(57)【要約】【課題】無鉛はんだの劣化診断を容易に行うことを可能にする。【解決手段】本発明の無鉛はんだの劣化診断方法によれば、無鉛はんだの表面を研磨することにより無鉛はんだの断面の金属組織を露出させる工程Ａ６と、研磨された無鉛はんだの断面の金属組織を観測する観測工程Ａ７と、当該観測の結果、無鉛はんだの断面の金属組織の画像データから得られた劣化指標に基づいて設定された劣化パラメータと、所定の劣化指標に基づいて設定された劣化パラメータとを比較し、当該比較の結果として金属組織から得られた劣化パラメータと所定の劣化パラメータとが一致するか否かにより、前記無鉛はんだが劣化したか否かを判定する工程Ａ７とを含む。【選択図】    図１
2004233146.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無鉛はんだの断面の形状変化から前記無鉛はんだの劣化診断を行う無鉛はんだの劣化診断方法であって、
前記無鉛はんだの表面を研磨することにより前記無鉛はんだの断面の金属組織を露出させる表面研磨工程と、
前記表面研磨工程により研磨された無鉛はんだの断面の金属組織を観測する観測工程と、
前記観測工程による観測の結果、無鉛はんだの断面の金属組織から得られた劣化指標に基づいて設定された劣化パラメータと、所定の劣化指標に基づいて設定された劣化パラメータとを比較し、当該比較の結果として、前記金属組織から得られた劣化パラメータと所定の劣化パラメータとが一致するか否かにより、前記無鉛はんだが劣化したか否かを判定する劣化診断工程と
を含むことを特徴とする無鉛はんだの劣化診断方法。
【請求項２】
請求項１に記載の無鉛はんだの劣化診断方法において、
前記無鉛はんだは、
亜鉛を含み、
前記劣化パラメータは、
前記無鉛はんだ中の亜鉛の結晶の変化を検出するための情報であり、
前記劣化診断工程は、
前記亜鉛が略円形形状又は略楕円形状に変化するか否かにより、前記無鉛はんだが劣化したか否かを判定することを特徴とする無鉛はんだの劣化診断方法。
【請求項３】
請求項１に記載の無鉛はんだの劣化診断方法において、
前記無鉛はんだは、
亜鉛を含み、
前記観測工程は、
前記無鉛はんだの断面に対する劣化診断時における無鉛はんだからの特性Ｘ線の解析結果を取得し、
前記劣化診断工程は、
前記無鉛はんだが劣化したことを示す劣化パラメータと、前記特性Ｘ線の解析結果から得られた劣化パラメータとを比較し、当該比較の結果として、前記無鉛はんだからの特性Ｘ線の解析結果として所定の特性Ｘ線が検出されたか否かにより、前記無鉛はんだが劣化したか否かを判定することを特徴とする無鉛はんだの劣化診断方法。
【請求項４】
無鉛はんだ合金であって、
錫と、
亜鉛と、
針状結晶と
を含有することを特徴とする無鉛はんだ合金。
【請求項５】
請求項４に記載の無鉛はんだ合金において、
前記針状結晶は、
単一の金属元素からなることを特徴とする無鉛はんだ合金。
【請求項６】
請求項４に記載の無鉛はんだ合金において、
前記針状結晶は、
亜鉛からなることを特徴とする無鉛はんだ合金。
【請求項７】
無鉛はんだの断面の形状変化から無鉛はんだの劣化診断を行う無鉛はんだの劣化診断装置であって、
前記無鉛はんだの断面を観測する観測手段と、
前記観測手段による観測の結果から前記無鉛はんだが劣化していることを示す劣化パラメータを設定する劣化パラメータ設定手段と、
前記劣化パラメータ設定手段により設定された劣化パラメータが記憶された劣化パラメータ記憶手段と、
劣化診断対象の無鉛はんだの断面の観測の結果に基づいて、得られた劣化パラメータと、前記劣化パラメータ記憶手段に記憶された劣化パラメータとを比較することにより前記無鉛はんだが劣化したか否かを判定する劣化診断手段と、
前記劣化診断手段による判定結果を出力する出力手段と
を備えたことを特徴とする無鉛はんだの劣化診断装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、錫亜鉛系の無鉛はんだの劣化を診断する無鉛はんだの劣化診断方法、装置、及び無鉛はんだ合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鉛を含むはんだ合金に関しては、特許文献１に示すように、はんだの表面の粗さを測定し、当該測定したはんだの表面の粗さと時間との関係を求めることにより、はんだ接合部に亀裂が生じるまでの時間、換言すれば、はんだの寿命を推定する手法が知られている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−３１０８８８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、無鉛はんだに関しては、劣化の兆候を示す劣化指標がどのようなものであるか明確になっていないので、劣化を判定する基準が定まらないため、無鉛はんだの劣化診断が困難になっている。
【０００５】
そこで本発明は、上記事情に考慮してなされたもので、劣化の兆候を示す劣化指標を明確にすることにより、無鉛はんだの劣化診断を容易に行うことを可能にする無鉛はんだの劣化診断方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００６】
さらに、本発明の他の目的は、長寿命化を図った無鉛はんだ合金を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、第１の発明は、無鉛はんだの断面の形状変化から無鉛はんだの劣化診断を行う無鉛はんだの劣化診断方法であって、無鉛はんだの表面を研磨することにより無鉛はんだの断面の金属組織を露出させる表面研磨工程と、表面研磨工程により研磨された無鉛はんだの断面の金属組織を観測する観測工程と、観測工程による観測の結果、無鉛はんだの断面の金属組織から得られた劣化指標に基づいて設定された劣化パラメータと、所定の劣化指標に基づいて設定された劣化パラメータとを比較し、当該比較の結果として、金属組織から得られた劣化パラメータと所定の劣化パラメータとが一致するか否かにより、無鉛はんだが劣化したか否かを判定する劣化診断工程とを含む無鉛はんだの劣化診断方法である。
