JP2005140704A - ウィスカの評価用治具及び評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡便な構成を有し且つウィスカ発生の再現性に優れた評価用治具を用いて、ウィスカ発生の有無やその成長を観察する。
【解決手段】 第１の透明基板２と、この第１の透明基板２と対向配置された第２の透明基板３との間に、母材の表面に鉛フリーはんだめっきが施された試料５０を挟み込んだ後に、締付け具４により第１の透明基板２と第２の透明基板３とを互いに近接する方向に締め付けることによって、試料５０に対して圧力を加え、この試料５０に圧力を加えた状態を維持したまま、第１の透明基板２又は第２の透明基板を透して試料５０の表面を観察する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、試料の表面に発生するウィスカを観察して評価するための評価用治具、並びにそのような治具を用いたウィスカの評価方法に関する。

電機メーカやＬＳＩメーカ等では、環境負荷物質の低減のための取り組みとして、鉛(Ｐｂ)フリー化の動きが加速している。鉛フリーとは、電子機器の部品の接続に使うはんだから有害物質であるＰｂ成分を除去することをいう。例えば、コネクタ端子やフレキシブル配線基板の電極端子等のめっき処理が施された部品に対して、鉛フリーはんだめっきの導入が進められている。

しかしながら、鉛フリーはんだめっきを施した電極端子では、めっき表面にウィスカと呼ばれるひげ状の金属物が発生することがある。電子部品では、このようなウィスカが発生し成長することによって、端子間が短絡して故障するといった問題が発生してしまう。

したがって、鉛フリー化を進めるためには、このようなウィスカの発生によって電子部品の電極端子間が短絡するといった鉛フリーはんだめっき特有の品質問題を解決する必要がある。

ところで、ウィスカの発生メカニズムについては未だ解明されておらず、ウィスカを安定して成長させる有効な評価用治具や評価方法も確立されていない。このため、ウィスカの発生及び成長を再現し、ウィスカ発生の危険度を早期に判断することが可能なウィスカの評価方法が求められている（例えば、特許文献１〜３を参照。）。

特開平４−３５１９３７号公報 特開平４−３１４３４５号公報 特開平３−２３４０５０号公報

そこで、本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、簡便な構成を有し且つウィスカ発生の再現性に優れたウィスカの評価用治具を提供することを目的とする。

また、本発明は、そのような評価用治具を用いることによって、ウィスカ発生の危険度を容易且つ早期に判断することを可能としたウィスカの評価方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を行った結果、はんだめっきに対する外部からの機械的応力（メカニカルストレス）がウィスカを発生し成長させる最大の要因であることを見出した。

従来、ウィスカ発生の主要因は、環境条件による内部応力、例えば温度変化によるめっき内部の熱膨張の違いや、部品製造工程において発生しためっき内部の残留応力と考えられていた。このため、ウィスカの評価方法としては、一般的な環境試験、例えば温度サイクル試験や高温高湿試験等が行われていた。しかしながら、これらの環境試験は、ウィスカの評価方法として規定されたものはなく、このような一般的な環境試験では、実故障を再現する主要因となる外部からの連続的な機械的応力が盛り込まれていないため、ウィスカ発生の有効な評価方法とはならない。

そこで、本発明者らは、外部からの機械的応力を想定した評価試験を行い、ウィスカの評価方法として有効となり得る試験方法について検討を行った。

具体的には、コネクタにフレキシブル配線基板の電極端子を挿入する手法について検討を行った。この試験は、実際の故障が見られる実再現評価方法として有効と考えられる。しかしながら、この試験の場合、観察のためコネクタに対するフレキシブル配線基板の挿入又は抜き取りを行った際に、端子表面に発生したウィスカの欠損が生じやすく、またウィスカの発生箇所や発生頻度が安定しないため、ウィスカの観察に苦労を要する。

