JP2014122868A - 接合力評価方法、接合力評価装置及び接合力評価用サンプル - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、接合力評価方法、接合力評価装置及び接合力評価用サンプルに関する。
【解決手段】本発明の接合力評価方法は、評価用サンプルにおいて接合境界面を含む微小領域を設定する段階と、微小領域の周辺に所定深さの第１溝を形成する段階と、微小領域の側面を加工して接合境界面まで連結される第２溝を形成する段階と、微小領域を加圧して微小領域の剥離が生じる限界点を測定する段階と、を含むことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、接合力評価方法、接合力評価装置及び接合力評価用サンプルに関し、より詳細には、微小領域の界面接合力を評価する接合力評価方法、接合力評価装置及び接合力評価用サンプルに関する。

現在、ほとんどの電子部品は多層構造からなっている。任意の工程で多層に接合した部品や製品は、その界面接合力が弱い場合、次の工程で剥離されるか、ユーザが使用する過程で剥離される可能性がある。

界面の接合力は、互いに異なる物質が接合するところで分子あるいは原子同士の結合によって発生するか、表面粗さによって発生する。前者及び後者はいずれも接合力に大きな影響を及ぼす。特に、ポリマー‐ポリマー又はポリマー‐金属の間の接合が行われる基板における界面接合力は、基板の生産収率や基板の実使用において非常に重要である。

このように、接合力が基板のような多層構造物の性能や信頼性に大きな影響を及ぼす要因であるにもかかわらず、多層構造物の接合力を評価する方法や装置の開発はまだ十分に行われていない。

一方、マクロ的な観点で、二つの層の剥離（ｄｅｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）に見られる現象は、ミクロ的な観点で、非常に小さい二つの領域での剥離や亀裂から発生する。ここで、剥離や亀裂が発生するために必要なエネルギーは、剥離や亀裂が周辺に伝播されるために必要なエネルギーより大きいため、微小領域で剥離や亀裂が発生するメカニズムに対する理解は、多層構造物の不良現象を把握し解決するために必ず必要な部分であると言える。したがって、微小領域の剥離又は亀裂の現象を効果的に評価することができる接合力評価方法又は接合力評価装置の開発が必要である。

参考までに、本発明に係る先行技術としては特許文献１が挙げられる。特許文献１は、被膜の耐剥離性を評価する試験方法と評価試験装置を開示している。しかし、特許文献１に開示された技術は、印刷回路基板のように薄いサンプルの剥離性を試験するには限界がある。

ＪＰ１９９８‐０２６５８３ Ａ

本発明は、上記のような問題点を解決するためのものであり、微小領域の接合力を正確かつ効果的に評価することができる接合力評価方法、接合力評価装置及び接合力評価用サンプルを提供することを目的とする。

上記目的を果たすための本発明の一実施例による接合力評価方法は、評価用サンプルにおいて接合境界面を含む微小領域を設定する段階と、微小領域の周辺に所定深さの第１溝を形成する段階と、微小領域の側面を加工して接合境界面まで連結される第２溝を形成する段階と、微小領域を加圧して微小領域の剥離が生じる限界点を測定する段階と、を含むことができる。

本発明の一実施例による接合力評価方法において、第１溝は微小領域を中心として逆「コ」の字状に形成されることができる。

本発明の一実施例による接合力評価方法において、第１溝は機械的研磨工程により形成されることができる。

本発明の一実施例による接合力評価方法において、第２溝は微小領域の端部から接合境界面まで長く形成されることができる。

本発明の一実施例による接合力評価方法において、第２溝は集束イオンビーム（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ）により形成されることができる。

上記目的を果たすための本発明の一実施例による接合力評価装置は、評価用サンプルの一面と平行な基準面を有する上部ホルダーと、上記基準面が水平に維持されるように上記上部ホルダーを支持する下部ホルダーと、評価用サンプルを加圧する加圧チップと、を含むことができる。

