(57)【要約】【課題】ウィスカが発生しやすい、錫を含有するメッキを施した端子を有する電子部品の試験方法を提供する。【解決手段】本発明にかかる試験方法は、錫を含有するメッキを施した端子を有する試料４の試験方法であって、試料４を第１の温度の環境下に放置する第１の工程と、試料４の存する環境を第１の温度から第２の温度に上昇する第２の工程と、試料４を第２の温度の環境下に放置する第３の工程と、試料４の存する環境を第２の温度から第１の温度に下降させる第４の工程と、から構成されるサイクル状の工程を複数回行った後に、試料４の端子５に施したメッキにウィスカ３が発生しているかどうかによって試料４の良否判定を行う。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
錫を含有するメッキを施した端子を有する電子部品の試験方法であって、
前記電子部品を第１の温度（０℃〜２０℃の間のいずれか）の環境下に放置する第１の工程と、
前記電子部品の存する環境を前記第１の温度から第２の温度（３０℃〜５０℃の間のいずれか）に上昇させる第２の工程と、
前記電子部品を前記第２の温度の環境下に放置する第３の工程と、
前記電子部品の存する環境を前記第２の温度から前記第１の温度に下降させる第４の工程と、
から構成されるサイクル状の工程を複数回行った後に、前記電子部品の端子に施したメッキにウィスカが発生しているかどうかによって前記電子部品の良否判定を行うことを特徴とする電子部品の試験方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、錫を含有するが鉛を含有しない半田または錫によりメッキを施された端子を有する電子部品の試験方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電子機器を製造する際に用いる半田としては、錫と鉛からなる合金が一般的に用いられていた。しかし、鉛には毒性があるため、従来の鉛を含む半田を使用している電子機器を廃棄すると、鉛が溶出し環境上の問題となっていた。そのため、鉛を半田材料として使用することに対して各国で規制されるようになってきた。
【０００３】
そこで、近年、従来の半田の代替材料として、Ｓｎ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ｃｕ等が開発されている。これらの材料は、いずれも鉛を含まないので、環境上の問題はない。そこで、これらの材料を電子部品の端子のメッキにも使用することが実用化されてきている。例えば、半導体パッケージ、抵抗器、コンデンサ等の電極端子やプリント配線基板、コネクタ等の接触端子等のメッキの材料として上記の代替半田または錫が実用化されてきている。
【０００４】
しかし、上記の代替半田または錫は、いずれも錫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。ここで、ウィスカとは、メッキ面から突き出した突起であり、メッキに含まれる錫が結晶成長することに起因して発生するものである。ウィスカが発生すると、電子部品の端子間でショートが発生する等の不具合が生じる。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に、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、様々な対策が考案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、ウィスカの発生を抑える具体的な対策とともに、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は重要な取組みとなっている。この試験方法については、現在、社団法人電子情報技術産業協会（ＪＥＩＴＡ：Ｊａｐａｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  ａｎｄ  Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｒｙ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ  Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）等で積極的に検討されている。現在、ＪＥＩＴＡでは、（１）高温高湿試験（温度＋６０℃、湿度９３＋２，−３％の環境下で試料を放置する試験）、（２）熱衝撃試験（−５５℃または−４０℃〜８５℃の間で試料の存する環境の温度を変化させる試験）、（３）室温放置試験（２０℃〜３０℃、あるいは１５℃〜３５℃の環境下で試料を放置する試験）の３つの試験方法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。
【０００６】
これらの試験方法について、２００２年６月２７日開催のＪＥＩＴＡのウィスカ試験方法分科会において、上記３つの試験方法のうち、（３）室温放置試験が最もウィスカが発生しやすい試験方法である、との報告があった。その理由は、錫の再結晶温度が０〜２５℃にあることから、室温付近でメッキに含有される錫の再結晶化が促進されるためであると考えられている。
