(57)【要約】【課題】高度な専門知識及び熟練した技術を必要とすることなく、無鉛はんだの接合強度を容易に知る。【解決手段】本発明の無鉛はんだの接合強度判定方法によれば、無鉛はんだの表面の金属組織を観測する金属組織観測工程（ＳＴ４）と、金属組織観測工程により得られた観測結果と、無鉛はんだの接合強度が低下していないことを示す組織パラメータとを比較する組織パラメータ比較工程（ＳＴ５）とを含む。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
無鉛はんだの金属組織の変化に基づいて、前記無鉛はんだの接合強度を判定する無鉛はんだの接合強度判定方法であって、
前記無鉛はんだの表面の金属組織を観測する金属組織観測工程と、
前記金属組織観測工程により得られた観測結果と、前記無鉛はんだの接合強度が低下していないことを示す組織パラメータとを比較する組織パラメータ比較工程と
を含む無鉛はんだの接合強度判定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の無鉛はんだの接合強度判定方法において、
前記無鉛はんだは、
少なくとも錫と銀とを含む無鉛はんだの接合強度判定方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の無鉛はんだの接合強度判定方法において、
前記組織パラメータは、
少なくとも1回当りの加熱時間毎に、対応して記憶された前記無鉛はんだの表面の画像データから算出する数値データである無鉛はんだの接合強度判定方法。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載の無鉛はんだの接合強度判定方法において、
前記組織パラメータは、
少なくとも加熱回数毎に、対応して記憶された前記無鉛はんだの表面の画像データから算出する数値データである無鉛はんだの接合強度判定方法。
【請求項５】
請求項１又は請求項２に記載の無鉛はんだの接合強度判定方法において、
前記組織パラメータは、
少なくとも基板への実装回数毎に、対応して記憶された前記無鉛はんだの表面の画像データから算出する数値データである無鉛はんだの接合強度判定方法。
【請求項６】
請求項１又は請求項２に記載の無鉛はんだの接合強度判定方法において、
前記組織パラメータは、
加熱回数が１回の場合における前記無鉛はんだに含まれる錫の結晶粒の長軸方向の長さと短軸方向の長さとの比率であり、
前記組織パラメータ比較工程は、
前記比率が２倍以上である場合、前記無鉛はんだの接合強度が低下していないと判定する無鉛はんだの接合強度判定方法。
【請求項７】
請求項１又は請求項２に記載の無鉛はんだの接合強度判定方法において、
前記組織パラメータは、
加熱回数が２回の場合における前記無鉛はんだに含まれる錫の結晶粒の長軸方向の長さと短軸方向の長さとの比率であり、
前記組織パラメータ比較工程は、
前記比率が２倍以下である場合、前記無鉛はんだの接合強度が低下していないと判定する無鉛はんだの接合強度判定方法。
【請求項８】
請求項１又は請求項２に記載の無鉛はんだの接合強度判定方法において、
前記組織パラメータは、
前記無鉛はんだの実装回数が１回の場合における金属間化合物の厚さであり、
前記組織パラメータ比較工程は、
前記金属間化合物の厚さが０．５μｍ以下である場合、前記無鉛はんだの接合強度が低下していないと判定する無鉛はんだの接合強度判定方法。
【請求項９】
請求項１又は請求項２に記載の無鉛はんだの接合強度判定方法において、
前記組織パラメータは、
前記無鉛はんだの実装回数が２回の場合における金属間化合物の厚さであり、
前記組織パラメータ比較工程は、
前記金属間化合物の厚さが０．５μｍ以上１．０μｍ以下の厚さである場合、前記無鉛はんだの接合強度が低下していないと判定する無鉛はんだの接合強度判定方法。
【請求項１０】
請求項１又は請求項２に記載の無鉛はんだの接合強度判定方法において、
前記組織パラメータは、
前記無鉛はんだの実装回数が３回の場合における金属間化合物の厚さであり、
前記組織パラメータ比較工程は、
前記金属間化合物の厚さが３．０μｍ以上の厚さである場合、前記無鉛はんだの接合強度が低下していないと判定する無鉛はんだの接合強度判定方法。
【請求項１１】
無鉛はんだの表面の金属組織の変化に基づいて、前記無鉛はんだの接合強度を判定する無鉛はんだの接合強度判定装置であって、
前記無鉛はんだの表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の接合強度が低下していないことを示す組織パラメータを設定する組織パラメータ設定手段と、
前記組織パラメータ設定手段により設定された組織パラメータが記憶された組織パラメータ記憶手段と、
接合強度の判定対象の無鉛はんだの金属組織の観測の結果に基づいて、得られた組織パラメータと前記組織パラメータ記憶手段に記憶された組織パラメータとを比較することにより前記無鉛はんだの接合強度が低下したか否かを判定する接合強度判定手段と、