また、コネクタから抜き取った１本のコネクタピンに対し部分的な荷重を加える方法、並びにコネクタピンを万力で挟み込みピン全体に強固な荷重を加える方法について検討を行った。これらの試験は、ウィスカを安定的に発生させることが期待できる。しかしながら、これらの試験の場合、観察時に一度応力を開放してしまうため、ウィスカの継続的な成長が得にくく、継続的な観察が難しい。

また、上記各試験では、ウィスカの成長速度が遅く微小なものが多いことから、走査電子顕微鏡のような特殊な観察装置等を用いて、試料の観察を行う必要がある。

以上のような検討を行った結果、本発明者らは、（１）ウィスカを発生し成長させる最大要因から、めっき表面に機械的応力を連続的に負荷すること、（２）めっきに対する内部応力を高めるため、めっき表面に幅広く一様に応力を加えること、（３）応力除去時におけるウィスカの破損による確認もれを防ぐため、応力負荷状態を維持したままめっき表面を観察することによって、上記目的を達成するとの知見を得るに至った。

すなわち、本発明に係るウィスカの評価用治具は、以上のような知見に基づいて創案されたものであり、光透過性を有する第１の基板と、第１の基板と対向配置された第２の基板と、第１の基板と第２の基板とを互いに近接する方向に押圧する押圧手段とを備え、第１の基板と第２の基板との間に、母材の表面にはんだめっきが施された試料を挟み込み、押圧手段が第１の基板と第２の基板とを互いに近接する方向に押圧することによって、試料に圧力を加えた状態を保持することを特徴としている。

また、本発明に係るウィスカの評価方法は、光透過性を有する第１の基板と、この第１の基板と対向配置された第２の基板との間に、母材の表面にはんだめっきが施された試料を挟み込み、第１の基板と第２の基板とを互いに近接する方向に押圧することによって、試料に対して圧力を加え、試料に圧力を加えた状態を維持したまま、第１の基板を透して試料の表面を観察することを特徴としている。

以上のように、本発明によれば、安価で簡便な構成を有する上記評価用治具を用いて、試料のめっき表面に機械的応力を連続的に且つ均一に負荷することが可能である。これにより、試料に対するウィスカ発生の再現性が高く、信頼性の高い評価が可能となる。

また、試料に発生するウィスカの成長が早く、ウィスカの発生度合いも高いことから、試料に発生するウィスカの有無を早期に且つ容易に確認することが可能である。

また、試料に対する応力負荷状態を維持したまま、第１の基板を透して試料のめっき表面を容易に観察することが可能なことから、試料に発生したウィスカの破損を防ぐと共に、ウィスカの成長を継続的に観察することが可能である。

したがって、本発明によれば、母材の表面にはんだめっきが施された試料、特に鉛フリーはんだめっきが施された端子に対するウィスカ発生の危険度を早期に且つ適切に判断することが可能である。これにより、ウィスカの発生により電子部品の端子間が短絡して故障するといった問題を未然に防ぐことが可能である。

以下、本発明を適用したウィスカの評価用治具及び評価方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。

先ず、本発明を適用した評価用治具の一具体例について説明する。

図１に示すように、本発明を適用した評価用治具１は、試料５０として、母材の表面にはんだめっき処理が施された部品、特に鉛フリーのはんだめっきが施された端子、例えばコネクタ端子やフレキシブル配線基板の電極端子等に発生するウィスカの有無やその成長過程等を観察可能とするものである。なお、ここでは、試料５０として、鉛フリーはんだめっきが施されたコネクタ端子を観察する場合を例に挙げて説明する。

この評価用治具１は、互いに対向配置された第１の透明基板２及び第２の透明基板３と、これら第１の透明基板２と第２の透明基板３とを互いに近接する方向に押圧するための押圧手段となる締付け具４とを備えている。

第１の透明基板２及び第２の透明基板３は、例えばアクリル樹脂や塩化ビニール樹脂等の光透過性を有する樹脂基板又はガラス基板からなる。これら第１の透明基板２及び第２の透明基板３は、互いに一致した形状を有しており、例えば５ｍｍ程度の厚さで略矩形状に形成されている。なお、これら透明基板２，３は、厚すぎた場合に顕微鏡による高倍率での試料５０の観察が難しくなることから、この顕微鏡のワーキングディスタンスに影響を与えない厚みとすることが望ましい。

