JP3855741B2 - 半導体装置接合部強度評価方法と評価装置及び半導体装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体パッケージに搭載された接続用金属突起物（バンプ）の接合部，配線基板に搭載された半導体パッケージ，半導体素子，受動素子部品等の接合部に対する衝撃的な強度測定方法、及びその測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
プリント配線板への電子部品や電子素子の実装，電線と端子との接続等のために、従来よりはんだが用いられている。従来のはんだはＳｎ−Ｐｂ共晶はんだ（以下ＳｎＰｂ系と記す）が一般的であったが、近年では環境汚染の問題からＰｂの全廃が推進されている。従来のＳｎＰｂ系に代わる材料として、Ｓｎをベースに数種類の金属を添加したＰｂフリーはんだが各種提案されている。例えば、Ｐｂの代わりにＡｇを含有させたＳｎＡｇ系、Ｂｉを含有させたＳｎＢｉ系、Ｚｎを含有させたＳｎＺｎ系の各Ｐｂフリーはんだが代表的である。
【０００３】
ところで、ＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）パッケージやＣＳＰ（チップサイズパッケージ）等の半導体パッケージに搭載されたはんだボール（はんだバンプとも言う）の接合強度，プリント配線基板のような配線基板上に形成された導体パターンに搭載された電子部品の接合強度の大小は、搭載する電子部品の接続信頼性を評価する上で極めて重要である。半導体部品に搭載された配線基板との接続用はんだボール接続部，はんだを介して搭載された電子部品の接合部、あるいはワイヤボンディング部等の微小な接合部の接合強度を評価する方法として、引張試験，せん断試験等が従来より用いられている。せん断試験の例は特開2000−３２１１９６に開示されている。図２２はその概略を示したもので、接触ツール３００で測定物（例えばはんだボール）３０１をせん断破壊させ、破壊に要した最大荷重をせん断破壊強度として測定する。
【０００４】
次に、引張試験方法の１例を図２３に示す。測定物３０１を引張治具４００で挟んで上方に引張り、はんだ部を破壊させる。破壊に要した最大荷重を引張破壊強度として測定する。図２４は引張り試験のもう一つの例を示したものである。測定プローブ５００を加熱して測定物３０１を最溶融させ、その後冷却して測定物を凝固させる。次に測定プローブ５００を上方に引張り、はんだ部を破壊させる。破壊に要した最大荷重を引張破壊強度として測定する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記Ｐｂフリーはんだ材を適用した場合、その接続部に対する信頼性確保のための課題が山積されているのが現状である。特に、機器の小型化・携帯化に伴い落下などの衝撃ではんだ接続部が破壊するケースが増えている。このため、Ｐｂフリーはんだ材料を選定する上で接続部の耐衝撃性向上対策が重要になってきている。
【０００６】
はんだ接続部の一般的な衝撃性評価は、ＢＧＡ，ＣＳＰ等のパッケージ単品を所定のトレー，ケースなどに固定し、所定の高さから床面に落下させ、落下回数に対するはんだボール脱落数をカウントするか、あるいは所定の基板にＢＧＡ，ＣＳＰ等のパッケージを搭載して所定の高さから床面に落下させてパッケージ脱落有無を確認するといった定性的な方法のみで行われていた。図１９は単品BGAパッケージに対して行った、リフロー回数に対するボール脱落個数の関係を示したものである。リフローは、ピーク温度２６０℃で１５秒間、窒素フロー中で行った。トレー落下回数は５回である。パッケージのはんだボール搭載部のメタライズ構造はＣｕ／Ｓｎめっき、はんだボール組成はＳｎ−３Ａｇ−０.５Ｃｕ 製である。はんだボールは２６０℃ピークで窒素フロー下で搭載した。リフロー条件は前記はんだボール搭載条件と同様である。リフロー回数に対してボール脱落数が増えていく傾向があることが確認できる。しかし、同一条件で同様のサンプルに対する試験結果（図２０）に示すように、リフロー回数に対してボール脱落数が増えていく傾向は確認できるけれども、その軌跡は図１９と一致しない。これはトレーの落下状態が一定ではないためである。つまり、ある落下時にはトレーが床面に平行に落下、別のある落下時にはトレーの端部が床面に激突、というように、その落下状態が一定にはならない。これでは許容できるリフロー回数を正確に設定することができない。
【０００７】
さらに、従来の落下試験法では所定の位置に所定の力を正確に付与することは不可能である。従ってパッケージの構造に起因するはんだボール接合性優劣の評価は行えない。
【０００８】
このように、上記落下試験方法は定量的に物理量を正確に測定する評価方法ではないため、信頼性確保のための境界を設けることができなかった。
【０００９】
また、従来から行われているせん断破壊強度試験や引張破壊強度試験による評価では、はんだボール衝撃性評価が充分に評価できない問題もあった。図２１は上記と同様のパッケージ、及びリフロー条件を用い、リフロー回数に対するせん断破壊強度変化を示したもので、リフロー回数に対するはんだボール脱落数も併せて示した。これによるとはんだボール脱落数が増え、明らかに耐衝撃性が低下しているにもかかわらず、せん断破壊強度はほとんど変化していないことが判る。この傾向は引張試験についても同様である。従って、従来から用いられている接合強度評価方法では衝撃破壊の優劣を評価することは困難である。
【００１０】
このように従来から行われている衝撃性評価や接合強度評価方法では、適切な耐衝撃性評価とその接合信頼性向上対策が行えない大きな問題点を抱えていた。
【００１１】
本発明の目的は、電子部品や電子素子の接続部の耐衝撃性評価を定量的に行い、長期信頼性を損なうことのない適切な材料選定，接合条件の特定が行える評価方法と、その評価装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記問題は、半導体装置の所定の位置に衝撃的な力を与えて接合部を破壊させ、その破壊に要したエネルギーを測定することにより達成される。
【００１３】
例えば半導体装置のはんだボール搭載部に一定の加速度運動を行う治具を衝突させて前記はんだボールを接合部から破壊させ、その際、前記はんだボールに衝突する直前の前記治具の速度と、前記はんだボールを接合部から破壊させた直後の前記治具の速度を測定し、前記直後の速度の２乗と前記直前の速度の２乗の差から前記はんだボールの接合部破壊に要したエネルギーを算出し、前記はんだボール接合部の衝撃強度とする半導体実装部衝撃強度評価方法及びその評価装置とすることにより達成される。
【００１４】
他方、例えば半導体装置のはんだボール搭載部に等速度運動を行う治具を衝撃的に衝突させて前記はんだボールを接合部から破壊させ、前記治具に加わる荷重の変化から前記はんだボールの接合部破壊に要したエネルギーを算出し、前記はんだボール搭載部の接合部の衝撃強度とする半導体実装部衝撃強度評価方法及びその評価装置とすることにより達成される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【００１６】
図１は本発明の実施例の一つの構成を示したもので光学式速度測定器をもつ衝撃試験機１００の側面図である。図２は図１の左側方向から見た側面図である。衝撃試験機は主にベース板１と、ベース板１に固定された支柱２と、支柱２の上部に設置された軸受け３（図２に図示）と、その軸受け３に対応する回転軸を有するアーム４と、アーム４の先端に取り付けられた重り５と、測定サンプル６を載せる台７と、軸受け３に対応する回転軸と同一回転軸に装備されたアーム４の振り上げ角度を測定するための円板８と、アーム４を一時的に固定する固定解放装置９と、レーザー光を利用したアーム４の先端に取り付けられた重り５の運動を調べるための回折パターン認識装置１０と、その回折パターン認識装置１０からの信号を処理して重り５の速度を求める解析装置１１と、その解析結果を表示する表示器１２と、アーム４の振り上げ角度を測定する角度測定器１３と、アーム４の振り上げ角度を表示する表示器１４とから構成される。１５ははんだボールである。
【００１７】
なお、本実施例の装置は、アーム系（アーム４を含めた軸受け３の中心から重り５の先端までを指す）の弾性変形エネルギーは無視できうる構造として作製されている。
【００１８】
図２において、１５は軸受け３に対応する回転軸と同一回転軸を有し、アーム４を所定の角度にまで振り上げるためのモーターである。
【００１９】
次にレーザー光を利用した速度測定の原理を説明する。
【００２０】
