JPH0830694B2 - 電子部品のはんだ付性を評価する方法 - Google Patents
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Description
し、特に電子部品リードおよびプリント配線基板のはん
だ付け性を評価するための方法および装置に関する。
る主要なコスト問題は、特に貯蔵中の電子部品およびプ
リント回路基板のはんだ付け性の喪失である。部品リー
ドおよびプリント配線基板の貧弱なはんだ付け性ははん
だ接合不良の75%もの原因であると考えられる。湿気
のある環境はこの問題を悪化させることが知られている
ので、電気化学的メカニズムは明らかにはんだ付け性劣
化の原因である。たとえば鉛−錫−銅はんだ系におい
て、以前の研究によって錫−鉛(Sn−Pb)表面およ
びその下の銅−錫(Cu−Sn)金属間層の酸化は劣化
プロセスに含まれることがわかった。しかしながら、過
去には、様々な酸化物およびはんだ付け性の劣化におけ
るその役割は曖昧なままであった。
型的に使用された伝統的な技術ははんだ付け性の主観的
な表示しか与えない。現在使用されている製造テスト方
法もまた本来破壊的なものである。はんだ性の劣化は電
気化学的メカニズムを含むことが知られているので、は
んだ付け性ははんだ付け性を劣化させることが知られて
いる金属酸化物の定量分析を本来の場所に与える電気化
学的方法を使用してより正確にかつ効率的に評価され得
ると考えられる。特に、既製の部品をテストするために
かつ製造環境におけるプロセス制御のために容易に適用
されるはんだ付け性分析の定量的で非破壊的で電気化学
的な方法が必要である。
ト配線基板のはんだ付け性を評価するための順次の電気
化学的還元方法および装置を含む。このプロセスは鉛−
錫−銅はんだ系および他の金属と合金とを含むはんだ系
に適用可能である。この方法ははんだ表面および任意の
金属間層上に存在するときはんだ付け性を劣化させるこ
とが知られている金属酸化物を検出しかつ定量する。こ
の発明は電子部品およびプリント配線基板のはんだ付け
性の定量的な測定を与える非破壊的な方法を含む。
れるべき部品または回路基板のはんだ付け可能な部分を
ホウ酸塩緩衝液のような電解質に置くことによって行な
われる。浸された部品は第1の電極を形成する。第2の
不活性電極および飽和カロメル電極のような第3の基準
電極もまた電解質に置かれる。小さな陰極電流が不活性
電極からテストされる部品へと流され、部品と基準電極
との間の電位は時間の関数で記録される。第2の不活性
電極が使用される低電流で安定した電圧を有するシステ
ムにおいて、それは基準電極としても機能することが可
能であり、それによって別個の基準電極の必要性を排除
する。電極電位対流される総電荷(時間をかけられた電
流)のプロットにおいて、電圧レベルが特定の酸化物ま
たは酸化物混合物を示す一連の変曲点または台地が観察
され、かつ関連電荷はその特定の酸化物の厚さの測定値
である。
気化学的還元から得られた結果は様々なエイジング処理
に露呈された標本に関するベースライン実験から得られ
た類似の分析結果と比較される。ぬれ平衡方法によって
決定されるように、エイジングされた標本のはんだ付け
性は分析の順次電気化学的還元方法の結果と相関関係が
あることが発見された。したがって、テストされた部品
から得られた分析結果は、既知の酸化物およびはんだ付
け性特性を有するエイシジングされた標本から得られた
ベースライン結果と比較されてテストされた部品のはん
だ付け性を決定することが可能である。
金属間層上に存在する金属酸化物の型および量を識別し
かつ最小限にすることによって電子部品および回路基板
のはんだ付け性を改良することである。この発明の特徴
は電子部品のはんだ付け性の喪失を引起こす金属酸化物
を識別するために順次の電気化学的還元方法を使用する
ことである。この発明の利点は実行するのが容易でかつ
電子部品のはんだ付け性の定量測定を与える非破壊的な
方法を提供することである。この情報は製造はんだ付け
プロセスを制御するために、かつプリント配線基板およ
び他の電子部品のための製造プロセスを改良するために
有用である。
そのさらなる利点のために、以下の好ましい実施例の詳
細な説明は添付の図面を参照する。
配線基板および電子部品リードにおける銅をはんだ付け
性の喪失につながり得る酸化から保護するために広く使
用される。典型的なはんだ被覆は溶融めっきによって直
接適用され得る、または電気めっきされて還流(reflow
ing )(溶解)によって密度を高められ得る、たとえば
