JP2002228706A - 接触接続寿命予測方法 - Google Patents
接触接続寿命予測方法Info
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- JP2002228706A JP2002228706A JP2001021025A JP2001021025A JP2002228706A JP 2002228706 A JP2002228706 A JP 2002228706A JP 2001021025 A JP2001021025 A JP 2001021025A JP 2001021025 A JP2001021025 A JP 2001021025A JP 2002228706 A JP2002228706 A JP 2002228706A
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- Wire Bonding (AREA)
- Testing Of Individual Semiconductor Devices (AREA)
- Measuring Leads Or Probes (AREA)
- Tests Of Electronic Circuits (AREA)
Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】熱サイクル試験を行わずに接触接続部の接続寿
命を求める。 【解決手段】各サイクルごとの電極と配線間の抵抗値を
測定する第１工程と、第１工程で測定した抵抗値とその
抵抗値を測定した際のサイクル数と基板上の基準となる
ある点から抵抗値を測定した箇所までの距離との関係を
求める第２工程と、あらかじめ求めた電極と配線間の相
対的な移動量と基板上の基準となるある点から抵抗値を
測定した箇所までの距離の関係を求める第３工程と、抵
抗値とその抵抗値を測定した際のサイクル数と温度サイ
クル試験における電極と配線間の相対的な移動量の関係
を示す接続寿命予測曲線を作成する第４工程と、新規接
続形態における電極と配線間の相対的な移動量を求める
第５工程と、第４工程で求めた接続寿命予測曲線と第５
工程で求めた新規接続形態での移動量を用いて新規接続
形態での寿命を求める第６工程とを備える。
命を求める。 【解決手段】各サイクルごとの電極と配線間の抵抗値を
測定する第１工程と、第１工程で測定した抵抗値とその
抵抗値を測定した際のサイクル数と基板上の基準となる
ある点から抵抗値を測定した箇所までの距離との関係を
求める第２工程と、あらかじめ求めた電極と配線間の相
対的な移動量と基板上の基準となるある点から抵抗値を
測定した箇所までの距離の関係を求める第３工程と、抵
抗値とその抵抗値を測定した際のサイクル数と温度サイ
クル試験における電極と配線間の相対的な移動量の関係
を示す接続寿命予測曲線を作成する第４工程と、新規接
続形態における電極と配線間の相対的な移動量を求める
第５工程と、第４工程で求めた接続寿命予測曲線と第５
工程で求めた新規接続形態での移動量を用いて新規接続
形態での寿命を求める第６工程とを備える。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は金属接続を伴わず主
として接触による半導体素子接触接続部の寿命予測方法
に関する。
として接触による半導体素子接触接続部の寿命予測方法
に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来電子回路部品の接続寿命予測に関し
ては、はんだ接続についてCoffin-Mansonの式が広く知
られている（Manson著「International Journal of Fra
cture Mechanics」 vol.2 (1966)）。はんだ接続に関す
る疲労寿命予測は、多くの研究と経験に基づいて様々な
評価方法が提案されている。特に上述のCoffin-Manson
則は様々な金属の熱サイクル疲労寿命評価が可能であ
り、はんだ接続の場合、はんだ材に生じる熱歪み振幅に
より熱サイクル寿命を予測することができる。
ては、はんだ接続についてCoffin-Mansonの式が広く知
