JP2008076224A

JP2008076224A - 温度サイクル試験装置及び温度サイクル試験方法

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Publication number: JP2008076224A
Application number: JP2006255663A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Nagai; 秀幸長居
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2006-09-21
Filing date: 2006-09-21
Publication date: 2008-04-03

Abstract

【課題】電子部品を温度サイクル試験にかける場合に、大気中の水分によるポリイミド樹脂の吸湿、脱水の影響をできる限り排除した試験環境で試験を行う。
【解決手段】部屋９内に、電子部品１、冷却炉２、加熱炉３、電子部品保持部４、運動機構５等を配置し、部屋９の周囲には、運動制御コントローラ６、温度センサ７、電気特性センサ８、湿度計１２等が設け、電子部品の温度差に対する耐性を確認する温度サイクル試験を行う。この際、部屋９内における電子部品の湿度環境を湿度１０％ＲＨ（温度２５°Ｃ）以下に制御する。また、部屋９内から空気を抜いて窒素ガスを充填することにより、吸湿、脱水現象を防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子部品の温度変化に対する信頼性を確認する温度サイクル試験装置及び温度サイクル試験方法に関する。

一般に、電子部品の信頼性を評価する手段として、電子部品を高温と低温に繰り返しさらした後に電子部品の劣化の程度を調べる液槽型熱衝撃温度サイクル試験が日本工業規格によって定められている（例えば非特許文献１参照）。
従来、この試験方法に用いられる装置としては、一つの装置内に電子部品を高温槽と、低温に曝すための低温槽で構成されており、２つの試験槽に大量の高温液体、低温液体を常に供給するものが知られている（例えば特許文献１参照）。

一般に電子部品に実行される熱衝撃型温度サイクル試験には、低温槽に−５５°Ｃ、高温槽に１２５°Ｃの液体を用いることが規定されており、その規格を満たした温度サイクル試験装置が市販されている。
しかし、上述のような市販の温度サイクル試験装置は、高温槽と低温槽を付属することから、装置自体が非常に大型になる。そのために高温槽と低温槽との間の移動の際に必ず通過する室温領域の湿度環境を考慮した温度サイクル試験装置はほとんど存在せず、単に空気中を通して試料を高温槽と低温槽を交互に移動させている。
特開昭６３−１５１８７４号公報日本工業規格ＪＩＳＣ００２５（１９８８）

ところで、電子部品の多くは吸湿性の高いポリイミド樹脂を部材として使用している。熱衝撃を連続して与えていくと、配線に用いられている金属と絶縁層として用いられているポリイミド樹脂との熱膨張係数の差によって金属配線部に応力が集中することで亀裂が生じる。その現象が電子部品としての信頼性に多大なる影響を与えることが一般的に知られている。

しかしながら、電子部品の熱衝撃温度サイクル試験に適用される温度範囲には、大気圧下での水の凝固点（０°Ｃ）、沸点（１００°Ｃ）を含んでいる。そのため、吸湿性ポリイミド樹脂を使用している大半の電子部品を大気雰囲気下で熱衝撃サイクル試験を行った場合、電子部品を低温槽から室温に引き揚げる際に電子部品に霜が付着することによって、ポリイミド樹脂が吸湿する。さらに室温から１００°Ｃを超える高温槽に移動させる際にその吸湿したポリイミド樹脂からの脱水が起こる。
この吸湿、脱水現象は、ポリイミド樹脂の膨張、収縮を伴うことから、ポリイミド樹脂の急激な体積変化によって、副次的な応力を引き起こすことが十分に予想される。この水分の出入りは、電子部品の熱衝撃に対する信頼性を本質的に評価していく上で、重大な問題となる。

そこで本発明は、電子部品を温度サイクル試験にかける場合に、大気中の水分によるポリイミド樹脂の吸湿、脱水の影響をできる限り排除した試験環境で試験を行うことができる温度サイクル試験装置及び温度サイクル試験方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の温度サイクル試験装置は、電子部品の温度差に対する耐性を確認する温度サイクル試験装置であって、電子部品を配置する部屋と、前記部屋内における電子部品の湿度環境を湿度１０％ＲＨ（温度２５°Ｃ）以下に制御する機能とを備えたことを特徴とする。
また本発明の温度サイクル試験方法は、電子部品の温度差に対する耐性を確認する温度サイクル試験方法であって、試電子部品を配置する部屋内における電子部品の湿度環境を湿度１０％ＲＨ（温度２５°Ｃ）以下に制御する工程を備えたことを特徴とする。