締付け具４は、第１の透明基板２及び第２の透明基板３を厚み方向に均等に締め付けるため、第１の透明基板２及び第２の透明基板３の長手方向の両側に一対設けられている。これら一対の締付け具４は、第１の透明基板２及び第２の透明基板３を厚み方向に挟み込む上下一対の押え板５ａ，５ｂと、これら一対の押え板５ａ，５ｂを締結するための複数のボルト６及びナット７とを有している。

一対の押え板５ａ，５ｂは、第１の透明基板２及び第２の透明基板３の短辺よりも長尺とされた略矩形状の金属板からなり、その長手方向の両側には、ボルト６を貫通させるための貫通孔８が形成されている。そして、これら一対の押え板５ａ，５ｂは、第１の透明基板２及び第２の透明基板３の長辺側の端部からはみ出した部分に両側の貫通孔８が位置するように、これら第１の透明基板２及び第２の透明基板３の互いに対向する短辺側の端縁部に沿って配置されている。

ボルト６は、例えばトルクレンチやドライバ等で締付トルクを測定しながら締結が可能な十字穴ボルトや六角穴ボルト、六角ボルト等からなり、第１の透明基板２と第２の透明基板３との一方側（ここでは、第１の透明基板２側）からワッシャ９を介して押え板５ａ，５ｂの各貫通孔８に貫通されている。

一方、ナット７は、締結時に固定可能な蝶ナットや、六角ナット等からなり、第１の透明基板２と第２の透明基板３との他方側（ここでは、第２の透明基板３側）から押え板５ｂの貫通孔８を貫通したボルト６の先端部にワッシャ９を介して締結されている。

そして、上下一対の押え板５ａ，５ｂは、図２に示すように、互いの貫通孔８を一致させた状態で、これら貫通孔８を貫通するボルト６にナット７が締結されることによって、第１の透明基板２及び第２の透明基板３を厚み方向に押さえ込む。

これにより、一対の締付け具４は、第１の透明基板２と第２の透明基板３とを互いに近接する方向に押圧することができ、これら第１の透明基板２と第２の透明基板３との間に挟み込まれた複数の試料５０に対して圧力を略均等に負荷することができる。

また、これら締付け具４は、ボルト６に対するナット７（或いはナット７に対するボルト６）の締付け量を調整することで、上下一対の押え板５ａ，５ｂの第１の透明基板２及び第２の透明基板３に対する押圧を変化させ、試料５０に加える圧力を任意に調整することが可能である。

以上のように構成される評価用治具１は、第１の透明基板２と第２の透明基板３との間に試料５０を挟み込み、締付け具４が第１の透明基板２と第２の透明基板３とを互いに近接する方向に押圧することによって、試料５０に圧力を加えた状態を保持することができる。

次に、上記評価用治具１を用いたウィスカの評価方法について説明する。

上記評価用治具１を用いて、試料５０のめっき表面を観察する際は、先ず、第１の透明基板２と第２の透明基板３との間に試料５０を挟み込む。具体的には、試料５０を第２の透明基板３の略中央部に寝かした状態で複数並べて（或いは単独で）載置する。そして、この上に第１の透明基板２を第２の透明基板３に対して位置決めした状態で重ね合わせ、これら第１の透明基板２と第２の透明基板３との間で試料５０を挟み込む。

次に、第１の透明基板２と第２の透明基板３とを互いに近接する方向に押圧することによって、試料５０に対して一定の圧力を加える。すなわち、互いに重ね合わされた第１の透明基板２及び第２の透明基板３を一対の締付け具４を締め付けることによって、第１の透明基板２と第２の透明基板３とを互いに近接する方向に押圧し、これら第１の透明基板２と第２の透明基板３との間に挟み込まれた試料５０のめっき表面に対して、機械的応力を連続的且つ均一に負荷する。

