JP4169020B2 - 半導体装置接合部強度評価装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体パッケージに搭載された微細な接続用金属突起物（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し、衝撃を加え、その強度を測定する装置に関する。

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。

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号公報に開示されている。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。

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。

特開２０００−３２１１９６号公報

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。

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。

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。

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装置ではないため、信頼性確保のための境界を設けることができなかった。

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。

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装置では、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。

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装置を提供することにある。

上記課題は、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解決できる。

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とすることにより達成される。

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装置とすることにより達成される。

本発明の評価装置は、測定サンプルを搭載するための台と、先端に重りを有するアームと、前記アームを固定・開放可能な固定開放装置を備え、前記アームを任意の角度まで振上げるための振上げアームと、前記重りの運動を調べる解析パターン認識装置と、前記解析パターン認識装置からの信号を処理し前記重りの速度を求める解析装置とを有することを特徴とする。

また、ベース板と、前記ベース板に固定されたガイドレールと、前記ガイドレール上を移動可能な状態で取付けられた重りと、前記ベース板に、前記重りと測定サンプルとが接触可能な位置に固定された測定サンプル搭載するための固定プレートとを有することを特徴とする評価装置にある。

本発明の評価装置により、上述した評価方法を実現することができる。

本発明の半導体装置強度評価装置によれば、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。

以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

（実施例１）
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。また、図３は右側面から見た振上げ機構の詳細図である。

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電磁マグネット装置９と、レーザー光を利用したアーム４の先端に取付けられた重り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の振上げ角度を測定する角度測定器１３と、アーム４の振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。

なお、本実施例の装置は、はんだボール１５のせん断を行うことから、アーム系の弾性変形エネルギーは無視できる構造にする必要がある、その為、剛性の高い材質および形状を有するアーム系（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）にする必要がある。これにより重り５が測定サンプル６上に接合されたはんだボール１５に衝突するとき、アーム系の弾性変形エネルギーは無視できる構造となっている。

図３（１）において、アーム系が回転する際の摩擦抵抗を少なくするため、アーム回転軸１８と振上げアーム２０の回転軸（動力軸１９）は別個のものとした。これらの軸の固定は振上げアーム２０に取付けられた電磁マグネット９の吸着により行う。これは、振下ろしの際、アームからの切り離しを手動で行うと、ばらつきが生じ、精度の良いデータが取れないためである。従って、上記の電磁マグネット９以外にも機械的な固定・開放機構も装着可能である。図３（２）は左斜め上から見た図である。

次にレーザー光を利用した速度測定の原理を説明する。

レーザー光を粗面（拡散反射する面；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た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が、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。

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。

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形状をしている。例えば、リセット値がＯＮの時に図４（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４（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。

次に以上の構成による衝撃試験機の動作を説明する。

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。

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。

次に、振上げアーム２０に装着された電磁マグネット９をＯＮにしてアーム４を固定し、モーター１６の出力をクラッチ１７から振上げアーム２０に伝達し、電磁マグネット９により吸着されたアーム４も同時に振上げる。

振上げ角度の測定はアーム４の回転軸に取付けられた角度測定円板８の回転を角度測定器１３により所定の角度まで振上げる。

次に、電磁マグネット９での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。

図５に装置の原理を示す。重り５がはんだボール１５に衝突しない場合（空振り）の速度と、はんだボールに衝突し破壊した直後の速度を測定する。このとき速度の測定位置は前者も後者もアームを垂直下にした位置となる。また、上記の速度測定の条件として振上げ角度は同じとする。測定したそれぞれの速度を、アーム系（アーム４を含めたアーム回転軸１８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１１１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込むとデータ管理をすることが可能である。

図６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。

図６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６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。

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。

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３３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。

（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。

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７は前記サンプリング装置４２を装備した衝撃試験機１００の概略を示した図である。図８はサンプリング装置４２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８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８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。

また、図８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８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。

このように、本実施例の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。

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。

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。

（実施例３）
実施例１による衝撃性評価は十分可能である。図９（１），（２）は、アーム４が回転する際に慣性質量や摩擦抵抗によるエネルギー損失を軽減するために図３の振上げ機構の構成を改善した例である。

図９（１）は左側面から見た図であり、図９（２）は、正面からアーム系（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）を見た図を示す。

軸受部の摩擦抵抗を少なくし、より理想的な速度データを得るため、装置に要求されるのは、アーム系(アーム４を含めたアーム回転軸１８の中心から重り５の先端までを指す)の重心位置をはんだボールとの衝突位置にできるだけ近づけること、アーム回転軸１８周りの慣性質量を少なくすること、また、軸受部に働く摩擦抵抗を下げることが重要である。

