JP2017219370A - 環境試験装置及び環境試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】１００℃以上の所定の設定温度及び設定湿度の高温高湿環境下で試験を行う環境試験装置及び環境試験方法において、所定の酸素濃度に精密に制御された環境下で試験を行うことが可能な装置及び方法を提供する。
【解決手段】環境試験装置１は、試験対象である試料２２１Ａを内部に配置可能な試験槽２と、試験槽２内を減圧する減圧部４と、試験槽２内に窒素ガスを導入する窒素ガス導入部５と、試験槽２内を１００℃以上の所定の設定温度及び設定湿度に調整可能な槽内環境調整部６と、制御部１００とを備える。環境試験装置１において制御部１００は、試験槽２内が所定の酸素濃度となるように減圧部４及び窒素ガス導入部５を制御し、試験槽２内が所定の酸素濃度に維持されつつ所定の設定温度及び設定湿度となるように槽内環境調整部６を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、試験対象である試料の信頼性試験で用いられる環境試験装置及び環境試験方法に関する。

従来から、電子部品やこれらの部品で組み立てられた製品の信頼性試験を行うために、温度や湿度の過酷な環境に製品を晒して、製品が各種の環境で正常に動作するかどうかを確認したり、寿命を推定したりする目的で、各種の環境試験装置が使用されている。この種の環境試験装置としては、例えば、短時間で試験結果が得られるように高温高湿環境下で試験を行う高度加速寿命試験（Ｈｉｇｈ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ Ｓｔｒｅｓｓ Ｔｅｓｔ、略称ＨＡＳＴ）装置がある。

ＨＡＳＴ装置では、１００℃以上の温度に調整された試験槽内で試験が行われることが多い。このような１００℃以上の高温高湿環境下で試験を行うＨＡＳＴ装置では、試験槽内を１００℃以上の高温高湿環境に調整する過程において、試験槽内に存在していた空気はそのほぼ全量が水蒸気により置換されるので、試験槽内は水蒸気のみとなる。従って、この高温高湿環境下での試験では、試験槽内の空気分圧がほぼゼロで空気がほとんど存在しない環境下での評価となる。

ところで、電子部品やこれらの部品で組み立てられた製品が使用される実使用環境は、通常、空気と水蒸気との混合状態である。このため、近年では、実使用環境に即した環境下で加速試験を行うべく、空気がほとんど存在しない水蒸気のみの環境下で試験を行うＨＡＳＴ装置に対し、酸素を含む空気が存在する１００℃以上の高温高湿環境下で試験を行う環境試験装置の検討が進められている。

試験槽内を空気が存在する１００℃以上の高温高湿環境に調整する方法としては、大きく分けて２つの調整方法がある。第１の調整方法は、試験槽内を１００℃以上の高温高湿環境に調整する過程において、空気の全量を水蒸気に置換するのではなく、一定量の空気を試験槽内に残留させておく方法である。第２の調整方法は、所定量の空気を試験槽内に導入する方法である。

上記の第１の調整方法は、例えば特許文献１や特許文献２に開示されている。特許文献１に開示された方法では、試験槽内を１００℃以上の高温高湿環境に調整する過程において、例えば温度８５℃湿度８５％であって試験槽内の気体が空気と水蒸気との混合状態であるときに試験槽を密閉することにより、一定量の空気を試験槽内に残留させるようにしている。

また、上記の第２の調整方法は、例えば特許文献２又は非特許文献１に開示されている。特許文献２又は非特許文献１に開示された方法では、試験槽内を１００℃以上の所定の設定温度、設定湿度及び設定圧力に調整することにより試験槽内の空気の全量を水蒸気に置換した後、所定量の空気を試験槽内に導入するようにしている。

特開２０１４−１６３７７９号公報 特許第５０６６１４３号公報

岡本秀孝、吉田隆久、「ＨＡＳＴおよびＡｉｒ−ＨＡＳＴ評価技術と課題」、エレクトロニクス実装学会誌、Ｖｏｌ．１５、Ｎｏ．５（２０１２）、Ｐ．３８７−３９０

空気が存在する１００℃以上の高温高湿環境下で試験を行う環境試験装置では、試験槽内の空気量、特に酸素濃度が試験結果に大きく影響する可能性があり、このため、試験槽内を精度よく所定の酸素濃度に調整する必要がある。このような観点に鑑みると、特許文献１に開示された方法では、試験槽内の初期状態での空気量、温湿度条件並びに試験槽を密閉するタイミングにより試験槽内の酸素濃度が変動してしまうので、試験槽内を精度よく所定の酸素濃度に調整することが困難である場合がある。

また、非特許文献１に開示された方法では、試験槽内の空気量を調整するに際し、１００℃以上の高温とされた試験槽内に常温の空気を導入するため、試験槽内の温度が変動するとともに、導入された空気の温度上昇に伴う体積膨張によって試験槽内の圧力も変動することになる。従って、非特許文献１に開示された方法では、試験槽内を１００℃以上の所定の設定温度、設定湿度及び設定圧力に維持しつつ、所定の酸素濃度に調整することが困難である。

そこで、本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、１００℃以上の所定の設定温度及び設定湿度の高温高湿環境下で試験を行う環境試験装置及び環境試験方法において、精度よく所定の酸素濃度に調整された環境下で試験を行うことが可能な装置及び方法を提供することにある。

本発明の一の局面に係る環境試験装置は、試験対象である試料を内部に配置可能な試験槽と、前記試験槽内を大気圧未満の圧力に減圧可能な減圧部と、前記試験槽内に窒素ガスを導入可能な窒素ガス導入部と、前記試験槽内を１００℃以上の所定の設定温度及び設定湿度に調整可能な槽内環境調整部と、前記減圧部及び前記窒素ガス導入部による窒素置換を行うことにより、前記試験槽内が所定の酸素濃度となるように制御し、前記試験槽内が前記所定の酸素濃度に維持されつつ前記設定温度及び前記設定湿度となるように前記槽内環境調整部を制御する制御部と、を備える。

