(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
めっき膜に塑性変形部を設けたのち、前記めっき膜を前記塑性変形部の断面が露出するように加工し、次いで、前記断面を観察することを特徴とするウイスカおよびノジュールの観察方法。
【請求項２】
前記塑性変形部を複数個、直線上に位置するように設けるとともに、前記加工において、前記塑性変形部のうち、複数個の塑性変形部の断面が現れるように前記めっき膜を加工することを特徴とする請求項１記載のウイスカおよびノジュールの観察方法。
【請求項３】
前記塑性変形部は、前記めっき膜に荷重を印加することにより形成されることを特徴とする請求項１または２に記載のウイスカおよびノジュールの観察方法。
【請求項４】
前記複数の塑性変形部を直線上に形成する際に、印加する荷重を前記塑性変形部毎に変えることを特徴とする請求項２記載のウイスカおよびノジュールの観察方法。
【請求項５】
前記加工が、ミクロトームによる切削或いはＡｒイオンビームによるエッチングのいずれかにより行われることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のウイスカおよびノジュールの観察方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はウイスカおよびノジュールの観察方法に関するものであり、特に、電子部品の鉛フリー端子めっきから生じるＳｎのウイスカ（針状生成物）やノジュール（団塊状生成物）等のウイスカおよびノジュールについて、その発生挙動をその場で（ｉｎ−ｓｉｔｕ）経時観察するための手法に特徴のあるウイスカおよびノジュールの観察方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＥＵ−ＲｏＨＳ指令によって、Ｐｂ，Ｃｄなどの特定有害物質を含有する材料／部品を電子機器内で用いることができなくなっている。
【０００３】
例えば、電子部品分野においては、ＲｏＨＳ指令以前には、電子部品の接続端子にはＳｎウイスカ防止の点から、Ｓｎ−１０Ｐｂめっきが施されていたが、ＲｏＨＳ指令を契機に、Ｓｎ−１０Ｐｂめっき端子の電子部品の製造／使用が止められ、電子部品のはんだ接続端子には純Ｓｎ，９７Ｓｎ−３Ｂｉなどの鉛をふくまない鉛フリーのめっきが施されるようになった。
【０００４】
その結果、鉛フリーのめっき端子からは、再びウイスカが生じるようになり、改めてウイスカおよびノジュールの防止方法の究明が進められている。
【０００５】
この様なめっき膜からのＳｎのウイスカやノジュールの発生は、
ａ．めっき膜内でのＳｎ結晶格子の回復／再結晶化と、
ｂ．Ｓｎ結晶格子への歪みの付与による回復／再結晶化の促進
に因るところが大きいと推定される。
【０００６】
一般的に、電解めっき膜は、成膜工程においてイオン化された金属原子が電界により下地金属層側に引かれて衝突することによって堆積していくために、同種の金属塊よりも硬いという特徴がある。
このことから、めっき膜を構成する金属結晶粒の結晶格子には、格子間原子といった格子欠陥が多数内在していると推定される。
【０００７】
しかしながら、めっき膜を構成する結晶粒の格子欠陥は、不変的なものではなく、一定温度以上に放置すると回復／再結晶化現象を生じ、格子欠陥部の原子が規則正しい結晶格子に再配列するようになる。
そして、その過程での原子の移動に伴って、格子間原子が押し出されてウイスカやノジュールが生じると考えられる。
【０００８】
一般に、金属膜の回復／再結晶化は、金属融点ｔmp（絶対温度) の１／２の温度で生じ始めるとされていて、融点ｔmpが５０５Ｋ（＝２３２℃）のＳｎの場合、Ｓｎめっき結晶粒は、２５３Ｋ（＝−２０℃）の温度近傍から回復／再結晶化が生じ始めることとなる。
【０００９】