前記接合強度判定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接合強度判定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無鉛はんだの接合強度を判定する無鉛はんだの接合強度判定方法、及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、無鉛はんだを含む金属組織に関し、当該無鉛はんだの接合強度を判定する方法に関連した手法としては、有限要素法三次元熱弾性解析から求めた相当歪み振幅と観測したせん断歪みとから亀裂進展速度式を求めた後に、寿命評価基準式を求めることにより、接続寿命を求める方法が開示されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平３−１２８４３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、この方法では、有限要素法三次元熱弾性解析、亀裂進展速度式、及び寿命評価基準式といった高度な専門知識を必要とするため、これらの高度な専門知識を用いることなく、容易に無鉛はんだの金属組織に関する接合強度の判定を行うことが出来ない。
【０００４】
また、この方法により無鉛はんだの接合強度を判定する場合、せん断歪み等を高精度で算出しなければならないが、これには、極めて熟練した技術を必要とする。
【０００５】
無鉛はんだの接合強度を、高度な専門知識及び熟練した技術を用いることなく、容易に知ることが出来る無鉛はんだの接合強度の判定手法は、現在知られていない。
【０００６】
一般に、製品の改造等により回路を変更しようとする場合、部品をプリント基板上に再実装するため、この部品をプリント基板上に固定している無鉛はんだをも再加熱する可能性がある。
【０００７】
このような場合、無鉛はんだの再加熱によって、プリント基板上に実装されている部品と無鉛はんだとの間のはんだ接合に問題が発生したか否か、換言すれば、はんだの接合強度に問題が発生したかどうかを容易に知ることが出来れば、部品の再利用をスムーズに行うことが出来るが、このような手法は知られていない。
【０００８】
本発明者の無鉛はんだの関する考察によれば、部品の再利用をスムーズに行う観点から、無鉛はんだの再加熱により、無鉛はんだと部品との間の接合強度に問題が発生したかどうかを容易に得ることが出来る無鉛はんだの接合強度判定方法、及び装置に対する要望が高まっている。
【０００９】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、高度な専門知識及び熟練した技術を必要とすることなく、無鉛はんだの接合強度を容易に知ることを可能にする無鉛はんだの接合強度判定方法、及び装置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】
【００１０】
本発明の骨子は、予め定められた組織パラメータと、無鉛はんだの表面の観測の結果とを比較する構成により、高度な専門知識及び熟練した技術を必要とすることなく、無鉛はんだの接合強度を容易に知ることを可能にするという効果を達成することにある。
【００１１】
なお、本明細書に記載の「組織パラメータ」とは、無鉛はんだの接合強度が一定以上低下していないことを示す指標値を言う。
【００１２】
さて、以上のような本発明の骨子は、具体的には、以下のような手段を講じることにより達成される。
【００１３】
本発明の一態様に係わる無鉛はんだの接合強度判定方法は、無鉛はんだの金属組織の変化に基づいて、無鉛はんだの接合強度を判定する無鉛はんだの接合強度判定方法であって、無鉛はんだの表面の金属組織を観測する金属組織観測工程と、金属組織観測工程により得られた観測結果と、無鉛はんだの接合強度が低下していないことを示す組織パラメータとを比較する組織パラメータ比較工程とを含む無鉛はんだの接合強度判定方法である。
【００１４】
これにより、無鉛はんだの表面の金属組織の観測結果と、無鉛はんだの接合強度が低下していないことを示す組織パラメータとを比較するだけで無鉛はんだの接合強度が低下しているかどうか判定出来るので、高度な専門知識及び熟練した技術を必要とすることなく、無鉛はんだの接合強度を容易に知ることが可能になる。
【００１５】
なお、上記無鉛はんだは、少なくとも錫と銀とを含むことが好ましい。
【００１６】
なお、上記織パラメータは、少なくとも1回当りの加熱時間毎に、対応して記憶された前記無鉛はんだの表面の画像データから算出する数値データであってもよい。
【００１７】
また、上記パラメータは、少なくとも加熱回数毎に、対応して記憶された前記無鉛はんだの表面の画像データから算出する数値データであってもよい。
【００１８】
さらに、上記組織パラメータは、少なくとも基板への実装回数毎に、対応して記憶された前記無鉛はんだの表面の画像データから算出する数値データであってもよい。
【００１９】
本発明の一態様に係わる無鉛はんだの接合強度判定方法は、組織パラメータは、加熱回数が１回の場合における無鉛はんだに含まれる錫の結晶粒の長軸方向の長さと短軸方向の長さとの比率であり、当該比率が２倍以上である場合、無鉛はんだの接合強度が低下していないと判定する無鉛はんだの接合強度判定方法である。
【００２０】
これにより、加熱回数が１回で、かつ、無鉛はんだに含まれる錫の結晶粒の長軸方向の長さと短軸方向の長さとの比率が２倍以上である場合に、無鉛はんだの接合強度が低下していないと判定するので、高度な専門知識及び熟練した技術を必要とすることなく、無鉛はんだの接合強度を容易に知ることが可能になる。
【００２１】
本発明の一態様に係わる無鉛はんだの接合強度判定方法は、組織パラメータは、加熱回数が２回の場合における無鉛はんだに含まれる錫の結晶粒の長軸方向の長さと短軸方向の長さとの比率であり、この比率が２倍以下である場合、無鉛はんだの接合強度が低下していないと判定する無鉛はんだの接合強度判定方法である。
【００２２】
