JP2022007895A - 接合層評価方法および接合層評価装置 - Google Patents
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- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
Description
ベース基板106として、BeO(ベリリウム酸化物:通称ベリリア)は熱伝導率が270 W/mKと高く、使用できる。
薄膜ヒータ117および温度プローブ116はNi(ニッケル)-P、またはNiで形成あるいは構成する。
Ni-P膜111dの膜厚は、1μm以上10μm以下の膜厚が好ましい。特に、2μm以上6μm以下の膜厚にすることが好ましい。
図3に図示するように薄膜ヒータ117の膜厚(μm)と薄膜ヒータ117の薄膜ヒータ117のシート抵抗値(Ω/sq)は、略線形の関係にある。
粗化状態は、フェムト秒レーザ光502のレーザ強度、照射するレーザパルスの移動速度を変更あるいは設定することにより容易に実現できる。
本明細書では、説明を容易にするため、接合層105は半田クリームまたは半田シートをリフロー工程で加熱することにより形成したものとして説明をする。
リフロー工程で半田付けする場合は、あらかじめ半田クリーム等を指定の場所に印刷しておき、リフロー炉で加熱し溶かすことによって部品と接合する。
完全放射体(黒体)はそこに入射する全てのエネルギーを吸収し、その温度に対応したエネルギーを熱放射する。赤外線サーモグラフティカメラ108では完全放射体(黒体)の放射率を1.0として校正されており、実際の物体測定では放射率を予め設定し、補正する。
なお、感光性ポリイミド膜は、硬化させず、塗付状態であっても放射率は安定して測定することができる。
図1は、本発明の接合層の評価方法および接合層評価装置の説明図である。加熱冷却プレート101内には、循環水パイプ102が配置されている。
薄膜ヒータ117に定電流Iaを流し、接合層105を加熱する。評価結果あるいは評価の途中に、評価サンプルの評価を停止、あるいは制御方法を変更する。
本発明の接合層の評価方法において、接合層105の劣化、あるいは特性変化にあわせて、外部条件を変更あるいは設定する。
パッケージあるいは実装部品形態であるBGA、CSPでは部品の下に半田が印刷されるため、発生したガスは部品下部にとどまりやすくなるが、ボール分だけ部品と基板に隙間があるので、半田の流動性が保持される限りにおいて、ガスはボール内から外へ放出される。
逆に、リードレス部品やパワー系部品では部品と基板ランド間に隙間がないので、発生ガスやフラックス残渣はそのまま部品下にとどまり、大きなボイドを形成する。
ボイドは実装時に発生したガスが、半田の流動性不足や溶融時間の短さ等の理由で外部に排出されなかった際に発生する。
接合層(接合層)105の劣化診断を行うためには、まず、温度分布の測定データから温度差分を抽出し、また、必要に応じて時間経過の温度差分を抽出する。
本発明の実施例において、電流電源装置803として説明するが、電流電源装置803は定電流を出力するものに限定されるものではない。
以上の実施例では、定電流Ibの調整は、温度プローブ116の端子間電圧を測定して、薄膜ヒータ117に流す定電流Ibを調整するとした。
スイッチ回路801bをオンオフして、薄膜ヒータ117に流す定電流Ibをオンオフし、薄膜ヒータ117の発熱を調整あるいは設定してもよい。
温度情報△Tは、故障率と相関がある。図14は温度情報△Tと故障率との関係を模式的に図示した説明図である。
接合層105は、所定の故障率F2以下に収める必要があるとすると、温度情報△Tは△T2以下となるようにする必要がある。
なお、ヒータとは加熱手段であればいずれのものであってもよい。温度プローブ116は、熱電対、放射温度計等であっても良いことは言うまでもない。
図16(b)において、幅L1部と幅L2部の膜厚を異ならしてもよい。幅L2部よりも幅L2部の膜厚を薄くすることにより、幅L2の発熱が大きくなる。
図16の実施例では、端子電極115a、端子電極115b間の薄膜ヒータ117は1本であった。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。
図17(a)、図17(b)に図示するように、端子電極115a、端子電極115b間に形成または配置する薄膜ヒータ117は複数本にしてもよい。