このため、Ｓｎ結晶粒を含むめっき膜を室温（２０〜２５℃）に放置すると、Ｓｎ結晶粒の結晶格子が回復／再結晶化を生じ、その結果として、ウイスカやノジュールを生じることとなる。
【００１０】
また、めっき結晶粒の結晶格子の回復／再結晶化は、めっき膜を構成する金属原子の移動を伴うことから、外部からの力によって結晶格子に歪みが生じた場合、金属原子の移動が容易になって、回復／再結晶化が促進されると考えられる。
【００１１】
図６参照  
図６は、ウイスカおよびノジュールの断面構造の説明図であり、上図はウイスカの全体像を示し、下図は、実際に、ウイスカの発生部位を集束イオンビーム（ＦＩＢ：Ｆｏｃｕｓｅｄ  Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ）法で断面加工したもののＳＥＭ像を模写したものである。
【００１２】
図に示すように、ウイスカ（針状生成物）３７の根元部においてＳｎめっき膜３４の結晶粒は再結晶化が進んで粗大なＳｎ結晶粒３５となり、この粗大なＳｎ結晶粒３５が主体となってノジュール（団塊状生成物）３６を構成し、このノジュール３６からウイスカが成長しているのが分かる。
【００１３】
また、Ｓｎめっき膜３４とＣｕ系母材３１の上に形成されたＣｕめっき膜３２との界面には、金属間化合物３３が厚く成長しており、金属間化合物３３の上のＳｎめっき膜３４に歪みを付与していたことが推測される。
なお、図中のタングステン被覆層３８は、ＦＩＢ加工の際に形成したものである。
【００１４】
ウイスカやノジュールは、微小なものであり、その観察には、電子顕微鏡（ＳＥＭ）が必須であり、また、何時何処から発生するか分からない微小なウイスカやノジュールに対応するために、めっき膜の表面を高倍率に分割して撮影することは、多大な労力を費やすこととなる。
【００１５】
因に、ウイスカ発生挙動を観察するに充分な１５０００倍で撮影する場合、その撮影面積は、ほぼ５０平方μｍ（≒８μｍ×６μｍ）であり、この倍率で、１平方ｍｍの領域を分割撮影しようとすると、必要な撮影回数は２万回にも及び、写真１枚の撮影所要時間を仮に１分としても、３００時間以上必要となり、実用的な観察方法に成りえないという問題がある。
【００１６】
また、発生するウイスカやノジュールの発生挙動を観察するために、１０°以下の低伏角で撮影することは望ましいが、このような低伏角で高倍率に分割して撮影し続けるには、更なる膨大な労力を費やすことが必要となり、現実的に非常に困難であるという問題がある。
【００１７】
そこで、ウイスカの発生／成長を加速促進するために、はんだ付け部にストレスを与えたり（例えば、特許文献１参照）、或いは、めっき膜に加圧により圧縮応力を与えてウイスカの発生を促進すること（例えば、特許文献２参照）も提案されている。
【特許文献１】特開２００２−３２３５２８号公報
【特許文献２】特開２００５−１０１１１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、ウイスカの発生／成長を加速促進させたとしても、ウイスカやノジュールやノジュールを特定の箇所で発生させることはできないので、微小なウイスカやノジュールの発生／成長をその場観察（ｉｎ−ｓｉｔｕ観察）する方法は、未だないのが現状である。
【００１９】
そこで、本出願人は、めっき膜に対して微小な圧痕を形成し、一定時間経過後における圧痕の変形状態によってウイスカの発生のし易さを評価することを提案している（必要ならば、特願２００６−０８９２７３参照）。
【００２０】
しかし、この提案は、ウイスカの発生のし易さを評価することはできても、表面に対して法線方向からの観察であるので、ウイスカの詳細な発生挙動を観察することができないものである。
【００２１】
したがって、本発明は、ウイスカおよびノジュールの詳細な発生挙動をその場（ｉｎ−ｓｉｔｕ）で観察することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