レーザー光を粗面（拡散反射をする面；ここでは重りの側面）に当てるとスペックルパターンと呼ばれる干渉縞を生じる。これはレーザー光が粗面に当る時に微妙に粗面との距離に差ができることにより拡散光に位相差ができる。この位相差によって光の干渉が起き、明と暗の干渉縞となる。この干渉縞は粗面の状態により変化する。粗面が静止していれば干渉縞も静止している。粗面が移動すればこの干渉縞も移動し、粗面が移動することにより粗面の状態も変化する。よって干渉縞の縞模様も変化する。この干渉縞が変化し移動する状態をイメージセンサーで捉える。干渉縞は粗面の材質に影響を受けずに発生するけれども、センサーへの感度向上のため、白黒のスリット模様の入ったシールを粗面に貼り付けることが望ましい。
【００２１】
レーザー光を粗面に当てると反射光が干渉してスペックルパターンとなり、粗面が移動するとパターンも移動するが、この移動量は以下のように測定する。
【００２２】
回折パターン認識装置１０の受光素子は１次元のイメージセンサーを使用している。イメージセンサーはちょうど受光素子が一定の間隔に並んでいるような形状をしている。例えば、リセット値がＯＮの時に図３（１）のスペックルパターンがイメージセンサーに入光されたとする。リセット入力がＯＦＦして図３(２)のパターンにイメージセンサーの入光が変化してプラス方向にイメージセンサー１個分（例えば２０μｍ）移動したとすると、２０μｍの移動量を検出する。
ＯＮ→ＯＦＦ→ＯＮの一定時間間隔より速度が換算され、速度値が表示る。
【００２３】
次に以上の構成による衝撃試験機の動作を説明する。
【００２４】
図１において、回折パターン認識装置１０から放射されるレーザー光を遮るように、重り５が通過するように高さ方向において調整されている。
【００２５】
まず衝撃試験を行う前の準備から説明する。アーム４を鉛直方向に垂らした状態で測定サンプルを載せる台７に測定サンプル６を載せる。このとき測定サンプル６上のはんだボールが、重り５の先端部のすぐ横でかつ重り５の軌跡上に位置するように位置調整する。このとき角度測定器１３でアーム４と重り５が鉛直方向にあることを確認しておく。
【００２６】
次に、角度測定器１３と角度測定円板８を用いて所定の振り上げ角を設定し、所定の振り上げ角にまでアーム４を振り上げ、固定解放装置９で一時固定する。その後固定を解除するとアーム４は回転運動を開始し、最下点に達したときに測定サンプル上のはんだボールに重り５の先端が衝突し、はんだボール接合部を衝撃的に破壊させる。
【００２７】
このとき、重り５のはんだボールに衝突する直前とはんだボールを破壊した直後の速度を測定する。測定したそれぞれの速度を、アーム系（アーム４を含めた軸受け３の中心から重り５の先端までを指す）の重心位置の速度に換算し、衝突直前のアーム系重心速度をＶ１、衝突直後のそれをＶ２とすると、衝撃破壊に要したエネルギーＷは、Ｗ＝１／２×ｍ×（Ｖ１の２乗−Ｖ２の２乗）で与えられる。ｍはアーム系の重心位置の重量である。必要に応じてパーソナルコンピュータにこれらの表示された数値を取り込むとデータ管理をすることが可能である。
【００２８】
図４は、上記手法で求めた衝撃破壊に要したエネルギー（以下耐衝撃エネルギーと記す）をリフロー回数に対して示したものである。ボール脱落数も併せて示した。測定には重りの重量２０グラム、重りの衝突直前の速度は１４００mm／ｓとした。
【００２９】
図４によるとせん断破壊強度の傾向とはまったく異なり、ボール脱落数が増加すると耐衝撃エネルギーが減少していく傾向があることが判る。この傾向を詳細に解析すると、ボール脱落がなくてもリフロー回数を増していくと耐衝撃エネルギーがわずかではあるが減少していくことが確認できる。さらに、ボール脱落が始まる条件時（図中のａ）に急激に耐衝撃エネルギーが減少していることが判る。すなわち、本衝撃性評価方法によれば、従来のせん断破壊強度試験法や引張破壊強度試験法等では評価が困難であったはんだボール接合部の耐衝撃性評価が充分に行えるといえる。特に図４におけるボール脱落が始まるａ点のような領域を見出す事ができるので、長期的なはんだボールの接合信頼性を確保するための条件設定が可能である。つまり、定量的評価が不可能で、かつ測定結果がばらつく落下試験を行わずに衝撃に対する信頼性評価が行える。環境保全のためのＰｂフリーはんだを用いたパッケージや電子基板搭載部品に対して特に有効である。
【００３０】
なお、本発明における衝撃的な外力とは、衝突直前の重りの速度が１００mm／ｓ以上であることを指している。このとき、衝撃的な破壊は、破壊に要する時間が０.１ミリ 秒以上１０００ミリ秒以下で行われることが望ましい。
【００３１】
また本発明において、衝撃破壊はせん断破壊が支配的になる。図２５は本発明による試験後のはんだボール形状の代表例を示したものである。外力が加わる方向とは逆向きにはんだボールが延びていることが判る。これはせん断で破壊されていることを示しており、シャルピー試験の曲げ破断とは決定的に異なる。
【００３２】
（実施例２）
ところで、実施例１で測定した耐衝撃エネルギーは、厳密にははんだボールの弾性塑性変形エネルギー，はんだボール接合部の接合エネルギーの総和である。
【００３３】
そこで、速度解析装置からの信号に対して高速にサンプリングできる装置を装備した衝撃試験機を作製した。図５は前記サンプリング装置２０を装備した衝撃試験機１００の概略を示した図である。図６はサンプリング装置２０によってサンプリングした速度データを時間に対して示したものである。サンプリングデータの記録はパーソナルコンピュータによる。試験条件は上記と同様である。図６中のｋ点はアーム４の先端の重り５の先端がはんだボールに衝突する直前の速度、図６中のｌ点はアーム４の先端の重り５の先端がはんだボール接合部を衝撃破壊した直後の速度で、それぞれＶ１，Ｖ２に相当する。
【００３４】
また、図６中のα領域は、重り５の先端がはんだボールに衝突してからはんだボールの弾性変形、及びはんだボールの塑性変形時の速度変化に対応する。図６中のβ領域ははんだボール接合部を破壊するのに要した速度変化に対応する。
【００３５】
このように、本実施例装置でははんだボールの弾性塑性変形部、界面破断部とを分離して評価することも可能であるため、純粋にはんだボール接合部の衝撃性に対する接合エネルギーを評価することが可能である。このため、はんだボールの硬さやヤング率等の物理的定数を考慮することなく耐衝撃性評価が行える。
【００３６】
さらに、接合部の面積で上記エネルギー値を割れば、耐衝撃エネルギー値の一般化も可能である。
【００３７】
また、時間に対する速度変化からパーソナルコンピューターソフトなどを用いて加速度変化に変換することが可能である。このときの加速度の絶対値の最大値から衝撃破壊に要した最大荷重を算出することが可能である。この最大荷重を衝撃強度評価の指標とすることも可能である。
【００３８】
なお、本実施例において、ＢＧＡ，ＣＳＰ等のパッケージに搭載されたはんだボールの他、配線基板上に形成したはんだボール，フリップチップ接続に用いる半導体素子上に形成した金属突起物（バンプ）等の接合部信頼性評価に対しても有効である。例えば図７に示すように、半導体チップ５０上の電極パッド５１上に形成した外部配線とのフリップチップ接続用Ａｕ製バンプ５２の電極パッド５１との接合部の衝撃強度を測定するのにも有効である。５３はレジスト膜である。
【００３９】
さらに、図８に示すようにＡｕバンプが多段構造（図８では２段構造）の場合は、重りの位置を調整することにより電極パッドとＡｕバンプとの接合部の接合強度の他、下段のＡｕバンプと上段のＡｕバンプとの接合部の衝撃強度を測定することにも有効である。
【００４０】
（実施例３）
図９は本発明の実施例の一つの構成を示したもので荷重センサーをもつ衝撃試験機１００の側面図である。衝撃試験機は主にベース板１と、ベース板１に固定された支柱２と、支柱２の上部に設置された丸棒３０と、測定サンプル６を載せる台７と、荷重センサーを装備したはんだボール接合部破壊用治具３１，はんだボール接合部破壊用治具３１からの信号を記録，処理，表示する解析装置３２とから構成される。１５ははんだボールである。
【００４１】
次に以上の構成の衝撃試験機によるサンプリング方法を説明する。
【００４２】
はんだボール接合部破壊用治具３１を１０mm／ｓの一定速度でサンプル６上の所定のはんだボール１５に衝突させ、はんだボール１５を接合部から破壊させる。はんだボール接合部破壊用治具３１はボール破壊後も一定速度を保ったまま所定の位置まで運動している。
【００４３】
このとき、はんだボール接合部破壊用治具３１に具備された荷重センサーからの信号を解析装置３２でサンプリングする。図１０ははんだボール接合部破壊用治具３１が感知した、ボールに衝突してから破壊させるまでの時間に対する荷重の変化を示したものである。図１０のαの領域ははんだボール接合部破壊用治具３１がはんだボール１５に衝突し、はんだボール１５の弾性変形に要するエネルギー、図１０のβ領域ははんだボール１５の塑性変形に要するエネルギー、図１０のγ領域ははんだボール１５の接合部界面破壊に要するエネルギーに、それぞれが対応する。