本発明の温度サイクル試験装置及び温度サイクル試験方法によれば、部屋内の電子部品の湿度環境を湿度１０％ＲＨ（温度２５°Ｃ）以下に制御するようにしたことから、好適な環境の下で温度サイクル試験を行うことができる。
これにより、例えば電子部品の主たる構成部材の吸湿性ポリイミド樹脂の体積変化の影響を小さくすることができ、電子部品の温度変化に対する信頼性を適切に評価することが可能になる。

以下、本発明の温度サイクル試験装置及び試験方法の最良の形態について図１〜図５を用いて詳細に説明する。
図１、図２は本実施の形態による温度サイクル試験装置の一実施例を示す図であり、図１は温度サイクル試験装置内に導入する部品、機械の概略を示す断面図、図２は外観を示す斜視図である。
また、図３、図４は図１及び図２に示す温度サイクル試験装置を用いた試験工程を示す図であり、図３は装置内の排気工程を示す断面図、図４は装置内への窒素ガス封入工程を示す断面図である。
また、図５は図４に示す窒素ガス封入工程後の温度サイクル試験装置を示す断面図である。

図１及び図２に示すように、本例の温度サイクル試験装置は、電子部品及び計測器等を保管するための部屋９と、この部屋９内の空気を引き抜くためのバルブ１０と、部屋９内へ不活性ガスを入れるためのバルブ１１と、部屋９内の湿度を計測するための湿度計１２とを有して構成される。

部屋９は、後述する電子部品や計測器を一定湿度で保管するために設置する。本例の部屋９は１００×１００×１００ｃｍ^３（外寸）の立方体容器によって構成される。この立方体容器を構成する板材の材質としては、厚さが２ｃｍの透明強化アクリル樹脂を用いることが求められる。また、立方体容器のうちの１面は部品、機械の出し入れを行うために開閉ができることが必要である。さらに開閉面の外周にシリコンパッキンを取り付けておき、閉じたときに密閉性を高くしておく。

また、立方体容器の左面において、中央の位置で上端から１０ｃｍの箇所に温度センサ７、電気特性センサ８用の直径１ｍｍの取り出し口を開けておく。さらに中央の位置で下端から３０ｃｍの箇所に運動制御コントローラ用の直径２ｃｍの取り出し口を開けておく。
また、立方体容器の上面において、左端から１０ｃｍ、上端から１０ｃｍの位置と右端から１０ｃｍ、上端から１０ｃｍの位置にそれぞれ直径５ｍｍの穴をあけていることが必要である。

コック１０は、後述する真空ポンプ２０及び真空バルブ２１を通して部屋９内の空気を排気するためのものである。このコック１０の材質としては、アルミシリコン合金などを用いることが望ましい。形状については直径１４ｍｍ、長さ１５ｃｍで、コックと同じ材質のバルブ２１を有する。そして、左端と上端からそれぞれ１０ｃｍの位置につけた穴にセットし、ねじ止めで固定する。

封入バルブ用のコック１１は、後述する窒素ガスボンベ２２及び封入バルブ２４を通して部屋９内へ不活性ガスを入れるためのものである。このコック１１の材質としては、アルミシリコン合金などを用いることが望ましい。形状については直径８ｍｍ、長さ１５ｃｍで、コックと同じ材質のバルブ２４を有する。そして、右端と上端からそれぞれ１０ｃｍの位置につけた穴にセットし、ねじ止めで固定する。