この環境試験装置によれば、制御部は、試験槽内を１００℃以上の所定の設定温度及び設定湿度に調整するための槽内環境調整部の制御に先立って、試験槽内が所定の酸素濃度となるように減圧部及び窒素ガス導入部を制御する。このように、試験槽内を減圧する減圧部と、試験槽内へ窒素ガスを導入する窒素ガス導入部とを制御することによって、試験槽内を精度よく所定の酸素濃度に調整することができる。従って、精度よく所定の酸素濃度に調整された、１００℃以上の高温高湿環境下で試験を行うことが可能な環境試験装置を提供することができる。

上記の環境試験装置において、前記制御部は、前記減圧部による前記試験槽内の減圧後、前記窒素ガス導入部による前記試験槽内への窒素ガスの導入による窒素置換を行うことにより、前記試験槽内を前記所定の酸素濃度に調整する制御を行う構成としてもよい。

この態様では、減圧部及び窒素ガス導入部による窒素置換を行うよう制御するに際し、制御部は、減圧部による試験槽内の減圧後に、窒素ガス導入部により試験槽内へ窒素ガスを導入させる。これにより、例えば、減圧部により試験槽内を減圧させつつ窒素ガス導入部により試験槽内へ窒素ガスを導入させる場合と比較して、試験槽内をより精度よくかつ迅速に所定の酸素濃度に調整することができる。

上記の環境試験装置において、前記制御部は、前記窒素置換の回数と、最終段の窒素置換における前記減圧部による減圧後の前記試験槽内の到達圧力とを制御することにより、前記試験槽内を前記所定の酸素濃度に調整する制御を行う構成としてもよい。

この態様では、窒素置換の回数と最終段の窒素置換における試験槽内の到達圧力とに基づいて、試験槽内の酸素濃度が調整されるので、より細かく酸素濃度を調整することができる。

上記の環境試験装置は、前記窒素置換の回数及び前記到達圧力と、前記試験槽内の酸素濃度とが関連付けられた酸素濃度情報を、予め記憶する記憶部を更に備える構成としてもよい。そして、前記制御部は、前記記憶部に記憶された前記酸素濃度情報に基づいて、前記窒素置換の回数と前記到達圧力とを制御することにより、前記試験槽内を前記所定の酸素濃度に調整する制御を行う。

この態様では、制御部は、減圧部及び窒素ガス導入部による窒素置換によって試験槽内を所定の酸素濃度に調整する際に用いる、窒素置換の回数と最終段の窒素置換における試験槽内の到達圧力とを、記憶部に予め記憶された酸素濃度情報を参照して導くように構成される。この酸素濃度情報を参照して導かれた窒素置換の回数と到達圧力とに基づいて、試験槽内を精度よく任意の所定の酸素濃度に調整することができる。

上記の環境試験装置は、前記試験槽内の酸素濃度を検出する酸素濃度検出部を更に備える構成としてもよい。そして、前記制御部は、前記酸素濃度検出部による検出結果に基づいて、前記窒素置換の回数と前記到達圧力とを制御することにより、前記試験槽内を前記所定の酸素濃度に調整する制御を行う。

この態様では、制御部は、減圧部及び窒素ガス導入部による窒素置換によって試験槽内を所定の酸素濃度に調整する際に用いる、窒素置換の回数と最終段の窒素置換における試験槽内の到達圧力とを、酸素濃度検出部による検出結果を参照して導くように構成される。この検出結果を参照して導かれた窒素置換の回数と到達圧力とに基づいて、試験槽内を精度よく任意の所定の酸素濃度に調整することができる。

上記の環境試験装置において、前記制御部は、前記試料にウィスカが発生するように前記槽内環境調整部を制御することが望ましい。

近年の半導体実装基板の鉛フリー化に伴って、例えば錫（Ｓｎ）又は錫合金のめっきが施されたリードには髭状の結晶であるウィスカが発生することが知られている。このウィスカの発生及び成長に、酸素が関与している。上記の態様では、槽内環境調整部が制御部により制御されて試料にウィスカが発生するように、試験槽内が所定の酸素濃度に維持されつつ、１００℃以上の所定の設定温度及び設定湿度の高温高湿環境に調整される。このため、試料におけるウィスカの発生及び成長を効果的に加速して試験時間を短縮することができる。

本発明の他の局面に係る環境試験方法は、試験対象である試料を試験槽内に配置する工程と、減圧部により前記試験槽内を大気圧未満の圧力に減圧し、窒素ガス導入部により前記試験槽内に窒素ガスを導入する窒素置換を行うことにより、前記試験槽内を所定の酸素濃度に調整する酸素濃度調整工程と、槽内環境調整部により、前記試験槽内を前記所定の酸素濃度に維持しつつ１００℃以上の所定の設定温度及び設定湿度に調整する槽内環境調整工程と、を含む。

この環境試験方法によれば、試験槽内を１００℃以上の所定の設定温度及び設定湿度に調整する槽内環境調整工程の前工程である酸素濃度調整工程において、試験槽内を所定の酸素濃度に調整する。この酸素濃度調整工程では、試験槽内を減圧するとともに試験槽内へ窒素ガスを導入する窒素置換を行うことによって酸素濃度を調整するので、試験槽内を精度よく所定の酸素濃度に調整することができる。従って、精度よく所定の酸素濃度に調整された、１００℃以上の高温高湿環境下で試験を行うことが可能な環境試験方法を提供することができる。

上記の環境試験方法において、前記酸素濃度調整工程は、前記減圧部による前記試験槽内の減圧後、前記窒素ガス導入部による前記試験槽内への窒素ガスの導入による窒素置換を行うことにより、前記試験槽内を前記所定の酸素濃度に調整する構成としてもよい。

この態様では、酸素濃度調整工程において試験槽内の窒素置換を行うに際し、減圧部による試験槽内の減圧後に、窒素ガス導入部により試験槽内へ窒素ガスを導入させる。これにより、例えば、減圧部により試験槽内を減圧させつつ窒素ガス導入部により試験槽内へ窒素ガスを導入させる場合と比較して、試験槽内をより精度よくかつ迅速に所定の酸素濃度に調整することができる。

上記の環境試験方法において、前記酸素濃度調整工程は、前記窒素置換の回数と、最終段の窒素置換における前記減圧部による減圧後の前記試験槽内の到達圧力とに基づいて、前記試験槽内を前記所定の酸素濃度に調整する構成としてもよい。

この態様では、酸素濃度調整工程において、窒素置換の回数と最終段の窒素置換における試験槽内の到達圧力とに基づいて、試験槽内の酸素濃度が調整されるので、より細かく酸素濃度を調整することができる。