【００４４】
つまり、図１０は実施例１の図６に相当する。このため、実施例１と同様に本実施例でも純粋にはんだボール接合部の衝撃性に対する接合エネルギーを評価することが可能であり、かつはんだボールの硬さやヤング率等の物理的定数を考慮することなく耐衝撃性評価が行える。接合部の面積で上記エネルギー値を割れば、耐衝撃エネルギー値の一般化も可能である。
【００４５】
なお、本実施例においては、はんだボール接合部破壊用治具３１の速度をさらに速く設定することが望ましい。例えば３０mm／ｓ，１００mm／ｓ、さらには５００mm／ｓと高速に設定することによって、図４に示すように接合部の劣化状態が敏感に測定結果に反映される。
【００４６】
また、本実施例において、ＢＧＡ，ＣＳＰ等のパッケージに搭載されたはんだボールの他、配線基板上に形成したはんだボール，フリップチップ接続に用いる半導体素子上に形成した金属突起物（バンプ）等の接合部信頼性評価に対しても有効である。例えば図７に示すように、半導体チップ５０上の電極パッド５１上に形成した外部配線とのフリップチップ接続用Ａｕ製バンプ５２の電極パッド５１との接合部の衝撃強度を測定するのにも有効である。５３はレジスト膜である。
【００４７】
さらに、図８に示すようにＡｕバンプが多段構造（図８では２段構造）の場合は、重りの位置を調整することにより電極パッドとＡｕバンプとの接合部の接合強度の他、下段のＡｕバンプと上段のＡｕバンプとの接合部の衝撃強度を測定することにも有効である。
【００４８】
（実施例４）
図１１は本発明の実施例の一つの構成を示したもので速度測定器をもつ衝撃試験機１００の側面図である。衝撃試験機は主にベース板１と、ベース板１に固定された支柱２と、支柱２の上部に設置された軸受け（図示せず）と、その軸受けに対応する回転軸を有するアーム４と、アーム４の先端に取り付けられた重り５と、測定サンプル４０を載せる台７と、軸受けに対応する回転軸と同一回転軸に装備されたアーム４の振り上げ角度を測定するための円板８と、アーム４を一時的に固定する固定解放装置９と、レーザー光を利用したアーム４の先端に取り付けられた重り５の運動を調べるための回折パターン認識装置１０と、その回折パターン認識装置１０からの信号を処理して重り５の速度を求める解析装置１１と、その解析結果を表示する表示器１２と、アーム４の振り上げ角度を測定する角度測定器１３と、アーム４の振り上げ角度を表示する表示器１４とから構成される。測定サンプル４０は、配線基板に実装されたＢＧＡパッケージである。
【００４９】
次に以上の構成による衝撃試験機の動作を説明する。
【００５０】
図１１において、回折パターン認識装置１０から放射されるレーザー光を遮るように、重り５が通過するように高さ方向において調整されている。
【００５１】
まず衝撃試験を行う前の準備から説明する。アーム４を鉛直方向に垂らした状態で測定サンプルを載せる台７に測定サンプル６を載せる。このとき測定サンプル４０の側面（ＢＧＡパッケージの側面）が、重り５の先端部のすぐ横でかつ重り５の軌跡上に位置するように位置調整する。このとき角度測定器１３でアーム４と重り５が鉛直方向にあることを確認しておく。
【００５２】
次に、角度測定器１３と角度測定円板８を用いて所定の振り上げ角を設定し、所定の振り上げ角にまでアーム４を振り上げ、固定解放装置９で一時固定する。その後固定を解除するとアーム４は回転運動を開始し、最下点に達したときに測定サンプル４０の側面に重り５の先端が衝突し、測定サンプル４０のはんだ接合部を衝撃的に破壊させる。
【００５３】
このとき、重り５の測定サンプル４０の側面に衝突する直前とはんだ接合部を破壊した直後の速度を測定する。測定したそれぞれの速度を、アーム系（アーム４を含めた軸受け３の中心から重り５の先端までを指す）の重心位置の速度に換算し、衝突直前のアーム系重心速度をＶ１、衝突直後のそれをＶ２とすると、衝撃破壊に要したエネルギーＷは、Ｗ＝１／２×ｍ×（Ｖ１の２乗−Ｖ２の２乗）で与えられる。ｍはアーム系の重心位置の重量である。必要に応じてパーソナルコンピュータにこれら表示された数値を取り込むとデータ管理をすることが可能である。
【００５４】
なお、本実施例において、測定サンプル４０はＢＧＡ，ＣＳＰ等のパッケージ部品の他、フリップチップ接合、あるいはダイボンディングされた半導体素子のような能動素子、または図１２に示すようなチップ抵抗，コンデンサ，ソレノイドコイル等のディスクリート部品６０と呼ばれる受動素子のはんだ接合部に対しても有効である。特に図１２に示したディスクリート部品６０に対しては、図１２中の矢印方向に衝撃的な力を与えるよりも図１２中の●部に紙面に対して垂直方向に与えたほうが効果的である。なお、図１２において、６１は電極、６２ははんだ、６３は配線基板である。
【００５５】
（実施例５）
図１３は本発明の実施例の一つの構成を示したもので荷重センサーをもつ衝撃試験機１００の側面図である。衝撃試験機は主にベース板１と、ベース板１に固定された支柱２と、支柱２の上部に設置された丸棒３０と、測定サンプル４０を載せる台７と、荷重センサーを装備した測定サンプル接合部破壊用治具４１，測定サンプル接合部破壊用治具４１からの信号を記録，処理，表示する解析装置３２とから構成される。測定サンプル４０は配線基板に実装されたＢＧＡパッケージである。
【００５６】
次に以上の構成の衝撃試験機によるサンプリング方法を説明する。
【００５７】
測定サンプル接合部破壊用治具４１を一定速度で測定サンプル４０の側面（ＢＧＡパッケージの側面）に衝突させ、測定サンプル４０を接合部から破壊させる。測定サンプル接合部破壊用治具４１は測定サンプル破壊後も一定速度を保ったまま所定の位置まで運動している。このとき、測定サンプル接合部破壊用治具４１に具備された荷重センサーからの信号を解析装置３２でサンプリングする。
【００５８】
なお、本実施例においては、測定サンプル接合部破壊用治具４１の速度を100mm／ｓ以上と高速に設定することが望ましく、接合部の劣化状態が敏感に測定結果に反映される。
【００５９】
なお、本実施例において、実施例４と同様に測定サンプル４０はＢＧＡ，CSP等のパッケージ部品の他、フリップチップ接合、あるいはダイボンディングされた半導体素子のような能動素子，チップ抵抗，コンデンサ，ソレノイドコイルといった受動素子等に対しても有効である。
【００６０】
（実施例６）
図１４は本発明の実施例の一つの構成を示したもので速度測定器をもつ衝撃試験機１００の側面図である。衝撃試験機は主にベース板１と、ベース板１に固定された支柱２と、支柱２の上部に設置された軸受け（図示せず）と、その軸受けに対応する回転軸を有するアーム４と、アーム４の先端に取り付けられた重り５と、測定サンプル６を載せる台７と、軸受けに対応する回転軸と同一回転軸に装備されたアーム４の振り上げ角度を測定するための円板８と、アーム４を一時的に固定する固定解放装置９と、アーム４の振り上げ角度を測定する角度測定器１３と、アーム４の振り上げ角度を表示する表示器１４と、はんだボール１５を叩いた後の重り５の最高点を測定する高さ測定器１７で構成される。
【００６１】
なお、本実施例の装置は、アーム系（アーム４を含めた軸受け３の中心から重り５の先端までを指す）の弾性変形エネルギーは無視できうる構造として作製されている。
【００６２】
次に以上の構成による衝撃試験機の動作を説明する。
【００６３】
まず衝撃試験を行う前の準備から説明する。アーム４を鉛直方向に垂らした状態で測定サンプルを載せる台７に測定サンプル６を載せる。このとき測定サンプル６のはんだボールが、重り５の先端部のすぐ横でかつ重り５の軌跡上に位置するように位置調整する。このとき角度測定器１３でアーム４と重り５が鉛直方向にあることを確認しておく。
【００６４】
次に、角度測定器１３と角度測定円板８を用いて所定の振り上げ角を設定し、所定の振り上げ角にまでアーム４を振り上げ、固定解放装置９で一時固定する。その後、固定を解除するとアーム４は回転運動を開始し、最下点に達したときに測定サンプル上のはんだボールに重り５の先端が衝突し、はんだボール接合部を衝撃的に破壊させる。
【００６５】
その後、アーム系は最高点に達し、再び振り降りてくる。最高点に達したときの重り５の最下点からの高さ測定器１７で検出する。あらかじめ設定した振り上げ高さにある位置エネルギーと、前記最高点の位置エネルギーの差からはんだボール１５の接合部耐衝撃エネルギーを算出する。
【００６６】