本発明の一実施例による接合力評価装置において、上記上部ホルダーは、受け台と、上記受け台から突出形成され、上記受け台に対して第１傾斜角を有する基準面が形成されるサンプル支持部材と、上記受け台から下方に延長される結合ピンと、を含むことができる。

本発明の一実施例による接合力評価装置において、上記サンプル支持部材の縦断面は直角三角形状であることができる。

本発明の一実施例による接合力評価装置において、上記下部ホルダーは、第２傾斜角を有する傾斜面を有する本体と、上記傾斜面に対して垂直方向に長く形成され、上記結合ピンが嵌合される結合溝と、上記本体の側面から上記結合溝に向かって挿入され、上記結合溝に嵌合される上記結合ピンを固定する結合ねじと、を含むことができる。

本発明の一実施例による接合力評価装置において、上記第１傾斜角と上記第２傾斜角の合計は９０度であることができる。

上記目的を果たすための本発明の一実施例による接合力評価用サンプルは、接合境界面を含み、所定深さの第１溝により形成される微小領域と、上記微小領域の端部から接合境界面まで延長される第２溝により分離される突起部と、を含むことができる。

本発明の一実施例による接合力評価用サンプルにおいて、上記突起部は片持ち梁形状であることができる。

本発明は、多層構造物の接合力を信頼性高く評価することができる。

さらに、本発明は、多層構造物の接合界面で生じる吸収挙動及び高温挙動の両方を評価することができる。

本発明の一実施例による接合力評価用サンプルの部分拡大斜視図である。 図１に図示された接合力評価用サンプルのＡ‐Ａ断面図である。 本発明の一実施例による接合力評価装置の構成図である。 図３に図示された上部ホルダーの正面図である。 図４に図示された上部ホルダーの側面図である。 図４に図示された上部ホルダーの平面図である。 図３に図示された下部ホルダーの正面図である。 図７に図示された下部ホルダーの側面図である。 図７に図示された下部ホルダーの平面図である。 本発明の一実施例による接合力評価方法による評価結果を示すグラフである。 図１０に表示された各段階に対応する評価用サンプルの状態を示す図面である。

通常、微小領域の界面接合力評価方法は、部材の間の接合が行われた界面で剥離が生じる限界点に達するまで評価用サンプルの一面に力を加える方式（以下、圧入試験という）により行われた。しかし、このような方法は次のような限界がある。

第一に、複合多層構造物の場合には正確な剥離限界点を評価することが困難である。

評価用サンプルの圧入試験を行うためには、評価用サンプルの下側にかなり硬い受け台が配置されなければならない。しかし、評価用サンプルを構成する一部の部材が柔らかい材質からなる場合には、評価用サンプルの下側に硬い受け台を配置しても、柔らかい材質が評価用サンプルに加えられる力を吸収するため、評価用サンプルの剥離が行われないだけでなく、正確な接合力評価を行うことができない。

第二に、応力状態が不均一である。

圧入試験を行う際に、先端が球形や三角錐の形態を有するチップを使用する。しかし、チップの面積が小さいと、チップによる力が評価用サンプルに均一に伝達されないため、評価用サンプルで発生する応力の分布が不均一になるという問題点がある。また、チップの面積が小さいと、剥離の進行過程で剥離を誘発する応力（ｎｏｒｍａｌ ｓｔｒｅｓｓ）と剪断応力（ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｓｓ）が同時に発生するため、評価結果に対する解釈が困難である。

第三に、評価結果の信頼性が低下する。

圧入試験は、評価用サンプルの粗さから多くの影響を受ける。そのため、メッキ層又は有機フィラーが含まれたポリマー層に対する圧入試験を行う場合には信頼性のある結果を導出することが困難である。

第四に、界面と平行な溝を形成することが困難である。

圧入試験は、評価用サンプルに界面と平行な溝を形成しなければならない。しかし、評価用サンプルがかなり薄い場合には、評価用サンプルに界面と平行な溝を形成することが困難である。

本発明は、上記のような問題点を解消するためのものであり、薄型の評価用サンプルに対しても接合力評価を効果的に行うことができる接合力評価方法、接合力評価装置及び接合力評価用サンプルを提供することができる。

