａ２（図４参照）によれば、冷熱サイクルが３０００サイクルに増加すれば、△印の試験片ではクラックが発生しにくいが、○印、□印の試験片ではクラックが発生する傾向が得られる。このようにして厚肉半田接合部２５におけるクラック発生可能性、ひいては厚肉半田接合部２５の寿命を予想する。
【００４０】
上記したように厚肉半田接合部２５におけるクラック発生性と、薄肉半田接合部２１におけるクラック発生性とを比較すると、冷熱サイクル数が同一であったとしても、厚肉状をなす厚肉半田接合部２５ではクラックが発生しにくく、薄肉状をなす薄肉半田接合部２１ではクラック性が発生し易いといえる。この理由としては、第１に、薄肉半田接合部２１は基板１とチップ１５とで挟持されており、拘束性が厚肉半田接合部２５よりも高いこと、第２に、薄肉半田接合部２１の肉厚が薄いため、薄肉半田接合部２１においてせん断歪みが吸収されにくいこと等が影響しているためと推察される。
【００４１】
更に、上記した相関関係図Ａ１（図２参照）によれば、薄肉半田接合部２１において、３０マイクロメートル以上の結晶粒が占める存在率（％）は、冷熱サイクル数が増加するにつれて低下している傾向が得られる。換言すると、冷熱サイクル数が増加するにつれて、スズの結晶粒の粒径サイズが次第に小さくなる傾向が得られる。具体的には、図２において、□印を示す特性線Ｗ１に示すように、３０マイクロメートル以上の結晶粒が占める存在率（％）は、冷熱サイクル数が５００〜１０００サイクルにおいて急激に低下している（急落領域λ１）。また、図２において、○印を示す特性線Ｗ２に示すように、３０マイクロメートル以上の結晶粒が占める存在率（％）は、冷熱サイクル数が１０００〜２０００サイクルにおいて急激に低下している（急落領域λ２）。
【００４２】
上記したように粒径サイズが急激に低下する急落領域λ１、λ２に基づいて、薄肉半田接合部２１におけるクラック成長性が予測される。ひいては薄肉半田接合部２１の寿命が近いこと予測される。換言すると、薄肉半田接合部２１において、結晶の粒径サイズが小さくなっている率が高いときには、半田接合部２を構成する薄肉半田接合部２１の寿命が近づいていると評価できる。即ち、複数回の熱衝撃が基板に加わることにより、半田接合部２における結晶の粒径サイズが小さくなっている率（面積比）が高いときには、半田接合部２の寿命が近づいていると予測できる。
【００４３】
ここで、上記した急落領域λ１、λ２は、冷熱サイクルの繰り返しの影響により、半田接合部２において半田接合材料であるスズの結晶の粒経サイズが小さくなっていることに起因する。これは、冷熱サイクル数が繰り返して基板１に加えられると、半田接合部２においてスズの結晶の粒経のサイズが次第に小さくなり、クラック発生可能性またはクラック成長可能性が高まることを意味する。
【００４４】
これに対して、半田の肉厚が厚く拘束性が低い厚肉半田接合部２５については、上記した相関関係図Ａ２（図４参照）の特性線Ｗ４に示すように、厚肉半田接合部２５において、３０マイクロメートル以上の結晶粒が占める存在率（％）は、冷熱サイクル数が増加するにつれて低下しているものの、低下傾向が少ない。即ち、図４の特性線Ｗ４に示すように、冷熱サイクル数が多数回となったとしても、存在率（％）はなだらかに低下するものの、急激に低下していない。この理由としては、第１に、厚肉半田接合部２５は基板１とチップ１５とで挟持されておらず、厚肉半田接合部２５に対する拘束性が薄肉半田接合部２１よりも低いこと、第２に、厚肉半田接合部２５の肉厚が厚いため、厚肉半田接合部２５においてせん断歪みが吸収され易いこと等が影響しているためと推察される。このような理由により、部品横半田部として機能する厚肉半田接合部２５において、存在率（％）がなだらかに低下するもの、即ち、結晶粒経のサイズの急激な低下が現れにくいものと推察される。
【００４５】
更に本実施例によれば、半田接合部２全体を評価するのではなく、半田接合部２を多数の領域に分け、即ち、薄肉半田接合部２１の領域と厚肉半田接合部２５の領域とに分け、薄肉半田接合部２１の領域についてクラック発生性を個別に評価すると共に、厚肉半田接合部２５の領域についてクラック発生性を個別に評価することにしている。このため半田接合部２の寿命を予測する予測精度を高めることができる。
【００４６】