本実施例はＢＧＡ，ＣＳＰ等のパッケージ部品の配線基板との接合部，フリップチップ接合、あるいはダイボンディングされた半導体素子のような能動素子，チップ抵抗，コンデンサ，ソレノイドコイルといった受動素子等のはんだ接合部に対しても有効である。
【００６７】
（実施例７）
図１５は本発明の実施例の一つの構成を示したもので角度測定器をもつ衝撃試験機１００の側面図である。衝撃試験機は主にベース板１と、ベース板１に固定された支柱２と、支柱２の上部に設置された軸受け（図示せず）と、その軸受けに対応する回転軸を有するアーム４と、アーム４の先端に取り付けられた重り５と、測定サンプル６を載せる台７と、軸受けに対応する回転軸と同一回転軸に装備されたアーム４の振り上げ角度を測定するための円板８と、アーム４を一時的に固定する固定解放装置９と、アーム４の振り上げ角度を測定する角度測定器１３と、アーム４の振り上げ角度を表示する表示器１４で構成される。１５ははんだボールである。
【００６８】
なお、本実施例の装置は、アーム系（アーム４を含めた軸受け３の中心から重り５の先端までを指す）の弾性変形エネルギーは無視できうる構造として作製されている。
【００６９】
次に以上の構成による衝撃試験機の動作を説明する。
【００７０】
まず衝撃試験を行う前の準備から説明する。アーム４を鉛直方向に垂らした状態で測定サンプルを載せる台７に測定サンプル６を載せる。このとき測定サンプル６上のはんだボールが、重り５の先端部のすぐ横でかつ重り５の軌跡上に位置するように位置調整する。このとき角度測定器１３でアーム４と重り５が鉛直方向にあることを確認しておく。
【００７１】
次に、角度測定器１３と角度測定円板８を用いて所定の振り上げ角を設定し、所定の振り上げ角にまでアーム４を振り上げ、固定解放装置９で一時固定する。その後固定を解除するとアーム４は回転運動を開始し、最下点に達したときに測定サンプル上のはんだボールに重り５の先端が衝突し、はんだボール接合部を衝撃的に破壊させる。
【００７２】
その後、アーム系は最高点に達する。最高点に達したときの角度を角度測定器１３で測定する。設定した振り上げ角と最高点に達したときの角度から各々の位置エネルギーを算出し、その差を取ってはんだボール１５の接合部耐衝撃エネルギーを算出する。
【００７３】
本実施例はＢＧＡ，ＣＳＰ等のパッケージ部品の配線基板との接合部，フリップチップ接合、あるいはダイボンディングされた半導体素子のような能動素子，チップ抵抗，コンデンサ，ソレノイドコイルといった受動素子等のはんだ接合部に対しても有効である。
【００７４】
（実施例８）
図１６はこれまで述べた実施例の変形例で、重り５のはんだボールとの打面に傾斜を設けた構造である。このような打面の傾斜を設けることによって、はんだボールはより衝撃的に破壊しやすくなる。このためはんだボールの弾性変形、塑性変形等に費やされるエネルギーをより少なくすることができ、より精度高く接合部の耐衝撃エネルギーを評価することが可能である。
【００７５】
（実施例９）
図１７は本発明の実施例の一つの構成を示したものである。実施例１で示したようにＣＳＰ単体パッケージに形成したはんだボールに所定の衝撃的な外力をせん断方向に加えてはんだボールを接合部から破壊させ、その後はんだボールが放物運動を行っていくが、はんだボールが水平に置かれた測定面７０に最初に到達した位置までの距離Ｌ、及び放物運動の測定面７０から最も高い位置までの高さＨを測定して、これらの値をはんだボール接合部の衝撃強度指標とした実施例である。
【００７６】
（実施例１０）
図１８は本発明の実施例の一つの構成を示したものである。実施例１で示したようにＣＳＰ単体パッケージに形成したはんだボールに所定の衝撃的な外力をせん断方向に加えてはんだボールを接合部から破壊させ、その後はんだボールが放物運動を行っていくが、はんだボールが鉛直に置かれた測定面７０に衝突した位置での高さＨを測定して、これらの値をはんだボール接合部の衝撃強度指標とした実施例である。
【００７７】
本実施例の変形例で、測定面７０に荷重センサーを装備して、はんだボールが衝突したときの荷重を測定し、この荷重からエネルギー値を算出してはんだボール接合部の衝撃強度とてもよい。
【００７８】
以上までに、本発明の実施例について説明した。本発明における半導体装置１００は、実施例記載の範囲に限定されるものではない。
【００７９】
また、測定箇所は金属同志の接合部に限定されるものではない。
【００８０】
【発明の効果】
本発明の半導体装置強度評価方法によれば、従来のせん断破壊強度試験法，引張破壊強度試験法や落下試験等では評価が困難であったはんだボール接合部の定量的な耐衝撃性評価が行え、長期的なはんだボールの接合信頼性評価や接合信頼性を確保するための条件設定が可能である。環境保全のためのＰｂフリーはんだを用いた、パッケージや電子基板搭載部品に対して特に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の一つの構成を示したもので速度測定器をもつ衝撃試験機の側面図である。
【図２】図１の左側方向から見た側面図である。
【図３】イメージセンサーに入光されたスペックルパターンの例である。
【図４】衝撃破壊に要した耐衝撃エネルギーをリフロー回数に対して示したものである。
【図５】速度解析装置からの信号に対して高速にサンプリングできる装置を装備した衝撃試験機の概略を示した図である。
【図６】図５の装置によってサンプリングした速度データを時間に対して示したものである。
【図７】半導体チップ上の電極パッド上に形成した外部配線とフリップチップ接続用Ａｕ製バンプである。
【図８】半導体チップ上の電極パッド上に形成した外部配線とフリップチップ接続用Ａｕ製バンプである。
【図９】本発明の実施例の一つの構成を示したもので荷重センサーをもつ衝撃試験機の側面図である。
【図１０】図９のはんだボール破壊用治具が感知した、ボールに衝突してから破壊させるまでの時間に対する荷重の変化を示したものである。
【図１１】本発明の実施例の一つの構成を示したもので速度測定器をもつ衝撃試験機の側面図である。
【図１２】配線基板上に搭載したディスクリート部品である。
【図１３】本発明の実施例の一つの構成を示したもので荷重センサーをもつ衝撃試験機の側面図である。
【図１４】本発明の実施例の一つの構成を示したものである。
【図１５】本発明の実施例の一つの構成を示したものである。
【図１６】重りの打面に傾斜を設けた構造の実施例である。
【図１７】本発明の実施例の一つの構成を示したものである。
【図１８】本発明の実施例の一つの構成を示したものである。
【図１９】単品ＢＧＡパッケージに対して行った、リフロー回数に対するボール脱落個数の関係を示したものである。
【図２０】リフロー回数に対するはんだボール脱落数を示したものである。
【図２１】リフロー回数に対するせん断破壊強度変化を示したもので、リフロー回数に対するはんだボール脱落数も併せて示した。
【図２２】従来のせん断試験方法の概略を示したものである。
【図２３】従来の常温式引張試験方法の概略を示したものである。
【図２４】従来の溶融式引張試験方法の概略を示したものである。
【図２５】本発明法による試験後のはんだボール形状の代表例を示したものである。
【符号の説明】
１…ベース板、２…支柱、３…軸受け、４…アーム、５…重り、６…測定サンプル、７…測定サンプルを載せる台、８…角度測定円板、９…アーム固定解放装置、１０…回折パターン認識装置、１１…速度解析装置、１２…速度表示器、
１３…角度測定器、１４…角度表示器、１５…はんだボール、１６…モーター、１７…高さ測定器、２０…サンプリング装置、３０…丸棒、３１…はんだボール接合部破壊用治具、３２…解析装置、４０…測定サンプル、４１…測定サンプル接合部破壊用治具、５０…半導体チップ、５１…電極パッド、５２…Ａｕバンプ、５３…レジスト、６０…ディスクリート部品、６１…電極、６２…はんだ、
６３…配線基板、７０…測定面、１００…衝撃試験機。
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体パッケージに搭載された接続用金属突起物（バンプ）の接合部，配線基板に搭載された半導体パッケージ，半導体素子，受動素子部品等の接合部に対する衝撃的な強度測定方法、及びその測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
プリント配線板への電子部品や電子素子の実装，電線と端子との接続等のために、従来よりはんだが用いられている。従来のはんだはＳｎ−Ｐｂ共晶はんだ（以下ＳｎＰｂ系と記す）が一般的であったが、近年では環境汚染の問題からＰｂの全廃が推進されている。従来のＳｎＰｂ系に代わる材料として、Ｓｎをベースに数種類の金属を添加したＰｂフリーはんだが各種提案されている。例えば、Ｐｂの代わりにＡｇを含有させたＳｎＡｇ系、Ｂｉを含有させたＳｎＢｉ系、Ｚｎを含有させたＳｎＺｎ系の各Ｐｂフリーはんだが代表的である。