以下、本発明の好ましい実施例を添付の例示図面に基づいて詳細に説明する。

以下で本発明を説明するにあたり、本発明の構成要素を示す用語は、それぞれの構成要素の機能を考慮してつけられたものであって、本発明の技術的な構成要素を限定する意味に理解してはならない。

図１は本発明の一実施例による接合力評価用サンプルの部分拡大斜視図であり、図２は図１に図示された接合力評価用サンプルのＡ‐Ａ断面図であり、図３は本発明の一実施例による接合力評価装置の構成図であり、図４は図３に図示された上部ホルダーの正面図であり、図５は図４に図示された上部ホルダーの側面図であり、図６は図４に図示された上部ホルダーの平面図であり、図７は図３に図示された下部ホルダーの正面図であり、図８は図７に図示された下部ホルダーの側面図であり、図９は図７に図示された下部ホルダーの平面図であり、図１０は本発明の一実施例による接合力評価方法による評価結果を示すグラフであり、図１１は図１０に表示された各段階に対応する評価用サンプルの状態を示す図面である。

図１及び図２を参照して本発明の一実施例による接合力評価用サンプルについて説明する。

本実施例による接合力評価用サンプル１００は、互いに異なる部材が接合した多層構造物であることができる。詳細に説明すると、接合力評価用サンプル１００は、第１材質の部材１０２と第２材質の部材１０４が接合して構成された多層構造物であることができる。したがって、接合力評価用サンプル１００には、第１材質の部材１０２と第２材質の部材１０４が当接する境界面１０６が形成されることができる。

ここで、第１材質の部材１０２と第２材質の部材１０４は互いに同一の材質の部材であるか、互いに異なる材質の部材であることができる。例えば、接合力評価用サンプル１００は、ポリマー材質の部材とポリマー材質の部材が接合した多層構造物であってもよく、ポリマー材質の部材と金属材質の部材が接合した多層構造物であってもよい。さらに、接合力評価用サンプル１００は、金属材質の部材と金属材質の部材が接合した多層構造物であってもよい。参考までに、図１に図示された接合力評価用サンプル１００は、ニッケル材質の部材とＥＭＣ（Ｅｐｏｘｙ Ｍｏｌｄｉｎｇ Ｃｏｍｐｏｕｎｄ）の接合により形成された多層構造物である。

接合力評価用サンプル１００は、接合力評価のための微小領域１１０を有することができる。詳細に説明すると、接合力評価用サンプル１００には、機械加工により微小領域１１０が形成されることができる。例えば、微小領域１１０は、接合力評価用サンプル１００の一面から所定深さで形成される第１溝１２０により形成されることができる。ここで、第１溝１２０は、接合力評価用サンプル１００を集束イオンビームを利用するか、機械的に研磨することで形成されることができる。

微小領域１１０は、第１材質の部材１０２と第２材質の部材１０４が当接する境界面１０６を含む領域であることができる。詳細に説明すると、微小領域１１０の第１領域１１２は、第１材質の部材１０２からなる領域であることができ、微小領域１１０の第２領域１１４は、第２材質の部材１０４からなる領域であることができる。ここで、第２領域１１４は、第１溝１２０によって少なくとも３面が隣合う領域と分離されることができる。このために第２溝１３０は、図１に図示されたように、逆「コ」の字状に形成されることができる。

微小領域１１０の第２領域１１４には第２溝１３０が形成されることができる。詳細に説明すると、第２領域１１４には、第２領域１１４を二つに分割する第２溝１３０が形成されることができる。ここで、第２溝１３０は、第２領域１１４の端部から第１領域１１２と第２領域１１４の境界面１１６まで長く形成されることができる。したがって、第２溝１３０により分離された第２領域１１４は、図１に図示されたように、第１領域１１２に対して片持ち梁状に連結された構造を有することができ、第１材質の部材１０２と第２材質の部材１０４との間の接合力を評価する部分として活用されることができる。ここで、第２溝１３０は、集束イオンビーム（ＦＩＢ：Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ）により加工されることができる。しかし、第２溝１３０の加工方法は集束イオンビームに限定されるものではなく、必要に応じて、他の加工方式によって加工されることができる。