上記の環境試験方法において、前記槽内環境調整工程は、前記試料にウィスカを発生させる工程であることが望ましい。

この態様では、槽内環境調整工程において、試験槽内を所定の酸素濃度に維持しつつ、１００℃以上の所定の設定温度及び設定湿度の高温高湿環境に調整するので、試料におけるウィスカの発生及び成長を効果的に加速して試験時間を短縮することができる。

本発明によれば、１００℃以上の所定の設定温度及び設定湿度の高温高湿環境下で試験を行う環境試験装置及び環境試験方法において、所定の酸素濃度に精密に制御された環境下で試験を行うことが可能な装置及び方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る環境試験装置の構成を示す図である。 （ａ）は半導体パッケージを示す平面図であり、（ｂ）は半導体パッケージを基板に実装した状態を側面から見た断面図である。 図２（ｂ）のリードの先端部分の断面を拡大した模式図であって、（ａ）は試験前の状態を示し、（ｂ）は試験後の状態を示している。 環境試験装置を用いた環境試験方法における制御の流れを示すフローチャートである。 環境試験装置を用いた環境試験方法における各工程の温度、湿度及び圧力等の物理量の推移を示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態に係る環境試験装置及び環境試験方法について、図面に基づいて説明する。

＜環境試験装置＞
図１は、本発明の一実施形態に係る環境試験装置１の構成を示す図である。環境試験装置１は、一端部が開放した圧力容器である試験槽２と、この試験槽２の開放側端部を閉鎖可能な扉体３とを備えている。試験槽２の下部には所定量の加湿水（加湿用の水）を貯留するための加湿水貯留部２１が設けられている。なお、加湿水貯留部２１における加湿水の貯留量は、水位センサ１０により検出される水位データに基づいて調整される。また、試験槽２の内部には内シリンダ２２が設置されている。この内シリンダ２２は、試験槽２の開放側端部と同一側の端部が開放されており、この内シリンダ２２の内部がテストエリア２２Ａとなっている。このテストエリア２２Ａには試料棚２２１が設置されており、この試料棚２２１は、試験対象である試料２２１Ａを載置可能に構成されている。

環境試験装置１は、試験槽２に接続された減圧部４を備えている。減圧部４は、試験槽２内を大気圧未満の圧力に減圧可能に構成されている。この減圧部４は、排気用配管４１と、第１開閉弁４２と、第２開閉弁４３と、真空ポンプ４４と、到達圧力検知センサ４５とを含む。排気用配管４１は、その一端部が試験槽２に設けられた排気口２３に接続され、一端部とは反対の他端部が真空ポンプ４４に接続されている。減圧部４では、真空ポンプ４４が動作することにより試験槽２内の気体が排気用配管４１を流れて外部に排気され、これにより試験槽２内が減圧される。

また、減圧部４において、第１開閉弁４２及び第２開閉弁４３は、排気用配管４１に設けられ、排気用配管４１の流路を開閉可能に構成される。第１開閉弁４２及び第２開閉弁４３は、開放状態のときに排気用配管４１を介して試験槽２の内部と外部とを連通状態とし、閉状態のときに試験槽２を密閉状態とする。第１開閉弁４２及び第２開閉弁４３としては、開度調整可能なモータバルブを用いることができる。

また、減圧部４において、到達圧力検知センサ４５は、真空ポンプ４４の動作により減圧された試験槽２内の到達圧力（以下、「真空到達圧力」という）を検知するためのセンサである。第２開閉弁４３の開度は、到達圧力検知センサ４５による検知データに基づいて調整される。これにより、試験槽２内の真空到達圧力を任意に調整することができる。

環境試験装置１は、試験槽２に接続された窒素ガス導入部５を備えている。窒素ガス導入部５は、試験槽２内に窒素ガスを導入可能に構成されている。この窒素ガス導入部５は、窒素ガス導入用配管５１と、窒素ガス供給装置５２とを含む。窒素ガス導入用配管５１は、その一端部が試験槽２に設けられた窒素ガス導入口２４に接続され、一端部とは反対の他端部が窒素ガス供給装置５２に接続されている。窒素ガス導入部５では、窒素ガス供給装置５２が動作することにより窒素ガスが窒素ガス導入用配管５１を流れて試験槽２内へ導入される。

本実施形態に係る環境試験装置１において、試験槽２にはファン軸７１が回転自在に軸支され、このファン軸７１の先端に送風ファン７２が固定されている。送風ファン７２は、内シリンダ２２の閉鎖側端部の中央において内シリンダ２２の内部空間に設けられている。また、試験槽２の外部には送風用駆動モータ７３が設置され、この送風用駆動モータ７３の出力軸７４が磁気カップリング７５を介してファン軸７１に連結されている。これにより、送風用駆動モータ７３が回転駆動すると、送風ファン７２が回転し、試験槽２内の気体を図の白抜き矢印のように循環させることができる。

環境試験装置１は、槽内環境調整部６を備えている。槽内環境調整部６は、試験槽２内を１００℃以上の所定の設定温度及び設定相対湿度に調整可能に構成されている。この槽内環境調整部６は、加熱ヒータ６１と、乾球温度センサ６１Ａと、加湿水ヒータ６２と、加湿水温度センサ６２Ａと、湿球温度センサ６２Ｂとを含む。

加熱ヒータ６１は、ファン軸７１の周囲に設けられている。この加熱ヒータ６１により試験槽２内の気体を加熱することができる。また、乾球温度センサ６１Ａは、内シリンダ２２の内部空間（テストエリア２２Ａ内）に設けられている。この乾球温度センサ６１Ａにより試験槽２内の温度（テストエリア２２Ａの温度）を検出することができる。試験槽２内の温度は、乾球温度センサ６１Ａによる検出データに基づいて加熱ヒータ６１の動作が制御されることにより、調整される。

