(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
めっき膜に対し、圧痕を形成後、加重を加えない状態で一定時間経過後に於ける圧痕の変形状態に依ってウィスカの発生し易さを評価すること
を特徴とするウィスカ評価方法。
【請求項２】
めっき膜がＳｎ又はＳｎ合金からなること
を特徴とする請求項１記載のウィスカ評価方法。
【請求項３】
圧痕を形成した後、熱処理を施すこと
を特徴とする請求項１或いは請求項２記載のウィスカ評価方法。
【請求項４】
圧痕形成後の熱処理が、４０℃乃至６０℃の高温試験、６０℃〜８５℃／８０％〜９５％ＲＨの高温高湿試験、−５５℃又は−４０℃〜８５℃の間で温度変化する熱サイクル試験の何れかであること
を特徴とする請求項３記載のウィスカ評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気的な接続を必要とする電極部のはんだめっき膜の評価、更に詳細には、めっき膜に於けるウィスカの発生を評価する方法及びその評価方法を実施する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電子部品の外部接続端子やコネクタ等にはＳｎＰｂめっきを施していたが、環境保護の観点から、その代替めっきとしてＳｎめっきやＳｎＣｕ、ＳｎＢｉ、ＳｎＡｇなどのＳｎ合金めっきが実用化されつつある。
【０００３】
しかし、鉛を含まないはんだめっきは、いずれもＳｎリッチな材料であるため、これに起因してウィスカが発生するという問題がある。
【０００４】
電子部品や電子機器に於ける端子間距離が狭くなりつつある現状では、使用中にウィスカが発生して成長した場合、隣接する電極間での電気的短絡障害が発生し易い。また、ウィスカは直径が１μｍ程度と細く、長さは１ｍｍ以上も成長する場合があることが知られていて、装置内外でのウィスカ飛散に起因する短絡障害も懸念されている。
【０００５】
そのため、現在、電子部品の端子メッキの鉛フリー化を実現するため、ウィスカの発
生を抑えることが重要な問題となっており、様々な対策が考えられている。          
【０００６】
このような状況が背景となって、ウィスカの発生についての試験方法を確立することもウィスカ対策として重要なテーマとなっており、例えば、社団法人電子情報技術産業協会（ＪＥＩＴＡ）では、高温高湿試験（温度＋６０℃、湿度９３＋２〜３％）、熱サイクル試験（−５５℃または−４０℃〜８５℃の間で温度変化）、室温放置試験（２０℃〜３０℃）の三つをウィスカ発生についての試験方法として提唱している（例えば、特許文献１を参照。）。
【０００７】
然しながら、これらの試験方法では、室温試験では４０００時間、高温高湿試験では１０００〜４０００時間、熱サイクル試験でも５００〜１５００時間と大変に長い時間が必要であり、その結果、めっき膜の開発にも部品採用にも可否判断に長時間を要し、製品開発に支障をきたすこととなる。
【特許文献１】特開２００５−１０１０１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明では、電子部品などに使用される鉛フリーのめっき、例えば、Ｓｎ或いはＳｎ系合金めっきについて、ウィスカが係わっている品質を短期間で評価する方法及び装置を提供しようとする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に依るウィスカ評価方法及びウィスカ評価装置に於いては、ＳｎまたはＳｎ合金めっき膜に対し、圧痕を形成し、一定時間経過後に於ける圧痕の変形状態に依ってウィスカの発生し易さを評価することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