以上の薄膜ヒータ117の形状等に関する事項は、温度プローブ116に対しても適用できることは言うまでもない。
以下、図面を参照しながら、図16、図17等に図示する本発明のヒータチップ109の作製方法について説明する。
フェムト秒レーザ光502のパルスを照射することにより、薄膜ヒータ117等を形成する部分に対応するマスク501の部分が除去され、凹部が形成される。
図18(d1)は、図18(d2)のAA’線での断面図である。なお、断面図の断面位置に関しては、他の図面においても同様である。
たとえば、図16(b)、図17(b)において、幅L1、幅L2、幅L3において、粗化状態あるいは算術平均粗さRaを異ならせてもよい。
粗化状態の可変は、フェムト秒レーザ光502のレーザ強度、照射するレーザパルスの移動速度を変更あるいは設定することにより容易に実現できる。
Sn-Pd触媒504はコロイド状の粒子であり、Sn-Pdの核部の表面にSn-rich層、およびSn2+層が順に形成されている。
次に、図19(h1)、図19(h2)に図示するように、SiC基板106の表面に無電解Ni-Pめっきを行い、薄膜ヒータ117が形成される。
無電解Ni-Pめっき液としては、酸性領域から中性領域で次亜リン酸ナトリウムを還元剤とする還元析出型の無電解Ni-Pめっき液を用いることができる。
次に、図21(p1)、図21(p2)に図示するように、マスキングテープ120cを剥離させて、ヒータチップ109が完成する。
図22(a)に図示するように、無酸素銅板104aと無酸素銅板104b間に半田等の接合層105が配置または形成される。
無酸素銅板104において、接合層105と接する面に、Ni-P膜111、金めっき膜112が形成されるが、図面が煩雑となるため図示していない。
無酸素銅板104aは、主として放熱板として機能し、無酸素銅板104bはヒータチップ109からの熱を接合層105に伝達する機能を有する。
図22(b)に図示するように、無酸素銅板104b上に、放熱(伝熱)グリス118を塗布、あるいは放熱(伝熱)グリス118を配置する。
なお、焼結ペーストの熱伝導率は、4W/m・K以上のものを使用することが好ましい。焼結Agペーストの他、焼結銅(Cu)ペーストを用いてもよい。
赤外線サーモグラフティカメラ108は、ポリイミドフィルム107を介して、接合層105の2次元的な温度分布を測定する。
これにより、ヒータチップ109裏面をHot側(加熱側)、銅プレート104側をCold側(冷却側)とする温度勾配を半田接合層へ生じさせた。
なお、断面の放射率を確保するためにポリイミドテ-プを貼り付けて赤外線サーモグラフティカメラ108による温度測定を実施した。
これらのことから、200℃放置試験後とTM(サーモマイグレーション)試験後ではNiの分布に差異があるように見受けられる。
金めっき膜112の膜厚は0.01μm以上とする。金めっき膜112はNi-P膜111の表面の酸化あるいは汚染を防止あるいは抑制する機能を有する。
ポリイミドテープ107内での温度低下(℃)= 温度プローブ(℃)-サーモグラフィ温度(℃)である。
他の端面温度で実施する場合も図23のグラフから適切なサーモグラフィ温度を読み取ればよいことは言うまでもない。
図23で説明したように、温度プローブ116でモニターする温度と、赤外線カメラ108で測定される温度とは、差異が発生する。
試験開始前には赤外線カメラ108で温度を制御し、目標の試験温度に調整する。この際、温度プローブ116による温度モニターも実施している状態である。
なお、任意の基準で一定時間経過後や、直流電源の出力の継時変化等、再度、赤外線カメラ108での温度制御に変更しても良いことは言うまでもない。
図25において、aa’間が温度プローブ116となる。aa’間抵抗は、5Ω以上1000Ω以下が好ましい。特に、10Ω以上500Ω以下が好ましい。
bb’間が薄膜ヒータ117となる。bb’間抵抗は、5Ω以上500Ω以下が好ましい。特に、10Ω以上200Ω以下が好ましい。
そのため、温度プローブを利用した温度測定(電圧から温度への換算)と、制御アプリによる温度制御が困難になる。
熱処理を行うことにより、薄膜ヒータ117、温度プローブ116の配線抵抗が安定する。図26は、熱処理による抵抗の変化を示すグラフである。