られている（Manson著「International Journal of Fra
cture Mechanics」 vol.2 (1966)）。はんだ接続に関す
る疲労寿命予測は、多くの研究と経験に基づいて様々な
評価方法が提案されている。特に上述のCoffin-Manson
則は様々な金属の熱サイクル疲労寿命評価が可能であ
り、はんだ接続の場合、はんだ材に生じる熱歪み振幅に
より熱サイクル寿命を予測することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記のようにマイクロ
接合部における寿命予測手法としては、はんだ接続にお
けるCoffin-Manson則が広く知られているが、その他の
接続方式ではほとんど提案されていない。異方導電性フ
ィルムなどを用いる接触接続に関しては接続劣化機構が
明確でないこと、はんだ接続の場合は歪み振幅を接続劣
化の評価因子とするが、接触接続では評価因子の限定が
難しいことなどから寿命予測は困難であった。そのため
接触接続方式を採用する際には、様々な条件のサンプル
にて実際に熱サイクル試験を行って接続寿命を確認する
必要があり、時間とコストがかかっていた。
接合部における寿命予測手法としては、はんだ接続にお
けるCoffin-Manson則が広く知られているが、その他の
接続方式ではほとんど提案されていない。異方導電性フ
ィルムなどを用いる接触接続に関しては接続劣化機構が
明確でないこと、はんだ接続の場合は歪み振幅を接続劣
化の評価因子とするが、接触接続では評価因子の限定が
難しいことなどから寿命予測は困難であった。そのため
接触接続方式を採用する際には、様々な条件のサンプル
にて実際に熱サイクル試験を行って接続寿命を確認する
必要があり、時間とコストがかかっていた。
【０００４】本発明の目的は、シミュレーションなどを
用いることにより熱サイクル試験を行わずに接触接続部
の接続寿命を求めることである。
用いることにより熱サイクル試験を行わずに接触接続部
の接続寿命を求めることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】ところで、半導体素子と
基板間の電気的導通に関して、金属接続を伴わない主と
して接触による電極と配線間の接続部では、周囲の温度
変化が生じた際に半導体素子と基板の線膨張係数に差が
あるため、電極と配線間では接触面のずれが生じる。接
触面は温度変化が繰り返し生じることにより互いに擦り
合わされ、接触界面には図２のような摺動した痕が見ら
れる。この摺動により接触部が削られて接触面積が減少
することにより、接触接続部の接続寿命は低下する。
基板間の電気的導通に関して、金属接続を伴わない主と
して接触による電極と配線間の接続部では、周囲の温度
変化が生じた際に半導体素子と基板の線膨張係数に差が
あるため、電極と配線間では接触面のずれが生じる。接
触面は温度変化が繰り返し生じることにより互いに擦り
合わされ、接触界面には図２のような摺動した痕が見ら
れる。この摺動により接触部が削られて接触面積が減少
することにより、接触接続部の接続寿命は低下する。
【０００６】そこで、本発明では、この摺動痕の長さを
接触接続の接続寿命を評価する因子として考えて上記目
的を達成することとした。すなわち、半導体素子を基板
上に実装し該半導体素子の有する電極と該基板の有する
配線とを電気的に接続した実装構造体に対して温度サイ
クル試験における各サイクルごとの電極と配線間の抵抗
値を測定する第１工程と、該第１工程で測定した抵抗値
とその抵抗値を測定した際のサイクル数と基板上の基準
となるある点から抵抗値を測定した箇所までの距離との
関係を求める第２工程と、あらかじめ求めた温度サイク
ル試験における電極と配線間の相対的な移動量と該基板
上の基準となるある点から抵抗値を測定した箇所までの
距離の関係を求める第３工程と、該抵抗値とその抵抗値
を測定した際のサイクル数と該温度サイクル試験におけ
る電極と配線間の相対的な移動量の関係を示す接続寿命
予測曲線を作成する第４工程と、新規接続形態における
電極と配線間の相対的な移動量を求める第５工程と、該
第４工程で求めた接続寿命予測曲線と該第５工程で求め
た新規接続形態での移動量を用いて新規接続形態での寿