具体的には、第１の透明基板２及び第２の透明基板３を一対の押え板５ａ，５ｂで挟み込み、これら押え板５ａ，５ｂの各貫通孔８にボルト６を貫通させ、各貫通孔８を貫通したボルト６の先端部にナット７を軽く仮留めした後に、締付トルクが測定可能なドライバにより締付け量を調整しながら、各ボルト６を一定の締付トルクで締め付けてナット７に固定する。

次に、評価用治具１の第１の透明基板２又は第２の透明基板３を透して試料５０の表面を観察装置を用いて観察する。観察装置としては、光学顕微鏡や走査電子顕微鏡等を用いることができる。また、場合によっては、目視による観察も行ってもよい。これにより、試料５０に対する応力負荷状態を維持したまま、第１の透明基板２又は第２の透明基板３を透して試料５０の表面（この場合、両面）を観察することができる。

ここで、上記評価用治具１を用いて、実際に試料５０のめっき表面に発生したウィスカを測定した測定結果を図３に示す。

なお、図３において、横軸は、評価用治具１を用いて試料５０に機械的応力を負荷した状態からの観察時間を示し、縦軸は、試料５０のめっき表面に発生したウィスカの中から１本を選択して測定したウィスカの長さを示す。

また、試料５０は、評価対象となるコネクタから抜き出したコネクタピンである。このコネクタピンは、Ｃｕからなる母材の表面にＳｎめっきが施されたものであり、その長さは約５ｍｍである。

また、図３に示すグラフにおける２，６，２８，８３時間後のコネクタピンを撮影した各光学顕微鏡写真を図４，５，６，７に示す。

図３に示すように、コネクタピンは、めっき表面に一定の機械的応力を負荷すると、ウィスカの発生直後は成長が早く、徐々にウィスカの成長速度が減速し、ある時間が経過した後に成長が止まることがわかる。

このように、上記評価用治具１を用いることで、安価で簡便な構成でありながら、今までどの評価用治具よりもウィスカの発生を短時間で再現することができ、なおかつウィスカの成長を継続的に観察することができる。

以上のように、上記評価用治具１を用いたウィスカの評価方法では、このような安価で簡便な構成を有する小型の評価用治具１を用いて、試料５０のめっき表面に機械的応力を連続的且つ均一に負荷することが可能である。これにより、試料５０に対するウィスカ発生の再現性が高く、信頼性の高い評価が可能である。

また、試料５０に発生するウィスカの成長が早く、ウィスカの発生度合いも高いことから、試料５０に発生するウィスカの有無を早期に且つ容易に確認することが可能である。例えば、走査電子顕微鏡等の高価な観察装置に限らず、一般的な光学顕微鏡を用いてウィスカの発生を容易に確認することが可能である。これにより、安価な手法をユーザに幅広く普及させることが可能である。

また、試料５０に対する応力負荷状態を維持したまま、第１の透明基板２又は第２の透明基板３を透して試料５０の表面を容易に観察することが可能なことから、試料５０に発生したウィスカの破損を防ぎつつ、ウィスカの成長を継続的に観察することが可能である。

また、めっき仕様別での優位差が顕著に現れ、ウィスカの成長を不良レベルまで的確に再現することが可能なことから、改善の方向性を容易に確認することが可能であり、また、改善速度も高めることが可能である。

また、母材の表面にはんだめっきが施された試料５０、特に鉛フリーはんだめっきが施された端子に対するウィスカ発生の危険度を早期に且つ適切に判断することが可能なことから、ウィスカの発生により電子部品の端子間が短絡して故障するといった問題を未然に防ぐことが可能である。

なお、本発明を適用した評価用治具１は、上記構成に限定されず、例えば図８に示すように、第１の透明基板２及び第２の透明基板３よりも大となる一対の押え板５ａ，５ｂによって、第１の透明基板２及び第２の透明基板３を厚み方向に挟み込む構成であってもよい。また、一対の押え板５ａ，５ｂの略中央部には、試料５０を観察するため、第１の透明基板２及び第２の透明基板３の試料５０を挟み込む領域に対応した略矩形状の開口部１０が形成されている。