前記手段を採ることに依り、従来は５００〜４０００時間も要していたウィスカの評価を１００時間程度の短時間で結果を得ることが可能である。また、どこから発生するか判らないウィスカを探して一面を観察していた従来の方法と比較した場合、圧痕を観察するのみで良いから簡単で時間もかからず、見落としも起こらない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明は、ＳｎまたはＳｎ合金めっき表面に圧痕を形成し、所定時間経過後の圧痕形状の変化・圧痕から発生するノジュール状ウィスカにより、ウィスカの発生しやすさを評価する点にある。
【００１２】
図１は本発明の原理を説明する為の装置の一部及び試料を表す要部切断側面図であり、図に於いて、１はウィスカ評価装置に於けるインデンター圧子、２は試料の基材、３はめっき膜、３Ａは圧痕、４は金属間化合物、５はＳｎの再結晶化部分、６はノジュール状ウィスカ、７は圧縮応力の方向を表す矢印をそれぞれ示している。尚、ここで、めっき膜３はＳｎめっき膜或いはＳｎ系合金めっき膜である。
【００１３】
試験対象となるＳｎまたはＳｎ合金からなるめっき膜３の表面にインデンター圧子１をめっき膜３上に押下し、一定荷重をかけて圧痕３Ａを形成する。所定時間経過後、圧痕３Ａからノジュール状ウィスカ６が発生しているかどうかを確認し、それにより良否の判断をすればよい。
【００１４】
ウィスカ６の発生メカニズムについては、未だ解明されていない部分が多く残されているが、発生原因の一つとして、めっき膜３の内部応力を駆動力としたＳｎの再結晶化が挙げられる。
【００１５】
ウィスカ６は、めっき膜３に圧縮応力７が作用した時に発生し、銅系の基材２の上に形成されたＳｎ系のめっき膜３に多発する。そして、室温程度の温度で形成されるＣｕＳｎ合金の成長が圧縮応力の発生、及び、ウィスカ６の発生に大きく関与している。
【００１６】
前記したように、めっき膜３に圧痕３Ａを形成した場合、その部分の結晶粒が微細化され、それがＣｕＳｎ合金の成長及びＳｎの再結晶化を加速する。つまり、Ｓｎの再結晶化部分５が形成される。その結果、短時間で圧痕３Ａの部分からノジュール状ウィスカ６が発生する。また、圧痕形成後、熱処理を施すことで、前記加速性は更に増し、より短時間での評価が可能となる。
【００１７】
試料の面積が許せば、圧痕３Ａを多数形成して、ノジュール状ウィスカ６が発生する圧痕３Ａの数の割合で良否の判断が可能であり、このような評価を行うには、複数のインデンター圧子１を備え、一括して複数の圧痕３Ａを形成できる機構を備える装置が有効である。
【００１８】
図４は前記した評価を行なう為の基本的な装置の略全体を表す要部説明図であり、大別して、熱処理機構１１、試料に対して一定荷重を印加或いは一定量の押込みが可能な圧痕形成機構１２、サンプルをモニターなどで観察できる観察機構１３から成り、熱処理機構１１は恒温槽１１Ａ及び顕微鏡１１Ｂを備え、圧痕形成機構１２はインデンター圧子１２Ａ及びサンプル１４を担持して移動可能なステージ１２Ｂを備え、観察機構１３は顕微鏡１３Ａ及びモニター１３Ｂを備えている。
【実施例１】
【００１９】
リン青銅を基材として厚さ２μｍのＳｎめっき（Ｓｎ：１８ｇ／ｌ、メタンスルホン酸：１００ｇ／ｌ、アミン・アルデヒド系光沢剤：１５ｍｌ／ｌ）を施した試料Ａ、及び、試料Ａの場合と異なるめっき液（Ｓｎ：１８ｇ／ｌ、メタンスルホン酸：１００ｇ／ｌ、アミン・アルデヒド系光沢剤：３０ｍｌ／ｌ）を用いて厚さ２μｍのＳｎめっきを施した試料Ｂを用意した。
【００２０】
それぞれの試料に対し、インデンター圧子であるビッカース圧子を用いて４０ｍＮの荷重を印加し、２００μｍ間隔で１０個の圧痕を形成した。
【００２１】
複数の圧痕を形成する際には、圧痕間の距離があまり近すぎると圧痕部分で応力が緩和されてしまい、ノジュール状ウィスカの発生が抑制されるので、少なくとも１００μｍ以上の間隔は確保しておく必要がある。