一方、図１及び図２には、第２溝１３０が第１領域１１２と第２領域１１４の境界面１１６まで長く延長されることが図示されているが、必要に応じて、第２溝１３０が第１領域１１２まで延長されることもできる。

このように構成された接合力評価用サンプル１００は、接合力を評価する領域（すなわち、第２領域１１４）が周辺の領域と完全に分離されることで、部材１０２、１０４の間の接合力を評価するためのサンプルとして効果的に活用されることができる。したがって、本接合力評価用サンプル１００からは、信頼性の高い評価結果を導出することができる。

以下では図３から図９を参照して本発明の一実施例による接合力評価装置について説明する。

本実施例による接合力評価装置２００は、図３に図示されたように、上部ホルダー２１０と、下部ホルダー２２０と、加圧チップ２３０と、を含むことができる。さらに、接合力評価装置２００は、加圧チップ２３０に所定の力を加える圧力装置をさらに含むことができ、上記圧力装置を介して加えられる力の大きさを測定する測定装置をさらに含むことができる。上部ホルダー２１０は第１ホルダーの一例であってよく、下部ホルダー２２０は第２ホルダーの一例であってよい。

上部ホルダー２１０は、図４に図示されたように、受け台２１２と、サンプル支持部材２１４と、結合ピン２１６と、を含むことができる。このように構成された上部ホルダー２１０には接合力評価用サンプル１００が装着されることができる。

受け台２１２は、概して薄い板状であることができる。詳細に説明すると、受け台２１２は、図６に図示されたように、円板状であることができる。しかし、受け台２１２の横断面の形状は円形に限定されず、必要に応じて、他の形状に変更されることができる。

サンプル支持部材２１４は受け台２１２と結合することができる。サンプル支持部材２１４は、概して三角形状であることができる。詳細に説明すると、サンプル支持部材２１４の縦断面は、図４に図示されたように、三角形であることができる。より詳細に説明すると、サンプル支持部材２１４の縦断面は一側角部の角度が９０度である直三角形であることができる。参考までに、本実施例では、評価用サンプル１００が装着される部分の角が９０度である。サンプル支持部材２１４には基準面２１８が形成されることができる。基準面２１８は、評価用サンプル１００の一面と平衡であることができる。さらに、基準面２１８は、受け台２１２に対して第１傾斜角αを有することができる。ここで、第１傾斜角αは９０度未満であることができる。一方、基準面２１８と対向する面２１９は、評価用サンプル１００の他の面と平行であることができる。さらに、上記面２１９は基準面２１８と９０度の角をなすことができる。

結合ピン２１６は受け台２１２に形成されることができる。詳細に説明すると、結合ピン２１６は、受け台２１２の下部から下方に長く形成されることができ、下部ホルダー２２０の結合溝２２４に挿入されることができる。すなわち、結合ピン２１６は、上部ホルダー２１０を下部ホルダー２２０に固定する機能を果たすことができる。

このように構成された上部ホルダー２１０は、評価用サンプル１００の一面を加工するため用いられることができる。詳細に説明すると、上部ホルダー２１０は、評価用サンプル１００に第１溝１２０と第２溝１３０を形成する段階において用いられることができる。特に、本実施例による上部ホルダー２１０は、評価用サンプル１００の一側面を図４に図示されたように斜めに支持することで、評価用サンプル１００の加工を容易にすることができる。