これにより、加熱回数が２回で、錫の結晶粒の長軸方向の長さと短軸方向の長さとの比率が２倍以下である場合、無鉛はんだの接合強度が低下していないと判定するので、高度な専門知識及び熟練した技術を必要とすることなく、無鉛はんだの接合強度を容易に知ることが可能になる。
【００２３】
本発明の一態様に係わる無鉛はんだの接合強度判定方法は、組織パラメータは、無鉛はんだの実装回数が１回の場合における金属間化合物の厚さであり、金属間化合物の厚さが０．５μｍ以下である場合、無鉛はんだの接合強度が低下していないと判定する無鉛はんだの接合強度判定方法である。
【００２４】
これにより、無鉛はんだの実装回数が１回で、かつ、金属間化合物の厚さ０．５μｍ以下である場合、無鉛はんだの接合強度が低下していないと判定するので、高度な専門知識及び熟練した技術を必要とすることなく、無鉛はんだの接合強度を容易に知ることが可能になる。
【００２５】
本発明の一態様に係わる無鉛はんだの接合強度判定方法は、組織パラメータは、無鉛はんだの実装回数が２回の場合における金属間化合物の厚さであり、金属間化合物の厚さが０．５μｍ以上１．０μｍ以下の厚さである場合、無鉛はんだの接合強度が低下していないと判定する無鉛はんだの接合強度判定方法である。
【００２６】
これにより、無鉛はんだの実装回数が２回で、かつ、金属間化合物の厚さ０．５μｍ以上１．０μｍ以下の厚さである場合、無鉛はんだの接合強度が低下していないと判定するので、高度な専門知識及び熟練した技術を必要とすることなく、無鉛はんだの接合強度を容易に知ることが可能になる。
【００２７】
本発明の一態様に係わる無鉛はんだの接合強度判定方法は、組織パラメータは、無鉛はんだの実装回数が３回の場合における金属間化合物の厚さであり、金属間化合物の厚さが３．０μｍ以上の厚さである場合、無鉛はんだの接合強度が低下していないと判定する無鉛はんだの接合強度判定方法である。
【００２８】
これにより、無鉛はんだの実装回数が３回で、かつ、金属間化合物の厚さが３．０μｍ以上の厚さである場合、無鉛はんだの接合強度が低下していないと判定するので、高度な専門知識及び熟練した技術を必要とすることなく、無鉛はんだの接合強度を容易に知ることが可能になる。
【００２９】
本発明の一態様に係わる無鉛はんだの接合強度判定装置は、無鉛はんだの表面の金属組織の変化に基づいて、無鉛はんだの接合強度を判定する無鉛はんだの接合強度判定装置であって、無鉛はんだの表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の接合強度が低下していないことを示す組織パラメータを設定する組織パラメータ設定手段と、組織パラメータ設定手段により設定された組織パラメータが記憶された組織パラメータ記憶手段と、接合強度の判定対象の無鉛はんだの金属組織の観測の結果に基づいて、得られた組織パラメータと組織パラメータ記憶手段に記憶された組織パラメータとを比較することにより無鉛はんだの接合強度が低下したか否かを判定する接合強度判定手段と、接合強度判定手段による判定結果を出力する出力手段とを備えた構成である。
【００３０】
このような構成によれば、接合強度の判定対象の無鉛はんだの金属組織の観測の結果、得られた組織パラメータと組織パラメータ記憶手段に記憶された組織パラメータとを比較することにより、無鉛はんだの接合強度が低下したか否かを判定するので、高度な専門知識及び熟練した技術を必要とすることなく、無鉛はんだの接合強度を容易に知ることが可能になる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、高度な専門知識及び熟練した技術を必要とすることなく、無鉛はんだの接合強度を容易に知ることを可能にする無鉛はんだの接合強度判定方法、及び装置を提供出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００３３】
図１は、本発明の一実施の形態に係る無鉛はんだの接合強度判定方法を適用した無鉛はんだ接合強度判定装置１の構成例を示す機能ブロック図である。
【００３４】
図２は、本発明の一実施の形態に係る無鉛はんだの接合強度判定方法の適用対象のうちの一つである、チップ抵抗１１とプリント基板上１２に設けられたランド１３とを接合する、無鉛はんだ１４の平面図である。
【００３５】
図３は、同実施の形態に係る無鉛はんだの接合強度判定方法の適用対象のうちの一つである、チップ抵抗１１とプリント基板上１２に設けられたランド１３とを接合する、無鉛はんだ１４の側面図である。
【００３６】
なお、本実施の形態に係る無鉛はんだの接合強度判定方法の適用対象は、少なくとも錫と銀とを含む錫銀系の無鉛はんだである。
【００３７】
特に、本実施の形態で用いる無鉛はんだは、３Ｗｔパーセントの銀と０．５Ｗｔパーセントの銅と錫とを含有する無鉛はんだ、又は３．５Ｗｔパーセントの銀と０．７Ｗｔパーセントの銅と錫とを含有する無鉛はんだを用いることがより好ましい。
【００３８】
本実施の形態に係る無鉛はんだの接合強度判定装置１は、撮像部２と、指令入力部３と、画像入力切換部４と、組織パラメータ設定部５と、組織パラメータデータベース６と、接合強度判定部７と、出力部８とから構成される。
【００３９】
なお、本実施の形態に係る無鉛はんだの接合強度判定装置１は、例えば、記録媒体又は通信ネットワークを介して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り各機能が実現される。
【００４０】