【０００７】
また、試料の放置環境温度とウィスカの発生との相関図として、図９が紹介されている。図９において、横軸は試料が存する環境の温度である。縦軸はウィスカが発生するまでに要した時間である。５０℃付近でウィスカが発生しやすいことが分かる。
【０００８】
従って、上記の報告によれば、試料（端子を錫でメッキした電子部品）を室温環境下に放置した後、メッキ面からウィスカが発生したかどうかを判定する方法が現在提唱されている試験方法の中では最良の試験方法であると言える。
【特許文献１】特開２００３−１２９２７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら上記従来の（３）室温放置試験における試験環境は、電子部品の通常の使用環境と大きく異なるところはなく、加速試験にはなっていない。つまり、電子部品の寿命試験を行うためには、電子部品の実際の寿命と同程度の試験時間を要することとなる。このような試験方法では、電子部品の信頼性等を確かめるのに非常に長時間を要するため、製品開発に支障をきたすこととなる。そのため、上記（３）室温放置試験よりもウィスカが発生しやすい試験方法（つまり、ウィスカ発生に関する加速試験）を確立する必要があることを本発明の発明者らは認識した。
【００１０】
そこで、本発明は、ウィスカが発生しやすい、錫を含有するメッキを施した端子を有する電子部品の試験方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この目的を達成するために本発明に係る電子部品の試験方法は、錫を含有するメッキを施した端子を有する電子部品の試験方法であって、電子部品を第１の温度（０℃〜２０℃の間のいずれか）の環境下に放置する第１の工程と、電子部品の存する環境を第１の温度から第２の温度（３０℃〜５０℃の間のいずれか）に上昇させる第２の工程と、電子部品を第２の温度の環境下に放置する第３の工程と、電子部品の存する環境を第２の温度から第１の温度に下降させる第４の工程と、から構成されるサイクル状の工程を複数回行った後に、電子部品の端子に施したメッキにウィスカが発生しているかどうかによって電子部品の良否判定を行うことを特徴とする。
【００１２】
この構成により、ウィスカが発生しやすい、錫を含有するメッキを施した端子を有する電子部品の試験方法を得ることができる。従って、このような電子部品におけるウィスカ発生に関する寿命について加速試験を実施することが可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
以上のように本発明は、ウィスカが発生しやすい、錫を含有するメッキを施した端子を有する電子部品の試験方法を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図１〜８を用いて説明する。
【００１５】
（実施の形態）
ウィスカの発生原因の一つは上述の錫の再結晶であるため、錫が再結晶化しやすい室温環境下でウィスカは発生しやすい。しかし、ウィスカの発生原因はこれだけではなく、メッキ面に応力がかかることもウィスカの発生原因になる。図１（ａ）は、電子部品の端子の断面図である。端子の母材であるＣｕ（銅）１にＳｎ（錫）２がメッキされている。図１（ｂ）は、メッキの下からメッキを局所的に押し上げる応力σがかかったときの模式図である。このような応力σは、母材１とメッキ２との熱収縮率の差等に起因するものであるである。図１（ｃ）は、応力σがかかった結果、ウィスカが発生した際の様子を示す模式図である。図１（ｃ）に示すように、メッキ面を局所的に押し上げる応力σがかかった箇所にウィスカ３は発生する。
【００１６】
そこで、錫が再結晶化しやすい室温環境下に試料を放置しつつ、その温度付近で環境温度を振るという試験方法であれば、ウィスカ３の発生しやすい試験方法（つまり、加速試験）になるのではないかと、本発明の発明者らは考えた。
【００１７】
以下、本発明にかかる試験方法について具体的に説明する。
【００１８】
図２は、試料４の平面図である。試料４は、端子５がくし状に並ぶよう加工されている。図３は、試料４の断面図である。試料４の母材６はリン青銅である。試料４は、この母材６にＮｉメッキ７を２μｍ程度施し、さらにＳｎ−１．５Ｃｕの半田メッキ８を２μｍ程度施したものである。Ｎｉメッキ７は硬いので、母材６にＮｉメッキ７を予め施すことにより、ウィスカは発生しにくくなる。なお、Ｓｎ−１．５Ｃｕとは、１．５％のＣｕ（銅）を含有するＳｎ（錫）を意味する。
【００１９】
この試料４をコネクタに挟んだ状態で恒温槽内に収容する。試料４をコネクタに挟むことにより、試料４の表面に形成された酸化膜が破壊するため、錫の結晶が成長しやすく、ウィスカが発生しやすくなる。
【００２０】