【０００８】
なお、本明細書に記載の「劣化指標」とは、１０００サイクルの冷熱サイクル試験前後における無鉛はんだの断面で露出された金属組織、例えば錫又は亜鉛の結晶粒の変化、若しくは１０００サイクルの冷熱サイクル試験前後におけるＸ線分析法によって検出される特性Ｘ線のエネルギーの変化を意味する。
【０００９】
さらに、本明細書に記載の「劣化パラメータ」とは、劣化指標を象徴する数値データ、例えば、錫の結晶の粒径、錫又は亜鉛の球状化率、及び特性Ｘ線のエネルギー値等を意味する。
【００１０】
なお、本明細書に記載の球状化率とは、真円度ともいい、下記の式（１）によって定義される。
球状化率＝（面積相当円の周囲長）／（実際の周囲長）…式（１）
図２４は、球状化率を説明するための図である。同図において、略十字形状の図形が球状化率の測定対象であり、太線で示したのが球状化率の測定対象の図形の周囲長を表している。
【００１１】
球状化率の測定対象である略十字形状の図形の面積は、１２ピクセルである。
この面積と同一の面積を有する円の円周、換言すれば、面積相当円の周囲長は、（１２／π）１／２×２×πとなる。
【００１２】
これに対し、球状化率の測定対象の実際の周囲長は、１６ピクセルである。
【００１３】
従って、図２４に示す略十字形状の図形の球状化率は、以下に示すように、
球状化率＝（面積相当円の周囲長）／（実際の周囲長）
＝｛（１２／π）１／２×２×π｝／１６＝７６．７（パーセント）となる。
【００１４】
なお、１ピクセルは、寸法を構成して求める値であり、例えば、倍率を１０００倍として観察した際には、１μｍが約０．２ピクセル程度となる。
【００１５】
このように、表面研磨工程により無鉛はんだの表面が研磨されることによって無鉛はんだの断面の金属組織が露出され、当該研磨された無鉛はんだの断面の金属組織が観測工程により観測され、当該観測の結果、無鉛はんだの断面の金属組織から得られた劣化指標に基づいて設定された劣化パラメータと、所定の劣化指標に基づいて設定された劣化パラメータとが劣化診断工程により、比較され、当該比較の結果、金属組織から得られた劣化パラメータと所定の劣化パラメータとが一致するか否かにより、無鉛はんだが劣化したか否かが判定されるので、劣化パラメータを比較するだけで無鉛はんだの劣化診断を容易に行うことが出来る。
【００１６】
第２の発明は、第１の発明の無鉛はんだの劣化診断方法において、無鉛はんだは、亜鉛を含み、劣化パラメータは、無鉛はんだ中の亜鉛の結晶の変化を検出するための情報であり、劣化診断工程は、亜鉛が略円形形状又は略楕円形状に変化するか否かにより、無鉛はんだが劣化したか否かを判定する無鉛はんだの劣化診断方法である。
【００１７】
これにより、第１の発明と同様の作用を奏することが出来るのに加え、亜鉛が略円形又は略楕円形形状に変化するか否かによって無鉛はんだが劣化したか否かが判定されるので、金属組織の観測をすることによって容易に無鉛はんだが劣化したことを把握することが出来る。
【００１８】
第３の発明は、第１の発明の無鉛はんだの劣化診断方法において、無鉛はんだは、亜鉛を含み、観測工程は、無鉛はんだの断面に対する劣化診断時における無鉛はんだからの特性Ｘ線の解析結果を取得し、劣化診断工程は、無鉛はんだが劣化したことを示す劣化パラメータと、特性Ｘ線の解析結果から得られた劣化パラメータとを比較し、当該比較の結果として、無鉛はんだからの特性Ｘ線の解析結果として所定の特性Ｘ線が検出されたか否かにより、無鉛はんだが劣化したか否かを判定する無鉛はんだの劣化診断方法である。
【００１９】
本明細書に記載の無鉛はんだを特性Ｘ線により解析する手法としては、例えば周知のＸ線分光法を用いた手法、具体的には、周知のＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏ  Ａｎａｌｙｓｉｓ：電子線マイクロアナライザ）による解析結果を用いる手法や、ＡＥＳ（Ａｕｇｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：オージェ電子分光法）の解析結果を用いる手法が挙げられる。
【００２０】
なお、ＥＰＭＡ及びＡＥＳの詳細に関しては、出願時において公知の文献、例えば、「電子・イオンビームハンドブック（第３版）；平成１０年１０月２８日発行；日刊工業新聞社発行；日本学術振興会第１３２委員会編」等に、詳細に記載されている。
【００２１】
これにより、第１の発明と同様の作用を奏することが出来るのに加え、特性Ｘ線の解析結果から無鉛はんだが劣化したか否かが判定出来るので、画像データによらずに、無鉛はんだの劣化診断を行うことが出来る。
【００２２】
第４の発明は、無鉛はんだ合金であって、錫と、亜鉛と、針状結晶とを含有する無鉛はんだ合金である。
【００２３】
なお、本明細書に記載の無鉛はんだ合金とは、鉛を含まないはんだ合金のことを意味する。
【００２４】
これにより、針状結晶が無鉛はんだ合金に含まれるので、当該針状結晶が無鉛はんだ合金の劣化に伴う亀裂の進展を防止するため、無鉛はんだ合金の長寿命化を図ることが出来る。
【００２５】
第５の発明は、第４の発明の無鉛はんだ合金において、針状結晶は、単一の金属元素からなる無鉛はんだ合金である。
【００２６】
これにより、第４の発明と同様の作用を確実に奏することが出来る。
【００２７】
第６の発明は、第４の発明の無鉛はんだ合金において、針状結晶は、亜鉛からなる無鉛はんだ合金である。
【００２８】