なお、図８Ａに示す評価用治具１は、一対の押え板５ａ，５ｂを略矩形状の第１の透明基板２及び第２の透明基板３よりも大となる略矩形状に形成し、その開口部１０の周囲を囲む４箇所（四隅）を締付け具４で締め付けた構成である。一方、図８Ｂに示す評価用治具１は、一対の押え板５ａ，５ｂを略矩形状の第１の透明基板２及び第２の透明基板３よりも大となる略円形状に形成し、その開口部１０の周囲を囲む３箇所（三角形の各頂点に対応する位置）を締付け具４で締め付けた構成である。また、図８Ｂに示す押え板５ａ，５ｂの略中央部には、試料５０を観察するため、第１の透明基板２及び第２の透明基板３の試料５０を挟み込む領域に対応した略円形状の開口部１０が形成されている。

また、本発明を適用した評価用治具１は、例えば図９に示すように、第１の透明基板２及び第２の透明基板３と略一致した形状となる一対の押え板５ａ，５ｂによって、第１の透明基板２及び第２の透明基板３を厚み方向に挟み込む構成であってもよい。また、一対の押え板５ａ，５ｂの略中央部には、試料５０を観察するため、第１の透明基板２及び第２の透明基板３の試料５０を挟み込む領域に対応した略矩形状の開口部１０が形成されている。さらに、第１の透明基板２及び第２の透明基板３には、ボルト６を貫通させるための複数の貫通孔（図示せず。）が形成されている。

なお、図９Ａに示す評価用治具１は、一対の押え板５ａ，５ｂを略矩形状の第１の透明基板２及び第２の透明基板３と一致するように略矩形状に形成し、その開口部１０の周囲を囲む４箇所（四隅）を締付け具４で締め付けた構成である。一方、図９Ｂに示す評価用治具１は、一対の押え板５ａ，５ｂを略円形状の第１の透明基板２及び第２の透明基板３と一致するように略円形状に形成し、その開口部１０の周囲を囲む３箇所（三角形の各頂点に対応する位置）を締付け具４で締め付けた構成である。

また、本発明を適用した評価用治具１は、例えば図１０に示すように、第１の透明基板２及び第２の透明基板３を締付け具４で直接締め付けた構成であってもよい。また、第１の透明基板２及び第２の透明基板３には、ボルト６を貫通させるための複数の貫通孔（図示せず。）が形成されている。

なお、図１０Ａに示す評価用治具１は、略矩形状の第１の透明基板２及び第２の透明基板３の４箇所（四隅）を締付け具４で直接締め付けた構成である。一方、図１０Ｂに示す評価用治具１は、略円形状の第１の透明基板２及び第２の透明基板３の３箇所（三角形の各頂点に対応する位置）を締付け具４で直接締め付けた構成である。一方、図１０Ｃに示す評価用治具１は、略矩形状の第１の透明基板２及び第２の透明基板３の２箇所（長手方向の両端部）を締付け具４で直接締め付けた構成である。

また、本発明は、上述したボルト６及びナット７からなる締付け具４に限らず、例えば第１の透明基板２と第２の透明基板３との一方に複数のネジ孔を設け、他方に各ネジ孔に対応した複数の貫通孔を設け、これら貫通孔を通してネジ孔にネジを螺合させることによって、第１の透明基板２及び第２の透明基板３を厚み方向に締め付ける構成とすることも可能である。

なお、上記評価用治具１では、第１の透明基板２及び第２の透明基板３が共に光透過性を有する構成となっている。この場合、第１の透明基板２と第２の透明基板３との間に挟み込まれた試料５０を両面から観察することが可能である。一方、本発明は、このような構成に限らず、これら第１の透明基板２と第２の透明基板３との何れか一方を光透過性を有さない絶縁板や金属板等で構成することも可能である。