下部ホルダー２２０は、本体２２２と、結合溝２２４と、結合ねじ２２６と、を含むことができる。本体２２２は、図７及び図８に図示されたように、概して円筒形状であることができる。ここで、本体２２２の一面（図７における上面）には傾斜面２２８が形成されることができる。傾斜面２２８は、垂直軸に対して第２傾斜角βを有することができる。詳細に説明すると、第２傾斜角βは９０度未満であることができる。より具体的に説明すると、第２傾斜角βは第１傾斜角αと合わせて９０度になるように決定されることができる。結合溝２２４は傾斜面２２８に形成されることができる。詳細に説明すると、結合溝２２４は、傾斜面２２８に対して垂直方向に長く形成されることができる。結合ねじ２２６は本体２２２の側面から上記結合溝２２４に向かって長く挿入されることができる。詳細に説明すると、結合ねじ２２６は結合溝２２４に突出し、結合溝２２４に挿入される結合ピン２１６を堅固に固定することができる。

このように構成された下部ホルダー２２０は上部ホルダー２１０と結合することができ、上部ホルダー２１０を支持することができる。詳細に説明すると、下部ホルダー２２０は、上部ホルダー２１０の基準面２１８が水平状態を維持するように支持することができる。

加圧チップ２３０は、上部ホルダー２１０の上部に配置されることができ、上部ホルダー２１０の基準面２１８と平行な評価用サンプル１００の一面を加圧することができる。詳細に説明すると、加圧チップ２３０は、評価用サンプル１００において第２領域１１４（図１参照）を加圧することができる。一方、本実施例において、加圧チップ２３０の先端は第２領域１１４に力を均一に加えるように、図３に図示されたように平坦に形成されることができる。しかし、加圧チップ２３０の先端は必ずしも平坦に形成される必要はなく、必要に応じて変更されることができる。

このように構成された接合力評価装置２００は、評価用サンプル１００の表面加工のための治具と評価実験のための治具を兼ねることができるため、評価用サンプル１００に対する接合力評価を迅速かつ容易に実施することができる。また、本接合力評価装置２００では、評価用サンプル１００が上部ホルダー２１０に固定された状態で維持され続けることで、評価結果に対する信頼性を向上させることができる。

以下では上述した接合力評価用サンプル及び接合力評価装置に基づき本発明の一実施例による接合力評価方法について説明する。参考までに、図１０及び図１１は本発明の一実施例による接合力評価方法について説明するための評価結果グラフと評価用サンプルの状態を示す図面である。

本実施例による接合力評価方法は、微小領域の設定段階と、微小領域の分割段階と、加圧段階と、を含むことができる。さらに、本接合力評価方法は、加圧結果に対する数値を分析する段階をさらに含むことができる。

１）微小領域の設定段階
本段階は、評価用サンプル１００において接合境界面１０６を含む任意の領域を微小領域１１０と設定する段階であることができる。例えば、多層構造である評価用サンプル１００において二つの部材が接合した任意の部分を微小領域１１０と設定する段階であることができる。したがって、上記微小領域１１０には、第１材質の部材１０２と第２材質の部材１０４が当接する境界面１０６が含まれることができる。

２）微小領域の分割段階
本段階は、微小領域１１０を形成する段階であることができる。すなわち、本段階は、前段階で設定された微小領域１１０が他の領域と分離されるように第１溝１２０と第２溝１３０を形成する段階であることができる。詳細に説明すると、第１溝１２０は、評価用サンプル１００の一面から所定深さで形成されて、他の部分と分離される微小領域１１０を形成することができる。また、第２溝１３０は、微小領域１１０の端部から境界面１１６まで長く形成されて、微小領域１１０の第１領域１１２に片持ち梁状に連結される第２領域１１４を形成することができる。ここで、第１溝１２０は機械的研磨加工により形成されることができ、第２溝１３０は集束イオンビームを利用した加工方法により形成されることができる。

３）加圧段階
本段階は、微小領域１１０の第２領域１１４を加圧する段階であることができる。詳細に説明すると、本段階は、微小領域１１０において第１領域１１２と第２領域１１４の分離が生じるように第２領域１１４に力を加える段階であることができる。さらに、本段階は、第１領域１１２と第２領域１１４の分離現象（又は剥離現象）が生じる過程を評価する段階であることができる。

