JP4221096B2 - 試験装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気装置とその導電体の間の接合部の完全性を試験するための装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気半導体装置は非常に小さい。一般的に、電気回路を有するシリコンウェハすなわちチップは、比較的剛直な基板内に封じ込められているか、それに取り付けられ、基板はウェハに十分な機械的強度を与えるために必要である。単一の基板に幾つかのシリコン装置を取り付けてもよい。
【０００３】
多数のシリコンチップを含む個々の半導体装置は一般的に、完全な制御装置、例えばパーソナルコンピュータを製造するために、他の電気構成部品と共に印刷回路板に固定される。
【０００４】
典型的な従来の半導体装置には周辺接続位置が設けられ、これによってエッジ接点を回路板に、または中間回路アセンブリに接続することができる。一般的に、これらの接続位置は半導体装置の周囲に直線配列で高密度に詰め込まれている。電気接続部は個別のワイヤによって、一端部で半導体接続位置に、他端部で回路板に接合される。
【０００５】
技術の進歩による半導体装置の小型化によって、エッジ長さが必要数の接続位置を設けるのに不十分になった。従って、接続位置を装置の表面全体に矩形配列で配置するようになる。これには電気接続を行う新しい方法が必要であり、各接続位置に導電性材料からなる隆起バンプを設けることが提案されている。回路板等の別の構成部品に接続するために、バンプは対応する接続位置配列全体に整合状態で設けられ、バンプは永久電気接続部を形成するために接合される。はんだ製のバンプの場合、接続を行うためにはんだを再流動させる。金製のバンプの場合、圧力を十分にすることによって良好な結合を行うことができるであろう。他の方法も適当であり、バンプを他の材料で形成することもできる。
【０００６】
そのようなバンプは一般的に直径寸法が０．０５ないし１．０ｍｍの範囲内にあり、単一の制御装置には同様な形状および寸法の数百個のバンプが組み込まれるであろう。
【０００７】
例えば、はんだの再流動によって対応の接続位置に接続する前に、バンプが接続位置に十分に接合されていることを確認するための試験方法が必要である。一般的に、せん断試験が使用され、これは試験ヘッドがバンプを側方へ押して破断力を測定する。所望の品質基準からのずれを表す統計学的傾向を確認するためには、連続試験が必要である。
【０００８】
複数の電気印刷回路を中間絶縁層で分離して成る多層基板の場合に問題が生じる。そのような基板も小型化の結果であるため、単層には十分な電気トラックを設けることができない。一般的に、基板の外側層に開口を設けて、内部電気トラックに電気接続できるようにしており、このためにバンプは全体がその表面上にあるのではなく、一部が印刷回路板内に入っている。
【０００９】
基板の表面上の電気トラックが、例えば基板上にスクリーン印刷することができるはんだレジストマスクによって形成されたはんだバンプ接合位置を有する場合、同じ問題が生じるであろう。マスクは、基板に当てられた時にはんだを包囲するため、接合位置において基板の表面を隆起させる効果を有する。
【００１０】
当然ながら、基板の外側層の開口の壁がバンプを支持しており、従ってせん断力に抵抗するため、せん断試験はこのような部分的に埋め込まれた種類のバンプには不適当である。従って、引張り試験が必要である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
試験ヘッドをはんだバンプに当てて、ヘッドを加熱してはんだを再流動させることによって、バンプおよび試験ヘッドを接合し、接合部が冷却した後に引張り力を加えることが提案されている。これには、遅く、各試験に新しい試験ヘッドが必要であるという不都合と、試験ヘッドを取り付けるためにはんだが再流動する時に接合位置自体に影響を与える可能性があるという不都合がある。この後者の不都合では、バンプの基部の金属層の構造が複雑になると共に、加熱がその冶金に影響を与える可能性があるため、特に問題になる。
【００１２】
他の提案に、ジョーの間にバンプを把持することが含まれる。平滑なジョーの場合、押しつぶす荷重を避けながら十分な摩擦を生じることが困難である。バンプはほぼ半球形であることが多いので、ジョーは一般的に点接触し、そのためにバンプに対する局部応力が非常に高くなる可能性があり、この方法も実行不可能であることがわかった。