また、本発明は、上記第１の透明基板２及び上記第２の透明基板３を樹脂基板とすることで、試料５０となるコネクタ端子を挟み込んだ際に、このコネクタ端子の形状に追従して表面に幅広く一様な応力を負荷することが可能である。

また、本発明は、上記第１の透明基板２と上記第２の透明基板３との少なくとも一方の対向面に、試料５０となるコネクタ端子を立てた状態で保持する溝部を設けた構成であってもよい。この場合、コネクタ端子の異なる面（実際のフレキシブル配線基板の電極端子と接触する部分）に対して応力を負荷し、この表面に発生するウィスカの有無について評価することが可能である。

本発明を適用した評価用治具の一構成例を示す分解斜視図である。 上記評価用治具の組立構造を示す斜視図である。 上記評価用治具を用いてウィスカの評価試験を行った際の観察時間とコネクタ端子に発生したウィスカの成長状態との関係を示す特性図である。 図３に示す特性図においてコネクタ端子に発生したウィスカの２時間後の成長状態を示す顕微鏡写真である。 図３に示す特性図においてコネクタ端子に発生したウィスカの６時間後の成長状態を示す顕微鏡写真である。 図３に示す特性図においてコネクタ端子に発生したウィスカの２８時間後の成長状態を示す顕微鏡写真である。 図３に示す特性図においてコネクタ端子に発生したウィスカの８３時間後の成長状態を示す顕微鏡写真である。 本発明を適用した評価用治具の別の構成例を斜視図である。 本発明を適用した評価用治具の別の構成例を斜視図である。 本発明を適用した評価用治具の別の構成例を斜視図である。

符号の説明

１ 評価用治具、 ２ 第１の透明基板、 ３ 第２の透明基板、 ４ 締付け具、 ５ａ，５ｂ 押え板、 ６ ボルト、 ７ ナット、 ５０ 試料

Claims (9)

1. 光透過性を有する第１の基板と、
   上記第１の基板と対向配置された第２の基板と、
   上記第１の基板と上記第２の基板とを互いに近接する方向に押圧する押圧手段とを備え、
   上記第１の基板と上記第２の基板との間に、母材の表面にはんだめっきが施された試料を挟み込み、上記押圧手段が上記第１の基板と上記第２の基板とを互いに近接する方向に押圧することによって、上記試料に圧力を加えた状態を保持することを特徴とするウィスカの評価用治具。
2. 上記押圧手段は、上記第１の基板及び上記第２の基板を厚み方向に締め付ける締付け具であり、その締付け量を調整することにより上記第１の基板及び上記第２の基板に対する押圧を変化させることを特徴とする請求項１記載のウィスカの評価用治具。
3. 上記第２の基板は、光透過性を有することを特徴とする請求項１記載のウィスカの評価用治具。
4. 上記試料は、鉛フリーのはんだめっきが施された端子であることを特徴とする請求項１記載のウィスカの評価用治具。
5. 光透過性を有する第１の基板と、この第１の基板と対向配置された第２の基板との間に、母材の表面にはんだめっきが施された試料を挟み込み、
   上記第１の基板と上記第２の基板とを互いに近接する方向に押圧することによって、上記試料に対して圧力を加え、
   上記試料に圧力を加えた状態を維持したまま、上記第１の基板を透して上記試料の表面を観察することを特徴とするウィスカの評価方法。
6. 上記第１の基板及び上記第２の基板を厚み方向に締め付ける締付け具を用いて、その締付け量を調整しながら、上記第１の基板及び上記第２の基板に対する押圧を変化させることによって、上記試料に加える圧力を調整することを特徴とする請求項５記載のウィスカの評価方法。
7. 上記試料に加える圧力を一定に保つことを特徴とする請求項５記載のウィスカの評価方法。
8. 上記第２の基板として、光透過性を有する基板を用いることを特徴とする請求項５記載のウィスカの評価方法。
9. 上記試料として、鉛フリーのはんだめっきが施された端子を観察することを特徴とする請求項５記載のウィスカの評価方法。

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