JP3014403B2 - 環境試験方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体集積回路装置などの電子部品の環境
試験技術に関するものである。

〔従来の技術〕

所定の集積回路を形成した半導体チップを合成樹脂の
パッケージで封止した、いわゆる樹脂封止形半導体集積
回路装置は、組立が完了したパッケージを、例えば温度
85℃、相対湿度〔RH〕85％の環境に所定時間保持するこ
とによって、湿気の浸透によるパッケージの特性劣化や
配線の腐食などの評価を行っている。

このような評価を行う試験装置の一種に不飽和型プレ
ッシャークッカー試験装置がある。この試験装置は、被
試験試料を収容する試験槽と、この試験槽に水蒸気を供
給する加湿槽（水蒸気供給槽）と、加湿槽から試験槽に
導入された水蒸気をさらに高温に加熱するヒーターとを
備えている。一般に飽和水蒸気圧は温度の上昇と共に高
くなるが、上記不飽和型プレッシャークッカー試験装置
は、試験槽と加湿槽とをパイプなどを通じて連結してい
るため、試験槽に導入された水蒸気を加熱してもその圧
力は変化しない。例えば加湿槽の温度を124.7℃とした
場合、加湿槽の水蒸気圧はこの温度での飽和水蒸気圧
（2.27気圧）に等しい。この水蒸気を試験槽に導入して
130℃（飽和水蒸気圧は2.67気圧）まで加熱した場合、
水蒸気圧は変化しないので、試験槽の相対湿度は、その
定義 となる。

このように、不飽和型プレッシャークッカー試験装置
は、試験槽の相対湿度の制御が可能であるため、試験槽
の水蒸気圧が常に飽和状態（相対湿度100％）となる飽
和型プレッシャークッカー試験装置の欠点である試料へ
の水滴の付着を防止することができるという利点があ
る。なお、上記プレッシャークッカー試験装置について
記載されている文献の例として、株式会社サイエンスフ
ォーラム、昭和61年11月25日発行、「電子デバイスの信
頼性向上・事例集」P318〜P322がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来、電子部品の耐湿性試験は、前記プレッシャーク
ッカー試験装置を用いた樹脂封止形半導体集積回路装置
の耐湿性試験に代表されるように、試料を高温、高湿の
環境に放置して行う場合が多かった。しかしながら、樹
脂パッケージが自然環境下で吸湿する状態を短時間で精
度良く再現するためには、高温、低湿の環境下で試験を
行う必要がある。

例えば表面実装形の樹脂パッケージは、その内部に所
定量以上の水分が存在すると、はんだリフロー時の熱で
パッケージクラックが発生するため、製造後、基板に実
装するまでの間は、内部湿度を20〜30％程度に保った防
湿包装を施し、室温環境で保管している。従って、パッ
ケージが防湿包装内で吸湿する状態を短時間で精度良く
再現させようとすると、相対湿度を20〜30％程度に保っ
たまま、環境を高温にして吸湿を加速させる必要があ
る。しかし、前記プレッシャークッカー試験装置は、こ
のような高温、低湿環境を実現するには不向きである。
例えば前記不飽和形プレッシャークッカー試験装置で温
度130℃、相対湿度20％の環境を実現しようとすると、
2.67（130℃での飽和水蒸気圧）×0.2＝0.52〔気圧〕の
水蒸気を試験槽に導入する必要がある。この場合、 加湿槽で発生する水蒸気の圧力を0.52気圧にするに
は、加湿槽の水を83℃に加熱すればよいが、水はこの温
度では沸騰しないため、発生する水蒸気は極めて微量で
しかない。

そこで従来、25℃，相対湿度30％の防湿包装内の条件
で保管した表面実装形樹脂パッケージのはんだ耐熱性を
評価する試験は、温度85℃、相対湿度26％の高温、低湿
環境を実現することができる恒温恒湿槽を用いて行うこ
とができる。第３図の曲線Ｃで示すように、厚さ3mmの
樹脂パッケージの場合、相対湿度30％の環境下で水分が
パッケージの内部に充分に達するには、温度25℃で約25
00時間かかる。すなわち、上記防湿包装を施した樹脂パ
ッケージのはんだ耐熱性を室温で評価しようとすると、
試験時間が約2500時間もかかってしまう。これに対し、
同図の曲線Ｂで示すように、相対湿度26％、温度85℃の
環境下で水分がパッケージの内部に充分達する時間は、
約250時間である。すなわち、上記恒温恒湿槽を使用し
た場合は、室温で試験を行う場合に比べて試験時間を約
10分の１程度に短縮することができる。

