(57)【要約】【課題】メッキ膜の応力を簡単なシステムによって高い精度で測定することができる方法を提供する。【解決手段】基端が固定された長尺な箔状の金属よりなる試験用基体を有する試験片を用い、前記試験用基体の一面にメッキ膜を形成した後、この試験用基体の先端位置について、前記メッキ膜が形成される前の試験用基体の一面に垂直な方向における基準位置からの変位量を測定し、測定された変位量に基づいて前記メッキ膜の応力を算出するメッキ膜の応力測定方法であって、前記試験用基体の先端の変位量は、レーザ変位計またはカメラ撮影像による像解析によって測定されることを特徴とする。【選択図】図１
2012002784.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基端が固定された長尺な箔状の金属よりなる試験用基体を有する試験片を用い、前記試験用基体の一面にメッキ膜を形成した後、この試験用基体の先端位置について、前記メッキ膜が形成される前の試験用基体の一面に垂直な方向における基準位置からの変位量を測定し、測定された変位量に基づいて前記メッキ膜の応力を算出するメッキ膜の応力測定方法であって、
前記試験用基体の先端の変位量は、レーザ変位計またはカメラ撮影像による像解析によって測定されることを特徴とするメッキ膜の応力測定方法。
【請求項２】
前記試験片は、前記試験用基体の基端が固定された基体保持体と、前記試験用基体が位置される平面に沿って当該試験用基体に並ぶよう配置され、その基端が前記基体保持体に固定された長尺な箔状の金属よりなる参照用基体とを有してなり、
前記参照用基体の先端位置に基づいて前記基準位置が決定されることを特徴とする請求項１に記載のメッキ膜の応力測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば錫を含有するメッキ膜に生ずる応力を測定する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば錫を含有するメッキ膜には、ウィスカと称される針状単結晶体が経時的に発生することが知られており、このウィスカは、長年にわたって電子機器の短絡等による故障が引き起こされる原因となっている。
このようなウィスカがメッキ膜に発生する一因として、メッキ膜を構成する錫等とこのメッキ膜が形成される基体を構成する銅等の金属との金属間化合物が形成され、これに伴って、メッキ膜に応力が生じるためであると考えられている。
具体的に説明すると、錫は、その融点が２３２℃であり、室温において銅などの他の金属との間で金属拡散が生じやすいものである。そのため、例えば銅よりなる基体の表面に錫を含有するメッキ膜を形成した場合には、得られたメッキ膜には、基体との界面付近において銅と錫との金属間化合物が形成される。このような金属間化合物は室温においても経時的に形成され、この金属間化合物の形成に伴ってメッキ膜中に体積変化が生じる結果、メッキ膜の内部に経時的に圧縮応力が発生する。そして、メッキ膜内において、発生した圧縮応力を緩和する作用が働くことにより、メッキ膜の表面に形成された酸化膜のクラックや表面付近に存在する結晶を核としてウィスカが発生する。
このような理由から、メッキ膜におけるウィスカの発生しやすさの目安として、メッキ膜の応力を測定することが行われている。
【０００３】
従来、メッキ膜の応力を測定する方法としては、基端が固定された長尺な箔状の試験用基体の一面にメッキ膜を形成した後、この試験用基体の先端位置の変位量や、変形した試験用基体の曲率を測定し、この変位量または曲率からメッキ膜の応力を算出する方法、或いは、Ｘ線回折法によりメッキ膜の応力を測定する方法が知られている（非特許文献１参照）。
しかしながら、これらの方法では、メッキ膜の応力を高い精度で測定することが困難である、という問題がある。特に、Ｘ線回折法による測定方法は、装置が高価で、データ処理も複雑であることから、簡単なシステムによりメッキ膜の応力を測定することができる方法が望まれている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ａｃｔａ  ｍａｔｅｒ．Ｖｏｌ．４６，Ｎｏ．１０，ｐｐ．３７０１〜３７１４，１９９８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、メッキ膜の応力を簡単なシステムによって高い精度で測定することができる方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のメッキ膜の応力測定方法は、基端が固定された長尺な箔状の金属よりなる試験用基体を有する試験片を用い、前記試験用基体の一面にメッキ膜を形成した後、この試験用基体の先端位置について、前記メッキ膜が形成される前の試験用基体の一面に垂直な方向における基準位置からの変位量を測定し、測定された変位量に基づいて前記メッキ膜の応力を算出するメッキ膜の応力測定方法であって、