図９の構造は、図３の角度測定円板８と角度測定器１３を重り５に装着するアーム４のアーム回転軸から切り離し、振上げの動力源となるモーター１６（この場合両軸モーターを用いる）の他方の軸に角度測定円板８と角度測定器を設置する。また、角度測定円板８と角度測定器１３は動力軸１９のどの位置にも設置可能である。

結果、アーム回転軸１８周りの慣性質量が低減し、重心位置をより低い位置にすることが可能となった。また、慣性質量の低減により軸受部の摩擦抵抗の低下が可能となった。

アーム４のアーム回転軸１８としては転がり軸受を使用しているが、摩擦抵抗を無くす非接触軸受の装着も本装置において有効である。

（実施例４）
図１０は振上げ角度を手動で設定する機構を有する装置の正面図である。また、図１１は図１０の破線部を手動振上げアーム２１を左斜上方から見た図である。振上げ機構部の構成は、アーム４，アーム回転軸２２，軸受３，重り５，電磁マグネット９，手動振上げアーム２１，角度調整板２４，固定ネジ２５を有する。図３と比較して、振上げ機構部の動力源を省きシンプルな構成である。

手動振上げアーム２１の回転軸とアーム４のアーム回転軸２２の中心線は同じであるが、両軸の接続は手動振上げアーム２１に装着する電磁マグネット９により、アーム４を吸着することで接続可能である。角度調整板２４に施してある角度調整穴２６は、手動振上げアーム２１の軸中心から円弧状に角度１０°毎に数カ所ある。その角度調整穴２６は手動振上げアーム２１を固定ネジ２５により固定するための穴である。また、角度調整穴
２６はアーム４の振上げ角度に対応している。この角度調整板２４の角度調整穴２６および手動振上げアーム２１と固定ネジ２５は位置および穴加工の精度が重要となる。

手動振上げの手順について説明する。まず、角度調整板２４の任意の角度調整穴２６に手動振上げアーム２１を振上げ、固定ネジ２５で角度調整板２４の角度調整穴２６に固定する。次にアーム４を指定角度まで手動で振上げ、電磁マグネット９をＯＮにしてアーム４を吸着する。そして電磁マグネットをＯＦＦにしてアーム部を振下ろす。振上げ以外の手順は実施例１と同様である。

本実施例の試験装置は、はんだボールの衝撃性評価に用いる装置である。図１および図３を参照。重り５をアーム４に装着したアーム部のアーム回転軸１８を支点とし、所定の角度から振下ろす。測定サンプル６上のはんだボール１５と重り５が衝突し、はんだボールを破壊して振抜ける。このとき、はんだボール１５が破壊した後の接合部を観察するため、重り５が測定サンプル６のはんだボール接合部を２度打ちしないような構造が必要である。

図１３（１）および（２）に２度打ち防止機構を示す。図１３はアーム部を正面から見た図である。図３（２）はアーム部を左側面から見た図である。フック２８を機械的に安定した部分に取付ける。振下ろしたアーム部がはんだボール破壊後、振抜ける。この後、フック２８を通り抜け、かえし部にアーム４が引っ掛かり、重り５が測定サンプル６のはんだ接合部に接触するのを防止することができる。

また、破壊後のはんだボールの状態を観察する必要があるため、はんだボール１５の飛散防止を取付ける必要がある。図１４にはんだボール飛散防止について説明する。重り５をアーム４に装着したアーム部のアーム回転軸１８を支点とし、所定の角度から振下ろす。測定サンプル６上のはんだボール１５と重り５が衝突し、はんだボールを破壊して振抜ける。このとき、はんだボール１５はアーム部の軌道上にある衝突位置から、アーム部の軌道に対してほぼ接線方向に飛散する。このため、はんだキャッチボックス２９を飛散方向に設置する。はんだキャッチボックス２９は、アーム部を振下ろしたとき、重り５の先端に接触しない位置に取付ける。はんだボール１５が当たる面には衝突の際の衝撃を和らげるショック吸収シート３０を貼りつける。また、はんだボールが当たる面には傾斜を設け、はんだボール１５が鉛直下方に落下するようにした。その落下したはんだボール１５を受ける皿を設け、その受け皿３１ははんだキャッチボックス２９から分離できる構造とした。