次に、図４に示す温度プロファイルで恒温槽内の環境を制御する。図４において、横軸は試験時間を示す。縦軸は恒温槽内の環境の温度を示す。まず、第１の工程として、恒温槽内を第１の温度に２５分間保持する。次に、第２の工程として、恒温槽内の温度を第１の温度から第２の温度に５分間で上昇させる。次に、第３の工程として、恒温槽内の温度を第２の温度に２５分間保持する。次に、第４の工程として、恒温槽内の温度を第２の温度から第１の温度に５分間で下降させる。以上の第１〜４の工程から構成されるサイクル状の工程を１サイクルとして、２４サイクル繰り返す。従って、試料４を恒温槽内に放置しておく時間は２４時間程度である。
【００２１】
その後、試料４を恒温槽から取り出して、試料４の端子５のメッキ表面を顕微鏡等により観察し、端子５に施したメッキにウィスカ３が発生しているかどうかによって、試料４の良否判定を行う。つまり、試料４に施されたメッキがウィスカ３を発生させやすいものかどうかについて良否判定を行う。
【実施例】
【００２２】
以上の試験方法による一実験例を説明する。試料４をそれぞれ３個づつ用意した。そして、コネクタを挟んだ状態で試料４を恒温槽内に放置し、上記のようにして実験した。このとき、実験１では、第１の温度を２０℃、第２の温度を３０℃に設定した。実験２では、第１の温度を１０℃、第２の温度を４０℃に設定した。実験３では、第１の温度を０℃、第２の温度を５０℃に設定した。実験４では、第１の温度を−１０℃、第２の温度を６０℃に設定した。
【００２３】
次に、上記の２４サイクル後（２４時間後）、試料４を恒温槽から全て取り出して観察した。試料４の観察は、顕微鏡によって行った。観察箇所は、各試料毎に５箇所とした。そのように定めた所定の観察箇所内でウィスカが発生しているかどうかを観察し、発生していれば、ウィスカの長さを測定した。
【００２４】
その結果、図５に示すデータが得られた。すなわち、各実験において、１５箇所の測定箇所全てでウィスカの発生が確認された。確認されたウィスカのうち最大のものは、実験１では８３μｍ、実験２では２１０μｍ、実験３では８１μｍ、実験４では７２μｍの長さであった。
【００２５】
以上の実験の結果より、実験２の条件であればウィスカが発生しやすいことが分かった。
【００２６】
また、上記の実験１〜４の結果と比較するため、ＪＥＩＴＡ推奨の条件で実験５〜７を行った。実験５では、コネクタに挟んだ状態の試料４を常温常湿度で２４時間放置した。その結果、１５箇所全てでウィスカが発見され、そのうち最大のウィスカは９９μｍであった。
【００２７】
実験６では、コネクタに挟んだ状態の試料４を６０℃／９３％の環境に２４時間放置した。その結果、１５箇所全てでウィスカが発見され、そのうち最大のウィスカは７６μｍであった。
【００２８】
実験７では、コネクタに挟んだ状態の試料４を温度サイクル試験にかけるため恒温槽内に収容し、第１の温度を−４０℃、第２の温度を８５℃に設定した。そして、２４サイクル後（２４時間後）に恒温槽から取り出して観察した。その結果、１５箇所全てでウィスカが発見され、そのうち最大のウィスカは７２μｍであった。
【００２９】
以上のように、従来のＪＥＩＴＡで提唱されている試験方法の中（実験５〜７）では、放置（実験５）がウィスカの成長しやすい条件であるということが分かった。この結果は、ＪＥＩＴＡでの報告と一致する。
【００３０】
今回の実験１〜７を総合して考察すると、実験２では非常にウィスカが発生しやすいことが分かる。これは、従来ＪＥＩＴＡ等で提案されていた実験５〜７と比較しても、顕著に発生しやすい。ＪＥＩＴＡで提唱する常温放置（実験５）が９９μｍであったのに対して、実験２では、２１０μｍであったので、ウィスカの成長に関する加速係数としては、２倍以上のものが得られることが分かった。従って、実験２と同様の条件で電子部品の試験を行えば、従来よりも短期間（半分以下の時間）でウィスカ発生に対する試験結果を得ることができる。
【００３１】
次に、レファレンスとして、恒温放置試験を行った実験について説明する。
【００３２】
試料は、図２および３に示す試料４を用いた。まず、−４０℃、−１７℃、７℃、２５℃、４０℃、５０℃、６０℃、８５℃の各温度に一定に保持した恒温槽内に、コネクタに挟んだ状態で試料４をそれぞれ３個づつ放置した。そして、２４時間放置した後、試料４を恒温槽から全て取り出して観察した。試料４の観察は、顕微鏡によって行った。観察箇所は、各試料毎に５箇所とした。そのように定めた所定の観察箇所内でウィスカが発生しているかどうかを観察し、発生していれば、ウィスカの長さを測定した。
【００３３】
その観察の結果を図６に示す。図６において、「環境温度」とは、試料４を放置した恒温槽内の温度である。「発生数」とは、観察した箇所の内ウィスカが発生した箇所の数である。「最大ウィスカ長」とは、観察したウィスカの内最大のウィスカの長さである。例えば、「−４０℃」では、観察箇所１５箇所の内「１４」箇所でウィスカの発生が認められ、発生したウィスカの内最大のものは２８μｍの長さであったことが分かる。
【００３４】
図７は、環境温度と最大ウィスカ長との相関を示したものである。横軸は、試料４を２４時間放置した恒温槽内の温度である。縦軸は、各温度において観察されたウィスカの内最大のものの長さである。図９と同様に、５０℃でウィスカが成長しやすいことが実証できた。
【００３５】
