JP2009069009A

JP2009069009A - 微小金属接合部の検査方法

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Publication number: JP2009069009A
Application number: JP2007238120A
Authority: JP
Inventors: Jun Matsumoto; 順松本
Original assignee: Shinko Co Ltd
Current assignee: Shinko Co Ltd
Priority date: 2007-09-13
Filing date: 2007-09-13
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2027-09-13
Also published as: JP4648373B2

Abstract

【課題】、種々の微小金属接合部の良否を検査できる微小金属接合部の検査方法を提供することを課題とする。
【解決手段】微小金属同士を接合するための微小金属接合部の検査方法であって、前記微小金属同士の接合部に加熱エネルギーを照射すること、前記加熱エネルギーによる接合部の加熱点から放射される赤外線を受光して前記加熱エネルギーの照射前後における前記加熱点の温度変化量を計測すること、前記加熱点の加熱量と前記温度変化量との関係から前記加熱点の接合面積係数を算出すること、前記算出された接合面積係数を前記と同じ方法で求めた基準モデル品の接合面積係数と比較すること、前記比較によって得た接合面積係数の差の大小によって前記接合部の良否を判定すること、から成る。
【選択図】図１

Description

本発明は微小金属接合部の検査方法、より詳細には、特にハンダ付けやワイヤボンディング等の接合状態を検査するのに適した微小金属接合部の検査方法に関するものである。

従来、微小金属の接合部を検査する技術としては、例えば特公平７−１２４４号に開示されるものがある。これは、電子回路のハンダ接合部にレーザを照射したときに、ハンダ接合部から放射される赤外線を撮像して得られた温度分布画像により、電子部品のリードと回路基板の導電パターンとのハンダ接合部の温度分布状況を知り、これに基づいてハンダ接合部の良否を画像判定するものである。

この技術は、ハンダ接合部に直接レーザを照射して熱エネルギーを与えるようにし、ハンダ接合部から放射される赤外線を赤外線カメラにより受光して、電子部品のリード部と回路基板の導電パターンとのハンダ接合部を温度分布画像、即ち、面画像として捉えて、リード部と導電パターンとのハンダの状態から良否を判定するものである。

しかし、上記方法の場合は、温度分布と接合状態の相関性検査の難易度も高く、コスト高となる等多くの問題があるため、実際には切断面の観察、ピールテスト、プルテスト、シェアテスト等の破壊検査による物理強度測定が一般的となっている。しかし、この破壊検査の場合は全数検査ができないという問題があるため、非破壊で確実に検査できる方法の確立が切望されていた。

非破壊検査としてはＸ線や超音波を用いる方法もあるが、Ｘ線透視画像から極薄の接合界面欠陥を検出することは容易なことではなく、また、超音波を用いる場合にはセンサヘッドの小型化や、散乱が問題となり、やはり困難が伴う。

非破壊検査の方法としては他に、レーザ加熱と温度測定による接合状態検査法が提案されているが、高精度で信頼性のある結果が得られないために、いずれも実用化には至っていない。

特公平７−１２４４号公報

本発明は、上記従来技術における問題点に鑑みてなされたもので、種々の微小金属接合部の良否を、非破壊検査により高精度に且つ迅速に検査できて信頼性に富む、微小金属接合部の検査方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するための請求項１に記載の発明は、微小金属同士を接合するための微小金属接合部の検査方法であって、前記微小金属同士の接合部に加熱エネルギーを照射すること、前記加熱エネルギーによる接合部の加熱点から放射される赤外線を受光して前記加熱エネルギーの照射前後における前記加熱点の温度変化量を計測すること、前記加熱点の加熱量と前記温度変化量との関係から前記加熱点の接合面積係数を算出すること、前記算出された接合面積係数を前記と同じ方法で求めた基準モデル品の接合面積係数と比較すること、前記比較によって得た接合面積係数の差の大小によって前記接合部の良否を判定すること、から成ることを特徴とする微小金属接合部の検査方法である。