これにより、第４の発明と同様の作用を確実に奏することが出来る。
【００２９】
第７の発明は、無鉛はんだの断面の形状変化から無鉛はんだの劣化診断を行う無鉛はんだの劣化診断装置であって、無鉛はんだの断面を観測する観測手段と、観測手段による観測の結果から無鉛はんだが劣化していることを示す劣化パラメータを設定する劣化パラメータ設定手段と、劣化パラメータ設定手段により設定された劣化パラメータが記憶された劣化パラメータ記憶手段と、劣化診断対象の無鉛はんだの断面の観測の結果に基づいて、得られた劣化パラメータと、劣化パラメータ記憶手段に記憶された劣化パラメータとを比較することにより無鉛はんだが劣化したか否かを判定する劣化診断手段と、劣化診断手段による判定結果を出力する出力手段とを備えた無鉛はんだの劣化診断装置である。
【００３０】
これにより、観測手段により無鉛はんだの断面が観測され、当該観測の結果から無鉛はんだが劣化していることを示す劣化パラメータが劣化パラメータ設定手段により設定され、劣化診断手段により、劣化診断対象の無鉛はんだの断面の観測の結果に基づいて、得られた劣化パラメータと、劣化パラメータ記憶手段に記憶された劣化パラメータとが比較されることにより無鉛はんだが劣化したか否かが判定され、出力手段により当該判定結果が出力されるので、無鉛はんだの劣化診断を容易に行うことが出来る。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施の形態について図面を参照して説明する。
【００３２】
図１は、本実施の形態に係る無鉛はんだの劣化診断方法の一例を示すフローチャートであり、図２は、本発明の第１の実施の形態に係る無鉛はんだの劣化診断方法を適用した無鉛はんだの劣化診断装置１Ａの構成例を示す模式図である。
【００３３】
また、以下の本実施の形態では、図３及び図４に示すようなチップコンデンサを用いて劣化パラメータを設定する例に関して説明を行うものとする。なお、図３は、チップコンデンサ１１を実装したプリント基板１２の平面図であり、図４は、チップコンデンサ１１を実装したプリント基板１２の断面図である。また、チップコンデンサ１１とプリント基板１２とは、当該チップコンデンサ１１と、プリント基板１２上のランド１３との間が無鉛はんだ１４により、はんだ接合されている。
【００３４】
本実施の形態の無鉛はんだの劣化診断の適用対象となる無鉛はんだは、錫９０Ｗｔ％（重量パーセント）と、亜鉛９Ｗｔ％（重量パーセント）と、亜鉛の針状結晶１Ｗｔ％（重量パーセント）とを含有する錫亜鉛系の無鉛はんだである。
【００３５】
なお、本発明者の行った実験結果によれば、錫亜鉛系の無鉛はんだの亀裂が発生した部位には、酸化亜鉛の分布は、全く見られなかった。
【００３６】
本発明者の考察によれば、冷熱サイクル試験時に、錫と亜鉛とを主成分とする錫亜鉛系の無鉛はんだは、始めに亜鉛の金属結晶が偏析した後、当該亜鉛の金属結晶が存在しない部分から無鉛はんだの劣化、換言すれば、無鉛はんだの金属組織に発生する亀裂が進展する。
【００３７】
図５は、錫亜鉛系の無鉛はんだの金属組織に、針状の金属結晶を添加した場合の亀裂の進展の様子の一例を示す模式図であり、図６は、錫亜鉛系の無鉛はんだの金属組織に、針状の金属結晶を添加していない場合の亀裂の進展の様子の一例を示す模式図である。
【００３８】
本発明者の考察によれば、図５に示すように、錫２１と略円形形状の亜鉛２２とからなる錫錫亜鉛系の無鉛はんだの金属組織に、針状の金属結晶２３を添加した場合、冷熱サイクル試験時に、無鉛はんだの金属組織に発生する亀裂２４は、添加された亜鉛の針状結晶を回避して進展する。
【００３９】
これに対し、無鉛はんだに針状の金属結晶２３を添加しない場合、図６に示すように、亀裂２４の進展を阻止する針状の金属結晶２３がないので、金属結晶を添加した場合と比較して亀裂２４の進展が急速に進んでしまう。
【００４０】
従って、本発明者は、錫亜鉛系の無鉛はんだの長寿命化を図る観点からは、錫亜鉛系の無鉛はんだに針状の金属結晶を添加することがより好ましいと考える。以上の考察から、本発明者は、亀裂の進展を阻止するために、針状の金属結晶を錫亜鉛系の無鉛はんだに添加することを考案した。
【００４１】
なお、上記針状の金属結晶としては、他の金属元素を含まないほうが望ましいので、亜鉛だけからなることがより好ましい。
【００４２】
本実施の形態に係る無鉛はんだの劣化診断装置１Ａは、撮像部２（観測手段）と、劣化パラメータ設定部３Ａと、劣化パラメータデータベース４Ａと、劣化診断部５Ａと、出力部６Ａとから構成される。
【００４３】
なお、本実施の形態に係る無鉛はんだの劣化診断装置１Ａを構成する各部は、ソフトウェア若しくはハードウェア又はソフトウェアとハードウェアとの組合わせの何れより構成されたものであってもよい。
【００４４】
また、本実施の形態に係る無鉛はんだの劣化診断装置１Ａは、例えば、記録媒体又は通信ネットワークから予めインストールされたプログラムによって動作が制御されるコンピュータによって各機能が実現される。
【００４５】
なお、上記通信ネットワークは、双方向に通信可能なものであればよく、有線又は無線の別を問わない。
【００４６】
撮像部２（観測手段）は、無鉛はんだの表面上で露出された金属組織を観測するものであり、当該金属組織の画像データを撮像し、当該撮像した画像データを劣化パラメータ設定部３Ａ又は劣化診断部５Ａに出力する。
【００４７】
劣化パラメータ設定部３Ａは、撮像部２から出力された画像データを画像解析し、当該画像解析の結果から無鉛はんだの劣化を診断するための劣化指標を抽出する機能と、当該抽出した劣化指標が金属組織に出現したことを示す数値データを、外部から入力されたパラメータ設定指令に基づいて、劣化パラメータとして設定する機能と、当該設定した劣化パラメータを劣化パラメータデータベース４Ａに記憶させる機能とを有する。