上記した結果によれば、前述したように、厚肉半田接合部２５（部品横半田部）よりも薄肉半田接合部２１（部品下半田部）において、クラックが発生し易いといえる。ここで、厚肉半田接合部２５および薄肉半田接合部２１のうちいずれか一方にクラックが発生して進展して、半田接合部分が解離すると、他方に影響し、当該他方においてクラックが進展するおそれがある。その理由としては、当該一方にクラックが発生して進展し、半田接合部分が解離すると、冷熱サイクルに基づく歪みが当該他方にも伝播するためと推察される。
【００４７】
図６は、半田接合部２について、結晶方位１５°以上（１５°〜１８０°）で粒界を定義したときにおける結晶粒分布像を示す。この場合、半田接合部２には１０００サイクルの冷熱サイクルが加えられている。図６に示す結晶粒においてハッチングが加えられている領域は、結晶粒が微細化した領域を示す。図７は、図６に示す試験片におけるスズの結晶の粒径分布を示す。図７（Ａ）は、当該試験片の厚肉半田接合部２５におけるスズの結晶の粒径分布を示す。図７（Ｂ）は、当該試験片の薄肉半田接合部２１におけるスズの結晶の粒径分布を示す。図７（Ａ）に示すように、厚肉半田接合部２５においては、冷熱サイクルが加えられているものの、スズの結晶粒のサイズの微細化があまり進行せず、３０マイクロメートル未満のサイズをもつ結晶粒の数があまり増加していなかった。これに対して、図７（Ｂ）に示すように、薄肉半田接合部２１においては、冷熱サイクルの影響により、スズの結晶粒のサイズの微細化がかなり進行しており、３０マイクロメートル未満のサイズをもつ結晶粒の数が増加していた。
【実施例２】
【００４８】
以下、本発明の実施例２について図８〜図１４を参照して説明する。本実施例によれば、基体としては、金属接合部として機能する半田接合部２Ｂにより積層セラミックスコンデンサ１９（電子部品）を接合した搭載した基板１（寸法：１４０ｍｍ×７０ｍｍ×１．６ｍｍ，基体に相当する）を用意した。
【００４９】
半田接合部２Ｂを構成する半田は、質量比で、銀が３％、銅が０．５％、残部がスズおよび不可避の不純物の組成からなる。ここで、図８に示すように、半田接合部２Ｂは、コンデンサ１９の裏面１９ａと基板１の表面１ａとの間に配置された部品下半田部として機能する薄肉半田接合部２１Ｂと、コンデンサ１９の側端面１９ｃに配置された部品横半田部として機能する厚肉半田接合部２５Ｂとで形成されている。
【００５０】
図８から理解できるように、薄肉半田接合部２１Ｂは、コンデンサ１９の裏面１９ａと基板１の表面１ａとの間において拘束されており、薄肉状とされている。厚肉半田接合部２５Ｂは、自由端面２５ｆを有するように形成されている。前述したように、厚肉半田接合部２５Ｂは、薄肉半田接合部２１Ｂよりも肉厚が厚く、拘束性が低い。薄肉半田接合部２１Ｂは、厚肉半田接合部２５Ｂよりも肉厚が薄く、コンデンサ１９および基板１による拘束性が高い。
【００５１】
次に、上記した基板１の半田接合部２Ｂに対して実施例１と同様の条件で熱衝撃を与えた。即ち、半田接合部２Ｂをもつ基板１に多数回の冷熱サイクルを加える冷熱サイクル工程（熱衝撃工程）を同様の条件で実施した。この試験では、冷熱サイクル数を３０００サイクルまで実施した。
【００５２】
本実施例においても、評価工程においては、薄肉半田接合部２１Ｂおよび厚肉半田接合部２５Ｂに分けて実施した。先ず、薄肉半田接合部２１Ｂにおいて３０マイクロメートル以上の結晶粒が占める存在率（％）を各冷熱サイクル毎に求めた。そして、当該存在率（％）と、薄肉半田接合部２１Ｂに加えた冷熱サイクル数との相関関係を求める操作を実施した。これを相関関係図Ａ３（図９参照）として示す。ここで、薄肉半田接合部２１Ｂにおける結晶粒径サイズについては、実施例１と同様に、ＥＢＳＤ法に基づいて測定した。この場合には、結晶方位は１５〜１８０°とした。
【００５３】
図９〜図１２において、□印は、１５マイクロメートル未満の肉厚Ａをもつ試験片の結果を示す。△印は、１０〜２０マイクロメートルの肉厚Ｂをもつ試験片の結果を示す。○印は、２０マイクロメートルを越える肉厚Ｃをもつ試験片の結果を示す。
【００５４】