【０００３】
ところで、ＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）パッケージやＣＳＰ（チップサイズパッケージ）等の半導体パッケージに搭載されたはんだボール（はんだバンプとも言う）の接合強度，プリント配線基板のような配線基板上に形成された導体パターンに搭載された電子部品の接合強度の大小は、搭載する電子部品の接続信頼性を評価する上で極めて重要である。半導体部品に搭載された配線基板との接続用はんだボール接続部，はんだを介して搭載された電子部品の接合部、あるいはワイヤボンディング部等の微小な接合部の接合強度を評価する方法として、引張試験，せん断試験等が従来より用いられている。せん断試験の例は特開2000−３２１１９６に開示されている。図２２はその概略を示したもので、接触ツール３００で測定物（例えばはんだボール）３０１をせん断破壊させ、破壊に要した最大荷重をせん断破壊強度として測定する。
【０００４】
次に、引張試験方法の１例を図２３に示す。測定物３０１を引張治具４００で挟んで上方に引張り、はんだ部を破壊させる。破壊に要した最大荷重を引張破壊強度として測定する。図２４は引張り試験のもう一つの例を示したものである。測定プローブ５００を加熱して測定物３０１を最溶融させ、その後冷却して測定物を凝固させる。次に測定プローブ５００を上方に引張り、はんだ部を破壊させる。破壊に要した最大荷重を引張破壊強度として測定する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記Ｐｂフリーはんだ材を適用した場合、その接続部に対する信頼性確保のための課題が山積されているのが現状である。特に、機器の小型化・携帯化に伴い落下などの衝撃ではんだ接続部が破壊するケースが増えている。このため、Ｐｂフリーはんだ材料を選定する上で接続部の耐衝撃性向上対策が重要になってきている。
【０００６】
はんだ接続部の一般的な衝撃性評価は、ＢＧＡ，ＣＳＰ等のパッケージ単品を所定のトレー，ケースなどに固定し、所定の高さから床面に落下させ、落下回数に対するはんだボール脱落数をカウントするか、あるいは所定の基板にＢＧＡ，ＣＳＰ等のパッケージを搭載して所定の高さから床面に落下させてパッケージ脱落有無を確認するといった定性的な方法のみで行われていた。図１９は単品BGAパッケージに対して行った、リフロー回数に対するボール脱落個数の関係を示したものである。リフローは、ピーク温度２６０℃で１５秒間、窒素フロー中で行った。トレー落下回数は５回である。パッケージのはんだボール搭載部のメタライズ構造はＣｕ／Ｓｎめっき、はんだボール組成はＳｎ−３Ａｇ−０.５Ｃｕ 製である。はんだボールは２６０℃ピークで窒素フロー下で搭載した。リフロー条件は前記はんだボール搭載条件と同様である。リフロー回数に対してボール脱落数が増えていく傾向があることが確認できる。しかし、同一条件で同様のサンプルに対する試験結果（図２０）に示すように、リフロー回数に対してボール脱落数が増えていく傾向は確認できるけれども、その軌跡は図１９と一致しない。これはトレーの落下状態が一定ではないためである。つまり、ある落下時にはトレーが床面に平行に落下、別のある落下時にはトレーの端部が床面に激突、というように、その落下状態が一定にはならない。これでは許容できるリフロー回数を正確に設定することができない。
【０００７】
さらに、従来の落下試験法では所定の位置に所定の力を正確に付与することは不可能である。従ってパッケージの構造に起因するはんだボール接合性優劣の評価は行えない。
【０００８】
このように、上記落下試験方法は定量的に物理量を正確に測定する評価方法ではないため、信頼性確保のための境界を設けることができなかった。
【０００９】
また、従来から行われているせん断破壊強度試験や引張破壊強度試験による評価では、はんだボール衝撃性評価が充分に評価できない問題もあった。図２１は上記と同様のパッケージ、及びリフロー条件を用い、リフロー回数に対するせん断破壊強度変化を示したもので、リフロー回数に対するはんだボール脱落数も併せて示した。これによるとはんだボール脱落数が増え、明らかに耐衝撃性が低下しているにもかかわらず、せん断破壊強度はほとんど変化していないことが判る。この傾向は引張試験についても同様である。従って、従来から用いられている接合強度評価方法では衝撃破壊の優劣を評価することは困難である。
【００１０】
このように従来から行われている衝撃性評価や接合強度評価方法では、適切な耐衝撃性評価とその接合信頼性向上対策が行えない大きな問題点を抱えていた。
【００１１】
本発明の目的は、電子部品や電子素子の接続部の耐衝撃性評価を定量的に行い、長期信頼性を損なうことのない適切な材料選定，接合条件の特定が行える評価方法と、その評価装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記問題は、半導体装置の所定の位置に衝撃的な力を与えて接合部を破壊させ、その破壊に要したエネルギーを測定することにより達成される。
【００１３】
例えば半導体装置のはんだボール搭載部に一定の加速度運動を行う治具を衝突させて前記はんだボールを接合部から破壊させ、その際、前記はんだボールに衝突する直前の前記治具の速度と、前記はんだボールを接合部から破壊させた直後の前記治具の速度を測定し、前記直後の速度の２乗と前記直前の速度の２乗の差から前記はんだボールの接合部破壊に要したエネルギーを算出し、前記はんだボール接合部の衝撃強度とする半導体実装部衝撃強度評価方法及びその評価装置とすることにより達成される。
【００１４】
他方、例えば半導体装置のはんだボール搭載部に等速度運動を行う治具を衝撃的に衝突させて前記はんだボールを接合部から破壊させ、前記治具に加わる荷重の変化から前記はんだボールの接合部破壊に要したエネルギーを算出し、前記はんだボール搭載部の接合部の衝撃強度とする半導体実装部衝撃強度評価方法及びその評価装置とすることにより達成される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【００１６】
図１は本発明の実施例の一つの構成を示したもので光学式速度測定器をもつ衝撃試験機１００の側面図である。図２は図１の左側方向から見た側面図である。衝撃試験機は主にベース板１と、ベース板１に固定された支柱２と、支柱２の上部に設置された軸受け３（図２に図示）と、その軸受け３に対応する回転軸を有するアーム４と、アーム４の先端に取り付けられた重り５と、測定サンプル６を載せる台７と、軸受け３に対応する回転軸と同一回転軸に装備されたアーム４の振り上げ角度を測定するための円板８と、アーム４を一時的に固定する固定解放装置９と、レーザー光を利用したアーム４の先端に取り付けられた重り５の運動を調べるための回折パターン認識装置１０と、その回折パターン認識装置１０からの信号を処理して重り５の速度を求める解析装置１１と、その解析結果を表示する表示器１２と、アーム４の振り上げ角度を測定する角度測定器１３と、アーム４の振り上げ角度を表示する表示器１４とから構成される。１５ははんだボールである。
【００１７】
なお、本実施例の装置は、アーム系（アーム４を含めた軸受け３の中心から重り５の先端までを指す）の弾性変形エネルギーは無視できうる構造として作製されている。
【００１８】
図２において、１５は軸受け３に対応する回転軸と同一回転軸を有し、アーム４を所定の角度にまで振り上げるためのモーターである。
【００１９】
次にレーザー光を利用した速度測定の原理を説明する。
【００２０】
レーザー光を粗面（拡散反射をする面；ここでは重りの側面）に当てるとスペックルパターンと呼ばれる干渉縞を生じる。これはレーザー光が粗面に当る時に微妙に粗面との距離に差ができることにより拡散光に位相差ができる。この位相差によって光の干渉が起き、明と暗の干渉縞となる。この干渉縞は粗面の状態により変化する。粗面が静止していれば干渉縞も静止している。粗面が移動すればこの干渉縞も移動し、粗面が移動することにより粗面の状態も変化する。よって干渉縞の縞模様も変化する。この干渉縞が変化し移動する状態をイメージセンサーで捉える。干渉縞は粗面の材質に影響を受けずに発生するけれども、センサーへの感度向上のため、白黒のスリット模様の入ったシールを粗面に貼り付けることが望ましい。
【００２１】
レーザー光を粗面に当てると反射光が干渉してスペックルパターンとなり、粗面が移動するとパターンも移動するが、この移動量は以下のように測定する。
【００２２】