加湿水ヒータ６２は、試験槽２の下部の加湿水貯留部２１に設けられている。この加湿水ヒータ６２は、加湿水貯留部２１に貯留された加湿水に浸漬されており、当該加湿水を加熱することができる。また同様に、加湿水温度センサ６２Ａは、加湿水貯留部２１に貯留された加湿水に浸漬されている。この加湿水温度センサ６２Ａにより加湿水の温度を検出することができる。また、湿球温度センサ６２Ｂの先端の感温部には、例えばガーゼで形成されたウィック６２Ｂａが被せられている。ウィック６２Ｂａの下端は、加湿水貯留部２１に貯留された加湿水に浸漬されており、加湿水を毛細管現象によって吸い上げるように構成されている。加湿水貯留部２１に貯留された加湿水の温度は、加湿水温度センサ６２Ａ又は湿球温度センサ６２Ｂによる検出データに基づいて加湿水ヒータ６２の動作が制御されることにより、調整される。

なお、試験槽２内の相対湿度は、乾球温度センサ６１Ａによる検出データと、加湿水温度センサ６２Ａ又は湿球温度センサ６２Ｂによる検出データとに基づいて求めることができる。また、減圧部４の第１開閉弁４２及び第２開閉弁４３が閉状態とされ、試験槽２が密閉状態とされた後に、加熱ヒータ６１により試験槽２内の気体が加熱されて１００℃以上の所定の設定温度に達し、更に加湿水ヒータ６２により加湿水貯留部２１に貯留された加湿水が加熱されて１００℃の温度に達して水蒸気となると、試験槽２内が大気圧を超えた圧力に加圧される。

本実施形態の槽内環境調整部６は、乾球温度センサ６１Ａによる検出データに基づいて加熱ヒータ６１の動作が制御され、加湿水温度センサ６２Ａ又は湿球温度センサ６２Ｂによる検出データに基づいて加湿水ヒータ６２の動作が制御されることにより、試験槽２内を１００℃以上の所定の設定温度及び設定相対湿度に調整可能である。ここで、槽内環境調整部６により試験槽２内の温度及び相対湿度が所定の設定温度及び設定相対湿度に調整されると、これに応じて試験槽２内の圧力が所定値に調整される。

なお、乾球温度センサ６１Ａ、加湿水温度センサ６２Ａ及び湿球温度センサ６２Ｂに代えて、試験槽２内の気体の温度を検出する気体温度センサと、試験槽２内の相対湿度を検出する湿度センサとを備える構成としてもよい。この場合、気体温度センサによる検出データに基づいて加熱ヒータ６１の動作が制御され、湿度センサによる検出データに基づいて加湿水ヒータ６２の動作が制御されることにより、試験槽２内を１００℃以上の所定の設定温度及び設定相対湿度に調整可能である。

また、環境試験装置１は、試験槽２に設けられた圧力計８と酸素濃度センサ９とを備えている。圧力計８は、減圧部４の第１開閉弁４２及び第２開閉弁４３が閉状態とされ、試験槽２が密閉状態とされた後の、試験槽２内の圧力を検出する。酸素濃度センサ９は、内シリンダ２２の内部空間（テストエリア２２Ａ内）に設けられている。この酸素濃度センサ９により試験槽２内の酸素濃度（テストエリア２２Ａの酸素濃度）を検出することができる。酸素濃度センサ９は、酸素濃度検出部の一例である。

また、環境試験装置１は、制御部１００を備えている。制御部１００は、環境試験装置１の動作を統括的に制御する。制御部１００は、例えば制御プログラムを記憶するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）や一時的にデータを記憶するフラッシュメモリ等の記憶装置が内蔵されたマイクロコンピュータからなり、前記制御プログラムが読み出されることにより、環境試験装置１の動作を制御する。

制御部１００は、減圧部４及び窒素ガス導入部５による窒素置換を行うことにより、試験槽２内が所定の酸素濃度となるように制御し、試験槽２内が所定の酸素濃度に維持されつつ１００℃以上の所定の設定温度及び設定相対湿度となるように槽内環境調整部６の加熱ヒータ６１及び加湿水ヒータ６２を制御する。

制御部１００は、試験槽２内を１００℃以上の所定の設定温度及び設定相対湿度に調整するための槽内環境調整部６の制御に先立って、試験槽２内が所定の酸素濃度となるように減圧部４及び窒素ガス導入部５を制御する。具体的には、制御部１００は、減圧部４による試験槽２内の減圧後、窒素ガス導入部５による試験槽２内への窒素ガスの導入による窒素置換を行うことによって、試験槽２内を所定の酸素濃度に調整する制御を行う。

試験槽２の開放側端部が扉体３により閉鎖された状態の大気圧（１０１．３２５ｋＰａ）下において、窒素置換が行われる前の試験槽２内の酸素濃度の初期値は、例えば２０．９０％である。制御部１００が減圧部４及び窒素ガス導入部５を制御して窒素置換を実行させることにより、試験槽２内の酸素濃度を前記初期値から変化させることができる。これにより、試験槽２内を所定の酸素濃度に調整することができる。試験槽２内が所定の酸素濃度に調整されると、制御部１００は、減圧部４の第１開閉弁４２及び第２開閉弁４３を閉状態とし、試験槽２を密閉状態とする。

本実施形態では、制御部１００は、減圧後の真空到達圧力が所定の設定到達圧力（例えば５０ｋＰａ）となるように減圧部４により試験槽２内を減圧させた後、試験槽２内の圧力が所定の設定窒素置換圧力（例えば９０ｋＰａ）となるように窒素ガス導入部５により試験槽２内に窒素ガスを導入させて、窒素置換を実行させる。このような窒素置換が１回実行されると、試験槽２内の酸素濃度は、前記初期値２０．９０％よりも低い例えば１０．３１％となる。なお、制御部１００は、窒素置換を実行させるに際し、試験槽２内の圧力が大気圧の１０１．３２５ｋＰａとなるまで窒素ガス導入部５により試験槽２内に窒素ガスを導入させるようにしてもよい。このように、試験槽２内を減圧する減圧部４と、試験槽２内へ窒素ガスを導入する窒素ガス導入部５とを制御することによって、試験槽２内を精度よく所定の酸素濃度に調整することができる。従って、精度よく所定の酸素濃度に調整された、１００℃以上の高温高湿環境下で試験を行うことが可能な環境試験装置１を提供することができる。