図１は、本発明の原理的構成図であり、ここで図１を参照して、本発明における課題を解決するための手段を説明する。
なお、図において、符号１は下地金属層である。
図１参照
上記の課題を解決するために、本発明は、ウイスカ７およびノジュール６の観察方法において、めっき膜２に塑性変形部４を設けたのち、めっき膜２を塑性変形部４の断面５が露出するように加工し、次いで、断面５を観察することを特徴とする。
【００２３】
このように、めっき膜２に形成した塑性変形部４を断面加工し、残存する塑性変形部４を観察することによって、表面に対して法線方向からの観察ができるとともに、低伏角での撮影を要することなく、断面５に対して法線方向からの観察も可能になるため、ウイスカ７およびノジュール６の詳細な発生挙動を観察することが可能になる。
【００２４】
即ち、例えば、Ｓｎのウイスカ７やノジュール６は、上述のように、
ａ．Ｓｎ結晶格子の回復／再結晶化と、
ｂ．Ｓｎ結晶格子への歪みの付与による回復／再結晶化の促進
によって生じることから、鉛フリーのめっき膜２に塑性変形部４を設けることによって、塑性変形部４でのＳｎ結晶格子の歪みが大となり、そのために当該箇所でのＳｎ結晶格子の回復／再結晶化が優先的に進むことになる。
【００２５】
このため、断面加工後に残存する塑性変形部４からウイスカ７やノジュール６が発生する確率が著しく高くなり、残存する塑性変形部４をＳＥＭ等で観察することによって、ウイスカ７やノジュール６の発生挙動を容易に観察することができる。
【００２６】
この場合、塑性変形部４を複数個、直線上に位置するように設けるとともに、加工において、塑性変形部４のうちの複数個の塑性変形部４の断面５が現れるようにめっき膜２を加工することが望ましく、それによって、ウイスカ７およびノジュール６の詳細な発生挙動に関するデータの収集が容易になる。
【００２７】
また、この場合の観察を、加工の直後から室温及び常圧の環境下で行うこと、即ち、その場観察（ｉｎ−ｓｉｔｕ観察）することが望ましく、それによって、発生直後からの発生挙動の観察が可能になる。
【００２８】
また、塑性変形部４は、めっき膜２に荷重を印加することにより形成すれば良く、例えば、塑性変形部４と印加する荷重との関係を明確に規定できる硬さ測定に用いるビッカース圧子３による圧痕として形成することが望ましい。
【００２９】
また、複数の塑性変形部４を直線上に形成する際に、印加する荷重を塑性変形部４毎に変えることが望ましく、それによって、ウイスカ７およびノジュール６の発生挙動の印加荷重依存性、即ち、圧痕の形成に用いた力とその時のめっき結晶粒の破砕状態、及び、ウイスカ７／ノジュール６の発生状況の関係を評価することが容易になる。
【００３０】
また、加工を行う際には、ミクロトームによる切削或いはＡｒイオンビームによるエッチングのいずれかにより行うことが望ましく、それによって、加工時に塑性変形部４に不所望な応力を印加することがないので、塑性変形部４と印加する荷重との関係を保ったままの状態でウイスカ７およびノジュール６の発生挙動を観察することが可能になる。
また、同時にそれによって、鏡面状態のめっき膜断面を得ることができ、通常のＳｎ結晶粒と塑性変形部４のＳｎ結晶粒を比較することができる。
【００３１】
また、観察の最終工程において、ウイスカ７およびノジュール６を断面加工して、ウイスカ７およびノジュール６の断面５を観察することが望ましく、それによって、ウイスカ７およびノジュール６の発生状況をめっき膜２の結晶粒構造レベルで観察することができる。
【００３２】
この場合のウイスカ７およびノジュール６を加工する際には、ウイスカ７およびノジュール６の一部をタングステン膜で被覆したのち、タングステン膜で被覆されない部分を収束イオンビームでエッチングしてウイスカ７およびノジュール６の断面５を露出させれば良い。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、従来不可能であったウイスカおよびノジュールの発生挙動をＳＥＭでその場観察できるようになり、ウイスカおよびノジュールの発生防止に向けての技術開発に大いに寄与することになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