回折パターン認識装置１０の受光素子は１次元のイメージセンサーを使用している。イメージセンサーはちょうど受光素子が一定の間隔に並んでいるような形状をしている。例えば、リセット値がＯＮの時に図３（１）のスペックルパターンがイメージセンサーに入光されたとする。リセット入力がＯＦＦして図３(２)のパターンにイメージセンサーの入光が変化してプラス方向にイメージセンサー１個分（例えば２０μｍ）移動したとすると、２０μｍの移動量を検出する。
ＯＮ→ＯＦＦ→ＯＮの一定時間間隔より速度が換算され、速度値が表示る。
【００２３】
次に以上の構成による衝撃試験機の動作を説明する。
【００２４】
図１において、回折パターン認識装置１０から放射されるレーザー光を遮るように、重り５が通過するように高さ方向において調整されている。
【００２５】
まず衝撃試験を行う前の準備から説明する。アーム４を鉛直方向に垂らした状態で測定サンプルを載せる台７に測定サンプル６を載せる。このとき測定サンプル６上のはんだボールが、重り５の先端部のすぐ横でかつ重り５の軌跡上に位置するように位置調整する。このとき角度測定器１３でアーム４と重り５が鉛直方向にあることを確認しておく。
【００２６】
次に、角度測定器１３と角度測定円板８を用いて所定の振り上げ角を設定し、所定の振り上げ角にまでアーム４を振り上げ、固定解放装置９で一時固定する。その後固定を解除するとアーム４は回転運動を開始し、最下点に達したときに測定サンプル上のはんだボールに重り５の先端が衝突し、はんだボール接合部を衝撃的に破壊させる。
【００２７】
このとき、重り５のはんだボールに衝突する直前とはんだボールを破壊した直後の速度を測定する。測定したそれぞれの速度を、アーム系（アーム４を含めた軸受け３の中心から重り５の先端までを指す）の重心位置の速度に換算し、衝突直前のアーム系重心速度をＶ１、衝突直後のそれをＶ２とすると、衝撃破壊に要したエネルギーＷは、Ｗ＝１／２×ｍ×（Ｖ１の２乗−Ｖ２の２乗）で与えられる。ｍはアーム系の重心位置の重量である。必要に応じてパーソナルコンピュータにこれらの表示された数値を取り込むとデータ管理をすることが可能である。
【００２８】
図４は、上記手法で求めた衝撃破壊に要したエネルギー（以下耐衝撃エネルギーと記す）をリフロー回数に対して示したものである。ボール脱落数も併せて示した。測定には重りの重量２０グラム、重りの衝突直前の速度は１４００mm／ｓとした。
【００２９】
図４によるとせん断破壊強度の傾向とはまったく異なり、ボール脱落数が増加すると耐衝撃エネルギーが減少していく傾向があることが判る。この傾向を詳細に解析すると、ボール脱落がなくてもリフロー回数を増していくと耐衝撃エネルギーがわずかではあるが減少していくことが確認できる。さらに、ボール脱落が始まる条件時（図中のａ）に急激に耐衝撃エネルギーが減少していることが判る。すなわち、本衝撃性評価方法によれば、従来のせん断破壊強度試験法や引張破壊強度試験法等では評価が困難であったはんだボール接合部の耐衝撃性評価が充分に行えるといえる。特に図４におけるボール脱落が始まるａ点のような領域を見出す事ができるので、長期的なはんだボールの接合信頼性を確保するための条件設定が可能である。つまり、定量的評価が不可能で、かつ測定結果がばらつく落下試験を行わずに衝撃に対する信頼性評価が行える。環境保全のためのＰｂフリーはんだを用いたパッケージや電子基板搭載部品に対して特に有効である。
【００３０】
なお、本発明における衝撃的な外力とは、衝突直前の重りの速度が１００mm／ｓ以上であることを指している。このとき、衝撃的な破壊は、破壊に要する時間が０.１ミリ 秒以上１０００ミリ秒以下で行われることが望ましい。
【００３１】
また本発明において、衝撃破壊はせん断破壊が支配的になる。図２５は本発明による試験後のはんだボール形状の代表例を示したものである。外力が加わる方向とは逆向きにはんだボールが延びていることが判る。これはせん断で破壊されていることを示しており、シャルピー試験の曲げ破断とは決定的に異なる。
【００３２】
（実施例２）
ところで、実施例１で測定した耐衝撃エネルギーは、厳密にははんだボールの弾性塑性変形エネルギー，はんだボール接合部の接合エネルギーの総和である。
【００３３】
そこで、速度解析装置からの信号に対して高速にサンプリングできる装置を装備した衝撃試験機を作製した。図５は前記サンプリング装置２０を装備した衝撃試験機１００の概略を示した図である。図６はサンプリング装置２０によってサンプリングした速度データを時間に対して示したものである。サンプリングデータの記録はパーソナルコンピュータによる。試験条件は上記と同様である。図６中のｋ点はアーム４の先端の重り５の先端がはんだボールに衝突する直前の速度、図６中のｌ点はアーム４の先端の重り５の先端がはんだボール接合部を衝撃破壊した直後の速度で、それぞれＶ１，Ｖ２に相当する。
【００３４】
また、図６中のα領域は、重り５の先端がはんだボールに衝突してからはんだボールの弾性変形、及びはんだボールの塑性変形時の速度変化に対応する。図６中のβ領域ははんだボール接合部を破壊するのに要した速度変化に対応する。
【００３５】
このように、本実施例装置でははんだボールの弾性塑性変形部、界面破断部とを分離して評価することも可能であるため、純粋にはんだボール接合部の衝撃性に対する接合エネルギーを評価することが可能である。このため、はんだボールの硬さやヤング率等の物理的定数を考慮することなく耐衝撃性評価が行える。
【００３６】
さらに、接合部の面積で上記エネルギー値を割れば、耐衝撃エネルギー値の一般化も可能である。
【００３７】
また、時間に対する速度変化からパーソナルコンピューターソフトなどを用いて加速度変化に変換することが可能である。このときの加速度の絶対値の最大値から衝撃破壊に要した最大荷重を算出することが可能である。この最大荷重を衝撃強度評価の指標とすることも可能である。
【００３８】
なお、本実施例において、ＢＧＡ，ＣＳＰ等のパッケージに搭載されたはんだボールの他、配線基板上に形成したはんだボール，フリップチップ接続に用いる半導体素子上に形成した金属突起物（バンプ）等の接合部信頼性評価に対しても有効である。例えば図７に示すように、半導体チップ５０上の電極パッド５１上に形成した外部配線とのフリップチップ接続用Ａｕ製バンプ５２の電極パッド５１との接合部の衝撃強度を測定するのにも有効である。５３はレジスト膜である。
【００３９】
さらに、図８に示すようにＡｕバンプが多段構造（図８では２段構造）の場合は、重りの位置を調整することにより電極パッドとＡｕバンプとの接合部の接合強度の他、下段のＡｕバンプと上段のＡｕバンプとの接合部の衝撃強度を測定することにも有効である。
【００４０】
（実施例３）
図９は本発明の実施例の一つの構成を示したもので荷重センサーをもつ衝撃試験機１００の側面図である。衝撃試験機は主にベース板１と、ベース板１に固定された支柱２と、支柱２の上部に設置された丸棒３０と、測定サンプル６を載せる台７と、荷重センサーを装備したはんだボール接合部破壊用治具３１，はんだボール接合部破壊用治具３１からの信号を記録，処理，表示する解析装置３２とから構成される。１５ははんだボールである。
【００４１】
次に以上の構成の衝撃試験機によるサンプリング方法を説明する。
【００４２】
はんだボール接合部破壊用治具３１を１０mm／ｓの一定速度でサンプル６上の所定のはんだボール１５に衝突させ、はんだボール１５を接合部から破壊させる。はんだボール接合部破壊用治具３１はボール破壊後も一定速度を保ったまま所定の位置まで運動している。
【００４３】
このとき、はんだボール接合部破壊用治具３１に具備された荷重センサーからの信号を解析装置３２でサンプリングする。図１０ははんだボール接合部破壊用治具３１が感知した、ボールに衝突してから破壊させるまでの時間に対する荷重の変化を示したものである。図１０のαの領域ははんだボール接合部破壊用治具３１がはんだボール１５に衝突し、はんだボール１５の弾性変形に要するエネルギー、図１０のβ領域ははんだボール１５の塑性変形に要するエネルギー、図１０のγ領域ははんだボール１５の接合部界面破壊に要するエネルギーに、それぞれが対応する。
【００４４】
つまり、図１０は実施例１の図６に相当する。このため、実施例１と同様に本実施例でも純粋にはんだボール接合部の衝撃性に対する接合エネルギーを評価することが可能であり、かつはんだボールの硬さやヤング率等の物理的定数を考慮することなく耐衝撃性評価が行える。接合部の面積で上記エネルギー値を割れば、耐衝撃エネルギー値の一般化も可能である。
【００４５】
なお、本実施例においては、はんだボール接合部破壊用治具３１の速度をさらに速く設定することが望ましい。例えば３０mm／ｓ，１００mm／ｓ、さらには５００mm／ｓと高速に設定することによって、図４に示すように接合部の劣化状態が敏感に測定結果に反映される。