本実施形態において制御部１００は、減圧部４及び窒素ガス導入部５による窒素置換の回数と、最終段の窒素置換における減圧部４による減圧後の試験槽２内の真空到達圧力とを制御することにより、試験槽２内を所定の酸素濃度に調整する制御を行うよう、構成されることが望ましい。ここで、最終段の窒素置換とは、減圧部４及び窒素ガス導入部５による窒素置換が複数回実行される場合には最後に実行される窒素置換のことを表し、窒素置換が１回実行される場合には当該窒素置換のことを表す。また、最終段の窒素置換における減圧部４による減圧後の試験槽２内の真空到達圧力（以下、「最終段真空到達圧力」という）は、到達圧力検知センサ４５による検知データに基づいて第２開閉弁４３の開度が調整されることにより、前記設定到達圧力（例えば５０ｋＰａ）と前記設定窒素置換圧力（例えば９０ｋＰａ）との間の任意の到達圧力に調整される。

例えば、制御部１００が減圧部４及び窒素ガス導入部５による窒素置換を１回実行させる場合、最終段真空到達圧力が前記設定到達圧力（例えば５０ｋＰａ）と前記設定窒素置換圧力（例えば９０ｋＰａ）との間の任意の到達圧力に調整されることにより、試験槽２内の酸素濃度を前記初期値２０．９０％と１０．３１％との間の任意の濃度値に調整することができる。このように、制御部１００が、窒素置換の回数と最終段の窒素置換における試験槽２内の真空到達圧力（最終段真空到達圧力）とに基づいて、試験槽２内の酸素濃度を調整する制御を行う構成とすることによって、より細かく酸素濃度を調整することができる。

また、制御部１００は、酸素濃度センサ９による検出結果に基づいて、窒素置換の回数と最終段真空到達圧力とを制御することにより、試験槽２内を所定の酸素濃度に調整する制御を行うよう、構成されてもよい。この酸素濃度センサ９による検出結果を参照して導かれた窒素置換の回数と最終段真空到達圧力とに基づいて、試験槽２内を精度よく任意の所定の酸素濃度に調整することができる。

また、環境試験装置１は、記憶部１０１を備えている。記憶部１０１は、窒素置換の回数、前記設定到達圧力及び前記設定窒素置換圧力と、試験槽２内の酸素濃度とが関連付けられた酸素濃度情報を、予め記憶する。この記憶部１０１に記憶される酸素濃度情報における、窒素置換の回数、前記設定到達圧力及び前記設定窒素置換圧力と、酸素濃度との関連性は、予め実験的に求められたものである。記憶部１０１に記憶される酸素濃度情報の一例を、以下の表１に示す。

環境試験装置１が記憶部１０１を備える構成において、制御部１００は、記憶部１０１に記憶された酸素濃度情報に基づいて、窒素置換の回数と最終段真空到達圧力とを制御することにより、試験槽２内を所定の酸素濃度に調整する制御を行うよう、構成されてもよい。

例えば、試験槽２内の酸素濃度を「４．０２％」に調整する場合、制御部１００は、表１に示される酸素濃度情報に基づいて、窒素置換の回数を「３回」とし、最終段真空到達圧力を設定到達圧力（５０ｋＰａ）と同一の圧力値とする制御を行う。また例えば、試験槽２内の酸素濃度を「４．０２％」と「５．７９％」との間の任意の濃度に調整する場合、制御部１００は、表１に示される酸素濃度情報に基づいて、窒素置換の回数を「３回」とし、第２開閉弁４３の開度を調整して最終段真空到達圧力を設定到達圧力（５０ｋＰａ）と設定窒素置換圧力（９０ｋＰａ）との間の任意の到達圧力とする制御を行う。このように、記憶部１０１に記憶された酸素濃度情報を参照して導かれた窒素置換の回数と最終段真空到達圧力とに基づいて、試験槽２内を精度よく任意の所定の酸素濃度に調整することができる。

また、制御部１００は、酸素濃度調整後に減圧部４の第１開閉弁４２及び第２開閉弁４３を閉状態として試験槽２を密閉状態とした後に、試験槽２内が所定の酸素濃度に維持されつつ１００℃以上の所定の設定温度及び設定相対湿度となるように槽内環境調整部６を制御する。このように、試験槽２内を所定の設定温度及び設定相対湿度に調整する制御が行われると、その制御に応じて試験槽２内の圧力が調整される。本実施形態では、制御部１００は、試料棚２２１に載置された試料２２１Ａにウィスカが発生するように槽内環境調整部６を制御するよう構成される。具体的には、制御部１００は、乾球温度センサ６１Ａによる検出データに基づいて槽内環境調整部６の加熱ヒータ６１の動作を制御し、加湿水温度センサ６２Ａ又は湿球温度センサ６２Ｂによる検出データに基づいて槽内環境調整部６の加湿水ヒータ６２の動作を制御する。これにより、制御部１００は、試料棚２２１に載置された試料２２１Ａにウィスカが発生するように、試験槽２内を１００℃以上の所定の設定温度及び設定相対湿度に調整する。

制御部１００により制御された槽内環境調整部６によって調整される試験槽２内の設定温度は、１００℃以上であり、例えば１０５℃以上１４０℃以下である。また、制御部１００により制御された槽内環境調整部６によって調整される試験槽２内の設定相対湿度は、例えば７５％ＲＨ以上１００％ＲＨ以下である。

なお、本実施形態の環境試験装置１では、１００℃以上の試験環境における相対湿度は次のようにして求める。すなわち、試験槽２内において水蒸気圧が飽和水蒸気圧となっている温度Ｔｂをこれより高い温度Ｔａに上げて、試験槽２内の温度を十分にならしたときの相対湿度は、以下の式（１）で表される。

（相対湿度）＝
（（Ｔｂでの飽和水蒸気圧）／（Ｔａでの飽和水蒸気圧））×１００ ・・・（１）
具体的には、乾球温度センサ６１Ａによる検出データをＴａとし、加湿水温度センサ６２Ａ又は湿球温度センサ６２Ｂによる検出データをＴｂとして、これらのＴａ及びＴｂの値を上記式（１）に代入して相対湿度を求めることができる。

近年の半導体実装基板の鉛フリー化に伴って、例えば錫（Ｓｎ）又は錫合金のめっきが施されたリードには髭状の結晶であるウィスカが発生することが知られている。このウィスカの発生及び成長に、酸素が関与している。本実施形態では、槽内環境調整部６が制御部１００により制御されて試料２２１Ａにウィスカが発生するように、試験槽２内が所定の酸素濃度に維持されつつ、１００℃以上の所定の設定温度及び設定相対湿度の高温高湿環境に調整される。このため、試料２２１Ａにおけるウィスカの発生及び成長を効果的に加速して試験時間を短縮することができる。