【００１３】
別の解決策は、牽引を向上させるためにバンプをへこます先端付きジョーを提供しているが、実際には向き合ったへこみの内側への進行によってバンプがジョーの平面でせん断されがちである。さらに、機械的に把持する両提案は、引張り試験の結果だけで電気接合部が破壊されるという、確信を低下させるほど十分にバンプの形状を変化させるであろう。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、電気装置の導電性突起を引張り試験するための装置用で、突起に接するように閉鎖することによって突起を把持してその突出方向に引張り荷重を加えることができるジョーを含む試験ヘッドであって、ジョーは突起とその表面の大部分にわたって密着係合することができ、各ジョーの先端縁部はジョーの軸線に近づいていくようにした試験ヘッドが提供されている。
【００１５】
一般的な突起は、はんだ、金または適当な導電性複合材料製である。
好ましくは、ジョーは凹状であって、はんだ製の円弧形バンプ等の突起と係合させようとする時にはほぼ部分球形である。あるいは、ほぼ矩形のバンプ用ではジョーに幾分平坦な接触表面を形成してもよい。
【００１６】
好適な実施例では、ジョーは、締め付け力によるバンプの広がりまたは押しつぶれを避けることができるように十分に密着状態でバンプを包囲する。このように、向き合ったジョーは、圧縮締め付け荷重に耐えるようにバンプの締め付けおよび支持の両方を行う。しかしながら、未包囲部分が大きな広げまたは押しつぶし荷重を受けないのであれば、ジョーは必ずしもバンプ全体を包囲しなくてもよい。
【００１７】
好適な実施例では、ジョーは凹状であって、バンプの表面積の４０％以上、好ましくは６０％以上、最も好ましくは７５％以上にわたってバンプと係合することができる。正則形状のバンプの場合、ジョーの表面積の少なくとも８５％、好ましくは９０％以上がバンプと係合することができる。ジョーは、ジョーによって把持される予定のバンプの表面の１０％未満、正則形状のバンプの場合には最も好ましくは５％未満の逃がし容積部分を備えることができる。
【００１８】
好適な実施例では、閉鎖状態にあるジョーの内側縁部は、バンプの電気接点域の幅よりも相当に大きく離れている。
好ましくは、製造コストを最小限に抑えるために、２個、３個、あるいは多くても４個までのジョーが設けられている。
【００１９】
好適な実施例では、ジョーは、再形成力を生じてバンプをジョーの形状にさらにぴったり一致させることができる程度まで十分に密着状にバンプと係合することができる。バンプの材料、例えばはんだは比較的柔らかく、接触面積を増加させ、それによって高応力域を減少させるのに表面部分の再成形が有益である。当然ながら、再成形は押しつぶしまたは広げ荷重を生じてはならないが、試験しようとするバンプのパラメータに従って決定することができる。問題となる要因は、バンプの寸法、形状および材料仕様である。
【００２０】
ジョーは、限定的で計画的な再成形を可能にする逃がし領域を含むことができる。このようにして、ジョーの密着閉まりによってバンプを支持できる一方、余剰または不良形状の材料を制御状態でジョー内に収容することができる。
【００２１】
好適な実施例では、ジョーは、加えられる引張り荷重の方向に延在する側壁を有するほぼ円筒形のバンプ係合キャビティを形成する。この実施例では、ジョーはその先端部にそれぞれの連続内向きリップを備えており、好ましくはそのリップは鈍角のバンプ係合先端を設けた正則断面を有する。好ましくは円筒形キャビティの深さが、使用時にジョーが係合するバンプよりも深いことによって、ジョーキャビティがバンプに対して上方の制約を与えないようにする。バンプを再形成して、側壁の大部分と、一般的には接合位置の平均直径の８０％〜１２０％の範囲内の深さにわたって係合するようにキャビティの内径が選択される。
【００２２】
別の態様によれば、本発明は、本発明の装置を使用して導電性突起を試験する方法であって、
突起にその表面の大部分にわたってぴったり対応したジョーを有する試験ヘッドを選択する段階と、
突起をジョー内で締め付けて、ジョーの形状にぴったり一致するように突起の表面部分を再成形する段階と、
試験ヘッドに引張り荷重を加えて、突起をその突出方向に引っ張る段階を含む方法を有する。
【００２３】
そのような方法は、引張り荷重を加える前に、不良形状の突起による高応力の領域を減少させるという利点を有している。