しかしながら、ゲートアレイなどのセミカスタムLSI
のように、設計から納品までの期間（開発期間）が特に
短い半導体集積回路装置の場合は、パッケージのはんだ
耐熱性試験も極めて短時間で行う必要があるため、上記
恒温恒湿槽よりもさらに短時間で試験を行うことのでき
る環境試験装置の開発が望まれている。

本発明の目的は、半導体集積回路装置などの電子部品
の環境試験に要する時間を短縮することのできる技術を
提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、
本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろ
う。

〔課題を解決するための手段〕

本願において開示される発明のうち、代表的なものの
概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

本願の一発明である環境試験装置は、被試験試料を収
容する試験槽と、前記試験槽に接続され、前記試験槽に
一気圧未満の所定の圧力の水蒸気を供給する加湿槽と、
前記試験槽に導入された前記水蒸気を所定の温度に加熱
する加熱手段と、前記試験槽に接続され、前記試験槽お
よび前記加湿槽のそれぞれの内部の圧力を一気圧未満の
所望の値に保持する減圧手段とを備えている。

〔作用〕 上記した手段によれば、試験槽および加湿槽の内圧を
一気圧未満の所望の値に保持できるようにしたことによ
り、加湿槽の水を所望の温度で沸騰させることができ
る。これにより、試験槽の相対湿度を０〜100％の範囲
で所望の値に設定することができるので、従来の環境試
験装置では実現できなかった高温、低湿環境を実現する
ことができる。

〔実施例１〕 第１図は、本発明の一実施例である環境試験装置１の
要部を示す図である。この環境試験装置１の本体２の内
部は、隔壁３を境にしてその下側の加湿槽４と上側の試
験槽５とに区画されている。

加湿槽４には給水管６を通じて外部から水が供給され
る。給水管６の中途部には、加湿槽４内の水量が一定値
以下になるとこれを感知して加湿槽４に水を供給し、加
湿槽４内の水量が一定値を超えるとこれを感知して加湿
槽４への水の供給を遮断する自動給水バルブ７が設けら
れている。加湿槽４の内部には、加湿槽４内の水を所望
の温度に加熱するヒーター８が挿入されている。加湿槽
４内の水はこのヒーター８によってその沸点まで加熱さ
れ、加湿槽４内に多量の水蒸気を生成する。加湿槽４の
内部には、加湿槽４内の水を冷却する冷却管９が挿入さ
れている。この冷却管９は、加湿槽４内の水温が設定値
よりも上昇すると直ちにその内部を冷媒が循環して水温
を設定値まで下げるように動作する。これにより、加湿
槽４内の水の不所望な過熱が防止されるので、水温を高
い精度で一定にすることができる。

加湿槽４と試験槽５とを隔てる隔壁３の一部には、加
湿槽４と試験槽５との間の熱の交換を遮断する断熱材10
が設けられている。加湿槽４内で発生した水蒸気は、本
体２の側壁と隔壁３との間に設けられた狭い隙間11を通
って試験槽５に導入される。

試験槽５は、本体２の側壁と、その上端部に設けられ
た蓋12と、隔壁３とで周囲を囲まれた空間からなる。隔
壁３は、その上面が樹脂封止形LSIパッケージなどの被
試験試料13を載置する試料載置台を兼ねている。被試験
試料13を試験槽５に収容したり、試験槽５から取り出し
たりするには、蓋12を開閉して行う。蓋12は、試験槽５
の内部の気体（水蒸気および空気）が本体２の外部に漏
れることのないように、充分な気体遮断機能を付与され
ている。本体２の側壁の外周には、試験槽５の内部を加
熱するヒーター14が設けられており、加湿槽４から試験
槽５に導入された水蒸気は、このヒーター14によって所
望の温度に加熱される。

