JP2004317394A - 実装組立品の試験装置および試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】実装組立品における所定部分の強度を、実際に生じる破断形態に合うように試験することができる実装組立品の試験装置および試験方法を提供する。
【解決手段】実装基板１３に半導体パッケージ１４を実装した実装組立品１０におけるはんだボール１５と電極１７との接合界面１８の強度を試験する試験方法であって、実装組立品に、実装基板１６におけるひずみ速度が所定値以上になるように、実装組立品に曲げ変形を生じさせ、接合界面１８における破断の発生または非発生を試験する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、実装基板に半導体パッケージなどの電子部品を実装した実装組立品における所定部分の強度の信頼性を試験する実装組立品の試験装置および試験方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体パッケージやコンデンサなどの電子部品は、はんだバンプ、はんだボールなどのはんだ材によりプリント基板等の実装基板に実装される。はんだ材は、半導体パッケージを実装基板に接合する接合部材としての機能と、半導体パッケージのリード端子と実装基板の配線の電極とを電気的に接続する電気接続部材ととしての機能とを有する。このため、外部からの衝撃荷重などに対しても安定して上記機能を維持するように、高度の強度安定性が要求される。
【０００３】
しかし、上記のはんだバンプやはんだボールなどは非常に多数形成され、また、半導体パッケージおよび実装構造の小型化に伴ないはんだバンプやはんだボール自体も小型化され、接合強度の確保に非常に注力しなければならない傾向が続いている。このため、はんだ材と実装基板との接合界面における接合強度が確保されているかどうか調べるために、各種の試験装置が提案されている。
【０００４】
なお、はんだ材は、電子部品と実装基板との間に介在して両者を接合するので、はんだ材は、電子部品ともまた実装基板とも接合界面を形成する。しかし、たとえば衝撃が加わり破断にいたる接合界面は、ほとんどの場合、はんだ材と実装基板との接合界面、より詳しく述べれば、はんだ材と実装基板の電極との接合界面である。
【０００５】
従来の代表的な試験装置では、はんだバンプなどと電極層との接合部の引張強度試験を行うために、はんだバンプを、つかみジグまたはジョーと呼ばれる機構部材によって把握し、はんだ材をプリント基板に垂直な方向に引っ張り、破断強度などを測定する（たとえば特許文献１参照）。この方法により、はんだ材と実装基板上の電極との接合強度を測定することができる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−２８８９８６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような試験装置では、実際の半導体ＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）パッケージをはんだ付けしたときのはんだ材に対して試験することはできない。すなわち、上述の強度試験では、引張強度試験用のはんだバンプまたははんだボールを所定の部材上に形成し、そのはんだバンプまたははんだボールに対して引張試験を行なうので、実際の半導体ＢＧＡを実装基板に実装した状態での試験になっていない。
【０００８】
また、はんだ材の接合条件、たとえば、はんだバンプやはんだボールの冷却速度の相違や、はんだバンプまたははんだボール内への電極層からの金属拡散量の相違などのために、実際の接合強度と差異が生じる問題点があった。
【０００９】
最も大きな問題として、上記の試験では、引張速度が緩慢なために、実際に生じ得る実装基板の衝撃荷重負荷条件において、はんだ材と基板電極との接合界面部の接合強度を評価できないという欠点があった。たとえば、実際の実装組立品では、はんだ材と実装基板の電極との接合界面部が、延性をそれほど伴わずに破断しているのに対して、上記の引張試験では、はんだバンプが大きく塑性変形して破断させる試験になっており、実際に生じ、問題となる破断をシミュレートすることができていない。
【００１０】
本発明は、実装組立品における所定部分の強度を、実際に生じ、問題とされる破断形態に合うように試験することができる実装組立品の試験装置および試験方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の実装組立品の試験方法は、実装基板に電子部品を実装した実装組立品における所定部分の強度を試験する試験方法である。この試験方法は、実装組立品に、実装基板のひずみ速度が所定の範囲になるように、実装組立品に曲げ変形を生じさせ、所定部分の強度を評価する。
【００１２】
この構成によれば、プリント基板などの実装基板に付加する変形は曲げ変形なので、実装基板に大きなひずみ速度を含む任意のひずみ速度の変形を容易に付加することができる。このため、製品の出荷前に実際に起こり得る衝撃荷重負荷条件を実現し、たとえば所定部分として、電子部品を実装基板に接合するはんだ材と電極との接合界面部を対象にして、大きなひずみ速度の曲げ変形を加えてその所定部分の強度を評価することができる。この結果、実際の実装組立品を落とした場合に、その発生が問題となる上記例示のはんだ材と実装基板の電極との接合界面部における破断をシミュレートすることができる。その結果、その実装組立品の上記接合界面部の信頼性の高低を評価することが可能となる。なお、所定部分は、上記例示の接合界面部に限定されず、実装組立品で実際に問題となる部分であればどこでもよい。その問題となる部分の破壊形態に合わせて、上記試験方法において同じ破壊形態が生じるように、ひずみ速度を変える。大きな範囲を含めてひずみ速度は、上記曲げ変形により所定の範囲に容易にシミュレートすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に図面を用いて、本発明の実施の形態について説明する。