【００４６】
また、本実施例において、ＢＧＡ，ＣＳＰ等のパッケージに搭載されたはんだボールの他、配線基板上に形成したはんだボール，フリップチップ接続に用いる半導体素子上に形成した金属突起物（バンプ）等の接合部信頼性評価に対しても有効である。例えば図７に示すように、半導体チップ５０上の電極パッド５１上に形成した外部配線とのフリップチップ接続用Ａｕ製バンプ５２の電極パッド５１との接合部の衝撃強度を測定するのにも有効である。５３はレジスト膜である。
【００４７】
さらに、図８に示すようにＡｕバンプが多段構造（図８では２段構造）の場合は、重りの位置を調整することにより電極パッドとＡｕバンプとの接合部の接合強度の他、下段のＡｕバンプと上段のＡｕバンプとの接合部の衝撃強度を測定することにも有効である。
【００４８】
（実施例４）
図１１は本発明の実施例の一つの構成を示したもので速度測定器をもつ衝撃試験機１００の側面図である。衝撃試験機は主にベース板１と、ベース板１に固定された支柱２と、支柱２の上部に設置された軸受け（図示せず）と、その軸受けに対応する回転軸を有するアーム４と、アーム４の先端に取り付けられた重り５と、測定サンプル４０を載せる台７と、軸受けに対応する回転軸と同一回転軸に装備されたアーム４の振り上げ角度を測定するための円板８と、アーム４を一時的に固定する固定解放装置９と、レーザー光を利用したアーム４の先端に取り付けられた重り５の運動を調べるための回折パターン認識装置１０と、その回折パターン認識装置１０からの信号を処理して重り５の速度を求める解析装置１１と、その解析結果を表示する表示器１２と、アーム４の振り上げ角度を測定する角度測定器１３と、アーム４の振り上げ角度を表示する表示器１４とから構成される。測定サンプル４０は、配線基板に実装されたＢＧＡパッケージである。
【００４９】
次に以上の構成による衝撃試験機の動作を説明する。
【００５０】
図１１において、回折パターン認識装置１０から放射されるレーザー光を遮るように、重り５が通過するように高さ方向において調整されている。
【００５１】
まず衝撃試験を行う前の準備から説明する。アーム４を鉛直方向に垂らした状態で測定サンプルを載せる台７に測定サンプル６を載せる。このとき測定サンプル４０の側面（ＢＧＡパッケージの側面）が、重り５の先端部のすぐ横でかつ重り５の軌跡上に位置するように位置調整する。このとき角度測定器１３でアーム４と重り５が鉛直方向にあることを確認しておく。
【００５２】
次に、角度測定器１３と角度測定円板８を用いて所定の振り上げ角を設定し、所定の振り上げ角にまでアーム４を振り上げ、固定解放装置９で一時固定する。その後固定を解除するとアーム４は回転運動を開始し、最下点に達したときに測定サンプル４０の側面に重り５の先端が衝突し、測定サンプル４０のはんだ接合部を衝撃的に破壊させる。
【００５３】
このとき、重り５の測定サンプル４０の側面に衝突する直前とはんだ接合部を破壊した直後の速度を測定する。測定したそれぞれの速度を、アーム系（アーム４を含めた軸受け３の中心から重り５の先端までを指す）の重心位置の速度に換算し、衝突直前のアーム系重心速度をＶ１、衝突直後のそれをＶ２とすると、衝撃破壊に要したエネルギーＷは、Ｗ＝１／２×ｍ×（Ｖ１の２乗−Ｖ２の２乗）で与えられる。ｍはアーム系の重心位置の重量である。必要に応じてパーソナルコンピュータにこれら表示された数値を取り込むとデータ管理をすることが可能である。
【００５４】
なお、本実施例において、測定サンプル４０はＢＧＡ，ＣＳＰ等のパッケージ部品の他、フリップチップ接合、あるいはダイボンディングされた半導体素子のような能動素子、または図１２に示すようなチップ抵抗，コンデンサ，ソレノイドコイル等のディスクリート部品６０と呼ばれる受動素子のはんだ接合部に対しても有効である。特に図１２に示したディスクリート部品６０に対しては、図１２中の矢印方向に衝撃的な力を与えるよりも図１２中の●部に紙面に対して垂直方向に与えたほうが効果的である。なお、図１２において、６１は電極、６２ははんだ、６３は配線基板である。
【００５５】
（実施例５）
図１３は本発明の実施例の一つの構成を示したもので荷重センサーをもつ衝撃試験機１００の側面図である。衝撃試験機は主にベース板１と、ベース板１に固定された支柱２と、支柱２の上部に設置された丸棒３０と、測定サンプル４０を載せる台７と、荷重センサーを装備した測定サンプル接合部破壊用治具４１，測定サンプル接合部破壊用治具４１からの信号を記録，処理，表示する解析装置３２とから構成される。測定サンプル４０は配線基板に実装されたＢＧＡパッケージである。
【００５６】
次に以上の構成の衝撃試験機によるサンプリング方法を説明する。
【００５７】
測定サンプル接合部破壊用治具４１を一定速度で測定サンプル４０の側面（ＢＧＡパッケージの側面）に衝突させ、測定サンプル４０を接合部から破壊させる。測定サンプル接合部破壊用治具４１は測定サンプル破壊後も一定速度を保ったまま所定の位置まで運動している。このとき、測定サンプル接合部破壊用治具４１に具備された荷重センサーからの信号を解析装置３２でサンプリングする。
【００５８】
なお、本実施例においては、測定サンプル接合部破壊用治具４１の速度を100mm／ｓ以上と高速に設定することが望ましく、接合部の劣化状態が敏感に測定結果に反映される。
【００５９】
なお、本実施例において、実施例４と同様に測定サンプル４０はＢＧＡ，CSP等のパッケージ部品の他、フリップチップ接合、あるいはダイボンディングされた半導体素子のような能動素子，チップ抵抗，コンデンサ，ソレノイドコイルといった受動素子等に対しても有効である。
【００６０】
（実施例６）
図１４は本発明の実施例の一つの構成を示したもので速度測定器をもつ衝撃試験機１００の側面図である。衝撃試験機は主にベース板１と、ベース板１に固定された支柱２と、支柱２の上部に設置された軸受け（図示せず）と、その軸受けに対応する回転軸を有するアーム４と、アーム４の先端に取り付けられた重り５と、測定サンプル６を載せる台７と、軸受けに対応する回転軸と同一回転軸に装備されたアーム４の振り上げ角度を測定するための円板８と、アーム４を一時的に固定する固定解放装置９と、アーム４の振り上げ角度を測定する角度測定器１３と、アーム４の振り上げ角度を表示する表示器１４と、はんだボール１５を叩いた後の重り５の最高点を測定する高さ測定器１７で構成される。
【００６１】
なお、本実施例の装置は、アーム系（アーム４を含めた軸受け３の中心から重り５の先端までを指す）の弾性変形エネルギーは無視できうる構造として作製されている。
【００６２】
次に以上の構成による衝撃試験機の動作を説明する。
【００６３】
まず衝撃試験を行う前の準備から説明する。アーム４を鉛直方向に垂らした状態で測定サンプルを載せる台７に測定サンプル６を載せる。このとき測定サンプル６のはんだボールが、重り５の先端部のすぐ横でかつ重り５の軌跡上に位置するように位置調整する。このとき角度測定器１３でアーム４と重り５が鉛直方向にあることを確認しておく。
【００６４】
次に、角度測定器１３と角度測定円板８を用いて所定の振り上げ角を設定し、所定の振り上げ角にまでアーム４を振り上げ、固定解放装置９で一時固定する。その後、固定を解除するとアーム４は回転運動を開始し、最下点に達したときに測定サンプル上のはんだボールに重り５の先端が衝突し、はんだボール接合部を衝撃的に破壊させる。
【００６５】
その後、アーム系は最高点に達し、再び振り降りてくる。最高点に達したときの重り５の最下点からの高さ測定器１７で検出する。あらかじめ設定した振り上げ高さにある位置エネルギーと、前記最高点の位置エネルギーの差からはんだボール１５の接合部耐衝撃エネルギーを算出する。
【００６６】
本実施例はＢＧＡ，ＣＳＰ等のパッケージ部品の配線基板との接合部，フリップチップ接合、あるいはダイボンディングされた半導体素子のような能動素子，チップ抵抗，コンデンサ，ソレノイドコイルといった受動素子等のはんだ接合部に対しても有効である。
【００６７】
（実施例７）
図１５は本発明の実施例の一つの構成を示したもので角度測定器をもつ衝撃試験機１００の側面図である。衝撃試験機は主にベース板１と、ベース板１に固定された支柱２と、支柱２の上部に設置された軸受け（図示せず）と、その軸受けに対応する回転軸を有するアーム４と、アーム４の先端に取り付けられた重り５と、測定サンプル６を載せる台７と、軸受けに対応する回転軸と同一回転軸に装備されたアーム４の振り上げ角度を測定するための円板８と、アーム４を一時的に固定する固定解放装置９と、アーム４の振り上げ角度を測定する角度測定器１３と、アーム４の振り上げ角度を表示する表示器１４で構成される。１５ははんだボールである。