前記試験用基体の先端の変位量は、レーザ変位計またはカメラ撮影像による像解析によって測定されることを特徴とする。
【０００７】
本発明のメッキ膜の応力測定方法においては、前記試験片は、前記試験用基体の基端が固定された基体保持体と、前記試験用基体が位置される平面に沿って当該試験用基体に並ぶよう配置され、その基端が前記基体保持体に固定された長尺な箔状の金属よりなる参照用基体とを有してなり、
前記参照用基体の先端位置に基づいて前記基準位置が決定されることが好ましい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のメッキ膜の応力測定方法によれば、レーザ変位計またはカメラ撮影像による像解析によって、メッキ膜が形成された試験用基体の先端位置の変位量を高い精度で測定することができるため、この変位量に基づいて算出することにより、メッキ膜の応力を高い精度で求めることができる。しかも、Ｘ線回折装置等の高価な機器が不要であり、複雑なデータ処理も不要であるため、簡単なシステムによりメッキ膜の応力を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明のメッキ膜の応力測定方法を実施するためのシステムの一例における構成を示す説明図である。
【図２】本発明のメッキ膜の応力測定方法に用いられる試験片の一例を示す平面図である。
【図３】試験片における試験用基体の先端位置の変位状態を示す説明用断面図である。
【図４】実施例で測定された、試験片における試験用基体の先端位置の変位量の経時的変化を示す図である。
【図５】実施例で測定された、メッキ膜の応力の経時的変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明に係るメッキ膜の応力測定方法の実施の形態について説明する。
図１は、本発明のメッキ膜の応力測定方法を実施するためのシステムの一例における構成を示す説明図である。
この図において、１０は、メッキ膜が形成された試験片１を支持する試験片支持体であり、２０は、後述する試験片１における試験用基体の先端位置について、試験用基体の一面に垂直な方向における基準位置からの変位量を測定するレーザ変位計であって、試験片１の正面に対向するよう配置されたセンサヘッド２１と、このセンサヘッド２１に接続されたコントローラ２２とにより構成されている。そして、試験片支持体１０およびレーザ変位計２０は、図１に示すように、防振マット１５上に設けられた試験台１６上に配置されている。
３０は、レーザ変位計２０におけるコントローラ２２からの変位量のデータを記録・表示するデータ収集レコーダであり、４０は、レーザ変位計２０におけるコントローラ２２からの変位量のデータに基づいてメッキ膜の応力を算出する演算器である。
【００１１】
図２は、本発明の測定方法に用いられる試験片１の一例を示す平面図である。この試験片１は、中央に矩形の開口Ｋを有する外形が矩形の枠状の銅などの金属よりなる基体保持体２を有し、この基体保持体２には、長尺な箔状の銅などの金属よりなる試験用基体５が、その基端が当該基体保持体２の開口Ｋの一縁に固定され、その先端が当該開口Ｋにおける一縁に対向する他縁に向かって突出するよう、当該基体保持体２に一体に形成されている。この試験用基体５の一面には、メッキ膜８が形成されている。
また、基体保持体２には、試験用基体５と同等の形状を有する長尺な箔状の銅などの金属よりなる参照用基体６が、その基端が当該基体保持体２の開口Ｋの一縁に固定されて、試験用基体５が位置される平面に沿って当該試験用基体５に離間して並ぶよう、当該基体保持体２に一体に形成されている。
そして、試験片１は、試験用基体５および参照用基体６の先端が下方を向いた状態で、試験片支持体１０に支持されている。
【００１２】
試験片１における試験用基体５の厚みは、６０〜８０μｍであることが好ましい。この厚みが過小である場合には、レジスト膜やメッキ膜の形成時、若しくは試験片１の設置時に変形するおそれがある。一方、この厚みが過大である場合には、メッキ膜内部の応力変化による試験片の変形が小さいため、メッキ膜の応力を測定することが困難となるおそれがある。