本発明は、めっき膜にビッカース圧子による圧痕として直線上に整列するように複数の塑性変形部を設ける際に、各塑性変形部にビッカース圧子により印加する荷重を変えて異なった深さ・大きさの圧痕を形成したのち、ミクロトームによる切削或いはＡｒイオンビームによるエッチングを用いて全ての塑性変形部の断面が現れるように断面加工して、ウイスカおよびノジュールの発生挙動を表面に対して法線方向からと、断面に対して法線方向からの両方向から、例えば、１週間に渡って経時観察するものである。
【００３５】
また、経時観察工程において、必要に応じて、例えば、ウイスカおよびノジュールの一部をタングステン膜で被覆したのち、タングステン膜で被覆されない部分を収束イオンビームでエッチングしてウイスカおよびノジュールを断面加工し、ウイスカおよびノジュールの断面を観察することによって、ウイスカおよびノジュールの発生状況をめっき膜の結晶粒構造レベルで観察する。
【実施例１】
【００３６】
ここで、図２乃至図４を参照して、本発明の実施例１のウイスカおよびノジュールの経時観察方法を説明する。
図２参照  
まず、例えば、燐青銅薄板１１に形成した厚さが、例えば、３μｍのＳｎめっき膜１２に、ビッカース圧子１３を所定荷重で押し付けて例えば、8 箇所の塑性変形部１５1 〜１５8 を形成する。
この時、塑性変形部１５1 〜１５8 は、四角錐形状の凹部１４となる。
【００３７】
なお、この場合、ビッカース圧子３による荷重を、それぞれ、１０ｍＮ、２０ｍＮ、３０ｍＮ、4 ０ｍＮの４通りの力で、各２ヶずつ直線上に配列するように作製し、それぞれ１００μｍ間隔に配置させた。
この時、塑性変形部１５1 〜１５8 のサイズは、最も印可荷重が大きい４０ｍＮの時、一辺１０μｍの正方形が形成されていて、微小な塑性変形部１５7 ，１５8 が形成されていた。
【００３８】
図３参照  
次いで、８箇所の塑性変形部１５1 〜１５8 が直線上に並んだＳｎめっき膜１２を有する燐青銅薄板１１を、接着剤を用いて金属ブロック２１に固着したのち、この金属ブロック２１をミクロトームに固定し、燐青銅薄板１１の端面からミクロトームに取り付けられたダイヤモンドナイフ２２で切削して塑性変形部１５1 〜１５8 の断面１６を露出させる。
【００３９】
この場合、金属ブロック２１のミクロトームへの取り付け角度を適宜調整したのち、試料がダイヤモンドナイフ２２に切削されながら上方から下方に移動する切削ストロークと、試料が後方に退いて下方から上方に移動する復帰ストロークとを繰り返して研削を行い、例えば、１００ｎｍ毎削り取ることによって、直線上に配列した８箇所の塑性変形部１５1 〜１５8 の全てで断面１６が現れるように切削加工を行った。
【００４０】
次いで、試料を常温・常圧の雰囲気中に放置すると、上述のように、
ａ．Ｓｎ結晶格子の回復／再結晶化と、
ｂ．Ｓｎ結晶格子への歪みの付与による回復／再結晶化の促進
によってウイスカ及びノジュールが発生するが、圧縮応力が強く印加された塑性変形部１５1 〜１５8 において、ウイスカ及びノジュールが高頻度で発生することになる。
【００４１】
図４参照  
そこで、ＦＥ−ＳＥＭ（電界放出形走査電子顕微鏡）を用いて、断面加工後に残存する８箇所の塑性変形部１５1 〜１５8 について、
Ａ．Ｓｎめっき膜１２の断面方向、及び、
Ｂ．Ｓｎめっき膜１２の垂直方向
の２つ方向から観察して、塑性変形部１５1 〜１５8 からウイスカ１８およびノジュール１７が発生／成長する様子を逐次観察する。
なお、この様な逐次観察は、例えば、１週間に渡って２４時間毎に行うものであり、図４はウイスカ１８およびノジュール１７の経時的な発生／成長状況を模式的に示したものである。