撮像部２は、無鉛はんだの表面上の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画像入力切換部４に出力する。
【００４１】
指令入力部３は、通常のデータ入力機能を有しており、主として操作者の操作によって、組織パラメータを設定するためのパラメータ設定指令と観測条件、例えば加熱回数、基板上への実装回数、及び１回当りの加熱時間との組と、接合強度を判定するための接合強度判定指令との入力がなされるものである。
【００４２】
画像入力切換部４は、指令入力部３からパラメータ設定指令が入力されたか否かを判定する機能と、当該判定の結果、パラメータ設定指令が入力されたと判定した場合に、撮像部２から出力された画像データを組織パラメータ設定部５に出力する機能と、前述した判定の結果、接合強度判定指令が入力されたと判定した場合、撮像部から出力された画像データを接合強度判定部７に出力する機能とを有する。
【００４３】
組織パラメータ設定部５は、画像入力切換部４から出力された画像データに周知の画像処理を実行し、当該画像処理の結果から無鉛はんだの接合強度の低下を判定するための強度指標を抽出する機能と、当該抽出した接合強度の低下したか否かを判定するための強度指標が金属組織に出現したことを示す数値データを、組織パラメータとして設定する機能と、当該設定した組織パラメータと、観測条件、例えば加熱回数、基板上への実装回数、及び１回当りの加熱時間との組を組織パラメータデータベース６に記憶させる機能とを有する。
【００４４】
組織パラメータデータベース６には、組織パラメータ設定部５により設定された組織パラメータと観測条件、例えば加熱回数、基板上への実装回数、及び１回当りの加熱時間とが対応して記憶されている。
【００４５】
接合強度判定部７は、画像入力切換部４から出力された画像データを受け取った場合、当該画像データに画像処理を実行する機能と、当該画像処理の結果から組織パラメータを抽出する機能と、組織パラメータデータベース６を検索し、検索結果として予め設定された組織パラメータを読出す機能と、当該読出した組織パラメータと、前述した画像処理の結果から抽出した組織パラメータとを比較することにより無鉛はんだの接合強度が低下したか否かを判定する機能と、当該判定結果を出力部８に出力する機能とを有する。
【００４６】
出力部８は、接合強度判定部７から出力された判定結果を外部に出力する。
【００４７】
以下、本実施の形態に係る無鉛はんだの接合強度判定方法の概要を、図を用いて説明する。
【００４８】
図４は、本実施の形態に係る無鉛はんだの接合強度判定方法の一例を説明するためのフローチャートである。
【００４９】
本実施の形態に係る無鉛はんだの接合強度判定方法は、無鉛はんだの組織パラメータを設定するために、加熱回数、加熱時間、及びプリント基板上への実装回数が判明している
無鉛はんだの表面の金属組織を観測することにより、組織パラメータを設定するまでの工程ＳＴ１〜工程ＳＴ３と、この組織パラメータを用いて加熱回数、加熱時間、及びプリント基板への実装回数が判明していない無鉛はんだの接合強度の判定を行う工程ＳＴ４〜工程ＳＴ６とからなる。
【００５０】
まず、組織パラメータの抽出対象である加熱回数、加熱時間、及び基板への実装回数が判明している無鉛はんだの金属組織を撮像する（ＳＴ１）。
【００５１】
次に、接合強度の低下の度合いと観測された金属組織の接合強度の低下の度合いとの関係から無鉛はんだの接合強度の低下の兆候を示す強度指標が調査される（ＳＴ２）。
【００５２】
次に、組織パラメータ設定部５は、無鉛はんだの強度指標を検出するための組織パラメータの設定指令を判定者から受け付けて、組織パラメータと、観測条件、例えば実装回数、加熱回数との組を対応させて、組織パラメータデータベース６に記憶させる（ＳＴ３）。
【００５３】
次に、撮像部２は、接合強度の判定対象である、加熱回数、加熱時間、及び基板への実装回数が不明の無鉛はんだの金属組織を撮像する（ＳＴ４）。
【００５４】
次に、接合強度判定部７は、撮像部２により撮像された接合強度の適用対象の無鉛はんだの表面の画像データを画像処理し、画像処理の結果と、組織パラメータデータベース６に記憶された組織パラメータとを比較して、当該比較結果として接合強度の低下の有無を検出する接合強度の判定処理を実行する（ＳＴ５）。
【００５５】
次に、出力部８は、接合強度判定部７による接合強度の判定の結果を出力する（ＳＴ６）。
【００５６】
以上のような一連の手順により、無鉛はんだの接合強度を判定する。
【００５７】
以下、当該無鉛はんだの接合強度判定装置１が実現する無鉛はんだの接合強度判定方法に関し、具体的な例を挙げてより詳細に説明する。
【００５８】
工程ＳＴ１は、撮像部２により、錫銀系の無鉛はんだの金属組織が観測される。
【００５９】
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、取り込んだ画像データに対して周知の画像処理を実行する手法、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、当該受け取った特性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。
【００６０】
工程ＳＴ２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強度指標が調査される。
【００６１】