ここで、ウィスカの評価に用いる試料２２１Ａについて説明する。図２（ａ）は半導体パッケージ１５１を示す平面図であり、図２（ｂ）は半導体パッケージ１５１を基板１５４に実装した状態を側面から見た断面図である。図３は、図２（ｂ）のリードの１５３の先端部分１５３Ｔの断面を拡大した模式図であって、図３（ａ）は試験前の状態を示し、図３（ｂ）は試験後の状態を示している。

図２（ａ）に示すように、半導体パッケージ１５１は、パッケージ部１５２とこのパッケージ部１５２の周縁部から延設された複数のリード１５３とを有している。図２（ｂ）に示すように、半導体パッケージ１５１の各リード１５３は、基板１５４の表面に設けられた電極１５５に半田１５６によってそれぞれ接続されている。この図２（ｂ）に示す実装基板を、環境試験装置１における試験対象の試料２２１Ａとして用いる。

図３（ａ）に示すように、リード１５３は、銅製の母材１５３ａの表面に錫めっき１５３ｂが施されたものである。リード１５３の先端部分１５３Ｔは、銅製の母材１５３ａが露出している。試料２２１Ａが、酸素が存在する高温高湿環境下に置かれると、図３（ｂ）に示すように、リード１５３の先端部分１５３Ｔにおける母材１５３ａ、錫めっき１５３ｂ及び半田１５６の表面には水分の層１５７が形成される。しかも、１００℃以上の高温でかつ酸素が存在する環境下であるので、リード１５３の先端部分１５３Ｔではガルバニック腐食が生じて先端部分１５３Ｔの錫めっき１５３ｂ及び半田１５６が酸化されて酸化物１５３ｃ，１５６ａが形成される。このように酸化された部分１５３ｃ，１５６ａは体積が増加するので、めっきの層内及び半田層内に内部応力が生じることになる。この内部応力に起因してウィスカ１６１の発生及び成長を促進することができる。

また、本実施形態の環境試験装置１において、記憶部１０１は、試験槽２内の温度及び相対湿度と、試験槽２内の圧力とが関連付けられた蒸気圧表を表す蒸気圧情報を、予め記憶するよう、構成されてもよい。そして、制御部１００は、記憶部１０１に記憶された蒸気圧情報に基づいて槽内環境調整部６を制御し、試験槽２内を所定の設定温度及び設定相対湿度に調整する制御を行う。

ここで、槽内環境調整部６による試験槽２内の環境調整時には、試験槽２内の気体は、酸素濃度調整後に残留した酸素及び窒素を含む空気と水蒸気との混合状態である。従って、記憶部１０１に記憶された蒸気圧情報において、試験槽２内の温度及び相対湿度と関連付けられる試験槽２内の圧力は、水蒸気圧に空気の膨張圧力を加算した値となる。一の制御温度Ｔｓ℃（絶対温度＝（２７３＋Ｔｓ）Ｋ）における空気の膨張圧力は、２３℃（絶対温度＝２９６Ｋ）の標準状態の気圧１０１．３２５ｋＰａを基準として、ボイル・シャルルの法則による下記式（２）を用いて求めることができる。

ＰＶ／Ｔ＝Ｐ´Ｖ´／Ｔ´ ・・・（２）
上記式（２）において、「Ｐ」は２３℃（絶対温度＝２９６Ｋ）の標準状態の気圧（ｋＰａ）を示し、「Ｖ」及び「Ｖ´」は試験槽２の容積を示し、「Ｔ」は標準状態の温度２３℃のときの絶対温度２９６Ｋを示し、「Ｐ´」は空気の膨張圧力（ｋＰａ）を示し、「Ｔ´」は制御温度Ｔｓ℃のときの絶対温度（２７３＋Ｔｓ）Ｋを示す。

試験槽２内が所定の酸素濃度に維持されつつ１００℃以上の所定の設定温度及び設定相対湿度に調整されると、制御部１００は、所定の酸素濃度、設定温度及び設定相対湿度に、試験槽２内が所定時間維持されるように、槽内環境調整部６を制御する。具体的には、制御部１００は、減圧部４の第１開閉弁４２及び第２開閉弁４３を閉状態として試験槽２の密閉状態を維持する。そして、制御部１００は、乾球温度センサ６１Ａによる検出データに基づいて槽内環境調整部６の加熱ヒータ６１の動作を制御し、加湿水温度センサ６２Ａ又は湿球温度センサ６２Ｂによる検出データに基づいて槽内環境調整部６の加湿水ヒータ６２の動作を制御する。これにより、制御部１００は、試験槽２内を所定の酸素濃度、設定温度及び設定相対湿度に維持させる。このように、試験槽２内が所定の設定温度及び設定相対湿度に維持されると、これに応じて試験槽２内の圧力が所定値に維持される。

更に、制御部１００は、前記所定時間経過後に、槽内環境調整部６の加熱ヒータ６１及び加湿水ヒータ６２の動作を制御して、試験槽２内の温度及び圧力を所定の勾配で降下させる。試験槽２内の温度及び圧力が降下して所定値に達すると、環境試験装置１における酸素が存在する高温高湿環境下での試験が終了となる。

＜環境試験方法＞
次に、上記の環境試験装置１を用いた環境試験方法について説明する。図４は、環境試験装置１を用いた環境試験方法における制御の流れを示すフローチャートである。図５は、環境試験装置１を用いた環境試験方法における各工程の温度、湿度及び圧力等の物理量の推移を示すグラフである。本実施形態の環境試験方法では、環境試験装置１の制御部１００によって、酸素濃度調整工程、槽内環境調整工程、環境維持工程、温度降下工程の順に制御が実行される。

まず、ステップｓ１において、作業者は、試験槽２の加湿水貯留部２１に加湿水を給水する。これにより、加湿水貯留部２１に加湿水が貯留される。更に、作業者は、試験槽２の内部の試料棚２２１上に試料２２１Ａを配置した後、試験槽２の開放側端部を扉体３で閉じる。