また、試験用基体５の長手方向の寸法は例えば２０〜４０ｍｍ、長手方向に垂直な幅方向の寸法は例えば４〜８ｍｍであり、長手方向の寸法に対する幅方向の寸法の比は、０．２０〜０．２５であることが好ましい。
【００１３】
本発明のメッキ膜の応力測定方法においては、以下のようにして、メッキ膜の応力が測定される。
先ず、箔状の銅などの金属よりなる試験片材料を用意し、この試験片材料に対してエッチング処理を施してその一部を除去することにより、図２に示す形態の試験片１を作製する。
次いで、作製した試験片１における試験用基体５の一面を除く表面領域に、メッキレジスト膜を形成する。
そして、メッキレジスト膜が形成された試験片１に対して電解メッキ処理を施すことにより、試験片１における試験用基体５の一面に、例えば錫または錫を含有する金属よりなるメッキ膜８を形成する。
【００１４】
以上において、メッキレジスト膜を構成する材料としては、製膜時に応力が生じにくく、かつ、メッキ処理によって劣化しにくいもの、例えばパラキシリレン樹脂を用いることが好ましい。
また、メッキレジスト膜の厚みは、試験片１の厚みや形成すべきメッキ膜の厚みに応じて適宜設定されるが、通常、３〜５μｍである。
また、メッキ膜８の厚みは、１〜５μｍであることが好ましい。
【００１５】
次いで、試験用基体５の一面にメッキ膜が形成された試験片１を、試験用基体５および参照用基体６の先端が下方を向くよう、試験片支持体１０に支持させる。その後、レーザ変位計２０によって、試験用基体５の先端位置について、メッキ膜８が形成される前の試験用基体の一面に垂直な方向における基準位置からの変位量を測定する。
以上において、試験用基体５の先端の変位量を測定するための基準位置は、レーザ変位計２０によって、試験片１における参照用基体６の先端位置を計測し、この参照用基体６の先端位置に基づいて基準位置が決定される。
【００１６】
そして、データ収集レコーダ３０においては、測定された試験用基体５の先端位置の変位量のデータが記録・表示され、一方、演算器４０においては、測定された試験用基体５の先端位置の変位量に基づいて、メッキ膜８の応力が算出される。具体的には、測定された試験用基体５の先端位置の変位量から、下記式（１）によって、メッキ膜８の応力が算出される。
【００１７】
【数１】
2012002784.tif 000003
【００１８】
上記式（１）において、σは、メッキ膜の応力（ＭＰａ）、Ｅs ’は、試験用基体の２軸率、ｄs は、試験用基体の厚み（μｍ）、ｄf は、メッキ膜の厚み（μｍ）、δは、試験用基体の先端位置の変位量（μｍ）、Ｌは試験用基体の長さ（基端から先端までの距離，μｍ）である。また、試験用基体の２軸率Ｅs ’は、試験用基体を構成する材料のヤング率をＥs （ＭＰａ）とし、ポアソン比をυs としたとき、Ｅs ／（１−υs ）により求められるものである。上記の式（１）は、例えば、Ｗ．Ｊ．Ｂｏｅｔｔｉｎｇｅｒ，Ｃ．Ｅ．Ｊｏｈｎｓｏｎ，Ｌ．Ａ．Ｂｅｎｄｅｒｓｋｙ，Ｋ．−Ｗ．Ｍｏｏｎ，Ｍ．Ｅ．Ｗｉｌｌｉａｍｓ，Ｇ．Ｒ．Ｓｔａｆｆｏｒｄ，“Ｗｈｉｓｋｅｒ  ａｎｄ  Ｈｉｌｌｏｃｋ  ｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ｏｎ  Ｓｎ，Ｓｎ−Ｃｕ  ａｎｄ  Ｓｎ−Ｐｂ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｐｏｓｉｔｓ”，Ａｃｔａ．Ｍａｔｅｒ．，５３  （２００５）  ５０３３−５０５０．に記載されている。
【００１９】
以上において、試験用基体５の先端位置は、通常、メッキ膜８が形成された直後においては、図３（ａ）に示すように、メッキ処理時に発生したメッキ膜８の引張応力によって、メッキ膜８が形成される前の試験用基体５の一面に垂直な方向における基準位置（一点鎖線で示す。）に対してメッキ膜８が形成された面側に変位し、その後、メッキ膜８に試験用基体５との界面付近において試験用基体５を構成する金属例えば銅とメッキ膜８を構成する金属例えば錫との金属間化合物が経時的に形成され、これに伴って、メッキ膜８中に体積変化が生じて圧縮応力が発生することによって、試験用基体５の先端位置は、図３（ｂ）に示すように、基準位置（一点鎖線で示す。）に対してメッキ膜８が形成された面と反対の面側に変位する。
【００２０】