【００６８】
なお、本実施例の装置は、アーム系（アーム４を含めた軸受け３の中心から重り５の先端までを指す）の弾性変形エネルギーは無視できうる構造として作製されている。
【００６９】
次に以上の構成による衝撃試験機の動作を説明する。
【００７０】
まず衝撃試験を行う前の準備から説明する。アーム４を鉛直方向に垂らした状態で測定サンプルを載せる台７に測定サンプル６を載せる。このとき測定サンプル６上のはんだボールが、重り５の先端部のすぐ横でかつ重り５の軌跡上に位置するように位置調整する。このとき角度測定器１３でアーム４と重り５が鉛直方向にあることを確認しておく。
【００７１】
次に、角度測定器１３と角度測定円板８を用いて所定の振り上げ角を設定し、所定の振り上げ角にまでアーム４を振り上げ、固定解放装置９で一時固定する。その後固定を解除するとアーム４は回転運動を開始し、最下点に達したときに測定サンプル上のはんだボールに重り５の先端が衝突し、はんだボール接合部を衝撃的に破壊させる。
【００７２】
その後、アーム系は最高点に達する。最高点に達したときの角度を角度測定器１３で測定する。設定した振り上げ角と最高点に達したときの角度から各々の位置エネルギーを算出し、その差を取ってはんだボール１５の接合部耐衝撃エネルギーを算出する。
【００７３】
本実施例はＢＧＡ，ＣＳＰ等のパッケージ部品の配線基板との接合部，フリップチップ接合、あるいはダイボンディングされた半導体素子のような能動素子，チップ抵抗，コンデンサ，ソレノイドコイルといった受動素子等のはんだ接合部に対しても有効である。
【００７４】
（実施例８）
図１６はこれまで述べた実施例の変形例で、重り５のはんだボールとの打面に傾斜を設けた構造である。このような打面の傾斜を設けることによって、はんだボールはより衝撃的に破壊しやすくなる。このためはんだボールの弾性変形、塑性変形等に費やされるエネルギーをより少なくすることができ、より精度高く接合部の耐衝撃エネルギーを評価することが可能である。
【００７５】
（実施例９）
図１７は本発明の実施例の一つの構成を示したものである。実施例１で示したようにＣＳＰ単体パッケージに形成したはんだボールに所定の衝撃的な外力をせん断方向に加えてはんだボールを接合部から破壊させ、その後はんだボールが放物運動を行っていくが、はんだボールが水平に置かれた測定面７０に最初に到達した位置までの距離Ｌ、及び放物運動の測定面７０から最も高い位置までの高さＨを測定して、これらの値をはんだボール接合部の衝撃強度指標とした実施例である。
【００７６】
（実施例１０）
図１８は本発明の実施例の一つの構成を示したものである。実施例１で示したようにＣＳＰ単体パッケージに形成したはんだボールに所定の衝撃的な外力をせん断方向に加えてはんだボールを接合部から破壊させ、その後はんだボールが放物運動を行っていくが、はんだボールが鉛直に置かれた測定面７０に衝突した位置での高さＨを測定して、これらの値をはんだボール接合部の衝撃強度指標とした実施例である。
【００７７】
本実施例の変形例で、測定面７０に荷重センサーを装備して、はんだボールが衝突したときの荷重を測定し、この荷重からエネルギー値を算出してはんだボール接合部の衝撃強度とてもよい。
【００７８】
以上までに、本発明の実施例について説明した。本発明における半導体装置１００は、実施例記載の範囲に限定されるものではない。
【００７９】
また、測定箇所は金属同志の接合部に限定されるものではない。
【００８０】
【発明の効果】
本発明の半導体装置強度評価方法によれば、従来のせん断破壊強度試験法，引張破壊強度試験法や落下試験等では評価が困難であったはんだボール接合部の定量的な耐衝撃性評価が行え、長期的なはんだボールの接合信頼性評価や接合信頼性を確保するための条件設定が可能である。環境保全のためのＰｂフリーはんだを用いた、パッケージや電子基板搭載部品に対して特に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の一つの構成を示したもので速度測定器をもつ衝撃試験機の側面図である。
【図２】図１の左側方向から見た側面図である。
【図３】イメージセンサーに入光されたスペックルパターンの例である。
【図４】衝撃破壊に要した耐衝撃エネルギーをリフロー回数に対して示したものである。
【図５】速度解析装置からの信号に対して高速にサンプリングできる装置を装備した衝撃試験機の概略を示した図である。
【図６】図５の装置によってサンプリングした速度データを時間に対して示したものである。
【図７】半導体チップ上の電極パッド上に形成した外部配線とフリップチップ接続用Ａｕ製バンプである。
【図８】半導体チップ上の電極パッド上に形成した外部配線とフリップチップ接続用Ａｕ製バンプである。
【図９】本発明の実施例の一つの構成を示したもので荷重センサーをもつ衝撃試験機の側面図である。
【図１０】図９のはんだボール破壊用治具が感知した、ボールに衝突してから破壊させるまでの時間に対する荷重の変化を示したものである。
【図１１】本発明の実施例の一つの構成を示したもので速度測定器をもつ衝撃試験機の側面図である。
【図１２】配線基板上に搭載したディスクリート部品である。
【図１３】本発明の実施例の一つの構成を示したもので荷重センサーをもつ衝撃試験機の側面図である。
【図１４】本発明の実施例の一つの構成を示したものである。
【図１５】本発明の実施例の一つの構成を示したものである。
【図１６】重りの打面に傾斜を設けた構造の実施例である。
【図１７】本発明の実施例の一つの構成を示したものである。
【図１８】本発明の実施例の一つの構成を示したものである。
【図１９】単品ＢＧＡパッケージに対して行った、リフロー回数に対するボール脱落個数の関係を示したものである。
【図２０】リフロー回数に対するはんだボール脱落数を示したものである。
【図２１】リフロー回数に対するせん断破壊強度変化を示したもので、リフロー回数に対するはんだボール脱落数も併せて示した。
【図２２】従来のせん断試験方法の概略を示したものである。
【図２３】従来の常温式引張試験方法の概略を示したものである。
【図２４】従来の溶融式引張試験方法の概略を示したものである。
【図２５】本発明法による試験後のはんだボール形状の代表例を示したものである。
【符号の説明】
１…ベース板、２…支柱、３…軸受け、４…アーム、５…重り、６…測定サンプル、７…測定サンプルを載せる台、８…角度測定円板、９…アーム固定解放装置、１０…回折パターン認識装置、１１…速度解析装置、１２…速度表示器、
１３…角度測定器、１４…角度表示器、１５…はんだボール、１６…モーター、１７…高さ測定器、２０…サンプリング装置、３０…丸棒、３１…はんだボール接合部破壊用治具、３２…解析装置、４０…測定サンプル、４１…測定サンプル接合部破壊用治具、５０…半導体チップ、５１…電極パッド、５２…Ａｕバンプ、５３…レジスト、６０…ディスクリート部品、６１…電極、６２…はんだ、
６３…配線基板、７０…測定面、１００…衝撃試験機。
Claims (3)
- 半導体装置に搭載されたＰｂフリーはんだの接合部の接合部強度評価方法であって、加速度運動を行う治具により衝撃的な外力を前記Ｐｂフリーはんだに付加して、前記Ｐｂフリーはんだを接合部から破壊させ、前記治具の衝突前後の速度をそれぞれ測定し、前記速度変化から前記Ｐｂフリーはんだの弾性変形及び塑性変形時の速度変化、前記Ｐｂフリーはんだの接合部を破壊するのに要した速度変化を求め、前記Ｐｂフリーはんだの弾性塑性変形部，界面破断部とを分離して評価し、それぞれをエネルギー値に換算し、それぞれのエネルギー値の差から接合部破壊に要したエネルギーを測定し、これを前記接合部の衝撃強度とする半導体装置接合部強度評価方法。
- 半導体装置のＰｂフリーはんだの接合部の接合部強度評価法であって、所定の衝撃的な外力を半導体装置の所定の接合部に付加して前記接合部を破壊させ、接合部から破壊された後の前記半導体装置の一部が、接合部から破壊させるために加えられた外力方向に放物運動を行って飛散していく際、前記半導体装置の飛散部分が持つエネルギーを測定し、これを前記接合部の衝撃強度指標とする半導体装置接合部強度評価方法。
- 半導体素子，半導体パッケージ、あるいは配線基板に形成されたＰｂフリーはんだに所定の衝撃的な外力を付加して前記Ｐｂフリーはんだを接合部から破壊させ、接合部から破壊された後の前記Ｐｂフリーはんだが、接合部から破壊させるために加えられた外力方向に放物運動を行って飛散していく際、前記金属突起物の持つエネルギーを測定し、これを前記接合部の衝撃強度指標とする半導体装置接合部強度評価方法。
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