本装置の測定サンプルを固定するステージについて図１５の説明をする。測定サンプルを載せる台７に測定サンプル６をクリップ３２で固定する。これらを総じてステージと呼ぶ。ステージは、測定サンプル６上のはんだボール１５と重り５との位置合わせを容易にするため、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸，θ軸（回転軸）の調整を可能とした。また、これら調整をＣＣＤカメラ等の画像認識装置とアクチュエータを組合せた自動位置調整機構も位置合わせには効果的である。

前記のステージ位置調整に加え、測定サンプル６の固定方法を説明する。図１６は、測定サンプル６の側面にクリップ３２を矢印方向に押して、測定サンプルを固定する。図
１７は、サンプルを載せる台７に空気吸入用の穴３３（孔）を設け、測定サンプル６を設置する。空気吸入用穴部を負圧にして測定サンプル６を固定する。

本実施例の試験装置は、はんだボールの衝撃性評価に用いる装置である。はんだボール１５の大きさ、接合強度は測定サンプル６によって変る。このため、重り５の質量，アーム４の材質，アーム４の長さ、図１８の重り３４のように衝突面に傾斜を設けるなど、はんだボール１５の接合強度に合わせて各構成部品を組合せ臨機応変に変更できる機構が望ましい。また、振子の先端に装備された治具を、半導体素子，半導体パッケージ、あるいは配線基板に形成した金属突起物に衝突させ接合部を破壊し、振抜けるとき、治具が金属突起物以外に接触しないような逃げを有する形状の治具とすることが好ましい。

（実施例５）
図３１は、実施例１〜４の速度変化を測定する方法と異なり、加速度の変化を測定する装置である。測定サンプル６上のはんだボール１５の衝撃性評価を目的とした装置であり、アーム４の先端に重り５を装着したアーム部はアーム回転軸１８を支点とし、ある角度から振下ろす。このとき測定サンプル６上のはんだボール１５は重り５の衝突面の軌道上にある。この重り５に加速度センサー３５を取付け、衝突時の加速度の変化を加速度表示器３６に表示する。このとき測定した加速度のデータは必要に応じ、パーソナルコンピュータ１１１に取込み、データ管理が可能である。また、解析ソフト等を用いて測定した加速度のデータから測定サンプル６の評価，解析が可能である。

（実施例６）
図３２は、はんだボール１５に自由落下する重り４０を衝突させ、重り４０に取付けた加速度センサー３５により衝突時の加速度変化を測定する装置である。本実施例の構成は次の通りである。ベース３８の上に測定サンプル固定プレート３９があり、測定サンプル６をこの測定サンプル固定プレート３９に取付ける。ガイドレール４１に、上下に摩擦抵抗が小さく移動することが可能なように重り４０を取付ける。また、重りには加速度センサー３５を装着する。

次に実施例７の加速度測定の手順を説明する。加速度センサー３５を装着した重り４０をある高さから自由落下させて、測定サンプル６のはんだボール１５に衝突させる。重り４０ははんだボール１５を破壊し鉛直下方へ落下する。このとき測定した加速度は、加速度表示器３６に表示する。また、このとき測定した加速度のデータは必要に応じ、パーソナルコンピュータ１１１に取込み、データ管理が可能である。また、解析ソフト等を用いて測定した加速度のデータから測定サンプル６の評価，解析が可能である。この加速度変化は重力加速度を考慮したものである。

図２５は本発明の実施例の一つのシステム全体構成を示したものである。１０１は全体の制御装置であり、速度計測器１００によって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計測し、信号処理部１０３にて信号処理を行い処理された信号をシリアルデータとしてＲＳ２３２Ｃケーブル１１０にてパーソナルコンピュータ１１１にデータを送信し、パーソナルコンピュータ１１１でデータの保存，編集が可能なシステムとなっている。

速度計測器１００は本実施例では、レーザー光のスペクトル変化による計測方式を用いているが、測定対象物によっては、光ファイバー等の利用した計測も可能である。

図２６に装置操作フローを示す。計測を行うには、まず、制御装置１０１の電源１０２にて装置全体の電源をＯＮし、装置をたちあげる（ステップ１１２）。

それと共に、パーソナルコンピュータも起動し、計測データを収集するソフトを起動する。起動すると、図２７の起動時設定画面が表示される。ここで、パーソナルコンピュータ１１１側の受けるＣＯＭポートを１３５にて設定を行う。この設定は基本的にパーソナルコンピュータの初期起動時のみの作業となる。１３７のコメントには、測定条件等を入力することにより、編集時の有効な情報源となる。設定等が終了後、測定開始１３３をクリックすることにより、計測データを取込む事が可能となる（ステップ１１３）。