本体２の外部には、減圧槽15が設けられている。この
減圧槽15は排気管16を通じて真空ポンプ17と接続されて
いる。この真空ポンプ17を作動させることにより、減圧
槽15の内部は所望の真空度になる。減圧槽15は第二の排
気管18を通じて本体２の試験槽５と接続されている。こ
の排気管18の中途部には圧力センサ19と排気バルブ20と
が設けられている。圧力センサ19と排気バルブ20とはバ
ルブ開閉用制御部21に接続されている。圧力センサ19
は、試験槽５の内部の圧力が所定値を超えるとこれを感
知してバルブ開閉用制御部21に信号を送り、この信号を
受けたバルブ開閉用制御部21は排気バルブ20を自動的に
開放して試験槽５内の気体を排気管18を通じて減圧槽15
に逃がす。また圧力センサ19は、試験槽５の内部の気圧
が設定値まで低下するとこれを感知してバルブ開閉用制
御部21に信号を送り、この信号を受けたバルブ開閉用制
御部21は排気バルブ20を自動的に閉鎖して試験槽５、減
圧槽15間の気体の移動を遮断する。

減圧槽15内の上部には冷却装置22が設けられている。
試験槽５から流入した高温の水蒸気はこの冷却装置22に
よって冷却され、速やかに液化するので、気体の流入に
伴う減圧槽15内の圧力上昇は僅少である。減圧槽15の底
部には、ドレンバルブ23を備えたドレン管24が接続され
ており、槽15の底部に溜まった水はこのドレン管24を通
じて定期的に外部に排出される。

次に、上記環境試験装置１を用いた表面実装形樹脂パ
ッケージの耐湿試験方法を説明する。

まず、給水管６のバルブ７を開放して本体２底部の加
湿槽４内に規定量の水を供給した後、本体２上部の蓋12
を開放して被試験試料（パッケージ）13を試験槽５の試
料載置台３に載せ、蓋12を閉じる。続いて、真空ポンプ
17を作動して減圧槽15の内部を所定の真空度まで減圧す
る。次に、この状態で排気バルブ20を開放して試験槽５
および加湿槽４の気体を排気管18を通じて低圧側の減圧
槽15に逃がし、本体２の内部を、例えば0.53気圧まで減
圧する。次に、加湿槽４内の水をヒーター８で加熱す
る。加湿槽４内は、0.53気圧に減圧されているため、水
はその飽和水蒸気圧が0.53気圧となる温度、すなわち84
℃で沸騰し、多量の水蒸気を発生する。加湿槽４内で発
生したこの水蒸気は、本体２の側壁と隔壁３との隙間11
を通じて試験槽５に導入される。試験槽５に導入された
水蒸気は、本体２の外周に設けたヒーター14によって、
例えば130℃まで加熱される。試験槽５内の気圧が0.53
気圧を超えた場合は、圧力センサ19がこれを感知してバ
ルブ開閉用制御部21に信号を送り、この信号を受けたバ
ルブ開閉用制御部21が排気バルブ20を開放するので、試
験槽５内の気体は排気管18を通じて減圧槽15に排出され
る。そして、試験槽５内の気圧が0.53気圧に戻ると、圧
力センサ19がこれを感知してバルブ開閉用制御部21に信
号を送り、この信号を受けたバルブ開閉用制御部21が排
気バルブ20を閉鎖する。

その結果、試験槽５内は常に温度130℃、圧力0.53気
圧に維持されるので、試験槽５内の相対湿度は、〔0.53
/2.67（130℃での飽和水蒸気圧）〕×100≒20〔％〕に
維持される。排気管18を通じて減圧槽15に排出された試
験槽５内の水蒸気は、減圧槽15内の冷却装置22によって
液化されるので、この水蒸気による減圧槽15内の気圧上
昇は僅かである。減圧槽15内の気圧が所定値を超えた場
合は、真空ポンプ17が作動して減圧槽15内を元の真空度
に戻す。

このように、本実施例１の環境試験装置１は、本体２
に接続された減圧槽15を設けることによって、試験槽５
および加湿槽４の内圧を一気圧未満の所望の値に保持す
ることができるので、加湿槽４の水を所望の温度で沸騰
させることができる。その結果、試験槽５内の温度およ
び相対湿度を０〜100％の範囲で所望の値に設定するこ
とができるので、第４図に示すように、従来の環境試験
装置で実現できた高温、高湿環境は勿論、従来の環境試
験装置では実現できなかった高温、低湿環境（同図の斜
線で示す領域）を容易に実現することができる。