工程ＳＴ３では、組織パラメータ設定部５により、観測の結果、得られた無鉛はんだの金属組織の画像データから略楕円形形状の錫の結晶粒を検出するための数値データが組織パラメータとして設定され、当該設定された組織パラメータと指令入力部３から入力された観測条件との組が組織パラメータデータベース６に記憶される。
【００６２】
ここで、設定される組織パラメータとしては、例えば、略楕円形形状の錫の結晶の形状に関する数値データ、例えば、錫の結晶粒の長軸方向の長さと単軸方向の長さとの比率が挙げられる。
【００６３】
図５は、本実施の形態に係るプリント基板への１回目の実装時における無鉛はんだ１４の金属組織の撮像結果として、得られた画像データの一例を示す図である。
【００６４】
図６は、図５に示す無鉛はんだ１４の金属組織の撮像結果として得られた画像データの模式図である。
【００６５】
この例では、無鉛はんだ１４の金属組織に含まれる錫の結晶粒１５は、略水平方向、又は略垂直方向等の略一定の方向に沿って配列された略楕円形形状を有している。
【００６６】
このように、無鉛はんだの結晶粒が略一定の方向に沿って配列されるのは、凝固時の冷却に起因するものである。
【００６７】
本発明者が計測したところによれば、この略楕円形形状を有する錫の結晶粒１５の長軸方向の長さは、短軸方向の長さの２倍以上の値となっていた。
【００６８】
しかも、本発明者の観測したところによれば、このように錫の結晶粒１５の長軸方向の長さは、短軸方向の長さの２倍以上の値となっている場合に、無鉛はんだの接合強度には、特に問題が見られなかった。
【００６９】
なお、ここで、長軸方向の長さと、短軸方向の長さとを決定する手法としては、例えば以下のような手順（１）〜（９）の一連の手順からなる手法で決定してもよい。
【００７０】
（１）画像データ内から任意の個数の結晶粒をサンプルとして抽出する。
【００７１】
（２）抽出した結晶粒の画像のうち、濃度の高い部分を抽出する。
【００７２】
（３）この結晶粒の外枠を形成する境界線を引く。
【００７３】
（４）この外枠の内部の領域に含まれる画素数をカウントする。
【００７４】
（５）この画素数に、１画素当りの面積を乗じることによって各結晶粒の面積を算出する。
【００７５】
（６）この結晶粒の面積を２等分する直線を２本引く。
【００７６】
（７）これら２本の直線の交点として、外枠を回転させる回転中心を求める。
【００７７】
（８）この回転中心を通過する直線を、この回転中心を中心として回転したときに、直線と外枠との交点同士の距離が最大の場合に、その最大値を長軸と決定する。
【００７８】
（９）一方、この直線と外枠との距離が最小の場合に、その最小値を短軸とする。
【００７９】
従って、本発明者は、無鉛はんだの実装回数が１回で有り、かつ、無鉛はんだの加熱温度、及び加熱時間が略同一であると仮定した場合、錫の結晶粒が略一定の方向に沿って配列されており、かつ、錫の結晶粒の長軸の長さと短軸方向の長さとの比率が２倍以上の値となっていることを検出した場合に、無鉛はんだの接合強度が一定以下に低下していないことを示す強度指標として組織パラメータに設定することが出来ると考える。
【００８０】
図７は、本実施の形態に係るプリント基板への２回目の実装時における無鉛はんだ１４の撮像の結果、得られた画像データの一例を示す図である。
【００８１】
図８は、図７に示す無鉛はんだ１４の金属組織の撮像結果として得られた画像データの模式図である。
【００８２】
この例では、１回目の画像データに見られるような、無鉛はんだの結晶粒の一定の方向に沿った配列は消失している。
【００８３】
本発明者が計測したところによれば、略楕円形形状を有する錫の結晶粒１６の長軸方向の長さは、短軸方向の長さの２倍以下の値となっていた。
【００８４】
しかも、本発明者の観測したところによれば、このように錫の結晶粒１６の長軸方向の長さは、短軸方向の長さの２倍以下の値となっている場合に、無鉛はんだの接合強度には、特に問題が見られなかった。
【００８５】
従って、本発明者は、無鉛はんだの実装回数が２回で有り、かつ、無鉛はんだの、及び加熱時間が略同一であると仮定した場合に、さらに、略楕円形形状の錫の結晶粒１６の長軸の長さと短軸方向の長さとの比率が２倍以下の値となっていることを検出した場合に、無鉛はんだの金属組織の接合強度が低下していないことを示す強度指標として無鉛はんだの組織パラメータに設定することが出来ると考える。
【００８６】
次に、本発明者は、基板への実装回数を１回に限定し、かつ、加熱時間を変化させた無鉛はんだの金属組織に関し、同様の金属組織の観測を行った。以下、その観測結果に関し、具体的に説明する。
【００８７】
図９は、本実施の形態に係るプリント基板への１回目の実装時に、３秒以下の時間で、はんだ接合した場合における無鉛はんだの接合境界面の撮像の結果、得られた画像データの一例を示す図である。
【００８８】
この例では、無鉛はんだ１４と、プリント基板上のランド１３との境界に、０．５μｍ以下の厚さの金属間化合物の層１７が見られた。
【００８９】
ここで観察されている金属間化合物１７は、ＣｕとＳｎの化合物である。金属間化合物１７の形状は、図９に示すように凹凸状の形状をしており、厚さはこの凸部の最大値と凹部の最大値を１０箇所測定し、その平均値で評価している。
【００９０】
本発明者の観測によれば、この状態では、無鉛はんだの接合強度に、特に問題は見られなかった。
【００９１】
従って、本発明者は、無鉛はんだとランドとの間の境界面に０．５μｍ以下の厚さの金属間化合物の層１７が見られた場合、無鉛はんだの金属組織の接合強度が低下していないことを示す強度指標として無鉛はんだの組織パラメータに設定することが出来ると考える。