本ソフトはデータ収集のみを目的にした基本的なもので、データ収集のみでなく、本実施例で記載した、制御装置の手動で設定，操作している箇所をソフト的に処理することも可能である。

次に、空振りでのデータ精度の確認を行う。アーム部（重り５を先端に装着したアーム４を示す）を、垂直下で静止させた状態にし、電磁マグネット９を１０４にてＯＮし、アーム部を吸着させ振上げ可能な状態にする。次に、クラッチ１７を１０６にてＯＮし、振上げ用モーター１６と、アーム回転軸１８を接続し、振上げ可能な状態となる（ステップ１１４）。

振上げたい角度を１０５にて設定し、１０８をＯＮにすることにより、アーム部がモーター１６にて自動で設定角まで駆動し、振上げられ、自動停止する（ステップ１１５，
１１６）。

停止角を確認後、電磁マグネット９をＯＦＦすることにより、アーム部が電磁マグネット９から切り離され、空振り状態での速度データをパーソナルコンピュータ１１１に取込む（ステップ１１８）。初期段階、若しくは使用している間の較正等を目的に場合によって空振りでのデータ精度を確認する（ステップ１１９）。

本実施例では、モーターでの自動振上げ機構を示しているが、図１０，図１１のような機構にすることにより、手動で振上げる事も可能である。

ステップ１１４，１１７で電磁マグネット９を使用せずに、手動での切り離しも考えられるが、データの安定性を考慮すると、手動ではなく、自動切り離しの効く、電磁マグネット９等を利用するのが、データの再現性が得やすい。

空振りでのデータ精度を確認後、評価対象物をステージにセットし、ステージの治具で固定し、固定後、ステージ，治具で接合部強度を計測するターゲットとそれを破壊する為の、振子の位置を位置合わせを行う（ステップ１２０，１２１）。

その後は空振り計測同様にステップ１１４〜１１７に従って、操作を進める。ステップ１２６では衝突する直前とはんだボールを破壊した直後の速度を計測し、パーソナルコンピュータ１１０に取込む。図２８が計測時画面を表し、１３８に随時データが表示されることになっている。

計測するターゲットが同一の半導体パッケージに複数存在する場合で、尚且つ同一角度での繰り返し計測を行う場合は、評価対象物を交換する場合は、ステップ１２７，１２９により、判断し、その状況によってステップ１２０、若しくはステップ１２１からの操作を繰り返す。

別設定角で計測を継続する場合はステップ１２８に従い、空振りでの精度確認を行うか、破壊計測を行う前に、事前にあらゆる角度での空振りデータの精度を確認しておけば、ステップ１２７，１２９により、判断し、その状況によってステップ１２０、若しくはステップ１２１からの操作を繰り返すことも可能である。

計測を終了する場合には、ステップ１１３で起動した計測データを収集するソフトで、図２７の測定終了ボタン１３４をクリックすることにより、図２９の保存画面１３３が表示される。図２９の保存画面では、本ソフトを一度起動した段階で、１４０のMSdataというフォルダーがデフォルトとして、Ｃドライブの直下に作製されるようになっている。保存するフォルダーはユーザー側に別フォルダーを指定することも可能である。次に、保存するファイル名１４１を入力し、保存ボタンをクリックするとデータの保存は完了となる。保存を必要としない場合は、１４３のキャンセルボタンをクリックする。１４２には過去に取得保存したデータ名が表示される。保存作業が終了するとソフトは終了状態となる（ステップ１３０）。

ステップ１２７，１２８，１２９で評価対処物が変わったり、設定角度を変更する場合は、随時、測定終了１３４で保存を行った方が、後の編集が容易に行える。その際、137のコメント欄に必要情報を入力しておくとより分かりやすい。

ソフト終了後は、制御装置１０１の電源１０２にて装置全体の電源をＯＦＦし、一連の評価試験の終了となる（ステップ１３１，１３２）。

測定後のデータは、図３０の保存されたデータに示す通り、カンマ区切りのｃｓｖ方式１４５で保存されるので、表計算ソフト等を利用して、データ編集が容易にできる。

また、今回の実施例では、はんだボール１５に衝突する直前とはんだボール１５を破壊した直後の速度を計測する方式を一つの実施例としてあげているが、角度変化により衝撃性評価を行うことも可能である。角度変化により衝撃性評価を行う装置について説明する。図１２はアーム回転軸１９にエンコーダ２７を取付けた振上げ，振下ろし機構を示す。機構的には実施例１と同様な装置であり、角度測定部の角度測定円板８と角度測定器１３をエンコーダ２７に変更したものである。次に実際の測定方法を説明する。鉛直下向きに静止した状態を原点とする振上げ角度θ１から重り５を振下し、重り５とはんだボール
１５が衝突して振抜けた後の上死点角度をθ２とする。このときの角度はθ１＞θ２となる。測定したθ１とθ２の差分から、衝突により損失したエネルギーを算出することによりはんだ衝撃性評価が可能である。