共融のSn−Pbを含む。完成部品のはんだ付け性は堆
積されたはんだの金属比、被覆の厚さ、はんだ浴の型、
めっき状態、めっき浴添加物からの有機汚染物質の存在
および分解生(breakdown )成物の発生によって影響さ
れる。十分な厚さでかつ適切に適用された場合、かかる
被覆は通常の貯蔵を数年経た後でさえ元来のはんだ付け
性を保持し得る。しかしながら、Sn−Pb被覆はしば
しば酸化して、貧弱な被覆品質および/または貧弱な貯
蔵環境の結果としてはんだ付け性を失う。
られた端部を有する1cm長さの部分を露呈するために
登録商標テフロン(Teflon)熱収縮管でマスクされた長
さ2.5cmの1.5mm直径の硬質Cuワイヤであっ
た。露呈された部分は55℃で標準非添加ピロリン酸塩
浴から10μmのCuでめっきされ、それから室温で標
準フルオロホウ酸塩浴から12μmの共融のSn−Pb
でめっきされた。めっき中ワイヤ陰極は2000rpm
で回転され、溶液中の質量輸送を制御した。60/40
Sn−Pb比率は酸性溶液に溶解された標本の原子吸収
分析およびX線蛍光分析によって確かめられた。Sn−
Pb被覆は使用に先立ってわずかな時間の間235℃で
水溶性油の中に還流された。標本は様々な蒸気エイジン
グおよび陽極化処理にかけられて酸化されたサンプルを
生み出した。
飽和カロメル電極(SCE)のための別個の区画を有す
る200mLガラスセル中のアルゴン大気下で8.4の
pHでホウ酸塩緩衝液(9.55g/Lホウ酸ナトリウ
ムおよび6.18g/Lホウ酸)中の標本に対して行な
われた。Cu−Sn−Pb系と相溶性のある(compatib
le)他の電解質は他の不活性材料の基準電極および対電
極の代替の型と関連して使用され得る。すべての電気化
学的実験はポテンショスタット−ガルバノスタット(P
ARモデル173、EG&Gプリンストン・アプライド
・リサーチ・コーポレーション(Princeton Applied Re
search Corp.),プリンストン,NJ)を使用して行な
われた。はんだ付け性テストはデジタルオシロスコープ
(ニコレット(Nicolet )モデル2090、ニコレット
・インスツルメント・コーポレーション(Nicolet Inst
rument Corp.)マジソン(Madison )、WI)に関連し
て修正されたウィルヘルミィ(Wilhelmy) ぬれ平衡を使
って行なわれた。
ウ酸塩緩衝液中の標本電極に加えられ、電極電位対基準
SCE電極は時間の関数で記録された。PbO、SnO
およびSnO2 の還元に対応すると考えられる変曲点は
約−0.6V、−0.9Vおよび−1.1Vでそれぞれ
観察された。純粋なPbおよびSn電極を含む循環ボル
タンメトリの測定値から、陽極化による酸化物の形成の
間に送られる陽極電荷とその還元のために要求される陰
極電荷との間には1対1の対応があることが決定され
た。この結果はこの発明の電気化学的還元方法が存在す
る各表面酸化物の量の定量測定を与えることを示す。加
えて、かかる厚い酸化物は順次に還元され得るという事
実ははっきりと感知できる酸化物多孔性を示す。激しく
酸化された標本は非常にまずいはんだぬれ特性を示すこ
とが一貫して発見され、それによってより高いSn酸化
物の存在とはんだ付け性の喪失との間にリンクを確立し
た。
および共融のSn−Pb上に形成された酸化物の順次の
電気化学的還元分析から得られた典型的な曲線を例示す
る。これらの曲線は電極電位対電荷密度(電流密度×時
間に等しい)を表わす。曲線は電圧レベルが特定の酸化
物を示しかつ関連電荷は酸化物の厚さの測定値である一
連の変曲点または台地を含む。Sn−Pb被覆におい
て、2つのPb酸化物は通常小さな濃度においてのみ存
在する。Sn酸化物を約−0.8Vないし−1.0Vの
電圧で還元する低酸化物(主にSnOであると考えられ
る)、および約−1.0Vないし−1.4Vの電圧(対
基準SCE電極)で還元する高酸化物(主にSnO2 で
あると考えられる)と呼ぶことは便利である。負の電圧
ピークは下にある材料より還元するのがより難しい外側
の層を有する二重の構造を示すと考えられる。
ング)および蒸気エイジング(24時間)の後のSn−
Pbはんだ標本をテストすることから得られたデータの
表である。還元のための電荷密度(mC/cm2 で測定
される)は存在する酸化物の量および型の表示である。
ぬれ時間はぬれ平衡方法によって入手可能な最大の理論
上のぬれ力の3分の2を得るための秒で表わした時間の
測定である。電荷密度データおよびぬれ時間データは同
じように準備された標本について報告されているが、同