【００１４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における試験装置を示す正面図である。試験装置１は、実装組立品１０に４点曲げ変形を付加することができるように、荷重負荷部３と、基板支持部２と、これら部材に駆動力を与える、図示していない駆動部とを備える。上記の基板支持部２が実装組立品を支持する支持部に該当し、荷重負荷部３が、上記支持部と協働して実装組立品に曲げ変形を生じる際に実装組立品に接触する曲げ接触部に該当する。この試験装置には、各種の引張試験装置や疲労試験装置を用いることができる。また、所定値以上のひずみ速度を付加するために、荷重負荷部３の駆動手段として、例えば油圧や空気圧を用いた駆動装置を用いる。
【００１５】
試験体の実装組立品１０は、電子部品として半導体パッケージ１４がプリント基板１３の電極層１７にはんだボール１５によりはんだ接合されたものである。この実装組立品１０は、対をなす基板支持部２の上に載せられ、２つの荷重負荷部３が基板支持部の支持間隔（Ｌ＋２ｄ）よりも狭い間隔Ｌをおいて配置されている。
【００１６】
このような構成のもとで、荷重負荷部３を矢印Ａの方向に、同時に所定速度以上で移動させ、プリント基板の裏面からプリント基板に接触し、これを曲げ変形させる。この曲げ変形では、半導体パッケージが実装された側が引張変形をし、裏面側が圧縮変形をする。すなわち、この曲げ変形では、半導体パッケージが実装されたプリント基板１３は高速に曲げ変形させられ、荷重負荷部３のスパン間Ｌの基板表面部１６が凸形状に変形する。半導体パッケージ１４は、シリコンや封止樹脂などで構成されており剛性を有するため、プリント基板１３の曲げ変形ははんだボール１５を通じてその半導体パッケージに伝わるものの、その反発力のため、半導体パッケージ１４の外周に配置されたはんだボール１５にはプリント基板表面部１６に垂直な方向の応力が発生する。
【００１７】
はんだ材は、ひずみ速度が小さい場合、非常に延性に富み、大きくクリープ変形する。このため、はんだボール１５は、緩慢なひずみ速度の負荷に対しては延性に富み変形しやすいが、高速のひずみ速度の負荷に対しては延性が低下し、変形しにくくなる。そして、延性的な破壊モードで破壊する限りひずみ速度の上昇につれ破断強度は上昇するが、ひずみ速度が所定値を超えると延性を伴なわない破断の形態が増え、破断強度は低下してゆく。本実施の形態においては、上記のひずみ速度の上昇につれ破断強度が低下するひずみ速度域を対象にしている。上記の曲げ変形では、荷重負荷部３の移動速度を実装基板の表面部１６に発生するひずみの時間変化率、すなわち基板曲げひずみ速度が所定値以上になるように変形する。
【００１８】
図２は、基板曲げひずみ速度と、はんだボール１５と電極層１７の接合界面部１８との破壊応力を示す図である。図２では、接合強度と記載しているが、破断強度と同じ意味である。図２によれば、７５００マイクロストレイン毎秒（１０^−６／秒）以上にすると、はんだボール１５と電極層１７の電極１７との接合界面部１８で破壊が生じ、その接合強度はほぼ最低値（σｏ）を示した。ひずみ速度を７５００マイクロストレイン毎秒程度とするためには、荷重負荷部３の移動速度は、たとえば、Ｌ＋２ｄ＝１８０ｍｍ、Ｌ＝９０ｍｍのとき、２０ｍｍ／秒以上とする必要がある。このような高速のヘッドスピードを有する試験装置として、たとえば市販されている電気油圧疲労試験装置を用いることができる。
【００１９】
これ以下の基板曲げひずみ速度の曲げ変形では、実際に落とした場合などに発生する場合がある上記接合界面部の破断を再現することができない。換言すると、プリント基板のひずみ速度が７５００マイクロストレイン毎秒以下の場合、接合界面部１８での破壊モードが生じずに、はんだボールが変形を受けるだけであり、衝撃負荷に対する接合強度試験にならない。したがって、７５００マイクロストレイン毎秒、さらに好ましくは１００００マイクロストレイン毎秒の基板曲げひずみ速度となるように荷重負荷部３を高速に移動させることによって、はんだの変形および強度特性を利用し、接合界面部１８に応力を集中させ、はんだボール１５自体の破断を回避して、衝撃負荷に対する接合界面部１８の接合強度を評価することができる。評価は、上記接合界面部が所定のひずみ速度において、電気的にみて破断したか否か、によって判断する。また、破断に至らなくても上記接合界面部におけるクラック発生の有無などで判断してもよい。
【００２０】
また、試験対象となる実装基板そのものを落下させる方法や、実装基板に物体を衝突させる方法によって基板にひずみを発生させる必要がない。本実施の形態における試験方法では、実装基板におけるひずみ速度を所定値に制御するだけなので、安定して制御しやすい特徴を有する。また、接合部の電気抵抗を測定することにより、破断時の電気抵抗変化によって試験装置を停止させることができる。このため、強度限界の測定を容易に行なうことができる。
【００２１】