【００４８】
劣化パラメータデータベース４Ａには、劣化パラメータ設定部３Ａにより設定された劣化パラメータが記憶されている。
【００４９】
劣化診断部５Ａは、撮像された無鉛はんだの断面の画像データを受け取った場合、当該画像データを画像解析する機能と、劣化パラメータデータベース４Ａを検索し、検索結果として予め設定された劣化パラメータを読出す機能と、当該読出した劣化パラメータと、前述した解析結果とを比較することにより無鉛はんだが劣化したか否かを判定する機能と、当該判定結果を出力部６Ａに出力する機能とを有する。
【００５０】
出力部６Ａは、劣化診断部５Ａから出力された判定結果を外部に出力する。
【００５１】
以下、本実施の形態に係る錫亜鉛系の無鉛はんだの劣化診断方法の概要を説明する。
【００５２】
本実施の形態に係る劣化診断方法は、無鉛はんだの断面を観測することにより、劣化パラメータを設定するまでの工程Ａ１〜工程Ａ５と、当該劣化パラメータを用いて劣化診断を行う工程Ａ６〜工程Ａ９とからなる。
【００５３】
始めに、錫亜鉛系の無鉛はんだを用いて、熱ストレスを模擬した冷熱サイクル試験が行われる（Ａ１）。
【００５４】
次に、冷熱サイクル試験を行った錫亜鉛系の無鉛はんだの断面が鏡面研磨される（Ａ２）。
【００５５】
次に、鏡面研磨された、錫亜鉛系の無鉛はんだの断面の金属組織が観測される（Ａ３）。
【００５６】
次に、劣化の進行状態と観測された金属組織の劣化状態との関係から無鉛はんだの断面の劣化の兆候を示す劣化指標が調査される（Ａ４）。
【００５７】
次に、劣化パラメータ設定部３Ａは、無鉛はんだの断面の劣化指標を検出するための劣化パラメータの設定を診断者から受け付けて、劣化パラメータを劣化パラメータデータベース４Ａに記憶させる（Ａ５）。
【００５８】
次に、劣化診断対象の錫亜鉛系の無鉛はんだの断面が鏡面研磨される（Ａ６）。
【００５９】
次に、撮像部２は、鏡面研磨された劣化診断対象の無鉛はんだの断面の金属組織を観測する（Ａ７）。
【００６０】
次に、劣化診断部５Ａは、撮像部２により撮像された劣化診断対象の無鉛はんだの断面の画像データを画像解析し、画像解析の結果と、劣化パラメータデータベース４Ａに記憶された劣化パラメータとを比較して、当該比較結果として劣化の有無を検出する劣化診断処理を実行する（Ａ８）。
【００６１】
次に、出力部６Ａは、劣化診断部５Ａによる劣化診断の結果を出力する（Ａ９）。
【００６２】
以下、当該無鉛はんだの劣化診断装置１Ａが実現する無鉛はんだの劣化診断方法に関し、具体的な例を挙げてより詳細に説明する。
【００６３】
始めに、錫亜鉛系の無鉛はんだを用いて熱ストレスを模擬した冷熱サイクル試験が行われる（Ａ１）。
【００６４】
ここで、冷熱サイクル試験を行う手法としては、例えば、３０分間に−４０℃〜＋１２５℃の間で温度を変化させる冷熱サイクル試験を１サイクルとして、連続的に１０００サイクルまで熱ストレスを無鉛はんだに負荷する手法がある。
【００６５】
工程Ａ２では、冷熱サイクル試験の任意のサイクル実行後の無鉛はんだの表面を鏡面状になるまで研磨する。これにより、劣化診断対象である無鉛はんだの金属組織が露出する。
【００６６】
ここで、無鉛はんだの表面を鏡面研磨する為の手法としては、例えば、ＳｉＣの粒度が♯１２０、♯３２０、♯５００、♯１０００、及び♯２４００の５種類の耐水研磨紙で研磨した後、１μｍのダイヤモンド粒子が分散したペーストを用いて鏡面研磨する手法がある。
【００６７】
なお、この研磨手法においては、ＳｉＣの粒度の異なる５種類の耐水研磨紙を用いただけでは、無鉛はんだの断面の金属組織が露出しないので、１μｍのダイヤモンド粒子が分散したペーストを用いて鏡面研磨することが無鉛はんだの断面の金属組織を露出させるために重要な処理となっている。
【００６８】
工程Ａ３では、撮像部２により、鏡面研磨されたことにより露出された錫亜鉛系の無鉛はんだの断面の金属組織が観測される。
【００６９】
工程Ａ４では、無鉛はんだの表面で露出された金属組織の観測の結果から劣化指標が調査される。
【００７０】
ここで、無鉛はんだの金属組織を観測する手法としては、当該金属組織を撮像することにより画像データとして取り込んだ当該画像データを解析する手法、周知のＸ線分光法を用いたＸ線解析装置、例えばＸ線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）により無鉛はんだの金属組織の表面から放射される特性Ｘ線を受け取り、当該特性Ｘ線のエネルギーを解析する手法、及び目視で金属組織を観測する手法等がある。
【００７１】
図７は、冷熱サイクル試験前における初期状態の無鉛はんだの断面の金属組織の一例を示す図であり、図８は、初期状態の無鉛はんだの断面の金属組織の一例を示す模式図である。また、図９は、初期状態における無鉛はんだの断面の金属組織の一例の拡大図であり、図１０は、初期状態の無鉛はんだの断面の金属組織の一例の模式図である。さらに、図１１は、初期状態の無鉛はんだの断面における結晶粒の面積比の一例を示すヒストグラムである。
【００７２】
なお、図１１の図では、２５００［平方マイクロメートル］未満の結晶粒を紫色で、２５００［平方マイクロメートル］以上４０００［平方マイクロメートル］未満の結晶粒を青色で、４０００［平方マイクロメートル］以上５０００［平方マイクロメートル］未満の結晶粒を深緑色で、５０００［平方マイクロメートル］以上７５００［平方マイクロメートル］以下の結晶粒を緑色で、１０５００［平方マイクロメートル］以上１１５００［平方マイクロメートル］以下の結晶粒を黄緑色で、１５５００［平方マイクロメートル］以上１６５００［平方マイクロメートル］未満の結晶粒を燈色で、２４５００［平方マイクロメートル］以上の結晶粒を赤色でそれぞれ表示している。