【００９２】
図１０は、本実施の形態に係るプリント基板への１回目の実装時に、３秒以上１０秒以下の時間で、はんだ接合した場合における無鉛はんだの接合境界面の撮像の結果、得られた画像データの一例を示す図である。
【００９３】
この例では、無鉛はんだ１４と、プリント基板上のランド１３との境界面に、０．５μｍ以上１．０μｍ以下の厚さの金属間化合物の層１８が見られた。
【００９４】
ここで観察されている金属間化合物１８は、ＣｕとＳｎの化合物である。金属間化合物１８の形状は、図１０に示すように凹凸状の形状をしており、厚さはこの凸部の最大値と凹部の最大値を１０箇所測定し、その平均値で評価している。
【００９５】
本発明者の観測によれば、この状態では、無鉛はんだの接合強度に、特に問題は見られなかった。
【００９６】
従って、本発明者は、無鉛はんだとランドとの間の境界面に０．５μｍ〜１．０μｍのの厚さの金属間化合物の層１８が見られた場合、無鉛はんだの金属組織の接合強度が低下していないことを示す強度指標として無鉛はんだの組織パラメータに設定することが出来ると考える。
【００９７】
図１１は、本実施の形態に係るプリント基板への１回目の実装時に、１０秒以上６０秒以下の時間で、はんだ接合した場合における無鉛はんだ１４の接合境界面の撮像の結果、得られた画像データの一例を示す図である。
【００９８】
この例では、無鉛はんだ１４と、プリント基板上のランド１３との境界面に、３．０μｍ以上の厚さの金属間化合物の層１９が見られた。
【００９９】
ここで観察されている金属間化合物１９は、ＣｕとＳｎの化合物である。金属間化合物１９の形状は、図１１に示すように凹凸状の形状をしており、厚さはこの凸部の最大値と凹部の最大値を１０箇所測定し、その平均値で評価している。
【０１００】
本発明者の観測によれば、この状態では、製品として使用される環境が非常に厳しく、かつ、長期の信頼性が要求される製品に用いられる場合には、接合強度が問題となるものの、それ以外の場合には、特に問題とならない程度の接合強度が得られた。
【０１０１】
以上より、加熱温度が略同一温度であると仮定した場合、無鉛はんだの加熱時間が増加するのに従って、無鉛はんだの接合境界面に錫と銀との金属間化合物の層の厚さが厚くなることが判明した。なお、上記に記載したはんだ接合は、２８０℃〜３５０℃の温度に加熱したはんだこてを用いておこなったものである。
【０１０２】
従って、本発明者は、無鉛はんだの接合強度が低下していないことを示す無鉛はんだの組織パラメータとして、金属間化合物の厚さを用いることが出来ると考える。
【０１０３】
図１２は、接合強度と負荷する温度サイクル数との間の関係の一例を示す図である。
【０１０４】
図１２では、同一状態の無鉛はんだに対して、1回当りの加熱時間を３秒、１０秒、及び６０秒のそれぞれ３通りの加熱時間に分けて負荷した場合における温度サイクル数と、当該温度サイクル数だけ負荷した後における無鉛はんだの接合強度との間の関係を示している。
【０１０５】
なお、図１２における四角形の印は、1回当りの加熱時間を３秒とした場合のデータを意味する。図１２における略丸形の印は、1回当りの加熱時間を１０秒とした場合のデータを意味する。図１２における略三角形の印は、1回当りの加熱時間を６０秒とした場合のデータを意味する。
【０１０６】
図１２に示すように、同一状態の無鉛はんだに対する１回当りの加熱時間が６０秒の場合に、接合強度は、1回当りの加熱時間が３秒、及び１０秒の場合と比較して、極端に小さくなっている。
【０１０７】
また、無鉛はんだに負荷する温度サイクル数が増加するに従って、加熱時間が６０秒の場合には、無鉛はんだの接合強度が著しく低下している。
【０１０８】
従って、本発明者は、１回当りの加熱時間が６０秒である場合における無鉛はんだの金属組織の特徴点、例えば無鉛はんだに含まれる錫の結晶の球状化率、又は１個当りの結晶粒の平均面積等を組織パラメータとして設定することが出来ると考える。また、加熱時間が６０秒の場合、基板内部のＣｕランドや基板が損傷を受けるため、この損傷が無鉛はんだの接合低下の原因にもなっている。
【０１０９】
なお、この場合、組織パラメータ設定部、及び接合強度判定部７が結晶粒の平均面積を算出する手法としては、例えば以下の（１）〜（６）の手順に従って、算出してもよい。
【０１１０】
（１）画像データ内から任意の個数の結晶粒をサンプルとして抽出する。
【０１１１】
（２）抽出した結晶粒の画像のうち、濃度の高い部分を抽出する。
【０１１２】
（３）この結晶粒の外枠を形成する境界線を引く。
【０１１３】
（４）この外枠の内部の領域に含まれる画素数をカウントする。
【０１１４】
（５）この画素数に、１画素当りの面積を乗じることによって各結晶粒の面積を算出する。（６）算出した各結晶粒の面積の相加平均を算出することにより、平均面積を算出する。
【０１１５】
なお、以上の手法では、任意の結晶粒をサンプルとして抽出したが、これに限らず、全ての結晶粒の面積の相加平均、相乗平均、又は調和平均を算出してもよい。
【０１１６】
図１３は、加熱時間と接合強度の平均値との間の関係の一例を示す図である。
【０１１７】
なお、図１３における縦軸の数値は、無鉛はんだ１４とランド１３との接合強度の相加平均の値をニュートン単位で表したものを示し、横軸の数値は、加熱時間の値を秒単位で表したものを示す。
【０１１８】
なお、図１３に示すように、接合強度の平均値と加熱時間との間に近似的に成立する一次式の関係を算出することにより、接合強度と加熱時間との間に成立する寿命式を求めてもよい。