以下、図面を参照しながら、図27、図28等に図示する本発明のヒータチップ109の作製方法について説明する。
図29~図33において、各図の左側の図面は、ヒータチップの側面図を示しており、各図の左側の図面は、ヒータチップ109の平面図を示している。
粗化された算術平均粗さRaは0.2μm以上である。算術平均粗さRaは、0.3μm以上、0.4μm以上、0.5μm以上の順により好ましい。
フェムト秒レーザ光502のパルスを照射することにより、薄膜ヒータ117等を形成する部分に対応するマスク501の部分が除去され、凹部が形成される。
粗化状態の可変は、フェムト秒レーザ光502のレーザ強度、照射するレーザパルスの移動速度を変更あるいは設定することにより容易に実現できる。
Sn-Pd触媒504aはコロイド状の粒子であり、Sn-Pdの核部の表面にSn-rich層、およびSn2+層が順に形成されている。
以上の工程により、端子電極115および薄膜ヒータ117がSiC基板106上に形成される。
赤外線サーモグラフティカメラ108は、ポリイミドフィルム107を介して、接合層等の2次元的な温度分布を測定する。
端子電極115aには高温半田126dが形成または配置され、高温半田126dには配線127dが取り付けられている。
端子電極115bには高温半田126eが形成または配置され、高温半田126eには配線127eが取り付けられる。
端子電極124aには高温半田126bが形成または配置され、高温半田126bには配線127bが取り付けられる。
端子電極124bには高温半田126cが形成または配置され、高温半田126cには配線127cが取り付けられる。
端子電極114aには高温半田126fが形成または配置され、高温半田126fには配線127fが取り付けられる。
端子電極114bには高温半田126gが形成または配置され、高温半田126gには配線127gが取り付けられる。
金属板(銅板)129にも高温半田126aが接続または配置され、高温半田126aに配線127aが接続されている。
図34においても、aa’間が温度プローブ116となる。aa’間抵抗は、5Ω以上1000Ω以下が好ましい。特に、10Ω以上500Ω以下が好ましい。
bb’間が薄膜ヒータ117となる。bb’間抵抗は、5Ω以上500Ω以下が好ましい。特に、10Ω以上200Ω以下が好ましい。
電流印加経路132の抵抗値は、小さい方が望ましく、少なくとも、薄膜ヒータ117の抵抗値よりも小さく形成する。
焼結Agペーストは、SiC基板106に形成されたスルーホール(TH)131にも充填され、焼結Agペースト充填部134を形成している。
図35、図36に図示するように、エレクトロマイグレーション(EM)用の定電流128aは、EM用直流電源装置803cから供給される。
本発明は、50℃に保持したヒートシンク129上に評価サンプルを設置または配置して、複合試験を実施している。
以下、図面を参照しながら、図34、図35、図36等に図示する本発明のヒータチップ109の製造(作製)方法について説明する。
フェムト秒レーザ光502のパルスを照射することにより、薄膜ヒータ117等を形成する部分に対応するマスクの部分が除去され、凹部が形成される。
配線のパターニング(薄膜ヒータ117、温度プローブ116等)は、マスクの表面に形成されたマーク130に基づいて行ってもよい。
放熱機能あるいは所定温度に維持する金属板(銅板または導電性が良好は基板)129と、銅プレート104間に半田層(接合層)105が形成される。
端面の研磨加工により、図40(f)に図示するように、端面に露出したスルーホール(TH)131内の焼結Agペースト充填部134が露出する。
次に、図40(f)に図示するように、銅板129に高温半田126aが半田付けされ、高温半田126aには、配線127aが接続される。
赤外線サーモグラフティカメラ108は、ポリイミドフィルム107を介して、接合層105の2次元的な温度分布を測定する。
以上のように、本発明の接合層の評価方法および接合層評価装置は、接合層の評価、構成、寿命などを定量的に評価できる。
良好なEM観察、TM観察を実施するためには、温度勾配を任意に制御することを可能にする必要がある。
図42は、本発明のヒータチップ、ヒータチップおよび接合層を有する構成物の説明図、接合層の評価方法、測定方法、検査方法の説明図である。