次に、ステップｓ２において、作業者は、環境試験装置１の図略の操作盤の入力ボタンを用いて試験条件に関するパラメータを入力する。試験条件として入力するパラメータは、酸素濃度、設定温度及び設定相対湿度などの各設定値である。各設定値の入力が完了すると、作業者は、環境試験装置１に設けられた図略のスタートボタンを押して、環境試験装置１の運転を開始する。

環境試験装置１の運転が開始されると、制御部１００は、ステップｓ３及びステップｓ４の酸素濃度調整工程を実行する。この酸素濃度調整工程では、制御部１００は、まず、設定された酸素濃度から窒素置換の回数（例えば３回とする）と最終段真空到達圧力とを求め、ステップｓ３において、減圧部４及び窒素ガス導入部５による窒素置換を実行させる。図５に示す例では、制御部１００は、時刻ｔ１から時刻ｔ２の間で１回目の窒素置換を実行させ、時刻ｔ２から時刻ｔ３の間で２回目の窒素置換を実行させ、時刻ｔ３から時刻ｔ４の間で３回目の窒素置換を実行させている。制御部１００は、１回目の窒素置換において、減圧部４により試験槽２内を設定到達圧力Ｐ１に減圧させた後、試験槽２内の圧力が設定窒素置換圧力Ｐ０となるように窒素ガス導入部５により試験槽２内に窒素ガスを導入させる。また、制御部１００は、１回目の窒素置換と同様に２回目の窒素置換を実行させる。更に、制御部１００は、最終段の３回目の窒素置換において、減圧部４による減圧後の試験槽２内の真空到達圧力を設定到達圧力Ｐ１よりも高い最終段真空到達圧力Ｐ２とする制御を行う。

次に、ステップｓ４において、制御部１００は、酸素濃度センサ９による検出結果に基づいて、試験槽２内の酸素濃度が所定値に達して安定したか否かを判断する。試験槽２内の酸素濃度が所定値に達して安定したと判断した場合には、制御部１００は、減圧部４の第１開閉弁４２及び第２開閉弁４３を閉状態として試験槽２を密閉状態とした後、ステップｓ５及びステップｓ６の槽内環境調整工程を実行する。試験槽２内の酸素濃度が所定値に達していないと判断した場合には、ステップｓ３に戻る。

槽内環境調整工程では、制御部１００は、まず、ステップｓ５において、槽内環境調整部６の加熱ヒータ６１及び加湿水ヒータ６２の動作を制御し、試験槽２内の温度及び相対湿度を調整する制御を行う。このように、試験槽２内の温度及び相対湿度を調整する制御が行われると、その制御に応じて試験槽２内の圧力が調整される。図５に示す例では、制御部１００は、時刻ｔ４から加熱ヒータ６１の動作を開始させ、時刻ｔ５から加湿水ヒータ６２の動作を開始させている。

加熱ヒータ６１及び加湿水ヒータ６２の動作が開始されると、試験槽２内の槽内温度と、試験槽２内の加湿水貯留部２１に貯留された加湿水の温度（加湿水温度）とが、所定の勾配で初期値Ｔ０から上昇する。加湿水温度が上昇して加湿水の蒸発が始まると（時刻ｔ６）、試験槽２内の相対湿度が所定の勾配で初期値Ｈ０から上昇する。時刻ｔ７において槽内温度が１００℃以上の所定の設定温度Ｔ１に達し、加湿水温度が水の沸点Ｔ２に達してから、所定時間経過すると（時刻ｔ８）、試験槽２内の圧力（槽内圧力）が所定の勾配で上昇する。このような槽内圧力の上昇に伴って加湿水温度は、沸点Ｔ２を超えて上昇する。所定の勾配で上昇する加湿水温度、相対湿度、及び槽内圧力は、時刻ｔ８から所定時間経過した時刻ｔ９において、所定の設定加湿水温度Ｔ３、設定相対湿度Ｈ１、及び所定の圧力Ｐ３に達する。

次に、ステップｓ６において、制御部１００は、乾球温度センサ６１Ａ、加湿水温度センサ６２Ａ、及び湿球温度センサ６２Ｂによる検出結果に基づいて、試験槽２内の温度及び相対湿度が所定の設定値に達して安定したか否かを判断する。試験槽２内の温度及び相対湿度が設定値に達して安定したと判断した場合には、制御部１００は、ステップｓ７及びステップｓ８の環境維持工程を実行する。なお、試験槽２内の温度及び相対湿度が所定の設定値に達して安定した場合には、試験槽２内の圧力も所定値で安定する。また、制御部１００は、試験槽２内の圧力が安全面から所定の圧力を超えないように、圧力計８による検出結果に基づいて試験槽２内の圧力を監視する。試験槽２内の温度及び相対湿度が設定値に達していないと判断した場合には、ステップｓ５に戻る。

試験槽２内が所定の酸素濃度に維持されつつ１００℃以上の所定の設定温度Ｔ１及び設定相対湿度Ｈ１に調整されると、制御部１００は、ステップｓ７及びステップｓ８の環境維持工程を実行する。この環境維持工程では、制御部１００は、槽内環境調整部６を制御し、試験槽２内の温度、相対湿度及び圧力を、所定の設定温度Ｔ１、設定相対湿度Ｈ１、及び所定の圧力Ｐ３に、所定時間維持する。すなわち、制御部１００は、ステップｓ７において図略のタイマの計測を開始して（時刻ｔ９）、ステップｓ８に進む。

このステップｓ８において、制御部１００は、前記タイマの計測時間が予め設定された所定時間まで達したか否かを判断し、前記タイマの計測値が前記所定時間に達するまでこの判断を繰り返す。前記タイマの計測値が前記所定時間に達するまでの間（時刻ｔ９から時刻ｔ１０までの間）、試験槽２内は、温度、相対湿度及び圧力が、所定の設定温度Ｔ１、設定相対湿度Ｈ１、及び所定の圧力Ｐ３に維持される。前記タイマの計測値が前記所定時間に達すると、制御部１００は、環境維持工程を終了し、ステップｓ９〜ステップｓ１１の温度降下工程に進む。