なお、接合強度を試験する対象の半導体部品として、図１に示したＢＧＡパッケージのほか、ＱＦＰ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）パッケージ、チップ抵抗、電解コンデンサなどの電子部品の接合部、フリップチップ接合部（はんだバンプ）であってよく、同様の接合強度試験が可能である。
【００２２】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における実装組立品の試験装置を示す図である。この試験装置では、平行に配置された２つの回転軸２１ａ，２１ｂを有し、この２つの回転軸に実装基板１３が係合するか、または固定されている。２つの回転軸は、互いに逆向きに回転するので、図３に示すように曲げモーメントＭが発生する。これら２つの曲げモーメントが合成された曲げモーメントは実装基板の中央部で曲げ変形を生じる。
【００２３】
この曲げ変形のひずみ速度は、２つの回転軸の回転速度を変化させることにより変えることができる。このため、回転軸の回転速度を変化させることにより、所定値以上のひずみ速度を実装基板に与えることができ、はんだ材における大きな塑性変形を避けて、実際に落下させた場合等に問題となる接合界面部における破断が生じるか否かを試験することができる。
【００２４】
（実施の形態に対する付言）
１．上記実施の形態における説明では、はんだ材に大きな塑性変形を発生させることなく、はんだ材と実装基板の電極との接合界面部の強度を評価することを説明した。しかし、はんだ材には大なり小なり塑性変形は生じるものであり、本発明による試験方法は、はんだ材における塑性変形の程度などに関係なく、適用できる方法である。
２．本発明の試験方法が適用される試験体は、電子部品は半導体パッケージに限られないことを説明した。また、試験の対象となる所定部分は、はんだ材と実装基板の電極との接合界面に限られず、実際に強度が問題となる箇所であれば、どのような所定部分であってもよい。上述のはんだ材自身であってもよく、そのためにひずみ速度が小さい範囲になるように制御してもよい。
３．試験における評価は、どのような判定基準を用いてもよい。たとえば、所定部分に小さな亀裂が入った場合を不合格としてもよいし、破断したものを不合格として、亀裂が入ったものを合格と判定してもよい。
【００２５】
上記において、本発明の実施の形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されることはない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の実装組立品の試験方法および試験装置を用いることにより、実装組立品における所定部分の強度を、実際に生じ、問題となる破断形態に合うように試験することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における試験装置および試験方法を示す図である。
【図２】実装組立品のはんだ材と電極層との接合強度と、実装基板の曲げひずみ速度との関係を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態２における試験装置を示す図である。
【符号の説明】
１ 実装組立品の試験装置、２ 支持部（基板支持部）、３ 曲げ接触部または振り子（荷重負荷部）、１０ 実装組立品、１３ プリント基板（実装基板）、１４ 半導体パッケージ、１５ はんだボール（はんだ材）、１６ 実装基板表面、１７ 実装基板の電極、１８ はんだバンプと電極との接合界面、２１ａ，２１ｂ 回転軸、Ｌ 荷重負荷部または回転軸の間隔、ｄ 衝撃負荷部と基板支持部との間隔。

Claims (8)

1. 実装基板に電子部品を実装した実装組立品における所定部分の強度を試験する試験方法であって、
   前記実装組立品に、前記実装基板のひずみ速度が所定の範囲になるように、前記実装組立品に曲げ変形を生じさせ、前記所定部分における強度を評価する、実装組立品の試験方法。
2. 前記所定部分における強度の評価において、前記曲げ変形を加えた後、前記所定部分における破断の発生または非発生をみる、請求項１に記載の実装組立品の試験方法。
3. 前記実装組立品は、実装基板に電子部品がはんだ材により接合されており、前記曲げ変形を加え、前記はんだ材と実装基板との接合界面部の強度を評価する、請求項１または２に記載の実装組立品の試験方法。
4. 前記所定のひずみ速度を７５００（１０^−６／秒）以上とする、請求項１〜３のいずれかに記載の実装組立品の試験方法。
5. 前記曲げ変形は、前記実装基板において前記電子部品が実装された側に引張変形が生じるように加える、請求項１〜４のいずれかに記載の実装組立品の試験方法。
6. 前記曲げ変形を、４点曲げにより付加する、請求項１〜５のいずれかに記載の実装組立品の試験方法。
7. 前記請求項１〜６のいずれかに記載の実装組立品の試験方法に用いられる試験装置であって、前記実装組立品を支持する支持部と、前記支持部と協働して前記実装組立品に曲げ変形を生じる際に接触する曲げ接触部と、前記支持部および曲げ接触部の少なくとも一方に前記曲げ変形のための駆動力を付加する駆動部とを備える、実装組立品の試験装置。
8. 実装基板に電子部品を実装した実装組立品における所定部分を試験する試験装置であって、
   所定の間隔離れて位置し、前記実装基板の基板に沿うようにその実装基板を固定するか、またはその実装基板に係合する、２つの回転軸と、
   前記２つの回転軸に、互いに反対方向に回転するように駆動力を与え、前記実装基板に曲げ変形を付加する回転駆動部とを備える、実装組立品の試験装置。

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