【００２２】
図２の（ａ）及び（ｂ）は試料Ｂ及びＡに圧痕を形成した直後の圧痕形状を表すＳＥＭ（ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）写真であり、また、同じく（ｃ）及び（ｄ）は試料Ｂの１２０時間後及び試料Ａの２５００時間後それぞれの状態を表すＳＥＭ写真である。
【００２３】
圧痕形成後、試料Ｂ及びＡを室温で放置し、適宜、顕微鏡で圧痕形状の変化について観察したところ、１２０時間経過後、写真（ｃ）に見られるように試料Ｂに於ける１０個の圧痕全てからノジュール状ウィスカの発生が確認された。このとき、試料Ａに於いては何も変化は看取されなかった。
【００２４】
２５０時間後には、試料Ｂに於いては、ノジュール状ウィスカが針状ウィスカへと成長していた。
【００２５】
６００時間後には、試料Ａに於いて、１０個の圧痕のうち２個からノジュール状ウィスカが発生し、１１００時間後には、１０個の圧痕全てから発生していた。
【００２６】
２５００時間経過後には、写真（ｄ）に一例を示すような針状ウィスカへと成長していることを確認した。
【００２７】
また、圧痕を形成しなかった場合には、試料Ａに於いては、２０００時間で１０〜２０μｍ程度の短いウィスカが観察され、３０００時間で２００μｍ以上の長いウィスカが観察された。そして、試料Ｂに於いては、５００時間で短いウィスカが観察され、７５０時間で２００μｍ以上の長いウィスカが観察された。
【００２８】
このように、Ｓｎめっきであっても、浴の違いやめっき条件の違いによってウィスカの発生しやすさに違いがあり、本発明による評価方法を用いた場合、それらを短時間で判別可能である。
【実施例２】
【００２９】
図３の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は試料Ａ、試料Ｃ、試料Ｄの６０℃、１００時間後のＳＥＭ写真である。
【００３０】
リン青銅を基材として厚さ２μｍのＳｎめっきを施した試料Ａ、厚さ２μｍのＮｉめっき（硫酸ニッケル：２６０ｇ／ｌ、塩化ニッケル：４５ｇ／ｌ、ホウ酸：３５ｇ／ｌ）及び厚さ２μｍのＳｎめっき（試料Ａと同じ。）を施した試料Ｃ、厚さ２μｍのＳｎＢｉめっき（ＰＦ−ＴＩＮ１５：１２７ｇ／ｌ、ＰＦ−Ｂｌｌ５：６．７ｇ／ｌ、ＰＦ−ＡＣＩＤ：１２０ｇ／ｌ、ＨＴＢ−００５Ａ：１５ｍｌ／ｌ、ＨＴＢ−００５Ｂ：２０ｍｌ、（全て石原薬品製のめっき液及び光沢剤）、Ｂｉ濃度２％のＳｎＢｉとなる。）を施した試料Ｄを用意した。
【００３１】
それぞれの試料に対し、ビッカース圧子を用いて２０ｍＮの荷重を印加し、２００μｍ間隔で５×５のアレイ配列状に２５個の圧痕を形成した。
【００３２】
これらの試料Ａ、Ｃ、Ｄに対し、６０℃、１００時間の高温試験を行った。図３は高温試験後の圧痕形状の一例を示し、（ａ）は試料Ａ、（ｂ）は試料Ｃ、（ｃ）は試料Ｄの圧痕である。
【００３３】
試料Ａでは、全圧痕で図３（ａ）に示されるような変化が見られたのに対し、試料Ｃでは図３（ｂ）のように圧痕形状に変化は見られなかった。
【００３４】
試料Ｄでは２５個中４個で図３（ｃ）に示すような僅かな盛り上がりが観察された。この結果は、試料Ａではウィスカが発生するが、試料Ｃ及びＤでは発生し難いことを示唆している。実際に、約半年間、室温放置したものを観察すると試料Ａでは主にキズのある部分からではあるが、多数のウィスカが発生しており、最長８００μｍのウィスカが確認された。
【００３５】
試料Ｃでは、ウィスカの発生は認められず、試料Ｄでは小さなノジュールや３μｍ以下の短いウィスカが僅かに発生していた。
【００３６】
実施例１で説明した試料Ａと実施例２で説明した試料Ａは同一条件で形成したものであるが、室温放置では全圧痕からノジュール状ウィスカが発生するまでに１０００時間以上を要していたものが、６０℃の高温試験では１００時間で充分であった。即ち、圧痕形成後に熱処理を施すことで１０倍以上の加速性が得られたことになる。