温度降下工程では、制御部１００は、まず、ステップｓ９において、槽内環境調整部６の加熱ヒータ６１及び加湿水ヒータ６２の動作の制御を開始して（時刻ｔ１０）、試験槽２内の温度及び圧力を所定の勾配で降下させる。そして、制御部１００は、ステップｓ１０において試験槽２内の圧力が所定値以下になったか否かを判断し、ステップｓ１１において試験槽２内の温度が所定温度まで低下したか否かを判断する。試験槽２内の槽内温度が所定温度Ｔ４に達し、加湿水温度が所定温度Ｔ５に達し、槽内圧力が所定値Ｐ４に達すると（時刻ｔ１１）、環境試験装置１における酸素が存在する高温高湿環境下での試験が終了となる。

以上、本発明の実施形態に係る環境試験装置１及び環境試験方法について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば次のような変形実施形態を採ることができる。

（１）上記の実施形態においては、制御部１００が、減圧部４による試験槽２内の減圧後、窒素ガス導入部５による試験槽２内への窒素ガスの導入による窒素置換を行うことにより、試験槽２内を所定の酸素濃度に調整する制御を行う構成について説明したが、本発明は、この構成に限定されるものではない。例えば、制御部１００は、減圧部４により試験槽２内を減圧させつつ、窒素ガス導入部５により試験槽２内へ窒素ガスを導入させる窒素置換を行うよう構成されてもよい。

（２）また、上記の実施形態においては、環境試験装置１における試験対象である試料２２１Ａを半導体実装基板とする構成について説明したが、本発明は、この構成に限定されるものではない。本発明における環境試験装置１及び環境試験方法は、酸素が存在する高温高湿環境下で試験を行うものであり、その試験対象である試料２２１Ａは、電子部品やこれらの部品で組み立てられたものなど、どのような形態であってもよい。また、環境試験装置１は、試験対象である試料２２１Ａにおけるウィスカの発生を評価するものでなくてもよい。また、試験対象である試料２２１Ａは、電子部品でなくてもよい。

（３）また、上記の実施形態においては、試験槽２内の酸素濃度調整後に、制御部１００が、試験槽２内が所定の酸素濃度に維持されつつ所定の設定温度及び設定相対湿度となるように、槽内環境調整部６を制御する構成について説明したが、本発明は、この構成に限定されるものではない。例えば、槽内環境調整部６を、所定の設定温度及び設定相対湿度に加えて所定の設定圧力に試験槽２内を調整することが可能な構成とし、制御部１００は、試験槽２内が所定の酸素濃度に維持されつつ所定の設定温度、設定相対湿度及び設定圧力となるように槽内環境調整部６を制御するよう構成されてもよい。

１ 環境試験装置
２ 試験槽
２１ 加湿水貯留部
２２ 内シリンダ
２２１ 試料棚
２２１Ａ 試料
４ 減圧部
４４ 真空ポンプ
５ 窒素ガス導入部
６ 槽内環境調整部
６１ 加熱ヒータ
６２ 加湿水ヒータ
９ 酸素濃度センサ（酸素濃度検出部）
１００ 制御部
１０１ 記憶部

Claims (10)

1. 試験対象である試料を内部に配置可能な試験槽と、
   前記試験槽内を大気圧未満の圧力に減圧可能な減圧部と、
   前記試験槽内に窒素ガスを導入可能な窒素ガス導入部と、
   前記試験槽内を１００℃以上の所定の設定温度及び設定湿度に調整可能な槽内環境調整部と、
   前記減圧部及び前記窒素ガス導入部による窒素置換を行うことにより、前記試験槽内が所定の酸素濃度となるように制御し、前記試験槽内が前記所定の酸素濃度に維持されつつ前記設定温度及び前記設定湿度となるように前記槽内環境調整部を制御する制御部と、を備えた環境試験装置。
2. 前記制御部は、前記減圧部による前記試験槽内の減圧後、前記窒素ガス導入部による前記試験槽内への窒素ガスの導入による窒素置換を行うことにより、前記試験槽内を前記所定の酸素濃度に調整する制御を行う、請求項１に記載の環境試験装置。
3. 前記制御部は、前記窒素置換の回数と、最終段の窒素置換における前記減圧部による減圧後の前記試験槽内の到達圧力とを制御することにより、前記試験槽内を前記所定の酸素濃度に調整する制御を行う、請求項１又は２に記載の環境試験装置。
4. 前記窒素置換の回数及び前記到達圧力と、前記試験槽内の酸素濃度とが関連付けられた酸素濃度情報を、予め記憶する記憶部を更に備え、
   前記制御部は、前記記憶部に記憶された前記酸素濃度情報に基づいて、前記窒素置換の回数と前記到達圧力とを制御することにより、前記試験槽内を前記所定の酸素濃度に調整する制御を行う、請求項３に記載の環境試験装置。
5. 前記試験槽内の酸素濃度を検出する酸素濃度検出部を更に備え、
   前記制御部は、前記酸素濃度検出部による検出結果に基づいて、前記窒素置換の回数と前記到達圧力とを制御することにより、前記試験槽内を前記所定の酸素濃度に調整する制御を行う、請求項３に記載の環境試験装置。
6. 前記制御部は、前記試料にウィスカが発生するように前記槽内環境調整部を制御する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の環境試験装置。
7. 試験対象である試料を試験槽内に配置する工程と、
   減圧部により前記試験槽内を大気圧未満の圧力に減圧し、窒素ガス導入部により前記試験槽内に窒素ガスを導入する窒素置換を行うことにより、前記試験槽内を所定の酸素濃度に調整する酸素濃度調整工程と、
   槽内環境調整部により、前記試験槽内を前記所定の酸素濃度に維持しつつ１００℃以上の所定の設定温度及び設定湿度に調整する槽内環境調整工程と、を含む環境試験方法。
8. 前記酸素濃度調整工程は、前記減圧部による前記試験槽内の減圧後、前記窒素ガス導入部による前記試験槽内への窒素ガスの導入による窒素置換を行うことにより、前記試験槽内を前記所定の酸素濃度に調整する、請求項７に記載の環境試験方法。
9. 前記酸素濃度調整工程は、前記窒素置換の回数と、最終段の窒素置換における前記減圧部による減圧後の前記試験槽内の到達圧力とに基づいて、前記試験槽内を前記所定の酸素濃度に調整する、請求項７又は８に記載の環境試験方法。
10. 前記槽内環境調整工程は、前記試料にウィスカを発生させる工程である、請求項７〜９のいずれか１項に記載の環境試験方法。