図42では、接合層として、錫(Sn)層301、ソルダレジスト(SR)層302を有する接合層304として図示し、また、説明をする。
ヒータチップ109aの温度は、Ta0 > Ta1 > Ta2とし、ヒータチップ109bの温度は、Tb0 > Tb1 > Tb2とする。
図1、図6、図15、図40で説明したように、接合層304の錫(Sn)層301の温度を赤外線カメラ108で温度の変化、温度を測定あるいは評価する。
したがって、したがって、高電流密度でも溶断しないEM試験が可能になり、また、適切なTM試験が可能である。
本明細書および図面に記載した事項あるいは内容は、相互に組み合わせることができることは言うまでもない。
102 循環水パイプ
103 チラー
104 銅プレート
105 半田層(接合層、接合部)
106 SiC基板
107 ポリイミドシート(ポリアミド)
108 赤外線サーモグラフティカメラ
109 ヒータチップ
110 XYZステージ
111 Ni-P膜(めっき膜)
112 金めっき膜
114 温度プローブ端子電極(金めっき膜)
115 薄膜ヒータ端子電極(金めっき膜)
116 温度プローブ(Ni-P膜)
117 薄膜ヒータ(Ni-P膜)
118 放熱(伝熱)グリス
119 粗化面
120 マスキングテープ
121 リード線
122 電圧計
123 半田
124 エレクトロマイグレーション(EM)端子電極(金めっき膜)
125 焼結Agペースト充填層
126 高温半田
127 配線
128 電流
129 銅板(放熱板)
130 十字マーク
131 スルーホール(TH)
132 電流印加経路
134 焼結Agペースト充填部
301 錫(Sn)層
302 ソルダレジスト(SR)層
304 接合層(接合部)
305 ボルト
501 マスク(アルカリ可溶性タイプアクリルポリマー含む)
502 レーザ光(フェムト秒レーザ光)
503 凹部
504 Sn-Pd触媒
801 スイッチ回路
802 定電流回路
803 電流電源装置
804 制御回路
901 拡散部
Claims (10)
- 第1の基板と、
第2の基板と、
第1の部材と、
前記第1の基板の第1の面に形成または配置された加熱手段と、
前記第1の基板の第1の面に形成または配置された電流経路と、
前記加熱手段に電流を供給する電流供給手段と、
前記第2の基板と前記第1の基板の第2の面間に配置された、導電性を有する接続層と、
前記第1の部材と、前記第2の基板間に形成または配置された接合層と、
前記接合層から放射される赤外線から、前記接合層の温度を取得する温度測定手段を具備することを特徴とする接合層評価装置。 - 前記第1の基板は、シリコンカーバイドで形成されていることを特徴とする請求項1記載の接合層評価装置。
- 前記第1の面において
前記加熱手段が形成または配置される位置に、フェムト秒レーザ光またはピコ秒レーザ光が照射されて粗面化されていることを特徴とする請求項1記載の接合層評価装置。 - 前記第2の基板を所定の温度する加熱または冷却手段を有ることを特徴とする請求項1記載の接合層評価装置。
- 前記加熱手段と、前記電流経路のうち、少なくとも一方が、Ni-Pからなる層であることを特徴とする請求項1記載の接合層評価装置。
- 第1の基板と、第2の基板と、第1の部材と、樹脂部材を有し、
第2の基板と前記第1の部材を接合する接合層を形成し、
前記接合層が接する接合面を研磨し、
前記接合面に密接するように、前記樹脂部材を配置し、
前記第1の基板を加熱して、前記第2の基板を所定温度に維持し、前記接合面の所定位置の温度情報△Tを、非接触で取得することを特徴とする接合層の評価方法。 - 前記第1の基板に、薄膜からなるヒータが構成され、
前記薄膜からなるヒータに電流を印加することにより、前記薄膜からなるヒータを発熱させ、
前記発熱により、前記接合層を加熱することを特徴とする請求項6記載の接合層の評価方法。 - 前記第2の基板を、所定温度に維持することを特徴とする請求項6記載の接合層の評価方法。
- 前記第1の基板に、Ni-Pからなる配線が形成されていることを特徴とする請求項6記載の接合層の評価方法。
- 前記接合面の所定位置の温度情報△Tは、複数点を取得し、
前記複数点の温度情報△Tの差を求めることを特徴とする請求項6記載の接合層の評価方法。
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