一の標本については報告されていない。この研究に使用
された比較的厚いテスト標本の高い熱慣性のために、ぬ
れ時間はより薄い標本に対して予期されるであろうより
一般に高いことにも注目しなければならないが、重要な
のは相対値である。図2のデータから、この発明の電気
化学的還元方法によって検出された大量のより高いSn
酸化物の存在は、長いぬれ時間によって示されるよう
に、はんだ付け性の喪失と相関関係があることが理解さ
れる。この発明の方法はまた図2に示された喪失よりわ
ずかなはんだ付け性の喪失を検出するのに有用であっ
た。
Cu−Sn金属間酸化物もまたこの発明の順次電気化学
的還元方法によって容易に検出され得る。主要なCu−
Sn金属間酸化物は3μmのSnで標準Cu−めっきさ
れたワイヤ標本をめっきすることによって、Snのすべ
てをCu3 Snに変換するために3日間200℃で真空
下で熱することによって調査された。これらの標本はは
んだによってほぼ完全にぬらすことができないことが発
見された。約5原子層の厚さの1層の天然酸化物がアル
ゴン飽和ホウ酸塩緩衝電解質で完全に還元されることが
発見された。還元された表面は脱気された溶液中で安定
したが、還元された表面をわずか5秒間空気に露呈する
とSnO還元について観察されたのとほぼ同一の電圧
(−0.9V)で輪郭のはっきりした台地を示す5原子
層の酸化物の再成長という結果になった。一夜で、この
酸化物は10原子層より大きい厚さになり、還元曲線は
より安定したSn酸化物の存在を示す長いテールを示し
た。これらの結果はCu3 Sn金属間化合物に伴う主要
な問題は相対的に厚い酸化物層がその表面上で形成する
速い速度であることを示す。これはCuが陰極として作
用する局部電池作用の結果であると考えられる。
する方法はベースライン実験で上に述べられたのと本質
的に同一である。テストされるべき電子部品リードは電
解質に浸されて第1の電極を形成する。第2の不活性対
電極および第3の基準電極もまた電解質の中に置かれ
る。負の電流が部品と第2の電極との間に流される一方
で、部品と基準電極と間の電位は時間の関数で記録され
る。上述のように、第2の不活性電極が使用される低電
流で安定した電圧を有するシステムにおいて、第2の電
極は基準電極としても機能し得るので、それによって別
個の基準電極の必要性を排除する。得られた電圧対電荷
密度曲線は部品リード上の様々な型および量の酸化物を
示す。このデータはベースライン実験からの既知の結果
と比較されて部品リードのはんだ付け性を特徴付ける。
図3および図4に概略に示されたのと類似の装置を使っ
て達成され得る。図3の装置はスルーホールはんだ点を
テストするのに適切でありかつ図4の装置は表面装着部
品のために使用されるはんだパッドをテストするために
適切である。同一の参照番号が2つの装置の同一または
類似のエレメントを示すために図3および図4で使用さ
れる。図3において、はんだ付け性をテストされるべき
裸のまたははんだ被覆されたプリント銅回路を有する配
線基板20は上部顎22と下部顎32との間に締付けら
れる。上部顎22は開口部24とOリング26とを有す
る。Oリング26は顎22の下部側に取付けられ、開口
部24を取囲む。下部顎32は開口部34とOリング3
6とを有する。Oリング36は顎32の下部側に取付け
られ、開口部34を取囲む。中心ピン41を有するチャ
ンバ40は顎22の頂上に装着される。チャンバ40は
顎22上に装着されるので、ピン41は顎22の開口部
24を介して下方向に延在することが可能である。ピン
41はOリング26と36との間のプリント配線基板2
0のスルーホール電極46を位置決めするために使用さ
れ得る。回路基版20がピン41によって位置決めされ
かつ顎22と32との間に締付けられる場合、Oリング
26と36とはスルーホール46に関連する裸のまたは
はんだ被覆されたプリント銅回路のはんだ付け性の評価
の準備にスルーホール電極46のまわりに封止を与え
る。
34から封止された電解質貯蔵器50へと延在する。貯
蔵器50は電解質溶液52と電解質52上のアルゴンの
ような不活性ガス54とを含む。電解質52はCu−S
n−Pb系とともに使用するのに適切なホウ酸塩緩衝液
(たとえば9.55g/Lホウ酸塩ナトリウムおよび
8.4のpHの6.18g/Lホウ酸)のような特定の
はんだ系と相溶性のある任意の電解質を含み得る。様々
な種類の電解質(たとえばホウ酸塩、クエン酸塩、硫酸
塩、硝酸塩等)は受容可能な結果を与えるであろう。し
かしながら中性のまたはアルカリpHを有し、それから
強い金属キレート試薬(たとえば塩化物、臭化物等)が