また、このような部屋９内には、図２に示すように、電子部品１、冷却炉２、加熱炉３、電子部品保持部４、運動機構５等が配置され、部屋９の周囲には、運動制御コントローラ６、温度センサ７、電気特性センサ８、湿度計１２等が設けられている。
電子部品１は本装置で測定する電子部品であり、電子部品保持部４に保持される。冷却炉２及び加熱炉３は部屋９内の冷却、加熱を行う。また、運動機構５は、運動制御コントローラ６の制御によって電子部品１を移動する。
湿度計１２は、０〜１００％ＲＨ（温度２５°Ｃ）の範囲で測定することが可能で、誤差は１．５％ＲＨ以内（温度２５°Ｃ）であるものが望ましい。またデジタル表示で小数点以下第１位まで表示できる機能を有することが求められる。

以下、本実施例の温度サイクル試験装置を用いた温度サイクル試験方法の一例について説明を行う。
部屋９の下部全面に乾燥剤を入れたシートを敷いておく。本試験に用いる電子部品１の試料については、予め、電子部品保持部４に接続を行う。その後、電子部品１の接続部を乾燥剤入りのポリエチレン袋に密閉し、保管する。電子部品１を接続した電子部品接続部４を乾燥剤入りのデシケーターに入れる。真空ポンプを用いて１Ｔｏｒｒ程度まで排気しておくことが望ましい。

部屋９の下部に電子部品１、冷却炉２、加熱炉３、電子部品保持部４、運動機構５等の部品、機械を導入し、設置を行う（図２参照）。運動機構制御コントローラ６、温度センサ７、電気特性センサ８はそれぞれの取り出し口から取り出し、接続を行う。加熱炉３を目標温度に設定する。加熱炉３が目標温度に到達したら、冷却炉２に液体窒素を充填する。この後、電子部品１を保管している密閉ポリエチレン袋を外して、できるだけ早く部屋９の扉を閉める。湿度計１２は冷却炉２と加熱炉３との鉛直線上の途中にあり、かつ、高さ５０ｃｍの位置で保持し、温度サイクル中に電子部品が通過するさいの湿度をチェックする。

また、真空ポンプ２０につないだゴム管を閉じた状態のバルブ２１に差し込む。次にコック１０を操作してバルブ２１を開け、真空ポンプ２０を稼動させることで部屋９内の排気を行う。部屋９内の真空度が１Ｔｏｒｒ程度までに排気できたら真空ポンプ２０の稼動を止めて、コック１０を操作し、バルブ２１を閉じる。そして、バルブ２１に接続しているゴム管を外す（図３参照）。

次に、バルブ２４が閉じられていることを十分に確認したうえで、窒素ガス（純度：Ｇ３(99.9995%))ボンベ２２に接続している流量計２３にゴム管をつなぎ、ゴム管をバルブ２４に差し込む。そして、流量計２３のバルブ（図示せず）を開け、窒素ガスを流している状態でバルブ２４を開け、部屋９内に窒素ガスを充填する（図４参照）。ここで部屋９全体の容積は１．０ｍ^３と、従来の熱衝撃温度サイクル試験装置よりも格段に小型であることから、数時間程度で内部の湿度を１０％ＲＨ（温度２５°Ｃ）以下まで低くすることができる。湿度計１２が示す湿度が１０％ＲＨ（温度２５°Ｃ）以下に到達した段階で流量計２３のバルブとバルブ２４を閉じる（図５参照）。

次に、窒素ガスの雰囲気下で予め部屋９内に導入した装置を用いて熱衝撃温度サイクル試験を行う。一般に大気中で行われている温度サイクル試験とは違い、不活性ガスが充満した低湿度環境中での試験なので、温度サイクル中に電子部品の表面に水分の影響を著しく小さくすることができる。

以上より、試験装置内の湿度を１０％ＲＨ（温度２５°Ｃ）以下に制御した環境を作り出すことができ、吸湿性の高いポリイミド樹脂を部材として採用している大半の電子部品に対しても、水分の出入りによる急激な体積変化の影響を小さくして、熱衝撃に対する信頼性を本質的に評価することができる。