【００７３】
初期状態の無鉛はんだの断面には、図８及び図１０に示すように、不定形の形状を有する錫の結晶粒３１と、錫と亜鉛とが混在する金属組織３２とが存在している。この金属組織３２には、錫２１と、針状の形状を有する亜鉛の結晶粒２３とが存在している。なお、亜鉛の結晶粒を、一様な方向に配向させることは不可能であるので、断面に略垂直方向に沿って存在する針状の亜鉛の結晶粒２３は、略円形形状又は略楕円形形状に見えている。
【００７４】
一方、図１２は、１０００サイクルの冷熱サイクル試験後、露出された無鉛はんだの断面の金属組織の一例を示す図であり、図１３は、１０００サイクルの冷熱サイクル試験の実行後における無鉛はんだの断面の金属組織の一例を示す模式図である。また、図１４は、１０００サイクルの冷熱サイクル試験の実行後における金属組織の一例を示す拡大図であり、図１５は、１０００サイクルの冷熱サイクル試験の実行後における金属組織の一例の模式図である。さらに、図１６は、１０００サイクルの冷熱サイクル試験の実行後の無鉛はんだの断面における結晶粒の面積比の一例を示すヒストグラムである。
【００７５】
なお、図１６では、１１００［平方マイクロメートル］未満の結晶粒を紫色で、１１００［平方マイクロメートル］以上１７５０［平方マイクロメートル］未満の結晶粒を青色で、１７５０［平方マイクロメートル］以上２２５０［平方マイクロメートル］未満の結晶粒を深緑色で、２２５０［平方マイクロメートル］以上２７５０［平方マイクロメートル］未満の結晶粒を緑色で、２７５０［平方マイクロメートル］以上３５００［平方マイクロメートル］未満の結晶粒を黄緑色で、５７５０［平方マイクロメートル］以上６２５０［平方マイクロメートル］未満の結晶粒を黄色で、１０７５０［平方マイクロメートル］以上の結晶粒を赤色で表示している。
【００７６】
本発明者の観測したところによれば、初期状態の金属組織３２において、針状の断面形状を有していた亜鉛の結晶粒２３は、冷熱サイクル試験後の金属組織３３においては、図１５に端的に示すように、錫の不定形の結晶３１が略多角形形状のこまかな結晶に変化すると共に、針状の結晶であった亜鉛が略円形形状又は略楕円形形状の断面形状を有する酸化亜鉛３４に変化している。
【００７７】
また、冷熱試験後においては、初期状態では、はっきりしていなかった錫の結晶粒界がはっきりしてきている。
【００７８】
このように、無鉛はんだに含まれる亜鉛の針状結晶が略円形又は略楕円形形状の酸化亜鉛に変化した場合に、亀裂の発生が見られる。
【００７９】
従って、本発明者は、無鉛はんだの断面の金属組織に、略円形形状の亜鉛の結晶粒が存在することを劣化指標として劣化パラメータの決定に利用することが出来ると考える。
【００８０】
図１７は、初期状態の無鉛はんだの金属組織における錫の球状化率と、該当する球状化率の錫の結晶の個数との関係を示す図であり、図１８は、１０００サイクルの冷熱サイクル試験の実行後の無鉛はんだの金属組織における錫の球状化率と、該当する球状化率の錫の結晶の個数との関係を示す図であり、図１９は、冷熱サイクル試験の前後における無鉛はんだの金属組織の錫の結晶の球状化率をプロットした図である。
【００８１】
なお、図１９においては、図１７に示す冷熱サイクル試験前の初期状態の無鉛はんだの金属組織の球状化率が左側にプロットされており、図１８に示す冷熱サイクル試験後の初期状態の無鉛はんだの金属組織の球状化率が右側にプロットされている。
【００８２】
また、本発明者は、錫の結晶の粒径の変化に着目して錫亜鉛系の無鉛はんだの劣化診断を行うことも可能であると考える。
【００８３】
すなわち、本発明者が得た実験結果によれば、図１７に示すように、初期状態では、錫の結晶の球状化率の平均値は、およそ４３．３パーセントであり、標準偏差は、およそ１０．０であるのに対し、１０００サイクルの冷熱サイクル試験の実行後においては、図１８に示すように、錫の結晶の球状化率の平均値は、およそ６７．９であり、標準偏差は、およそ７．２６である。
【００８４】
換言すれば、冷熱サイクル試験の実行後における金属組織では、図１９に端的に示すように、錫の結晶の球状化率が、初期状態における金属組織に比較して高くなっている。
【００８５】
このように、錫の結晶の球状化率が高くなった場合に、亀裂の発生が見られる。
【００８６】
従って、無鉛はんだの金属組織における錫の結晶の球状化率が高くなっていることを無鉛はんだの劣化指標として、劣化パラメータの設定に利用することが出来る。
【００８７】
また、本発明者が得た実験結果によれば、前述した図１１に示すように、初期状態の無鉛はんだの断面における露出した結晶粒は、７５００［μｍ２］以下の面積のものがおよそ全体の６０パーセントを占めているが、２４５００［μｍ２］以上２５５００［μｍ２］以下の面積のものが全体の２５パーセント、１５５００［μｍ２］以上１６５００［μｍ２］以下の面積のものが全体のおよそ１５パーセント、及び１０５００［μｍ２］以上１１５００［μｍ２］以下の面積のものが全体のおよそ１０パーセントの割合でそれぞれ存在しており、種々な大きさの結晶粒が存在していると言うことが出来る。
【００８８】
これに対し、１０００サイクルの冷熱サイクル試験の実行後の無鉛はんだの断面における露出した結晶粒は、前述した図１６に示すように、およそ３５００［μｍ２］以下の面積のものが全体のおよそ８５パーセントを占めている。
【００８９】
換言すると、１０００サイクルの冷熱サイクル試験の実行後では、初期状態に比較して錫の結晶の粒径が小さくなっているということが出来る。
【００９０】
このように、錫の結晶の粒径が小さくなった場合に、亀裂の発生がみられる。
【００９１】
従って、本発明者は、断面の金属組織における錫の結晶粒の粒径の変化を検出することを劣化指標として劣化パラメータの決定に利用することが出来ると考える。