【００４２】
次いで、必要に応じて、試料に発生したウイスカ１８およびノジュール１７の片側面を覆うようにＷ薄膜を選択付着させたのち、ＦＩＢ法によりＷ薄膜をマスクとしてエッチングすることによって、ウイスカ１８およびノジュール１７の断面を露出させる。
【００４３】
そして、このウイスカ１８およびノジュール１７の断面をＦＥ−ＳＥＭ（電界放出形走査電子顕微鏡）を用いて観察することによって、ウイスカ１８およびノジュール１７の発生箇所におけるＳｎ結晶粒の状況を観察し、ウイスカ１８およびノジュール１７の発生／成長原因の究明の一助にする。
【００４４】
この様に、本発明の実施例１においては、塑性変形部を形成したのち、塑性変形部の断面が現れるように断面加工を施しているので、低伏角での撮影を要することなく、Ｓｎめっき膜の断面方向からの観察を随時行うことが可能になる。
【００４５】
また、本発明の実施例１においては、断面加工工程においてミクロトームを用いているので、塑性変形部に不所望な歪みを発生させることなく、断面を形成することが可能になり、ビッカース圧子３による荷重の影響を精度良く評価することができる。
【実施例２】
【００４６】
次に、図５を参照して、本発明の実施例２のウイスカおよびノジュールの経時観察方法を説明するが、この実施例２は試料の断面加工方法が異なるだけで他の工程は上記の実施例１と全く同様であるので、断面加工工程のみを説明する。
図５参照  
まず、実施例１と同様に、例えば、燐青銅薄板１１に形成した厚さが、例えば、３μｍのＳｎめっき膜１２に、ビッカース圧子１３を所定荷重で押し付けて例えば、8 箇所の塑性変形部１５1 〜１５8 を形成する。
【００４７】
次いで、イオンミリング装置に備えつけられた金属マスク２３により直線上に配列した８箇所の塑性変形部１５1 〜１５8 の一部を遮蔽したのち、Ａｒイオン２４を照射して金属マスク２３からの露出部をエッチング除去して塑性変形部１５1 〜１５8 の断面１６を露出させる。
【００４８】
以降は、再び、上記実施例１と同様に、試料を常温・常圧の雰囲気中に放置して、上述のように、ＦＥ−ＳＥＭ（電界放出形走査電子顕微鏡）を用いて、断面加工後に残存する８箇所の塑性変形部１５1 〜１５8 について、
Ａ．Ｓｎめっき膜１２の断面方向、及び、
Ｂ．Ｓｎめっき膜１２の垂直方向
の２つ方向から観察して、塑性変形部１５1 〜１５8 からウイスカ１８およびノジュール１７が発生／成長する様子を逐次観察する。
【００４９】
この本発明の実施例２においては、断面加工工程においてＡｒイオンエッチングを用いているが、この場合も上記の実施例１と同様に、塑性変形部に不所望な歪みを発生させることなく、断面を形成することが可能になり、ビッカース圧子３による荷重の影響を精度良く評価することができる。
また、イオンミリング装置にはイオンを遮蔽する金属マスクが備えつけられているので、ＦＩＢ装置とは異なり、断面加工に際して、マスクとなるＷ膜等を選択的に堆積させる工程が不要になる。
【００５０】
以上、本発明の各実施例を説明してきたが、本発明は各実施例に記載された構成・条件等に限られるものではなく各種の変更が可能であり、例えば、上記の実施例１においては、ミクロトームの刃としてダイヤモンドナイフを用いているが、ダイヤモンドナイフに限られるものではなく、サファイアナイフを用いても良いものである。
【００５１】
ここで、再び図１を参照して、本発明の詳細な特徴を改めて説明する。
再び、図１参照  
（付記１）  めっき膜に塑性変形部を設けたのち、前記めっき膜を前記塑性変形部の断面が露出するように加工し、次いで、前記断面を観察することを特徴とするウイスカおよびノジュールの観察方法。
（付記２）  前記塑性変形部を複数個、直線上に位置するように設けるとともに、前記加工において、前記塑性変形部のうち複数個の塑性変形部の断面が現れるように前記めっき膜を加工することを特徴とする付記１記載のウイスカおよびノジュールの観察方法。