以上のように本発明の実施の形態１によれば、試験方法は、錫を含有するメッキを施した端子を有する試料４の試験方法であって、試料４を第１の温度の環境下に放置する第１の工程と、試料４の存する環境を第１の温度から第２の温度に上昇する第２の工程と、試料４を第２の温度の環境下に放置する第３の工程と、試料４の存する環境を第２の温度から第１の温度に下降させる第４の工程と、から構成されるサイクル状の工程を複数回行った後に、試料４の端子５に施したメッキにウィスカ３が発生しているかどうかによって試料４の良否判定を行うことを特徴とする。
【００３６】
なお、上記本発明の実施の形態１において、試料４をくし状の形状のものとしたが、これに限らず、試料は実際に使用する電子部品であっても良い。例えば、端子に錫メッキが施された半導体パッケージ、抵抗器、コンデンサ、プリント配線基板、コネクタ等であっても良い。このような試料を用いることにより、現実の製品の寿命を予測することができる。
【００３７】
また、上記本発明の実施の形態１において、試料４の母材６をリン青銅としたが、これに限らず、例えば、銅、鉄やニッケル等であっても良い。
【００３８】
また、上記本発明の実施の形態１において、メッキをＳｎ−１．５Ｃｕとしたが、これに限らず、例えば、錫、錫と銀の合金、錫とビスマスの合金であっても良い。つまり、本発明にかかる試験方法は、錫を含み、鉛を含まないメッキを施した試料に有効な試験方法である。なお、メッキ内の鉛の含有量は、不純物程度（０．１％以下）であれば許容される。すなわち、メッキ内の鉛の含有量が０．１％以下であれば鉛フリーの半田または錫であると言え、本発明を適用できる範囲である。
【００３９】
また、上記本発明の実施の形態１において、母材６にＮｉメッキ７を施した上でＳｎ−１．５Ｃｕメッキ８を施したが、母材６にＣｕ等のメッキを施した後に更に錫メッキを施すようにしても良いし、母材６に直に半田や錫のメッキを施すようにしても良い。
【００４０】
また、上記本発明の実施例において、第１の温度を１０℃、第２の温度を４０℃と設定した場合に、ウィスカの成長が促進されやすいという結果が得られたが、この結果は、母材やメッキの微妙な組成に影響されるものである。従って、主成分が銅であって錫リッチなメッキを施していることは共通しても、それらの材料に他の成分が含まれている場合には、第１の温度および第２の温度を１０℃／４０℃から少し変更する必要がある。その変更幅は、常温付近で錫の結晶が成長しやすいことを考えると、１０℃±１０℃／４０℃±１０℃程度である。すなわち、第１の温度は０℃〜２０℃のいずれかの温度であれば良く、第２の温度は３０℃〜５０℃のいずれかの温度であれば良い。
【００４１】
また、上記本発明の実施の形態１において、第１の工程および第３の工程の放置時間をそれぞれ２５分としたが、これに限らず、それぞれ１分〜６０分のいずれかであれば良い。各工程に要する時間が短い程、一定時間内のサイクル回数が大きくできるため、早く試験を行うことができる。
【００４２】
また、上記本発明の実施の形態１において、第１〜４の工程からなるサイクルを２４回行うこととしたが、これに限らず、５回〜３０００回のいずれかであれば良い。但し、サイクル回数が多い程ウィスカ３は発生しやすくなる。
【００４３】
また、上記本発明の実施の形態１において、試料４が収容された恒温槽内の温度を図４に示す温度プロファイルになるよう制御したが、第２の工程および第４の工程における温度勾配を急激にしても良いし、緩やかにしても良い。また、図８に示すように、ｓｉｎカーブとなるように、温度プロファイルを制御しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、半導体パッケージ、コンデンサ、抵抗器、プリント配線基板、コネクタ等の電子部品の寿命加速試験等に適用できる。すなわち、錫を含有するメッキを施した端子を有する電子部品の信頼性試験に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施の形態における電子部品の端子の断面図
【図２】本発明の実施の形態における試料の平面図
【図３】本発明の実施の形態における試料の断面図
【図４】本発明の実施の形態における恒温槽内の温度プロファイルを示す図
【図５】本発明の実施例における実験結果を示す図
【図６】本発明の実施の形態における試験方法に対するレファレンス試験についての実験結果を示す図
【図７】本発明の実施の形態における試験方法に対するレファレンス試験についての実験結果を示す図
【図８】本発明の実施の形態における恒温槽内の温度プロファイルを示す図
【図９】試料の放置環境温度とウィスカの発生時間との相関図
【符号の説明】
【００４６】
１    母材（Ｃｕ）
２    メッキ（Ｓｎ）
３    ウィスカ
４    試料
５    端子
６    母材（リン青銅）
７    Ｎｉメッキ
８    半田メッキ（Ｓｎ−１．５Ｃｕ）
【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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