【００９２】
工程Ａ５では、劣化パラメータ設定部３Ａにより、観測の結果得られた無鉛はんだの露出した金属組織の画像データから略円形形状の亜鉛の結晶粒を検出するための情報が劣化パラメータとして設定され、当該設定された劣化パラメータが劣化パラメータデータベース４Ａに記憶される。
【００９３】
ここで、設定される劣化パラメータとしては、例えば、略円形形状又は略楕円形形状の亜鉛の結晶の形状に関する数値データ、結晶の粒径の割合、結晶の粒径の平均値、錫の結晶の球状化率等が挙げられる。
【００９４】
工程Ａ６では、劣化診断対象の錫亜鉛系の無鉛はんだの断面が工程Ａ２と同様の手法により鏡面研磨される。
【００９５】
工程Ａ７では、劣化診断対象の無鉛はんだの断面の露出された金属組織が、撮像部２により、状態観測される。
【００９６】
工程Ａ８では、劣化診断部５Ａは、予め劣化パラメータデータベース４Ａに記憶された略円形形状又は略楕円形形状の亜鉛を検出するための情報である劣化パラメータを読出し、読出した劣化パラメータと観測された劣化診断対象の無鉛はんだの断面の画像とを照合することによって、観測された劣化診断対象の無鉛はんだの断面に略円形形状又は略楕円形形状の亜鉛の結晶粒があるか否かにより、無鉛はんだが劣化したか否かが判定される。
【００９７】
なお、本実施の形態の工程Ａ８では、無鉛はんだの断面に略円形形状又は略楕円形形状の亜鉛の結晶粒が発生したか否かにより、無鉛はんだが劣化したか否かが判定されたが、これに限らず、錫の結晶粒の粒径が劣化パラメータとして予め定められた値よりも小さくなったか否かにより、無鉛はんだが劣化したか否かを判定してもよいし、所定の面積以下の粒径の粒子が断面全体に占める割合が劣化パラメータとして予め定められた値以上になったか否かにより、無鉛はんだが劣化したか否かを判定してもよい。
【００９８】
工程Ａ９では、出力部６Ａは、劣化診断部５Ａから出力された診断結果を外部に出力する。
【００９９】
なお、この出力部６Ａとしては、例えばプリンタ、ＣＲＴなどのように視覚的に診断結果を出力する機器、又はスピーカなど音声により診断結果を出力する機器等を利用してもよい。
【０１００】
上述したように、本実施の形態においては、劣化パラメータを設定することにより、無鉛はんだの金属組織の状態から劣化指標を明確に定義できると共に、無鉛はんだが劣化したか否かを判定する際の劣化パラメータを設定することが出来る。
【０１０１】
また、本実施の形態によれば、設定した劣化パラメータと、無鉛はんだの断面の観測の結果とを比較することにより、容易に無鉛はんだの劣化診断を行うことが出来る。
【０１０２】
さらに、本実施の形態によれば、亜鉛の針状結晶を錫亜鉛系の無鉛はんだに添加することにより、亀裂が当該針状結晶を回避して進展するので、当該針状結晶を添加しない場合の無鉛はんだと比較して寿命を長期化することが出来る。
【０１０３】
本実施の形態によれば、機器製品トラブルを事前に察知することが出来ると共に、メンテナンス周期を決定することが出来る。
【０１０４】
本実施の形態によれば、無鉛はんだに亜鉛の針状結晶を添加することにより、亀裂進展を防止するので、亀裂の進展速度が遅くなり、熱疲労環境下において長期の信頼性を維持することが出来る。
【０１０５】
＜第２の実施の形態＞
図２０は、本発明の第２の実施の形態に係る無鉛はんだの劣化診断方法の一例を説明するためのフローチャートである。
【０１０６】
図２１は、本実施の形態に係る無鉛はんだの劣化診断装置１Ｂの一例を示す模式図である。なお、前述した図面と同一部分には、同一符号を付してその詳しい説明を省略し、ここでは、主として異なる部分に関して説明する。
【０１０７】
なお、本実施の形態に係る無鉛はんだの劣化診断方法の適用対象は、第１の実施の形態に係る無鉛はんだの劣化診断方法における適用対象と同様の錫亜鉛系の無鉛はんだである。
【０１０８】
なお、本実施の形態に係る無鉛はんだの劣化診断方法は、周知のＸ線分光法を用いたＸ線分析装置、例えば電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）により検出した特性Ｘ線の強度を測定した測定結果を用いて、劣化パラメータを設定することにより、無鉛はんだの劣化診断を行う方法である。
【０１０９】
本実施の形態に係る無鉛はんだの劣化診断装置１Ｂは、電子線照射部４１と、特性Ｘ線強度測定部４２と、劣化パラメータ設定部３Ｂと、劣化パラメータデータベース４Ｂと、劣化診断部５Ｂと、出力部６Ｂとから構成される。
【０１１０】
なお、本実施の形態に係る無鉛はんだの劣化診断装置１Ｂを構成する各部は、ソフトウェア若しくはハードウェア又はソフトウェアとハードウェアとの組合わせの何れより構成されたものであってもよい。
【０１１１】
また、本実施の形態に係る無鉛はんだの劣化診断装置１Ｂは、例えば、記録媒体又は通信ネットワークから予めインストールされたプログラムによって動作が制御されるコンピュータによって各機能が実現される。
【０１１２】
なお、上記通信ネットワークは、双方向に通信可能なものであればよく、有線又は無線の別を問わない。
【０１１３】
電子線照射部４１は、電子線を無鉛はんだ１４の断面に照射する機能を有する。
【０１１４】
特性Ｘ線強度測定部４２は、無鉛はんだ１４の断面から放射される特性Ｘ線を測定する機能と、当該測定結果を劣化パラメータ設定部３Ｂに出力する機能とを有する。
【０１１５】
なお、本実施の形態の特性Ｘ線強度測定部４２が観測手段に該当する。
【０１１６】
劣化パラメータ設定部３Ｂは、特性Ｘ線強度測定部４２から出力される酸素のエネルギー準位を、外部から入力されたパラメータ設定指令に基づいて、劣化パラメータとして設定する機能と、、当該設定した劣化パラメータを劣化パラメータデータベース４Ｂに記憶させる機能とを有する。