【０１１９】
なお、本発明者の検証実験によって得られたデータに基づいて計算した結果、加熱時間をＸ、接合強度の平均値をＹとした場合に、Ｙ＝−０．３６８９Ｘ+５９．９７７という近似式が得られた。
【０１２０】
この場合、組織パラメータデータベース６に記憶させる数値データとしては、接合強度の平均値と加熱時間との組を用いるものとする。
【０１２１】
工程ＳＴ４では、接合強度の判定対象の無鉛はんだの表面の金属組織が、撮像部２により、観測される。
【０１２２】
工程ＳＴ５では、接合強度判定部７は、観測条件をキーとして予め組織パラメータデータベース６に記憶された略楕円形形状の錫を検出するための数値データである組織パラメータを読出し、読出した組織パラメータと観測された接合強度の判定対象の無鉛はんだの表面の画像から算出された組織パラメータとを比較することによって、無鉛はんだの接合強度が低下したか否かを判定する判定処理が実行される。
【０１２３】
工程ＳＴ６では、出力部８は、接合強度判定部７から出力された判定の結果を外部に出力する。
【０１２４】
なお、この出力部８としては、例えばプリンタ、ＣＲＴなどのように視覚的に判定結果を出力する機器、又はスピーカなど音声により判定結果を出力する機器等を利用してもよい。
【０１２５】
＜組織パラメータの検証実験＞
次に、本発明者は、以上のような無鉛はんだの接合強度判定方法において、設定した組織パラメータと、無鉛はんだの金属組織との間の関係を検証するため、無鉛はんだの金属組織に対し、以下のような検証実験を行った。
【０１２６】
本発明者が実行した検証実験は、１サイクル当り、−４０度〜１２５度まで、温度を３０分間で変化させる温度サイクルを無鉛はんだの金属組織に、最大１０００サイクルまで負荷するものである。
【０１２７】
なお、この検証試験では、金属組織が変化したか否かに関しては、無鉛はんだに含まれる錫の結晶粒界の変化に基づいて行った。
【０１２８】
すなわち、本実証実験では、図１４に示すように初期状態において結晶粒界がはっきりとしない錫の結晶粒２０が、図１５に示すように結晶粒界がはっきりとした結晶粒２１に変化したことをもって、金属組織が変化したと判定するものとする。
【０１２９】
図１４に示す金属組織では、無鉛はんだの接合強度に特に問題はないが、図１５に示す金属組織に変化すると、無鉛はんだの接合強度が低下するようになっている。
【０１３０】
図１６は、本発明者が実施した検証実験における、はんだの接合回数と、金属組織が変化するまでの温度サイクルの負荷回数との関係の一例を示す図である。
【０１３１】
図１６において、一番左側に示すデータは、はんだの実装回数、換言すれば、はんだの接合回数が１回の無鉛はんだに、金属組織が変化するまでに要した温度サイクル数を示し、真中のデータは、はんだの実装回数、換言すれば、はんだの接合回数が２回の無鉛はんだに、金属組織が変化するまでに要した温度サイクル数を示し、一番右側のデータは、はんだの実装回数、換言すれば、はんだの接合回数が３回の無鉛はんだに、金属組織が変化するまでに要した温度サイクル数を示す。
【０１３２】
本発明者の実験によれば、はんだ接合回数１回目の無鉛はんだに、上述した温度サイクルを負荷したところ、図１６に示すように、６００サイクル以上９００サイクル以下の負荷回数で金属組織の変化を生じ、無鉛はんだとプリント基板上のランドとの接合強度に著しい低下が見られた。
【０１３３】
また、はんだ接合２回目の無鉛はんだに、上述した温度サイクルを負荷したところ、図１６に示すように、４５０サイクル以上６００サイクル以下の負荷回数で金属組織に変化を生じ、無鉛はんだと、プリント基板上のランドとの接合強度に著しい低下が見られた。
【０１３４】
更に、はんだ接合３回目の無鉛はんだに、上述した温度サイクルを負荷したところ、図１６に示すように、２００サイクル以上３００サイクル以下の負荷回数で金属組織に変化を生じ、無鉛はんだと、プリント基板上のランドとの間の接合強度に著しい低下が見られた。
【０１３５】
以上の検証実験の結果から、本発明者は、組織パラメータとして設定した強度指標が無鉛はんだの接合強度が低下していないことを適切に示す指標値として使用出来ると確信するに至った。
【０１３６】
なお、はんだ接合が1回だけの無鉛はんだの接合強度が、はんだ接合が２回目の無鉛はんだの接合強度よりも負荷回数が多かったことから、組織パラメータを無鉛はんだの寿命を示すものと考えることも可能である。
【０１３７】
上述したように本実施の形態によれば、接合強度の判定対象の無鉛はんだの金属組織の観測の結果、得られた組織パラメータと組織パラメータデータベース６に記憶された組織パラメータとを比較することにより無鉛はんだの接合強度が低下したか否かが接合強度判定部７によって判定され、当該判定の結果が出力部８によって出力されるので、高度な専門知識及び熟練した技術を必要とすることなく、無鉛はんだの接合強度を容易に知ることが出来る。
【０１３８】
本実施の形態によれば、無鉛はんだの接合強度を判定するための指標値として、組織パラメータを設定することが出来る。
【０１３９】
本実施の形態によれば、無鉛はんだとして３Ｗｔパーセントの銀と０．５Ｗｔパーセントの銅と錫とを含有する無鉛はんだ、又は３．５Ｗｔパーセントの銀と０．７Ｗｔパーセントの銅と錫とを含有する無鉛はんだを用いた場合には、組織パラメータによって無鉛はんだの接合強度を判定することが出来るので、信頼性の高い無鉛はんだを有する製品を製造部門や市場に提供することが出来る。
【０１４０】