好ましくは、接合部の検査に際し、前記加熱点における反射率を同時計測し、その値を前記接合面積係数の計算に用いる。

本発明は上記のとおりであって、一方の金属から他方の金属への熱伝導量と２金属間の接合面積との間に因果関係があることに着目し、加熱側の金属の加熱点における温度変化量を計測して接合面積係数を算出し、それを基準モデル品の接合面積係数と比較することによって良否の判定を行なうものであり、大量生産時に迅速、的確且つ信頼性のある検査を行なうことが可能となる効果がある。

本発明を実施するための最良の形態について、添付図面に依拠して説明する。本発明に係る微小金属接合部の検査方法は、微小金属同士を接合するための微小金属接合部の検査方法であって、前記微小金属同士の接合部に加熱エネルギーを照射すること、前記加熱エネルギーによる接合部の加熱点から放射される赤外線を受光して前記加熱エネルギーの照射前後における前記加熱点の温度変化量を計測すること、前記加熱点の加熱量と前記温度変化量との関係から前記加熱点の接合面積係数を算出すること、前記算出された接合面積係数を前記と同じ方法で求めた基準モデル品の接合面積係数と比較すること、前記比較によって得た接合面積係数の差の大小によって前記接合部の良否を判定すること、から成ることを特徴とするものである。

図１は、本発明に係る方法を実施するための、加熱エネルギーの照射方法を示すものである。この方法においては、金属１に、図に矢印線で示すように、加熱エネルギーであるレーザが照射される。

レーザの照射によって金属１が熱せられた結果、加熱点から周囲に向けて赤外線が放射されるとともに、金属１内部では金属２に向かって熱が伝導していく。

接合が良好な状態、即ち、接合面積が十分な場合は、金属１から接合界面を介して金属２に向かって多くの熱が伝導して逃げるため、加熱点の温度は低めになる。これに対して接合が不良な状態、即ち、接合面積が不十分な場合は、金属１から金属２へ伝導される熱が少ないため、加熱点の温度が高めになる。

かくして、金属１が金属２に十分に接合されていないときは、加熱点は短時間の内に温度上昇するが、金属１が金属２に十分に接合されていると、金属１に与えられた熱は金属２に逃げるために、金属１の加熱点は緩やかに温度上昇することになる。

このように、接合が良好な状態では、金属１、２がその接合面を介して一体の金属になったものとみなすことができるので、このとき、片方の金属１を加熱した際にもう片方の金属２に熱が伝わる経路の断面積は、金属１、２の接合面の面積となる。

また、不良接合個所では、微視的には２片の金属１、２の間に空気や油汚れ等の薄い膜が介在するので、良好な場合、即ち拡散接合している個所に比べて熱抵抗が桁違いに大きくなり、２片の金属１、２の接合面の面積はその分だけ小さくなったとみなすことができる。従って、片方の金属１を加熱した際にもう片方の金属２に熱が伝わる経路の断面積が小さくなったことになる。

金属１にレーザを照射した際の加熱点の温度上昇の度合いは、金属１の反射率、吸収率、透過率と金属１の物性としての密度、比熱及び熱伝導率によって異なってくる。

金、銀、銅、アルミ等で構成されることが多い金属１は普通、光を透過しないので、照射した加熱エネルギーは金属１表面で反射されるか、あるいは金属１に吸収されて熱となる。

吸収されたエネルギーは、格子の振動と自由電子の運動によって金属１内部を伝わっていくが、この両者のうち自由電子によるエネルギー輸送の方が一般に卓越しているので、金属１内部では瞬時のうちにエネルギー、即ち熱が伝わっていく。

金属１の熱伝導率は純金属と合金では多少異なるものの一般に極めて高く、非金属に比べれば桁違いと言える。熱伝導の問題はフーリエの法則と熱量保存則を用いて完全に記述できることが知られているが、フーリエの法則によれば、温度差のある物体間を流れる熱量は熱伝導路の断面積と温度勾配に比例する。即ち、今、流れる熱量をｑ、熱伝導路の断面積をＳ、温度勾配をｇｒａｄＴとすれば、次の式が成り立つ。