命を求める第６工程とを備えることで上記目的を達成す
ることとした。
接触接続の接続寿命を評価する因子として考えて上記目
的を達成することとした。すなわち、半導体素子を基板
上に実装し該半導体素子の有する電極と該基板の有する
配線とを電気的に接続した実装構造体に対して温度サイ
クル試験における各サイクルごとの電極と配線間の抵抗
値を測定する第１工程と、該第１工程で測定した抵抗値
とその抵抗値を測定した際のサイクル数と基板上の基準
となるある点から抵抗値を測定した箇所までの距離との
関係を求める第２工程と、あらかじめ求めた温度サイク
ル試験における電極と配線間の相対的な移動量と該基板
上の基準となるある点から抵抗値を測定した箇所までの
距離の関係を求める第３工程と、該抵抗値とその抵抗値
を測定した際のサイクル数と該温度サイクル試験におけ
る電極と配線間の相対的な移動量の関係を示す接続寿命
予測曲線を作成する第４工程と、新規接続形態における
電極と配線間の相対的な移動量を求める第５工程と、該
第４工程で求めた接続寿命予測曲線と該第５工程で求め
た新規接続形態での移動量を用いて新規接続形態での寿
命を求める第６工程とを備えることで上記目的を達成す
ることとした。
【０００７】
【発明の実施の形態】本発明の実施例を図面を用いて以
下に説明する。図１は本発明の寿命予測に関する処理フ
ローである。まず、チップをプリント基板中央に異方導
電性フィルムを用いて実装し熱サイクル試験を行った後
の抵抗値測定を行う（第１工程）。図３は、□８mmのチ
ップ１２をプリント基板１１の中央に異方導電性フィル
ムを用いて搭載した試験片である。このチップ１２はチ
ップ側電極としてAuバンプが使用されており、一辺に１
６個のバンプをチップ外周に形成したものである。各バ
ンプには図４に示すような番号を付す。熱サイクル試験
としては、-55/125℃各３０分で行い、１００サイクル
ごとに室温にて抵抗値を測定する。図５は、その測定結
果である。これよりチップ中心からの距離が遠いチップ
コーナー部ほど、抵抗値が上昇しやすいことがわかる。
下に説明する。図１は本発明の寿命予測に関する処理フ
ローである。まず、チップをプリント基板中央に異方導
電性フィルムを用いて実装し熱サイクル試験を行った後
の抵抗値測定を行う（第１工程）。図３は、□８mmのチ
ップ１２をプリント基板１１の中央に異方導電性フィル
ムを用いて搭載した試験片である。このチップ１２はチ
ップ側電極としてAuバンプが使用されており、一辺に１
６個のバンプをチップ外周に形成したものである。各バ
ンプには図４に示すような番号を付す。熱サイクル試験
としては、-55/125℃各３０分で行い、１００サイクル
ごとに室温にて抵抗値を測定する。図５は、その測定結
果である。これよりチップ中心からの距離が遠いチップ
コーナー部ほど、抵抗値が上昇しやすいことがわかる。
【０００８】次に、測定結果と、測定した際のサイクル
数と、チップ中央からの距離との関係を求める（第２工
程）。例えば、縦軸に接続抵抗値、横軸にチップ中心か
らの距離ととり先程得られた測定結果を各サイクルごと
にまとめる。図６に５００サイクル時の接続抵抗値とチ
ップ中心からの距離の関係を一例として示す。
数と、チップ中央からの距離との関係を求める（第２工
程）。例えば、縦軸に接続抵抗値、横軸にチップ中心か
らの距離ととり先程得られた測定結果を各サイクルごと
にまとめる。図６に５００サイクル時の接続抵抗値とチ
ップ中心からの距離の関係を一例として示す。
【０００９】次に、熱サイクル試験を行ったサンプルと
同様のモデルにてシミュレーションを行い、それにより
求められたAuバンプと配線間の相対的な移動量（摺動
量）とチップ中心からの距離の関係を求める（第３工
程）。例えば、熱サイクル試験を行ったサンプルと同様
のシミュレーションモデルを作成し、有限要素法による
３次元熱シミュレーションを行った。今回は、対象形状
であるため全体の1/4をモデル化したものでシミュレー
ションを行った。ところで、異方導電性フィルムを用い
た接続において、Auバンプと配線間は接触のみで電気的
導通を得ており、はんだ接続のような金属接合はされて
いない。そのため異方導電性フィルムによる接続のシミ
ュレーションモデルを作成する際に、Auバンプ／配線間