本発明の他の特徴は、例示としてだけ添付図面に示されている幾つかの好適な実施例の以下の説明から明らかになるであろう。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は、絶縁材料製の外側層１３の開口１２内で電気トラック１１上に形成されたはんだの典型的なバンプ１０を示している。さらなる電気トラックおよび絶縁材層を設けてもよい。電気的および機械的接合を向上させるために、バンプの取り付け面に様々な材料（例えば、Ｓｎ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ）の幾つかの層１４を設けてもよい。これらの追加層と電気トラック自体は、マスキングおよび電着塗装によって形成することができ、従って非常に薄くすることができるが、図１には層が説明のために相当に厚く示されている。
【００２５】
図２は、向き合った平滑ジョーを用いた従来の締め付け方法を示し、図３は、先端付きジョーを用いた従来方法を示している。平滑ジョーの場合、引張り試験に必要な締め付け力はバンプを押しつぶしやすく、先端付きジョーの場合、バンプはジョーの平面でせん断されやすい。いずれの従来方法も、バンプ１０とトラック１１の間の接合強度の信頼性を示すことができない。
【００２６】
図４および図５は、本発明の１つの実施例を示している。向き合ったジョー２１は、実質的にバンプ２２の表面積全体を包囲している。ジョーは、バンプの自然に幾分狭くなったネック部分２４と係合する内向きの下縁部２３を備えている。ジョーは矢印２５の方向に閉じてバンプ２２を締め付け、把持した後、引張り力が矢印Ｂの方向に加えられる。バンプ２２が電気接続されていると共に、試験すべき接合面を形成する導電層２７の上を絶縁層２６が覆っている。
【００２７】
本発明の重要な特徴は、ジョー２１が図示の理想的バンプの形状にぴったり一致するように円弧形になっていることである。これは、バンプに接するジョーの表面積を増加させるだけでなく、締め付け荷重を受けることによってバンプが広がったり変形する傾向を低減させる。バンプの重大な変形は破断位置を生じたり、実施される引張り試験の本質に影響を与える内部亀裂および割れ目を助長する可能性があるため、この後者の特徴は特に重要である。締め付けジョーの部分でバンプを実質的に支持することによって、バンプはジョーの形状の包囲性によって圧縮状態で捕らえられるため、そのような破損は回避される。
【００２８】
本発明のさらなる利点は、バンプに圧縮的であるが支持的な荷重を加えることによって、バンプが押しつぶされたり、極端な場合には粉砕される危険性を伴わないで締め付け力を増加させることができる点にある。実際に、バンプは実質的に包囲されるので、締め付け力は、支持されていないバンプであれば押しつぶされるか、あるいは破損を受ける強さより相当に強くすることができる。
【００２９】
バンプが本発明のジョーから圧縮荷重を受ける度合いは、多くの要因によって決まる。これらには、バンプを形成しているはんだ材料の固有強度、バンプの近似形状および寸法、電気トラック接合面における接合に実質的な影響を与えることなくバンプが耐えることができる変形の度合い、接合面を破壊する近似引張り力が含まれる。
【００３０】
製造上のコストおよび容易性という実際的な理由から、ジョーは、過剰な荷重を掛けないで十分な摩擦把持を行う一方、接合面に十分な引張り力を確実に加えるのに十分である程度だけバンプを包囲するように構成されている。これらの要因間の正確な関係は、定期試験によって決定できるが、一部は製造中の電気装置の種類に応じて変更できるバンプの寸法および材料によっても決まる。
【００３１】
ジョーは、バンプの露出表面全体を密着状に包囲するか、部分的であるが必要な引張り力を加えるのに十分にバンプと係合するようにしてもよい。例えば、バンプの露出部分がバンプ自体の広がりまたは他の望ましくない脆弱化を生じないのであれば、閉鎖（締めた）状態にあるジョー間の隙間を大きくしてもよい。一般的に、バンプはその表面積の少なくとも４０％にわたって締め付けられるが、バンプが図１および図２に示されているように半球形等の正則形状に近い場合、９５％までの締め付けが可能である。
【００３２】