このときの比例定数は熱伝導率と呼ばれ、物質の種類とその状態によって決まる物性値である。なお、このフーリエの法則は物質の形状や状態にかかわらず成り立つ。

今、微小な金属１、２間接合部の一方の金属１をレーザで加熱すると、その熱は金属１内を伝導してこの金属１の温度を上昇させるとともに、接合界面を通してもう一方の金属２にも伝達されるので、加熱点の温度上昇はその分低く抑えられる。

フーリエの法則により伝熱量は接合界面の面積に比例するので、以上のことから、加熱点の温度推移を測定することによって接合界面の面積を比較検査することが原理的に可能である。

しかしながら、金属１表面の状態等により、吸収される熱量や放射される赤外線量が大きく左右されるので、原理通りの結果を得ることは容易なことではない。

なお、ハンダ付けのようなろう付けにしても、あるいはワイヤボンディングのような拡散接合にしても、金属イオンの間を自由電子が行き交う一体化の状態になると高い接合強度が得られるが、接合界面の一部にボイド等のような一体化していない部分が存在する場合には、その分だけ接合強度が弱いことになり、一体化している接合界面の面積を比較すれば接合強度の大小を検査することができる。

加熱点に吸収された熱量をΔＱとし、そのうちの金属１にとどまっている熱量をΔＱ_１、金属２に伝達した熱量をΔＱ_２とすれば、次の関係となる。

なお、微小時間における金属１表面から周囲の空気への熱伝導量は、金属１内を伝わる熱量に比べて桁違いに小さいので無視できる。ここで、金属１から金属２に流れる熱量ΔＱ_２は、フーリエの法則から接合面積Ｓと温度勾配ｇｒａｄＴに比例するので、熱伝導率をλとすれば、次の式から得られる。

金属２に伝達された熱の総量は、上記の数式３を時間ｔで積分すればよいが、接合面の面積Ｓは時間に関係なくここでは一定であるので、ΔＱ_２はＳに比例することになる。

ところで、加熱点の温度は熱量ΔＱ_１が示している温度として測定され、温度変化量ΔＴは金属１から金属２に逃げた熱量ΔＱ_２の分だけ低く抑えられている。これは加熱点から見た金属１の見かけの熱容量がその分だけ大きくなったとみなすことができる。

この見かけの熱容量Ｋは下記の数式４で表わされ、上記の内容から接合面の面積Ｓと相関を持つことになるので、この値によって接合面積の大きさを相対検査できることになる。以下これを接合面積係数と呼ぶ。

ΔＱは、照射されたレーザパワーＰと金属１のレーザ吸収率αから求めることができ、更にレーザ反射率をρとすれば、

の関係から、

の関係が成り立つ。

加熱点の温度変化量ΔＴは、レーザ照射時の加熱点温度Ｔ_１と初期温度Ｔ_０の差であるから、

である。従って、接合面積係数Ｋは、上記の数式６、７を数式４に代入して、

の式から求めることができる。反射率ρと初期温度Ｔ_０及びレーザ照射時の加熱点の温度Ｔ_１を測定すれば、照射したレーザパワーＰは既知なので、Ｋの値を求めることができる。

上述したように、金属１に照射されたレーザはその一部が反射され、残りは金属１に吸収されるが、吸収率は通常、同一の金属でもその表面状態によって大きく異なるので、検査個所それぞれにおいてレーザ加熱時に吸収率より実測が容易な反射率を同時計測して吸収率を算出する必要がある。

また、キルヒホッフの法則から放射率＝吸収率なので、この値をレーザ加熱時の金属１に吸収される熱量の計算に使うとともに、温度計測時のセンサ出力電圧から温度への変換計算にも用いる。

なお、反射率は波長特性と温度特性を持つが、本発明の検査対象として想定される金や銀、銅、アルミ等で構成されることが多い金属の場合、近赤外域以上では波長特性はほぼ一定とみなすことができ、また、本発明の加熱・計測温度範囲である５０〜２００℃辺りでは、温度特性もほぼ一定とみなして差し支えない。

加熱用レーザは近赤外半導体レーザを使用し、温度センサは中赤外域に感度のあるものを用いることが好ましく、精度向上のために、加熱用レーザ及び温度センサは、接合部の直上に配置されるようにする。