【０１１７】
劣化パラメータデータベース４Ｂには、劣化パラメータとして酸素のエネルギー準位に関するデータが記憶されている。
【０１１８】
劣化診断部５Ｂは、特性Ｘ線強度測定部４２から出力される測定結果を受け取り、劣化パラメータデータベース４Ｂから劣化パラメータを読出し、当該読み出した劣化パラメータとして予め設定された酸素のエネルギー準位と、受け取った測定結果とを比較し、当該比較の結果として、酸素のエネルギー準位に該当する特性Ｘ線が検出されたか否かを判定することにより、無鉛はんだが劣化したか否かを判定する機能を有する。
【０１１９】
出力部６Ｂは、劣化診断部５Ｂから出力された無鉛はんだの劣化診断の結果を外部に出力する機能を有する。
【０１２０】
次に、本実施の形態に係る無鉛はんだの劣化診断方法に関し、図面を用いて説明する。
【０１２１】
工程Ｂ１及び工程Ｂ２に関しては、前述した工程Ａ１及び工程Ａ２と同様である。
【０１２２】
工程Ｂ３では、特性Ｘ線強度測定部４２は、周知のＸ線分光法によって無鉛はんだの断面から放射される特性Ｘ線の強度を測定し、当該測定結果を劣化パラメータ設定部３Ｂに出力する。
【０１２３】
工程Ｂ４では、無鉛はんだの劣化の進行状態と、測定された特性Ｘ線の解析結果との関係から無鉛はんだの劣化の兆候を示す劣化指標が調査される。
【０１２４】
図２２は、本発明者が冷熱サイクル試験前に行った周知のＸ線分光法による特性Ｘ線の測定結果を示す図であり、図２３は、本発明者が冷熱サイクル試験前に行った周知のＸ線分光法による特性Ｘ線の測定結果を示す図である。この図２２及び図２３において、縦軸は、１秒間あたりのＸ線の検出回数、換言すればＸ線強度（単位は［ｃｐｓ：ｃｏｕｎｔｓ  ｐｅｒ  ｓｅｃｏｎｄ］）を示し、横軸は、エネルギー準位（単位は［ｋｅＶ］）を示す。
【０１２５】
この図２２に示すように、冷熱サイクル試験前においては、炭素と、亜鉛と、錫とのそれぞれのエネルギー準位に対応するエネルギーの特性Ｘ線が検出されている。なお、この炭素は、導通をとるために亜鉛の表面に蒸着されたものである。
【０１２６】
これに対し、１０００サイクルの冷熱サイクル試験後においては、図２３に示すように、炭素と、酸素と、亜鉛とのそれぞれのエネルギー準位に対応するエネルギーの特性Ｘ線が検出されている。ここで、０．５（ｋｅｖ）付近の酸素のエネルギー準位に対応するエネルギーの特性Ｘ線が検出されたのは、冷熱サイクル試験時に、亜鉛が酸化反応で酸化亜鉛に変化したによると考えられる。
【０１２７】
このように、酸素のエネルギー準位に該当する特性Ｘ線が検出された場合に、無鉛はんだの亀裂が発生している。
【０１２８】
従って、本発明者は、Ｘ線分光法により、酸素のエネルギー準位に対応するエネルギーの特性Ｘ線が検出されたことをもって、無鉛はんだが劣化したか否かを判定することが出来ると考える。
【０１２９】
工程Ｂ５では、劣化パラメータ設定部３Ｂは、無鉛はんだの劣化指標を検出するための劣化パラメータの設定を診断者から受け付けて、劣化パラメータを劣化パラメータデータベース４Ｂに記憶させる。
【０１３０】
ここで、設定される劣化パラメータとしては、例えば、周知のＸ線分光法により検出された特性Ｘ線のエネルギー準位等が挙げられる。
【０１３１】
工程Ｂ６では、前述した工程Ａ６と同様に無鉛はんだの表面が鏡面研磨される。
【０１３２】
工程Ｂ７では、特性Ｘ線強度測定部４２は、前述した工程Ｂ３と同様に無鉛はんだの断面から放射される特性Ｘ線の強度を測定する。
【０１３３】
工程Ｂ８では、劣化診断部５Ｂは、劣化パラメータデータベース４Ｂから劣化パラメータを読出し、読出した劣化パラメータと無鉛はんだの断面から放出される特性Ｘ線の測定結果とを比較し、当該比較の結果として酸素のエネルギー準位と一致する特性Ｘ線が検出されたか否かによって、無鉛はんだが劣化したか否かを判定する。
【０１３４】
工程Ｂ９では、出力部６Ｂは、劣化診断部５Ｂによる劣化診断の結果を出力する。
【０１３５】
上述したように本実施の形態によれば、第１の実施の形態における効果に加え、特性Ｘ線のエネルギー値を劣化パラメータとして設定することにより、画像データによることなく、無鉛はんだの劣化の兆候を示す劣化指標を明確に定義することができる。
【０１３６】
なお、上記各実施の形態に記載した手法は、コンピュータに実行させることの出来るプログラムとして、磁気ディスク（フレキスブルディスク、ハードディスクなど）、光ディスク（ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤなど）、光磁気ディスク（ＭＯ）、半導体メモリなどの記憶媒体に格納して頒布することが出来る。
【０１３７】
また、この記憶媒体としては、プログラムを記憶でき、かつコンピュータが読み取り可能な記憶媒体であれば、その記憶形式は、何れの形態であっても良い。
【０１３８】
また、記憶媒体からコンピュータにインストールされたプログラムの指示に基づきコンピュータ上で稼動しているＯＳ（オペレーティングシステム）や、データベース管理ソフト、ネットワークソフト等のＭＷ（ミドルウェア）等が本発明の実施の形態を実現するための各処理の一部を実行しても良い。
【０１３９】
さらに、本発明の実施の形態における記憶媒体は、コンピュータと独立した媒体に限らず、ＬＡＮやインターネット等により伝送されたプログラムをダウンロードして記憶または一時記憶した記憶媒体も含まれる。
【０１４０】
また、記憶媒体は１つに限らず、複数の媒体から本発明の実施の形態における処理が実行される場合も本発明の実施の形態における記憶媒体に含まれ、媒体構成は何れの構成で有っても良い。
【０１４１】
なお、本発明におけるコンピュータは、記憶媒体に記憶されたプログラムに基づき、本実施の形態における各処理を実行するものであって、パソコン等の１つからなる装置、複数の装置がネットワーク接続されたシステム等の何れの構成であっても良い。