除かれた電解質は最も正確な測定値を与えるであろう。
不活性ガス54は気体源58からガスライン56を介し
て貯蔵器50に供給される。ガス54はガス出口弁57
を介して貯蔵器50から出ることが可能である。アルゴ
ンのような不活性ガス54はシステムから空気をどっと
流して酸素の存在によって引起こされる誤った電気化学
的還元データを排除するために使用される。たとえば飽
和カロメル電極(SCE)を含み得る基準電極60は貯
蔵器50および電解質52へと延在する。基準電極60
は貯蔵器50内の別個の区画の中に置かれ電解質の任意
の汚染の影響を最小限にする。
制御システム62はリード61、63および65によっ
て、基準電極60、チャンバ40のチャンバ内に延在す
る不活性対電極64(たとえばプラチナのような)、お
よび回路基板20のプリント回路によってスルーホール
電極46に接続されるスルーホールコンタクト66にそ
れぞれ接続される。代替の実施例において、もし不活性
電極64が使用される低電流で安定した電圧を有すれ
ば、それは基準電極としても機能することができるの
で、それによって別個の基準電極60への必要性を排除
する。
ルーホール46をOリング26と36との間に位置決め
するためにピン41を使用することによってはんだ付け
性をテストされる。回路基板20は顎22と32との間
に固定して締付けられ、その結果Oリング26と36と
は電極46のまわりに封止を形成する。ピン41はスル
ーホール46から引込めることが可能である。チャンバ
40は弁43によって制御される真空ライン42および
弁45によって制御される不活性ガスライン44に接続
される。弁45はチャンバ40、スルーホール46およ
び管48に不活性ガスをどっと流してシステムから酸素
を除去するために開けられる。その後、弁45は閉じか
つ弁43は開いて電解質52は管48を介して、電極4
6を介しておよびそのまわりにならびに対電極64上の
チャンバ40に引張られる。
態で、システム62は約10−1000μA/cm2 の
範囲の一定の電流をライン63、電極64、電解質5
2、電極46、スルーホール66およびライン65を介
して源62へ戻って与える(つまり負の電流は回路基板
が20のスルーホール電極46から対電極64へ供給さ
れる)。源62によって与えられた電流はスルーホール
電極46の裸のまたははんだ被覆された銅回路上の酸化
物の順次の電気化学的還元を引起こす。推奨された10
−1000μA/cm2 より大きいまたは小さい電流が
使用され得る。つまり低電流は時間を犠牲にして高い分
解(resolution)を与え、高電流は結果は速い結果を与
えるが低い分解(resolution)を与える。電流を供給す
る一方で、システム62は時間の関数でスルーホール電
極46と基準電極60との間の電極電位を測定しかつ記
録する。時間ファクタは電流密度を経過した時間で掛け
ることによって電荷密度に変換され得る。上述のよう
に、電極電位対電荷密度(または時間)の示度は特定の
酸化物が様々な酸化物層の厚さとともに還元されつつあ
ることを示す一連の変曲点または台地を生み出す。結果
はベースラインデータと比較されて電極46上にある特
定の酸化物およびはんだ付け性の関連測定を決定する。
典型的な回路基板20は多数のスルーホール電極を含む
けれども、少数のスルーホール(統計的なサンプル)は
回路基板20全体のはんだ付け性の特徴を表わすことが
テストされ得る。
代わりに回路基板20上のはんだパッド電極68をテス
トするために適切な前述のシステムの単なる変形例であ
る。変形された装置はその底のへりのまわりにOリング
20を有する開底容器70を含む。容器70は基板20
の頂上に置かれ、その結果Oリング72ははんだパッド
電極68を取囲む。容器70は典型的に電解質52を加
えるための蓋またはポート(図示せず)を含む。クリッ
プ(図示せず)が基板20を容器70の底に固定するた
めに使用されるので、その結果機密な封止がOリング7
2によってはんだパッド電極68のまわりに維持され
る。不活性ガス54はガス源58からライン56によっ
て容器70に供給される。封止がパッド電極68のまわ
りに行なわれた後、容器70は空気がベント57から逃
れる状態で、不活性ガス54をどっと流され得る。容器
70は基準電極60を部分的に隔離するために多孔性の
ガラスフリット75を有する接続されたチャンバ74を
含み得る。システム62ははんだパッド電極68上の金
属酸化物の電気化学的還元のための電流を与える。電流
は制御システム62からライン63、電極64、電解質
52、パッド電極68、回路接続されたパッド電極69