【００３７】
また、熱処理方法として、実施例２に於いては、６０℃、１００時間の高温試験を採用したが、これに限られることはなく、基材が黄銅の場合には高温高湿試験、基材が鉄ニッケル合金の場合には熱サイクル試験がより加速性が高く効果的である。
【実施例３】
【００３８】
リン青銅を基材として厚さ２μｍのＳｎめっきを施した試料Ａ、同じ条件で膜厚１０μｍのＳｎめっきを施した試料Ｅを用意した。
【００３９】
それぞれの試料に対し、ビッカース圧子を用いて１０ｍＮの荷重を印加し、２００μｍ間隔で５×５のアレイ配列状に２５個の圧痕を形成した。
【００４０】
これらの試料Ａ及びＥに対し、６０℃、１００時間の高温試験を行ったところ、試料Ａでは２５個全ての圧痕からノジュール状ウィスカの発生が確認された。また、試料Ｅでは圧痕面の平坦性は失われているものの、圧痕からノジュール状ウィスカの発生は見られなかった。
【００４１】
Ｓｎめっき膜に対して１０ｍＮの荷重をかけると、平均して深さ1.1 μｍの圧痕が形成される。試料Ａでは、１０ｍＮでも圧痕下部の結晶粒が微細化されるのに対し、試料Ｅでは１０μｍの膜厚に１．１μｍ深さの圧痕を形成しても結晶粒は殆ど変化していないと考えられる。
【００４２】
そこで、試料Ｅに対しては、深さ６μｍまで圧子を押し込むことで圧痕を形成し、６０℃、１００時間の高温試験を行った。その結果、１１個の圧痕から比較的大きな筍状ノジュールが発生していた。即ち、めっき膜厚が厚い場合には、ウィスカが発生し始めるのは遅いが、発生するウィスカは、より長く成長する可能性があり、危険度が高いことを示す結果であった。
【００４３】
ところで、前記各実施例では、ウィスカの発生を加速する為、圧痕形成後、熱処理を施すことで、より短時間での評価を可能にしているのであるが、その熱処理として、高温試験、高温高湿試験、熱サイクル試験が存在することは前記した通りである。そして、これ等三つの手段に於いては、それぞれ加速する為の因子が異なっている。そこで、圧痕形成後の熱処理について更に詳細に説明する。
【００４４】
まず、高温試験は、主として金属間化合物の形成を加速する手段であり、銅（Ｃｕ）系の基材に対してＳｎ（Ｓｎ）系のめっき膜を形成した場合には、金属間化合物が形成され易く、この金属間化合物がウィスカ発生要因の１つとなっている。
【００４５】
金属間化合物の生成は、温度が高いほど促進されるので、４０℃以下では室温との差が小さく、十分な加速性が得られない。Ｃｕ及びＳｎの化合物には、Ｃｕ6 Ｓｎ5 とＣｕ3 Ｓｎの２種類があり、これらが生成される量の温度依存性は異なっている。
【００４６】
例示すると、６０℃以下ではＣｕ6 Ｓｎ5 の生成が支配的であり、Ｃｕ3 Ｓｎは殆ど生成されないのに対し、高温ではＣｕ3 Ｓｎの成長速度が急激に増加する。ウィスカ発生への影響としては、Ｃｕ6 Ｓｎ5 が成長要因となるのに対し、Ｃｕ3 Ｓｎは抑制作用をもっている。従って、６０℃を越える高温では加速され難い。以上のような理由により、高温試験は、４０℃〜６０℃の範囲内に於いて、より高温の方が好ましい。              
【００４７】
高温高湿試験は、主として表面酸化を加速する手段であり、基材に黄銅を用いた場合、金属間化合物の形成に加えて、基材中に含まれる亜鉛（Ｚｎ）がめっき膜表面に向かって拡散し、酸化することがウィスカ発生の要因の１つになる。
【００４８】
高温高湿試験の条件としては、例えば、前掲したように社団法人電子情報技術産業協会（ＪＥＩＴＡ）では、高温高湿試験（温度＋６０℃、湿度９３＋２〜３％）を提唱している。また、ＥＩＡＪ（社団法人日本電子機械工業会）規格の「半導体デバイスの環境および耐久性試験方法」（ＥＩＡＪ  ＥＤ−４７０１）では、高温高湿試験条件の選択肢として、６０℃、９０％ＲＨに加え、８５±２℃、８５±５％ＲＨを挙げている。