【０１４２】
また、本発明におけるコンピュータとは、パソコンに限らず、情報処理機器に含まれる演算処理装置、マイコン等も含み、プログラムによって本発明の機能を実現することが可能な機器、装置を総称している。
【０１４３】
なお、上記各実施の形態に記載した手法を実現するプログラムは、通信ネットワーク、例えばインターネットやイントラネットを介して送信することによって提供することも出来る。
【０１４４】
この通信ネットワークを介したプログラムの提供方法としては、例えば、ＡＳＰ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｅｒｖｉｃｅ  Ｐｒｏｖｉｄｅｒ）によるものを包含する。
【０１４５】
また、プログラムは、上記の機能を実現するものであれば、例えば、Ｃ（登録商標）、Ｃ＋＋（登録商標）、又はＪＡＶＡ（登録商標）等のどのようなプログラミング言語で記載されたものであっても良い。
【０１４６】
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されるものでなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で、種々に変形することが可能である。
【０１４７】
また、上記各実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示されている複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施の形態に示されている全構成要件から幾つかの構成要件が省略されることで発明が抽出された場合には、その抽出された発明を実施する場合には、省略部分が周知慣用技術で適宜補われるものである。
【０１４８】
その他、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施出来る。
【０１４９】
【発明の効果】
以上詳記したように本発明によれば、無鉛はんだの劣化診断を容易に行うことを可能にする無鉛はんだの劣化診断方法及び装置を提供出来る。さらに、本発明によれば、長寿命化を図ることが可能な無鉛はんだ合金を提供出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る無鉛はんだの劣化診断方法を説明するためのフローチャート。
【図２】本実施の形態に係る無鉛はんだの劣化診断装置１Ａの構成例を示す模式図。
【図３】チップコンデンサ１１を実装したプリント基板１２の平面図。
【図４】チップコンデンサ１１を実装したプリント基板１２の断面図。
【図５】錫亜鉛系の無鉛はんだの金属組織に、針状の金属結晶を添加した場合の亀裂の進展の様子の一例を示す模式図。
【図６】錫亜鉛系の無鉛はんだの金属組織に、針状の金属結晶を添加していない場合の亀裂の進展の様子の一例を示す模式図。
【図７】冷熱サイクル試験前における初期状態の無鉛はんだの断面の金属組織の一例を示す図。
【図８】初期状態の無鉛はんだの断面の金属組織の一例を示す模式図。
【図９】初期状態における無鉛はんだの断面の金属組織の一例の拡大図。
【図１０】初期状態の無鉛はんだの断面の金属組織の一例の模式図。
【図１１】初期状態の無鉛はんだの断面における結晶粒の面積比の一例を示すヒストグラム。
【図１２】１０００サイクルの冷熱サイクル試験後、露出された無鉛はんだの断面の金属組織の一例を示す図。
【図１３】１０００サイクルの冷熱サイクル試験の実行後における無鉛はんだの断面の金属組織の一例を示す模式図。
【図１４】１０００サイクルの冷熱サイクル試験の実行後における金属組織の一例を示す拡大図。
【図１５】１０００サイクルの冷熱サイクル試験の実行後における金属組織の一例の模式図。
【図１６】１０００サイクルの冷熱サイクル試験の実行後の無鉛はんだの断面における結晶粒の面積比の一例を示すヒストグラム。
【図１７】初期状態の無鉛はんだの金属組織における錫の球状化率と、該当する球状化率の錫の結晶の個数との関係を示す図。。
【図１８】１０００サイクルの冷熱サイクル試験の実行後の無鉛はんだの金属組織における錫の球状化率と、該当する球状化率の錫の結晶の個数との関係を示す図。
【図１９】冷熱サイクル試験の前後における無鉛はんだの金属組織の錫の結晶の球状化率をプロットした図。
【図２０】本発明の第２の実施の形態に係る無鉛はんだの劣化診断方法の一例を説明するためのフローチャート。
【図２１】本実施の形態に係る無鉛はんだの劣化診断装置１Ｂの一例を示す模式図。
【図２２】本発明者が冷熱サイクル試験前に行った周知のＸ線分光法による特性Ｘ線の測定結果を示す図。
【図２３】本発明者が冷熱サイクル試験前に行った周知のＸ線分光法による特性Ｘ線の測定結果を示す図。
【図２４】球状化率を説明するための図。
【符号の説明】
１Ａ…無鉛はんだの劣化診断装置、１Ｂ…無鉛はんだの劣化診断装置、２…撮像部、３Ａ…劣化パラメータ設定部、３Ｂ…劣化パラメータ設定部、４Ａ…劣化パラメータデータベース、４Ｂ…劣化パラメータデータベース、５Ａ…劣化診断部、５Ｂ…劣化診断部、６Ａ…出力部、６Ｂ…出力部、１１…チップコンデンサ、１２…プリント基板、１３…ランド、１４…無鉛はんだ、２１…錫、２２…酸化亜鉛、２３…針状結晶、２４…亀裂、３１…不定形形状の錫の結晶粒、３２…錫と亜鉛とが含まれる金属組織、３３…冷熱サイクル試験の実行後の金属組織、３４…酸化亜鉛、４１…電子線照射部、４２…特性Ｘ線強度測定部
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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