例えば上記環境試験装置１を用いて温度140℃、相対
湿度26％の環境を実現し、この環境下で厚さ3mmの樹脂
パッケージの内部に水分が充分に達する時間は、第３図
の曲線Ａで示すように、僅か45時間となる。すなわち、
本実施例１の環境試験装置１を用いることにより、パッ
ケージが防湿包装内で吸湿する状態を45時間程度で精度
良く再現することができるので、従来の環境試験装置を
用いた場合に比べて、はんだ耐熱性の評価に要する時間
を著しく短縮することができる。

〔実施例２〕 第２図に示す本実施例２の環境試験装置１は、加湿槽
４と試験槽５とを分離し、連結管25を通じて両者を接続
した構成になっている。加湿槽４で発生した水蒸気は、
この連結管25を通じて試験槽５に導入され、その外周に
設けたヒーター14によって高温に加熱される。試験槽５
は、例えばヒーター26を備えた恒温槽27に収容されてい
る。恒温槽27の外部には、減圧槽15が設けられており、
この減圧槽15と試験槽５とは排気管18を通じて接続され
ている。

加湿槽４と試験槽５とを分離した上記環境試験装置１
は、加湿槽４と試験槽５との間で熱の交換が殆どないた
め、前記実施例１の環境試験装置１に比べて、より広範
囲の温度、相対湿度環境を実現することができ、かつ一
旦設定した温度、相対湿度の変動も少ない。なお、第２
図に示す環境試験装置１の上記した以外の符号を付した
部分は、前記実施例１の環境試験装置１のそれと同一で
あるため、その繰り返しの説明は省略する。

以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づ
き具体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定され
るものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更
可能であることはいうまでもない。

以上の説明では、主として本発明者によってなされた
発明をその背景である表面実装形樹脂パッケージのはん
だ耐熱性の評価試験に適用した場合について説明した
が、本発明はそれに限定されるものではなく、高温、低
湿の環境を必要とする各種環境試験用の装置として広く
利用することができる。

〔発明の効果〕

本願において開示される発明のうち代表的なものによ
って得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りであ
る。

被試験試料を収容する試験槽と、前記試験槽に接続さ
れ、前記試験槽に所定の圧力の水蒸気を供給する加湿槽
と、前記試験槽に導入された前記水蒸気を所定の温度に
加熱する加熱手段と、前記試験槽に接続され、前記試験
槽および前記加湿槽のそれぞれの内部の圧力を一気圧未
満の所望の値に保持する減圧槽とを備えた本発明の環境
試験装置によれば、試験槽の相対湿度を所望の値に設定
することができるので、従来の環境試験装置では実現で
きなかった高温、低湿環境を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例である環境試験装置の要部
断面図、 第２図は、本発明の他の実施例である環境試験装置の要
部断面図、 第３図は、樹脂パッケージの加湿時の水分増加特性を示
すグラフ図、 第４図は、本発明の環境試験装置および従来の環境試験
装置で実現可能な温度、相対湿度環境をそれぞれ示すグ
ラフ図である。 １……環境試験装置、２……本体、３……隔壁（試料載
置台）、４……加湿槽、５……試験槽、６……給水管、
７……自動給水バルブ、8,14,26……ヒーター、９……
冷却管、10……断熱材、11……隙間、12……蓋、13……
被試験試料、15……減圧槽、16,18……排気管、17……
真空ポンプ、19……圧力センサ、20……排気バルブ、21
……バルブ開閉用制御部、22……冷却装置、23……ドレ
ンバルブ、24……ドレン管、25……連結管、27……恒温
槽。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被試験試料を所定の温度および所定の相対
   湿度の環境下にて環境試験する方法において、 前記環境の気圧を一気圧未満の所定圧力に制御して、該
   気圧における水の沸点温度まで加熱して水を沸騰せし
   め、前記気圧の水蒸気を供給した環境において前記被試
   験試料を試験することを特徴とする環境試験方法。
2. 【請求項２】被試験試料を収容する試験槽と、前記試験
   槽に接続され、前記試験槽に一気圧未満の所定の圧力の
   水蒸気を供給する加湿槽と、前記試験槽に導入された前
   記水蒸気を所定の温度に加熱する加熱手段と、前記試験
   槽に接続され、前記試験槽および前記加湿槽のそれぞれ
   の内部の圧力を一気圧未満の所望の値に保持する減圧手
   段とを備えていることを特徴とする環境試験装置。
3. 【請求項３】前記減圧手段は、前記試験槽から前記減圧
   手段に導入された前記水蒸気を液化する冷却手段を備え
   ていることを特徴とする請求項２記載の環境試験装置。