【００４９】
本発明者等は、温度６０℃で湿度条件を変えて実験したところ、１００時間経過後、湿度８０％ＲＨ以上でウィスカの発生が確認された。従って、湿度条件は８０〜９５％ＲＨとすれば良い。
【００５０】
室温で相対湿度を上げても酸化は促進されるわけではなく、酸化に影響するのは相対湿度＊Ｅ１より絶対湿度＊Ｅ２であり、ウィスカの発生が１００時間で確認された６０℃、８０％ＲＨでは、絶対湿度は０．１１６ｋｇ／ｋｇＤ．Ａ．であり、６０℃以下の温度では、前記絶対湿度を得ることはできない。これ以上の絶対湿度ではウィスカの発生に大きな違いがあるようには認識できなかった。ただし、前記したようにＺｎが表面近傍まで拡散している場合に湿度の影響を受け易い為、温度を上げてＺｎの拡散も併せて加速することで、より確実な加速試験となる。
【００５１】
６０℃、８０％ＲＨでは、圧痕箇所にしかノジュール状ウィスカが発生しないような、めっき直後の試料でも、８５℃、８５％ＲＨでは、一面にノジュールやウィスカが発生して、より加速性の高い条件であることが確認された。以上の結果から、高温高湿試験を実施するには、温度６０〜８５℃、湿度８０〜９５％ＲＨとすることが望ましい。
【００５２】
熱サイクル試験は、基材とめっき膜の熱膨張差による応力発生を加速する手段であり、これについては、ＪＥＩＴＡ推奨の試験条件（−５５℃または−４０℃〜８５℃の間で温度変化）を採用すると良い。
【００５３】
本発明に於いては、前記説明した実施の形態を含め、多くの形態で実施することができるので、以下、それを付記として例示する。
【００５４】
（付記１）
めっき膜に対し、圧痕を形成し、一定時間経過後に於ける圧痕の変形状態に依ってウィスカの発生し易さを評価すること
を特徴とするウィスカ評価方法。
【００５５】
（付記２）
めっき膜がＳｎ又はＳｎ合金からなること
を特徴とする（付記１）記載のウィスカ評価方法。
【００５６】
（付記３）
圧痕を形成した後、熱処理を施すこと
を特徴とする（付記１）或いは（付記２）記載のウィスカ評価方法。
【００５７】
（付記４）
圧痕は、圧子の押し込み深さがめっき膜厚の半分以上、或いは、残りの膜厚が１μｍ以下であること
を特徴とする（付記１）乃至（付記３）の何れか１記載のウィスカ評価方法。
【００５８】
（付記５）
圧痕形成後の熱処理が、４０℃乃至６０℃の高温試験、６０℃〜８５℃／８０％〜９５％ＲＨの高温高湿試験、−５５℃又は−４０℃〜８５℃の間で温度変化する熱サイクル試験のいずれかであること
を特徴とする（付記３）記載のウィスカ評価方法。
【００５９】
（付記６）
めっき膜に圧痕を形成する機構、温度湿度を一定に保つ機構、顕微鏡を備える観測機構が含まれてなること
を特徴とするウィスカ評価装置。
【００６０】
（付記７）
めっき膜に圧痕を形成する機構が同時に複数の圧痕を形成するものであること
を特徴とする（付記６）記載のウィスカ評価装置。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の原理を説明する為の装置の一部及び試料を表す要部切断側面図である。
【図２】形成直後及び室温放置後の圧痕形状を表すＳＥＭ写真である。
【図３】６０℃、１００時間後の圧痕形状を表すＳＥＭ写真である。
【図４】評価を行なう為の装置の略全体を表す説明図である。
【符号の説明】
【００６２】
１  ウィスカ評価装置に於けるインデンター圧子
２  試料の基材
３  めっき膜
３Ａ  圧痕
４  金属間化合物
５  Ｓｎの再結晶化部分
６  ノジュール状ウィスカ
７  圧縮応力の方向を表す矢印
【図１】
0004846407.tif 000002
【図２】
0004846407.tif 000003
【図３】
0004846407.tif 000004
【図４】
0004846407.tif 000005