（付記３）  前記観察を、前記加工の直後から室温及び常圧の環境下で行うことを特徴とする付記１または２に記載のウイスカおよびノジュールの観察方法。
（付記４）  前記塑性変形部は、前記めっき膜に荷重を印加することにより形成されることを特徴とする付記１乃至３のいずれか１に記載のウイスカおよびノジュールの観察方法。
（付記５）  前記荷重を印加して形成する塑性変形部が、ビッカース圧子による圧痕であることを特徴とする付記４記載のウイスカおよびノジュールの観察方法。
（付記６）  前記複数の塑性変形部を直線上に形成する際に、印加する荷重を前記塑性変形部毎に変えることを特徴とする付記２記載のウイスカおよびノジュールの観察方法。  （付記７）  前記加工が、ミクロトームによる切削或いはＡｒイオンビームによるエッチングのいずれかにより行われることを特徴とする付記１乃至６のいずれか１に記載のウイスカおよびノジュールの観察方法。
（付記８）  前記観察を行う際に、前記ウイスカおよびノジュールを断面加工して、前記ウイスカおよびノジュールの断面を観察することを特徴とする付記１乃至７のいずれか１に記載のウイスカおよびノジュールの観察方法。
（付記９）  前記ウイスカおよびノジュールの断面加工において、前記ウイスカおよびノジュールの一部をタングステン膜で被覆したのち、前記タングステン膜で被覆されない部分を収束イオンビームでエッチングして前記ウイスカおよびノジュールの断面を露出させることを特徴とする付記８記載のウイスカおよびノジュールの観察方法。
（付記１０）  前記観察は、前記塑性変形部の状態が変化する間観察を行う経時観察であることを特徴とする付記１乃至９のいずれか１に記載のウイスカおよびノジュールの観察方法。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明の活用例としては、電子部品の鉛フリー端子めっきから生じるＳｎのウイスカやノジュールの発生成長状況の観察及び原因究明が典型的なものであるが、Ｓｎのウイスカ等に限られるものではなく、ウイスカやノジュールが発生するものであれば全てに適用されるものであり、また、その対象も電子部品に限られるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】本発明の実施例１のウイスカおよびノジュールの経時観察方法の途中までの説明図である。
【図３】本発明の実施例１のウイスカおよびノジュールの経時観察方法の図２以降の説明図である。
【図４】ウイスカおよびノジュールの経時的な発生／成長状況の模式的説明図である。
【図５】本発明の実施例２のウイスカおよびノジュールの経時観察方法における断面加工工程の説明図である。
【図６】ウイスカおよびノジュールの断面構造の説明図である。
【符号の説明】
【００５４】
１  下地金属層
２  めっき膜
３  ビッカース圧子
４  塑性変形部
５  断面
６  ノジュール
７  ウイスカ
１１  燐青銅薄板
１２  Ｓｎめっき膜
１３  ビッカース圧子
１４  凹部
１５1 〜１５8   塑性変形部
１６  断面
１７  ノジュール
１８  ウイスカ
２１  金属ブロック
２２  ダイヤモンドナイフ
２３  金属マスク
２４  Ａｒイオン
３１  Ｃｕ系母材
３２  Ｃｕめっき膜
３３  金属間化合物
３４  Ｓｎめっき膜
３５  Ｓｎ結晶粒
３６  ノジュール
３７  ウイスカ
３８  タングステン被覆層
【図１】
0004935600.tif 000002
【図２】
0004935600.tif 000003
【図３】
0004935600.tif 000004
【図４】
0004935600.tif 000005
【図５】
0004935600.tif 000006
【図６】
0004935600.tif 000007