レーザの照射パワーはレーザの出力と照射時間から求まるので、測定によって得られた吸収率と温度から接合面積係数を得ることができる。なお、接合面積係数は接合面積と相関があるが、接合面積そのものではないことに留意する必要がある。

即ち、接合面積係数の絶対値そのものは特に意味は持たず、相対値として初めて意味を持つので、個々の検査対象ごとに正常値の範囲を予め設定することが必要となる。

熱も電気も自由電子が媒体となって伝わることから、接合面を介して熱を伝えることは接合部に電流を流すのと同等なことになり、通電確認を行なったことと同じ高い信頼性が保証される。

昨今の度重なる大規模な製品回収の例を挙げるまでもなく、製品の信頼性確保は企業の利益、延いては、企業の存続までをも左右しかねない重大な問題なので、本発明を用いてハンダ付けやワイヤボンディングをはじめとする微小金属接合部の検査を行なうことは、製品の信頼性を確保することにつながり、延いては、メーカーとユーザ双方の安全・安心を保証することとなる。

レーザ加熱及び温度計測系とは別に、通常の可視光画像処理系を備えることにより、各検査個所における外観検査とともに、ＸＹ座標位置と焦点の補正を自動で行なうことが可能となる。

原理検査モデルでの実験結果を以下に示す。原理検査モデルは図２に示すようなランドを片面ガラスエポキシ基板にエッチングにより形成したもので、微小金属間接合をモデル化したものである。

即ち、それは、Φ０．２ｍｍのランドを１本（図２（ａ））ないし２本（図２（ｂ））の銅箔ブリッジパターンで周囲のベタ銅箔に接続させており、このブリッジ部分が金属同士の接合面に相当するというモデルである。

銅箔の厚さは１８μｍで、接合面積のバラエティモデルとして、このブリッジパターンの幅は０．０５ｍｍ、０．１ｍｍ、０．１５ｍｍの３種類を用意した。ブリッジパターンの断面積は最小で９００μｍ^２、最大で５４００μｍ^２となる。ランドの中心をセンターとするスポット径２００μｍ程のレーザ光を０．２秒間照射し、その時の計測温度から得られた接合面積係数は図３のグラフのとおりとなった。

このグラフはそれぞれの断面積における各１０個の測定点の平均値を折れ線で結んだもので、縦線でバラツキを示している。なお、ランドの反射率はどれもほぼ同じなので、本実験においては固定値を用いている。

この結果から、ブリッジパターンの違いによる接合面積係数分布の違いはあるが、接合面積係数が断面積、即ち、接合面積にほぼ比例していることが読み取れる。

この発明をある程度詳細にその最も好ましい実施形態について説明してきたが、この発明の精神と範囲に反することなしに広範に異なる実施形態を構成することができることは明白なので、この発明は添付請求の範囲において限定した以外はその特定の実施形態に制約されるものではない。

本発明の一実施例における加熱エネルギーの照射方法を示す説明図である。原理検査モデルの接続状態を示したもので、同図（ａ）はランドが１本の銅箔ブリッジパターンを、同図（ｂ）はランドが２本の銅箔ブリッジパターンをそれぞれ示す図である。原理検査モデルにおける銅箔断面積の接合面積係数分布を示す図である。

符号の説明

１金属
２金属

Claims

微小金属同士を接合するための微小金属接合部の検査方法であって、
前記微小金属同士の接合部に加熱エネルギーを照射すること、
前記加熱エネルギーによる接合部の加熱点から放射される赤外線を受光して前記加熱エネルギーの照射前後における前記加熱点の温度変化量を計測すること、
前記加熱点の加熱量と前記温度変化量との関係から前記加熱点の接合面積係数を算出すること、
前記算出された接合面積係数を前記と同じ方法で求めた基準モデル品の接合面積係数と比較すること、
前記比較によって得た接合面積係数の差の大小によって前記接合部の良否を判定すること、
から成ることを特徴とする微小金属接合部の検査方法。
接合部の検査に際し、前記加熱点における反射率を同時計測し、その値を前記接合面積係数の計算に用いる請求項１に記載の微小金属接合部の検査方法。