は実際の摺動を表現するためAuバンプ／配線界面にヤン
グ率の低い層を形成することとした。これを考慮して-5
5/125℃温度サイクル時の各バンプにおける摺動量を図
７の物性値を用いて計算したところ、0.8〜1.3mmとな
る。このシミュレーションにより求められた移動量（摺
動量）とチップ中心からの距離の関係を図８にまとめ
る。なお、この第３工程は、第１工程および第２工程の
前に行ってもよいことは言うまでもない。
同様のモデルにてシミュレーションを行い、それにより
求められたAuバンプと配線間の相対的な移動量（摺動
量）とチップ中心からの距離の関係を求める（第３工
程）。例えば、熱サイクル試験を行ったサンプルと同様
のシミュレーションモデルを作成し、有限要素法による
３次元熱シミュレーションを行った。今回は、対象形状
であるため全体の1/4をモデル化したものでシミュレー
ションを行った。ところで、異方導電性フィルムを用い
た接続において、Auバンプと配線間は接触のみで電気的
導通を得ており、はんだ接続のような金属接合はされて
いない。そのため異方導電性フィルムによる接続のシミ
ュレーションモデルを作成する際に、Auバンプ／配線間
は実際の摺動を表現するためAuバンプ／配線界面にヤン
グ率の低い層を形成することとした。これを考慮して-5
5/125℃温度サイクル時の各バンプにおける摺動量を図
７の物性値を用いて計算したところ、0.8〜1.3mmとな
る。このシミュレーションにより求められた移動量（摺
動量）とチップ中心からの距離の関係を図８にまとめ
る。なお、この第３工程は、第１工程および第２工程の
前に行ってもよいことは言うまでもない。
【００１０】次に、上記測定した抵抗値とその測定した
際のサイクル数と上記シミュレーションによって求めら
れたAuバンプと配線間の相対的な移動量（摺動量）の関
係をまとめて接続寿命予測曲線を作成する（第４工
程）。例えば、縦軸にシミュレーションにより求められ
た摺動量、横軸に温度サイクル数としてまとめ、異方導
電性フィルムにおける接続寿命予測曲線を得る。一例を
図９に示す。この寿命予測曲線を用いると、製品設計段
階でその製品形状モデルのシミュレーションを行い、摺
動量を求めることによりテストサンプルを作ることなく
接続寿命を推定することが可能となる。以上よりはんだ
接続におけるCoffin-Manson則のような寿命予測法を異
方導電性フィルムによる接続においても提案できる。
際のサイクル数と上記シミュレーションによって求めら
れたAuバンプと配線間の相対的な移動量（摺動量）の関
係をまとめて接続寿命予測曲線を作成する（第４工
程）。例えば、縦軸にシミュレーションにより求められ
た摺動量、横軸に温度サイクル数としてまとめ、異方導
電性フィルムにおける接続寿命予測曲線を得る。一例を
図９に示す。この寿命予測曲線を用いると、製品設計段
階でその製品形状モデルのシミュレーションを行い、摺
動量を求めることによりテストサンプルを作ることなく
接続寿命を推定することが可能となる。以上よりはんだ
接続におけるCoffin-Manson則のような寿命予測法を異
方導電性フィルムによる接続においても提案できる。
【００１１】次に、新規接続形態の一例としてベアチッ
プを異方導電性フィルムで５チップ搭載したマルチチッ
プモジュールの実使用状態における接続部のAuバンプと
配線間の相対的な移動量（摺動量）をシミュレーション
により求める（第５工程）。例えば、図１０のシミュレ
ーションモデルを用いて、ベアチップを５ヶ搭載したマ
ルチチップモジュールをBGA(Ball Grid Array)にてマザ
ーボードへ搭載する際の異方導電性フィルムによる接続
部のAuバンプと配線間の移動量（摺動量）を求める。な
おこのモデルにおいてもAuバンプ／配線界面にはヤング
率の低い層を形成している。図１１に実使用時を想定し
て、IVのチップを0.8Ｗ発熱させた際のマルチチップモ
ジュール内の温度分布を示す。この発熱が生じると共に
周辺温度が65℃〜25℃で変化した仮定したところ、IVチ
ップで最大摺動量0.7mmとなった。
プを異方導電性フィルムで５チップ搭載したマルチチッ
プモジュールの実使用状態における接続部のAuバンプと
配線間の相対的な移動量（摺動量）をシミュレーション