このような測定方法によれば、レーザ変位計２０によって、メッキ膜８が形成された試験用基体５の先端位置の変位量を高い精度で測定することができるため、この変位量に基づいて算出することにより、メッキ膜８の応力を高い精度で求めることができる。しかも、Ｘ線回折装置等の高価な機器が不要であり、複雑なデータ処理も不要であるため、簡単なシステムによりメッキ膜８の応力を測定することができる。
【００２１】
以上、本発明のメッキ膜の応力測定方法について、レーザ変位計を用いた例を挙げて説明したが、本発明においては、レーザ変位計の代わりにカメラを用い、カメラ撮影像による像解析によって、試験用基体の先端位置の変位量を測定することができ、このような方法においては、カメラは試験片の側方位置に配置される。
【実施例】
【００２２】
以下、本発明に係るメッキ膜の応力測定方法の具体的な実施例について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図１に示す構成に従って、メッキ膜の応力を測定するためのシステムを作製した。ここで、レーザ変位計としては、ＫＥＹＥＮＣＥ社の「ＬＧ−Ｇ８０」を使用した。
【００２３】
厚みが７０μｍの銅箔を用意し、この銅箔に対してエッチング処理を施すことにより、図２に示す形態の試験片を作製した。この試験片の各部の寸法は、以下の通りである。
基体保持体の外形の寸法：４５ｍｍ×４５ｍｍ×７０μｍ
基体保持体の開口の寸法：４５ｍｍ×４５ｍｍ（基体保持体の枠幅：１０ｍｍ）
試験用基体の寸法：２０ｍｍ（長さ）×５ｍｍ（幅）×７０μｍ（厚み）
参照用基体の寸法：２０ｍｍ（長さ）×５ｍｍ（幅）×７０μｍ（厚み）
試験用基体と参照用基体との離間距離：５ｍｍ
【００２４】
上記の試験片における試験用基体の一面を除く表面領域に、厚みが４μｍのパラキシリレン樹脂よりなるメッキレジスト膜を形成した。その後、メッキレジスト膜が形成された試験片に対して、電流密度が１０Ａ／ｄｍ2 、メッキ処理時間が２７秒間の条件で、電解錫メッキ処理を施すことにより、試験片における試験用基体の一面に、厚みが２μｍの錫よりなるメッキ膜を形成した。
このようにしてメッキ膜が形成された試験片を、上記のシステムの試験片支持体にセットして室温において放置し、試験片における試験用基体の先端位置の変位量を経時的に測定すると共に、測定された試験用基体の先端位置の変位量に基づいて、上記式（１）によりメッキ膜の応力の経時的変化を求めた。
ここで、試験用基体を構成する銅のヤング率は１１７ＧＰａ、ポアソン比は０．３３、試験用基体の厚みは７０μｍ、メッキ膜の厚みは２μｍ、試験用基体の長さは２０ｍｍである。
【００２５】
図４は、試験片における試験用基体の先端位置の変位量の経時的変化を示す図であり、図５は、メッキ膜の応力の経時的変化を示す図である。
図４において、縦軸は試験用基体の先端位置の変位量、横軸は放置時間を示し、試験用基体の先端位置の変位量において、メッキ膜が形成される前の試験用基体の一面に垂直な方向における基準位置を０とし、この基準位置に対して、メッキ膜が形成された面側に変位した場合を正の値で、メッキ膜が形成された面と反対の面側に変位した場合を負の値で示す。
また、図５において、縦軸はメッキ膜の応力、横軸は放置時間を示し、メッキ膜の応力が引張応力である場合を正の値で、メッキ膜の応力が圧縮応力である場合を負の値で示す。
【００２６】
図４および図５の結果から、メッキ膜が形成された直後においては、試験用基体の先端位置がメッキ膜が形成された面側に変位しており、従って、メッキ膜には引張応力が生じているが、時間が経過するに伴って、試験用基体の先端位置がメッキ膜が形成された面と反対の面側に変位し、従って、メッキ膜には圧縮応力が生じていることが理解される。
また、メッキ膜に生じる圧縮応力の値は、メッキ膜を形成してから約１００時間経過した後に安定することが確認された。
【符号の説明】
【００２７】
１  試験片
２  基体保持体
５  試験用基体
６  参照用基体
８  メッキ膜
１０  試験片支持体
１５  防振マット
１６  試験台
２０  レーザ変位計
２１  センサヘッド
２２  コントローラ
３０  データ収集レコーダ
４０  演算器
Ｋ  開口
【図１】
2012002784.tif 000004
【図２】
2012002784.tif 000005
【図３】
2012002784.tif 000006
【図４】
2012002784.tif 000007
【図５】
2012002784.tif 000008