本実施の形態によれば、高度な専門知識及び熟練した技術を必要とすることなく、適正なはんだ付け条件の選定を行うことが出来る。
【０１４１】
なお、上記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（フレキシブルディスク、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。
【０１４２】
また、この記憶媒体としては、プログラムを記憶出来、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。
【０１４３】
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。
【０１４４】
更に、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。
【０１４５】
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。
【０１４６】
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。
【０１４７】
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。
【０１４８】
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又はイントラネット若しくはイーサー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。
【０１４９】
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。
【０１５０】
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、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。
【０１５１】
また、本発明は、上述した各機能を実現するプログラムを構成するのに必要不可欠なデータ構造、加工用プログラム、及び上記加工用プログラムが機能する各種ハードウェアを包含する。
【０１５２】
なお、この発明は、上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化出来る。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成出来る。例えば、実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１５３】
【図１】本発明の一実施の形態に係る無鉛はんだの接合強度判定方法を適用した無鉛はんだ接合強度判定装置１の構成例を示す機能ブロック図。
【図２】本発明の一実施の形態に係る無鉛はんだの接合強度判定方法の適用対象のうちの一つである、チップ抵抗１１とプリント基板上１２に設けられたランド１３とを接合する、無鉛はんだ１４の平面図。
【図３】本発明の一実施の形態に係る無鉛はんだの接合強度判定方法の適用対象のうちの一つである、チップ抵抗１１とプリント基板上１２に設けられたランド１３とを接合する、無鉛はんだ１４の側面図。
【図４】本実施の形態に係る無鉛はんだの接合強度判定方法の一例を説明するためのフローチャート。
【図５】本実施の形態に係るプリント基板への１回目の実装時における無鉛はんだの金属組織の撮像結果として、得られた画像データの一例を示す。
【図６】図５に示す無鉛はんだの金属組織の撮像結果として得られた画像データの模式図。
【図７】本実施の形態に係るプリント基板への２回目の実装時における無鉛はんだの撮像の結果、得られた画像データの一例を示す。
【図８】図７に示す無鉛はんだの金属組織の撮像結果として得られた画像データの模式図。
【図９】本実施の形態に係るプリント基板への１回目の実装時に、３秒以下の時間で、はんだ接合した場合における無鉛はんだの接合境界面の撮像の結果、得られた画像データの一例を示す。
【図１０】本実施の形態に係るプリント基板への１回目の実装時に、３秒以上１０秒以下の時間で、はんだ接合した場合における無鉛はんだの接合境界面の撮像の結果、得られた画像データの一例を示す。
【図１１】本実施の形態に係るプリント基板への１回目の実装時に、１０秒以上６０秒以下の時間で、はんだ接合した場合における無鉛はんだの接合境界面の撮像の結果、得られた画像データの一例を示す。
【図１２】接合強度と負荷する温度サイクル数との間の関係の一例を示す図。
【図１３】加熱時間と接合強度の平均値との間の関係の一例を示す図。
【図１４】本発明者の行った実証実験における金属組織内に含まれる錫の結晶粒の初期状態の一例を示す画像。
【図１５】本発明者の行った実証実験における金属組織内に含まれる錫の結晶粒の変化後の状態の一例を示す画像。
【図１６】本発明者が実施した検証実験における、はんだの接合回数と、金属組織が変化するまでの温度サイクルの負荷回数との関係の一例を示す図。
【符号の説明】
【０１５４】
１…無鉛はんだの接合強度判定装置、２…撮像部、３…指令入力部、４…画像入力切換部、５…組織パラメータ設定部、６…組織パラメータデータベース、７…接合強度判定部、８…出力部
【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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