により求める（第５工程）。例えば、図１０のシミュレ
ーションモデルを用いて、ベアチップを５ヶ搭載したマ
ルチチップモジュールをBGA(Ball Grid Array)にてマザ
ーボードへ搭載する際の異方導電性フィルムによる接続
部のAuバンプと配線間の移動量（摺動量）を求める。な
おこのモデルにおいてもAuバンプ／配線界面にはヤング
率の低い層を形成している。図１１に実使用時を想定し
て、IVのチップを0.8Ｗ発熱させた際のマルチチップモ
ジュール内の温度分布を示す。この発熱が生じると共に
周辺温度が65℃〜25℃で変化した仮定したところ、IVチ
ップで最大摺動量0.7mmとなった。
【００１２】次に、第４工程で得られた接続寿命予測曲
線と第５工程で得られたAuバンプと配線間の相対的な移
動量（摺動量）よりベアチップを異方導電性フィルムで
５チップ搭載したマルチチップモジュールの実使用状態
における接続寿命を求める（第６工程）。例えば、第４
工程で得た接続寿命予測曲線に第５工程で得られたAuバ
ンプと配線間の摺動量0.7mmを用いると、図１２のよう
に-55/125℃のサイクルにおいて2100サイクルまでは接
続抵抗値が70mΩ/バンプ以下であると予測できる。この
手法を用いることにより、実際にベアチップを５ヶ搭載
したサンプルを作成する必要なく、接続寿命の推定が可
能となる。
線と第５工程で得られたAuバンプと配線間の相対的な移
動量（摺動量）よりベアチップを異方導電性フィルムで
５チップ搭載したマルチチップモジュールの実使用状態
における接続寿命を求める（第６工程）。例えば、第４
工程で得た接続寿命予測曲線に第５工程で得られたAuバ
ンプと配線間の摺動量0.7mmを用いると、図１２のよう
に-55/125℃のサイクルにおいて2100サイクルまでは接
続抵抗値が70mΩ/バンプ以下であると予測できる。この
手法を用いることにより、実際にベアチップを５ヶ搭載
したサンプルを作成する必要なく、接続寿命の推定が可
能となる。
【００１３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明により、熱
サイクル試験を行わずともシミュレーションを用いて接
触接続部の接続寿命を求めることができる。
サイクル試験を行わずともシミュレーションを用いて接
触接続部の接続寿命を求めることができる。
【図１】本発明の手順の流れを示したフローチャートで
ある。
ある。
【図２】半導体素子の電極と基板の配線間の接触面が温
度変化時に線膨張係数差により摺動した痕跡（基板配線
側）を模式的に描いたものである。
度変化時に線膨張係数差により摺動した痕跡（基板配線
側）を模式的に描いたものである。
【図３】本発明の実施例の熱サイクル試験抵抗測定用サ
ンプルである。
ンプルである。
【図４】本実施例に用いた試験サンプルのピン番号対応
図である。
図である。
【図５】本実施例における-55/125℃熱サイクル試験の
各ピン抵抗測定結果である。
各ピン抵抗測定結果である。
【図６】本実施例における500サイクル時のチップ中心
からの距離と接続抵抗値の関係をまとめた図である。
からの距離と接続抵抗値の関係をまとめた図である。
【図７】本実施例の解析で用いた物性値である。
【図８】本実施例の解析結果をチップ中心からの距離と
摺動量の関係をまとめたものである。
摺動量の関係をまとめたものである。
【図９】本実施例において実験とシミュレーションより
得られた寿命評価曲線である。
得られた寿命評価曲線である。
【図１０】マザーボード上にベアチップを５ヶ搭載した
マルチチップモジュールを実装したシミュレーションモ
デルである。
マルチチップモジュールを実装したシミュレーションモ
デルである。
【図１１】図１０のシミュレーションモデルにおいてチ
ップ発熱をさせた際のマルチチップモジュールの温度分
布である。
ップ発熱をさせた際のマルチチップモジュールの温度分
布である。
【図１２】マザーボード上にベアチップを５ヶ搭載した
マルチチップモジュールの実使用状態における寿命予測
例である。
マルチチップモジュールの実使用状態における寿命予測
例である。