図１０は第１領域１１２と第２領域１１４の分離が生じるまでの変位と荷重との関係を示すグラフであり、図１１は図１０に図示された主要段階による状態を概略的に示す図面である。

図１０に図示されたように、第１領域１１２と第２領域１１４は、荷重が増加しても所定の変位のみが発生するだけであって、接合した状態をそのまま維持することができる（図１０及び図１１の（ａ）段階）。以降、ある瞬間に至ると、変位が多少増加して第１領域１１２と第２領域１１４の局部的な分離が発生することができる（図１０及び図１１の（ｂ）段階）。また、荷重が増加し続けると、変位が増加して第１領域１１２と第２領域１１４が分離する（図１０及び図１１の（ｃ）段階）。

一方、図１０において、荷重を第１領域１１２と第２領域１１４の接合面積で除し、変位を接触界面の厚さで除して応力‐変形率の曲線で示すと破壊（ｆａｉｌｕｒｅ）に抵抗する能力である破壊靱性を求めることができる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されず、特許請求の範囲に記載された本発明の技術的思想から外れない範囲内で多様な修正及び変形が可能であるということは、当技術分野の通常の知識を有する者には明らかである。

１００ 接合力評価用サンプル
１１０ 微小領域
１２０ 第１溝
１３０ 第２溝
２００ 接合力評価装置
２１０ 上部ホルダー
２１２ 受け台
２１４ サンプル支持部材
２１６ 結合ピン
２１８ 基準面
２２０ 下部ホルダー
２２２ 本体
２２４ 結合溝
２２６ 結合ねじ
２２８ 傾斜面
２３０ 加圧チップ

Claims (12)

1. 評価用サンプルにおいて接合境界面を含む微小領域を設定する段階と、
   前記微小領域の周辺に所定深さの第１溝を形成する段階と、
   前記微小領域の側面を加工して接合境界面まで連結される第２溝を形成する段階と、
   前記微小領域を加圧して前記微小領域の剥離が生じる限界点を測定する段階と、を含む、接合力評価方法。
2. 前記第１溝は前記微小領域を中心として逆「コ」の字状に形成される、請求項１に記載の接合力評価方法。
3. 前記第１溝は機械的研磨工程により形成される、請求項１または２に記載の接合力評価方法。
4. 前記第２溝は前記微小領域の端部から接合境界面まで形成される、請求項１から３の何れか１項に記載の接合力評価方法。
5. 前記第２溝は集束イオンビーム（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ）により形成される、請求項１から４の何れか１項に記載の接合力評価方法。
6. 評価用サンプルの一面と平行な基準面を有する第１ホルダーと、
   前記基準面が水平に維持されるように前記第１ホルダーを支持する第２ホルダーと、
   評価用サンプルを加圧する加圧チップと、を含む、接合力評価装置。
7. 前記第１ホルダーは、
   受け台と、
   前記受け台から突出形成され、前記受け台に対して第１傾斜角を有する基準面が形成されるサンプル支持部材と、
   前記受け台から前記第２ホルダー側に延長される結合ピンと、を含む、請求項６に記載の接合力評価装置。
8. 前記サンプル支持部材の縦断面は直角三角形状である、請求項７に記載の接合力評価装置。
9. 前記第２ホルダーは、
   第２傾斜角を有する傾斜面を有する本体と、
   前記傾斜面に対して垂直方向に形成され、前記結合ピンが嵌合される結合溝と、
   前記本体の側面から前記結合溝に向かって挿入され、前記結合溝に嵌合される前記結合ピンを固定する結合ねじと、を含む、請求項７または８に記載の接合力評価装置。
10. 前記第１傾斜角と前記第２傾斜角の合計は９０度である、請求項９に記載の接合力評価装置。
11. 接合境界面を含み、所定深さの第１溝により形成される微小領域と、
    前記微小領域の端部から接合境界面まで延長される第２溝により分離される突起部と、を含む、接合力評価用サンプル。
12. 前記突起部は片持ち梁形状である、請求項１１に記載の接合力評価用サンプル。