上記した相関関係図Ａ３（図９参照）によれば、横軸は、薄肉半田接合部２１Ｂに加えられた冷熱サイクル数を示し、縦軸は、薄肉半田接合部２１Ｂにおいて３０マイクロメートル以上の結晶粒が占める存在率（％）を示す。相関関係図Ａ３の特性線Ｗ６に示すように、冷熱サイクル数が繰り返して基板１に加えられると、半田接合部２Ｂにおいて結晶粒経が次第に小さくなることがわかる。但し、相関関係図Ａ３（図９参照）に示すように、結晶粒経が急激に低下する急落領域は認められない。即ち、冷熱サイクル数が３０００サイクルとなったとしても、□印、△印、○印の試験片ともに、存在率は７０％以上を占めていた。換言すると、冷熱サイクル数が３０００サイクルとなったとしても、□印、△印、○印の試験片ともに、薄肉半田接合部２１Ｂにおけるスズの結晶の粒経のサイズは小さくなりにくいといえる。
【００５５】
次に、薄肉半田接合部２１Ｂにおいて３０マイクロメートル以上の結晶粒が占める存在率（％）とクラック率との相関関係を求めた。これを相関関係図Ｂ３（図１０参照）として示す。相関関係図Ｂ３によれば、図１０に示すように、横軸は、薄肉半田接合部２１Ｂにおけるクラック率を示し、縦軸は、薄肉半田接合部２１Ｂにおいて３０マイクロメートル以上の結晶粒が占める存在率（％）を示す。
【００５６】
相関関係図Ｂ３（図１０参照）によれば、□印、△印、○印ともにクラック率は実質的に０％であり、寿命はまだかなり先であることを示す。その目安としては、本例に係る薄肉半田接合部２１Ｂにおける結晶粒経のサイズは、冷熱サイクルによっても小さくなりにくいためと推察される。
【００５７】
同様に、半田接合部２Ｂを構成する厚肉半田接合部２５Ｂについても、同様に試験した。即ち、評価工程においては、先ず、厚肉半田接合部２５Ｂにおいて３０マイクロメートル以上の結晶粒が占める存在率と、厚肉半田接合部２５Ｂに加えられた冷熱サイクル数との相関関係を求めた。これを相関関係図Ａ４（図１１参照）として示す。相関関係図Ａ４（図１１参照）によれば、横軸は、厚肉半田接合部２５Ｂに加えられた冷熱サイクル数を示し、縦軸は、厚肉半田接合部２５Ｂにおいて３０マイクロメートル以上の結晶粒が占める存在率（％）を示す。相関関係図Ａ４の特性線Ｗ７に示すように、冷熱サイクル数が繰り返して半田接合部２Ｂに加えられると、半田接合部２の厚肉半田接合部２５Ｂにおいて結晶粒経が次第に小さくなることがわかる。但し、相関関係図Ａ４（図１１参照）において、結晶粒経が急激に低下する急落領域は認められず、冷熱サイクル数が３０００サイクルとなったとしても、□印、△印、○印の各試験片共に、存在率は９０％以上を占めている。換言すると、冷熱サイクル数が３０００サイクルとなったとしても、厚肉半田接合部２５Ｂにおける結晶粒経のサイズは小さくなりにくいといえる。
【００５８】
次に、厚肉半田接合部２５Ｂにおいて３０マイクロメートル以上の結晶粒が占める存在率（％）とクラック率との相関関係を求めた。これを相関関係図Ｂ４（図１２参照）として示す。相関関係図Ｂ４によれば、図１２に示すように、横軸は、厚肉半田接合部２５Ｂにおけるクラック率を示し、縦軸は、厚肉半田接合部２５Ｂにおいて３０マイクロメートル以上の結晶粒が占める存在率（％）を示す。相関関係図Ｂ４（図１２参照）によれば、□印、△印、○印の試験片ともにクラック率は実質的に０％であり、寿命がまだかなり先であることを示す。その理由としては、本例に係る薄肉半田接合部２５Ｂにおける結晶粒経のサイズは小さくなりにくいためと推察される。
【００５９】
ところで、図１３は、結晶方位１５°以上（１５°〜１８０°）で結晶の粒界を定義したときにおける結晶粒分布像を示す。この場合、半田接合部２Ｂには１０００サイクルの冷熱サイクルが加えられている。
【００６０】
（その他）
上記した実施例によれば、半田接合部２において、３０マイクロメートル以上の結晶粒が占める存在率（％）と冷熱サイクル数との相関関係を求める操作と、３０マイクロメートル以上の結晶粒が占める存在率（％）とクラック率との相関関係を求める操作とを実施しているが、これに限らず、半田接合部２を構成する組成、基体の用途および種類などに応じて、存在率（％）の基準となる結晶粒経は１０マイクロメートルにしても、２０マイクロメートルにしても、４０マイクロメートルにしても、６０マイクロメートルにしても良い。
【００６１】