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１の左側方向から見た側面図である。 振上げ機構部の詳細図である。 図１の装置の回折パターン認識装置について説明した図である。 本装置における衝撃付加部の原理を説明した図である。 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。 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７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。 実施例３の振上げ機構について詳細を示した図である。 実施例４の正面図である。 図１０の振上げ機構部について示した図である。 実施例５について示した図である。 ２度打ち防止機構について示した図である。 はんだボールの飛散防止機構を示した図である。 測定サンプルを固定するステージを示した図である。 測定サンプルの固定方法を示す図である。 測定サンプルの固定方法を示す図である。 衝突面に角度を持たせた重り形状を示した図である。 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。 リフロー回数に対するはんだボール脱落数を示したものである。 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。 従来のせん断試験方法の概略を示したものである。 従来の常温式引張試験方法の概略を示したものである。 従来の溶融式引張試験方法の概略を示したものである。 本発明の実施例の一つのシステム全体構成を示したものである。 実施例の装置操作のフローを示したものである。 計測データ収集ソフトの起動した時点での設定画面を示したものである。 計測データ収集ソフトで計測中の状態を示したものである。 計測データ収集ソフトで収集したデータの保存画面を示したものである。 計測データ収集ソフトで保存したデータを開いた状態を示したものである。 実施例１〜５の装置の機構は同様であるが、速度測定から加速度測定に変更した場合の構成を示す図である。 測定サンプルに自由落下させた重りを衝突させ、加速度変化を測定する装置の構成を示した図である。 本発明の評価装置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、５，３４，４０…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…電磁マグネット、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…クラッチ、１８，２２…アーム回転軸、１９…動力軸、２０…振上げアーム、２１…手動振上げアーム、２３…軸受、２４…角度調整板、２５…固定ネジ、２６…角度調整穴、２７…エンコーダ、２８…フック、２９…はんだキャッチボックス、３０…ショック吸収シート、３１…受け皿、３２…クリップ、３３…空気吸入用の穴、３５…加速度センサー、３６…加速度表示器、３７…パーソナルコンピュータ、３８…ベース、３９…測定サンプル固定プレート、４１…ガイドレール、４２…サンプリング装置。

Claims (9)

1. 測定サンプルを搭載するための台と、先端に取り付けられた重りを測定サンプルのはんだボールに対して１００mm／ｓ以上の速度で衝突させるためのアームと、前記アームを固定・開放可能な固定開放装置を備え、前記アームを任意の角度まで振上げるための振上げアームと、前記重りの加速度を調べるための加速度センサーとを有し、
   前記アームの回転軸と前記振上げアームの回転軸をそれぞれ独立して設け、前記アームの重心位置をアーム中心よりも前記重り側に設けたことを特徴とする半導体装置接合部強度評価装置。
2. 請求項１において、前記アームの角度を測定するための角度測定手段を備えていることを特徴とする半導体装置接合部強度評価装置。
3. 請求項２において、前記角度測定手段を前記振上げアームの回転軸に設置したことを特徴とする半導体装置接合部強度評価装置。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、前記測定サンプルを搭載するための台が、測定サンプルを固定するための手段を備えていることを特徴とする半導体装置接合部強度評価装置。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、前記測定サンプルを搭載するための台が、前記測定サンプルと前記重りとの位置合わせをするための位置決め機構を備えていることを特徴とする半導体装置接合部強度評価装置。
6. 請求項１〜５のいずれかにおいて、前記重りは、測定サンプルと接触する面に傾斜を有することを特徴とする半導体装置接合部強度評価装置。
7. 請求項１〜６のいずれかにおいて、前記重りを有するアームを所定の角度から振下ろし、前記重りが測定サンプルと衝突し破壊した後、前記重りが測定サンプルに接触しないように前記アームを保持する手段を設けたことを特徴とする半導体装置接合部強度評価装置。
8. 請求項１〜７のいずれかにおいて、前記重りにより破壊された測定サンプルの飛散物を収納するための機構を有することを特徴とする半導体装置接合部評価装置。
9. 請求項１〜８のいずれかにおいて、振子の先端に装備された治具を所定の角度まで振上げるためのアクチュエータを装備した振上げ機構を有することを特徴とする半導体装置接合部評価装置。

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