１ 基板配線表面 ２ 基板配線と半導体素子電極接触範囲 ３ 摺動痕 １１ 基板 １２ チップ １３ 配線 ２０ ベアチップ ２１ マルチチップモジュール基板 ２２ マザーボード ２３ ６６度の等温線 ２４ ６５度の等温線 ２５ ６４度の等温線 ２６ ６３度の等温線
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 21/60 ３１１ Ｇ０１Ｒ 31/28 Ｆ Ｋ (72)発明者 原田 正英 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 浅田 豊樹 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 Ｆターム(参考） 2G003 AA00 AD01 AG07 AG13 AH10 2G011 AA15 AB06 AB08 AE22 2G132 AA00 AB03 AC09 AF02 AL03 5F044 LL11 LL13
Claims (4)
- 【請求項１】半導体素子を基板上に実装し該半導体素子
の有する電極と該基板の有する配線とを電気的に接続し
た実装構造体に対して温度サイクル試験における各サイ
クルごとの電極と配線間の抵抗値を測定する第１工程
と、該第１工程で測定した抵抗値とその抵抗値を測定し
た際のサイクル数と基板上の基準となるある点から抵抗
値を測定した箇所までの距離との関係を求める第２工程
と、あらかじめ求めた温度サイクル試験における電極と
配線間の相対的な移動量と該基板上の基準となるある点
から抵抗値を測定した箇所までの距離の関係を求める第
３工程と、該抵抗値とその抵抗値を測定した際のサイク
ル数と該温度サイクル試験における電極と配線間の相対
的な移動量の関係を示す接続寿命予測曲線を作成する第
４工程と、新規接続形態における電極と配線間の相対的
な移動量を求める第５工程と、該第４工程で求めた接続
寿命予測曲線と該第５工程で求めた新規接続形態での移
動量を用いて新規接続形態での寿命を求める第６工程と
を備えたことを特徴とする接触接続寿命予測方法。 - 【請求項２】前記基準となるある点が半導体素子の中心
であることを特徴とする請求項１記載の接触接続寿命予
測方法。 - 【請求項３】前記基準となるある点が基板の中心である
ことを特徴とする請求項１記載の接触接続寿命予測方
法。 - 【請求項４】前記半導体素子と基板との接続部に異方導
電性フィルムまたは非導電性フィルムを用いたことを特
徴とする請求項１〜３の何れかに記載の接触接続寿命予
測方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001021025A JP4277451B2 (ja) | 2001-01-30 | 2001-01-30 | 接触接続寿命予測方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001021025A JP4277451B2 (ja) | 2001-01-30 | 2001-01-30 | 接触接続寿命予測方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002228706A true JP2002228706A (ja) | 2002-08-14 |
| JP4277451B2 JP4277451B2 (ja) | 2009-06-10 |
Family
ID=18886645
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001021025A Expired - Lifetime JP4277451B2 (ja) | 2001-01-30 | 2001-01-30 | 接触接続寿命予測方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4277451B2 (ja) |
-
2001
- 2001-01-30 JP JP2001021025A patent/JP4277451B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP4277451B2 (ja) | 2009-06-10 |
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