上記した実施例によれば、所定サイズ（３０マイクロメートル）以上のサイズをもつ結晶粒が占める存在率と冷熱サイクル数との相関関係を求め、更に、所定サイズ（３０マイクロメートル）以上のサイズをもつ結晶粒が占める存在率とクラック率との相関関係を求めることにしているが、これに限らず、所定サイズ（３０マイクロメートル）以下のサイズをもつ結晶粒が占める存在率と冷熱サイクル数との相関関係を求め、更に、所定サイズ（３０マイクロメートル）以下のサイズをもつ結晶粒が占める存在率とクラック率との相関関係を求めることにしても良い。
【００６２】
上記した実施例によれば、冷熱サイクル数を３０００サイクルまで実施しているが、これに限らず、５００サイクルまで実施しても良いし、１０００サイクルまで実施しても良いし、５０００サイクルまで実施しても良いし、１００００サイクルまで実施しても良い。半田接合部２を構成する半田は、質量比で、銀が３％、銅が０．５％、残部がスズおよび不可避の不純物の組成をもつが、これに限られるものではなく、冷熱サイクル等の熱衝撃に基づいて結晶の粒径サイズが変化する半田に一般的に適用できる。基板のサイズは上記した値に限定されるものではなく、必要に応じて設定できる。
【００６３】
その他、本発明は上記し且つ図面に示した実施形態および実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施可能である。ある実施形態および実施例に設けられている特有の構造および機能は、他の実施形態および実施例においても適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は半田接合部の評価方法に利用できる。電子基板、電気基板等に取り付けられる半田接合部の評価、あるいは、電気系以外の部品を取り付ける半田接合部の評価等に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】実施例１に係り、基板の半田接合部付近を模式的に示す断面図である。
【図２】実施例１に係り、薄肉半田接合部について、スズの結晶粒の３０マイクロメートル以上の存在率と冷熱サイクルとの関係を示すグラフである。
【図３】実施例１に係り、薄肉半田接合部について、スズの結晶粒の３０マイクロメートル以上の存在率とクラック率との関係を示すグラフである。
【図４】実施例１に係り、厚肉半田接合部について、スズの結晶粒の３０マイクロメートル以上の存在率と冷熱サイクルとの関係を示すグラフである。
【図５】実施例１に係り、厚肉半田接合部について、スズの結晶粒の３０マイクロメートル以上の存在率とクラック率との関係を示すグラフである。
【図６】実施例１に係り、冷熱サイクルを１０００サイクル実施した後における半田接合部の組織を撮像した電子顕微鏡写真を示す図である。
【図７】実施例１に係り、（Ａ）（Ｂ）は冷熱サイクルを１０００サイクル実施した後における半田接合部の結晶の粒径分布を示すグラフである。
【図８】実施例２に係り、基板の半田接合部付近を模式的に示す断面図である。
【図９】実施例２に係り、薄肉半田接合部について、スズの結晶粒の３０マイクロメートル以上の存在率と冷熱サイクルとの関係を示すグラフである。
【図１０】実施例２に係り、薄肉半田接合部について、スズの結晶粒の３０マイクロメートル以上の存在率とクラック率との関係を示すグラフである。
【図１１】実施例２に係り、厚肉半田接合部について、スズの結晶粒の３０マイクロメートル以上の存在率と冷熱サイクルとの関係を示すグラフである。
【図１２】実施例２に係り、厚肉半田接合部について、スズの結晶粒の３０マイクロメートル以上の存在率とクラック率との関係を示すグラフである。
【図１３】実施例２に係り、冷熱サイクルを１０００サイクル実施した後における半田接合部２の組織を撮像した電子顕微鏡写真を示す図である。
【符号の説明】
【００６６】
１は基板（基体）、１５はチップ（電子部品）、２は半田接合部、２１は薄肉半田接合部、２５は厚肉半田接合部を示す。
【図１】
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【図２】
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【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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