本実施の形態による試験装置の試作品を用いて熱衝撃温度サイクル試験を行った際の実施例について説明する。
まず、試験に用いる電子部品は、半導体パッケージ基板（３０ｍｍ×１５ｍｍ）を用いた。この基板には絶縁材料として吸湿性ポリイミド樹脂を使用した。また、本試験装置による試料への霜付着の効果を検証するために、部屋９に充填する気体は、（１）窒素ガス(純度：99.9995%)、（２）低湿度空気、（３）大気開放（８月）、（４）大気開放（２月）の４通りの場合で行った。部屋９内の湿度計は、（１）５％ＲＨ（温度２５°Ｃ）、（２）１０％ＲＨ（温度２５°Ｃ）、（３）６５％ＲＨ（温度２５°Ｃ）、（４）４０％ＲＨ（温度２５°Ｃ）であった。

冷却炉は、液体窒素を充填して炉内を−１９５°Ｃとして５秒間保持、加熱炉は、ヒーターの表面温度を１８５°Ｃとして３５秒間保持した。この温度設定で基板試料に対して、−１９５°Ｃと１５０°Ｃとの間で熱衝撃温度サイクル試験を行い、試験中は試料の導通を連続的にモニタリングした。

その結果、基板試料が導通異常を示したサイクル数は、（１）１０００〜１０５０サイクル、（２）９８０〜１０５０サイクル、（３）７６５〜８５０サイクル、（４）８００〜８７０サイクル、の範囲内であることがわかった。少なくとも、低湿度、高湿度の違いに対して、破断サイクル数に有意差が認められた。これは試料外部からの吸湿が影響を与えていると考えられる。

この実験結果から、温度サイクル試験中における試料への霜付着による吸湿、脱水が半導体パッケージ基板の電気的接続信頼性に影響を与えていることがわかった。また、５％ＲＨ（温度２５°Ｃ）、１０％ＲＨ（温度２５°Ｃ）の湿度環境では、破断サイクル数に有意差が認められないことから、１０％ＲＨ（温度２５°Ｃ）以下では、吸湿の効果は破断サイクル数に影響を与えない程度に小さいと考えて差し支えない、といえる。
以上より、本発明の試験装置によって、絶縁ポリイミド樹脂の吸湿性の影響を小さくした温度サイクル試験が行えることを確認できた。

本発明の実施の形態による温度サイクル試験装置の構成を示す断面図である。図１に示す温度サイクル試験装置の外観を示す斜視図である。図１及び図２に示す温度サイクル試験装置を用いた装置内の排気工程を示す断面図である。図１及び図２に示す温度サイクル試験装置を用いた装置内への窒素ガス封入工程を示す断面図である。図４に示す窒素ガス封入工程後の温度サイクル試験装置を示す断面図である。

符号の説明

１……電子部品、２……冷却炉、３……加熱炉、４……電子部品保持部、５……運動機構、６……運動制御コントローラ、７……温度センサ、８……電気特性センサ、９……部屋、１０……真空バルブ用コック、１１……窒素ガス封入バルブ用コック、１２……湿度計、２０……真空ポンプ、２１……真空バルブ、２２……窒素ガスボンベ、２３……流量計、２４……窒素ガス封入バルブ。

Claims

電子部品の温度差に対する耐性を確認する温度サイクル試験装置であって、
電子部品を配置する部屋と、前記部屋内における電子部品の湿度環境を湿度１０％ＲＨ（温度２５°Ｃ）以下に制御する機能とを備えた、
ことを特徴とする温度サイクル試験装置。
前記部屋内から空気を抜いて窒素ガスを充填することにより、吸湿、脱水現象を防止する機能を備えたことを特徴とする請求項１記載の温度サイクル試験装置。
前記部屋内に、電子部品、冷却炉、加熱炉、電子部品保持部、運動機構を配置し、部屋９の周囲に、運動制御コントローラ、温度センサ、電気特性センサ、湿度計を設け、さらに、部屋内を排気する真空バルブと、部屋内に窒素ガスを封入する封入バルブとを設けたことを特徴とする請求項１記載の温度サイクル試験装置。
電子部品の温度差に対する耐性を確認する温度サイクル試験方法であって、
試電子部品を配置する部屋内における電子部品の湿度環境を湿度１０％ＲＨ（温度２５°Ｃ）以下に制御する工程を備えた、
ことを特徴とする温度サイクル試験方法。
前記部屋内から空気を抜いて窒素ガスを充填することにより、吸湿、脱水現象を防止する工程を備えたことを特徴とする請求項４記載の温度サイクル試験方法。