およびライン65を介してシステム62に戻される。シ
ステム62はまたパッド電極68上の金属酸化物の電気
化学的還元の間時間の関数でパッド電極68と基準電極
60との間の電極電位を測定しかつ記録する。電極60
は例示されるように、チャンバ74に置かれてもよい
し、または電極64はある環境で基準電極として機能
し、それによって別個の基準電極60の必要性を排除し
てもよい。上述のように、電極電位対時間の記録はベー
スラインデータと比較されてパッド電極68上に存在す
る特定の酸化物およびはんだ付け性の関連測定を決定す
る。
てきたが、様々な変更および修正がこの発明の範囲から
逸脱することなく当業者によって実行され得る。したが
って、この発明は前掲の特許請求の範囲にあるかかる変
更および修正を包含することを意図するものである。
順次の電気化学的還元を例示しかつ様々な酸化物が還元
される間の電圧範囲を示す電極電位対電荷密度のグラフ
である。
によって示されるように、より高いSn酸化物の存在と
貧弱なはんだ付け性との間の相関関係を示す表である。
け性を評価するための装置の概略の図である。
付け性を評価するための装置の概略の図である。
Claims (5)
- 【請求項1】 表面酸化物の連続的な電気化学的還元に
よって電子部品のはんだ付性を決定する方法であって、 第1の電極を形成するために前記部品のはんだ付可能な
部分を電解質に接触して配置するステップと、 第2の電極を前記電解質と接触して配置するステップ
と、前記電解質と接触している前記部品の前記はんだ付
可能な部分上に存在する金属酸化物を連続的に還元する
間に時間の関数として前記第1と第2の電極間で電圧お
よび電流を測定するステップと、 前記部品の前記はんだ付可能な部分上で前記連続的に還
元された金属酸化物のタイプと量を同定するために、時
間に対する電圧と電流の測定から電荷密度に対する電極
電位をプロットするステップと、 前記連続的に還元された金属酸化物の前記同定されたタ
イプと量に基づいて前記部品のはんだ付性を決定するス
テップを含むことを特徴とする方法。 - 【請求項2】 前記はんだ付性を決定するステップはさ
らに、既知のはんだ付性を有するテスト標本からのベー
スラインデータに対して前記金属酸化物の前記同定され
たタイプと量を関係づけるステップを含むことを特徴と
する請求項1に記載の方法。 - 【請求項3】 前記電解質を含むための封止可能な貯蔵
器を設けるステップと、 前記電解質から酸素を除去するために前記電解質を不活
性ガスで流すステップをさらに含むことを特徴とする請
求項1に記載の方法。 - 【請求項4】 表面酸化物の連続的な電気化学的還元に
よって電子部品のはんだ付性を決定する方法であって、 第1の電極を形成するために前記部品のはんだ付可能な
部分を電解質と接触して配置するステップと、 第2の電極を前記電解質と接触して配置するステップ
と、 第3の基準電極を前記電解質と接触して配置するステッ
プと、 前記電解質と接触している前記部品の前記はんだ付可能
な部分上に存在する金属酸化物を連続的に還元するため
に、前記第1と第2の電極を電力源に接続して前記第1
と第2の電極間に電流を流すステップと、 前記金属酸化物の前記連続的な電気化学的還元の間に時
間の関数として前記第1と第2の電極間の電流と前記第
1と第3の電極間の電圧を測定するステップと、 前記部品の前記はんだ付可能な部分上で前記連続的に還
元された金属酸化物のタイプと量を同定するために、前
記時間に対する電圧と電流の測定から電荷密度に対する
電極電位をプロットするステップと、 前記連続的に還元された金属酸化物の前記同定されたタ
イプと量に基づいて前記部品のはんだ付性を決定するス
テップを含むことを特徴とする方法。 - 【請求項5】 前記電解質を含むための封止可能な貯蔵
器を設けるステップと、 前記電解質から酸素を除去するために前記電解質を不活
性ガスで流すステップと、 飽和カロメル電極を前記第3の基準電極として前記貯蔵
器の1つの区画内に配置するステップをさらに含むこと
を特徴とする請求項4に記載の方法。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US706142 | 1991-05-28 | ||
US07/706,142 US5262022A (en) | 1991-05-28 | 1991-05-28 | Method of assessing solderability |
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