図６および図７に示されている第２実施例は第１実施例に類似しているが、バンプ２２の必要な再成形に対応するための逃がし容積部分２７を備えている。バンプは高度に制御された処理で何百万個も製造されるが、一部のバンプは形状がわずかに不良になることは理解されるであろうが、第２実施例は、必要な程度まで支持する一方で、再成形できるようにする。図６および図７に示されている逃がし容積部分は例示のためのものにすぎず、必要に応じてもっと小さくしたり、大きくすることができ、試験しようとするバンプの典型的形状に応じて、バンプを取り囲むか、ある程度の局部再成形を行うことができるように小領域だけに設けてもよい。逃がし容積部分すなわち非接触面積部分は、一般的に牽引力を加える必要がないバンプの上側に設けられている。しかしながら、下側に加えられる圧縮荷重に対抗するために少なくとも部分的にバンプの上側を不明確にするのが有益であろう。
【００３３】
図８および図９は、首尾よく引張り試験を実施するための十分な締め付け力を加えるための矩形バンプの再成形を示している。
ジョー３１は、先端３２でジョー軸線の方に内向きに傾斜している。ジョーが矢印３３の方向に閉じて矩形バンプ３４を締め付けると、比較的鈍角の先端３２がバンプを再成形して、ジョー先端の基底部の逃がし容積部分３５内へ膨出させる。本実施例では、ジョー先端が鈍角であり、ジョー内にバンプが密着状に包囲されることで、ジョーの平面を横切る方向のへこみの進行を防止する効果が得られ、このため、図３の従来構造の影響が回避される。図示のように、バンプの側部に加えられる圧縮荷重に対抗するために、矩形バンプ３４の上表面全体が包囲されている。
【００３４】
ジョーの閉鎖状態が図９に示されており、これはまた、再成形領域が接合位置３６の領域から十分に離れていることを示している。これは、第１および第２実施例の丸形のバンプにも当てはまる。一般的に、ジョーの平面上のバンプの面積は、試験しようとする基底部の面積より少なくとも１０％大きい。さらに一般的には、この面積は試験面積より５０％または１００％大きいであろう。
【００３５】
図１０は、図９の矢印Ｃの方向の立面図であり、バンプが２縁部に沿っては包囲されていないことを示している。これは、バンプが圧縮荷重を支持できるだけ十分に包囲されている限り可能であり、本例では、ジョーは図示のようにバンプの上縁部と接触している。これによって、側方の広がりを防止するための十分な抵抗力が与えられる。バンプ３４のパラメータによっては、図１０では露出している側部を部分的または全面的に包囲することが必要な場合もあろう。バンプ３４は、例えば端部付近の領域で側部を包囲するようにして、各ジョーの断面を、側部が底部の幅の約５０％である浅いＵ字形にしてもよい。
【００３６】
図１１ないし図１３は、図８ないし図１０に対応し、ほぼ球形のバンプに使用するのに特に好適なジョーの形状を示している。
図１１は、開放状態にあるジョーを示している。各ジョー４１は、ジョー軸線に垂直な平面上でほぼ部分円をなし（図１４の横断面図を参照されたい）、互いにほぼ直角をなす２つの単一曲率表面４２，４３で構成された軸方向輪郭を有しており、尖った移行部分を避けるために、これらの円錐形表面の結合線（図１４の平面）に丸みが付けられている。図１１にわかりやすく示されているように、下側表面４３は上側表面４２より短く、従ってジョーの中心軸線の近くまで延出していない。下側表面４３の幅は、上側表面４２の幅の約４０％にすることができる。
【００３７】
図１１に示されているバンプ２３は、幾分理想化されて、絶縁材料の２層４５，４６の間に位置する電気トラック４４のほぼ球形の突出部として図示されている。実際に、バンプは正確な球形にはなり難いが、連続バンプは正則形状になりやすい。
【００３８】
図１２は、試験のためにジョー４１を閉じた時に発生するバンプの再成形を示しており、バンプの一部が頂部および横軸直径の方に変形している。これらの変形部分は周辺領域で生じるので、張力の試験を行うバンプの接合部には影響を与えない。
【００３９】
図１３は、ジョーの側面図であり、内部の比較的角張ったジョーの形状と、バンプの理想的球形を示している。先行の実施例の場合と同様に、ジョーは（接触面積を増加するために）バンプの変形用の空間を備えているが、バンプに大きな圧縮応力を加えないことを意図している。この点から、閉鎖したジョー（図１２）の離隔距離４７を試験中のバンプに合わせて調節可能にするか、過剰なジョー荷重を避けるためにフィードバック制御することができる。そのような構造は、ジョーの非接触面積を容易に特定できない場合に有用な変更例を提供する。
【００４０】
はんだは容易に変形する材料であり、バンプのわずかな圧縮によって、閉鎖したジョーの間で押し出されるため、それ自体がバンプに対するジョーの接触面積を増加させるであろう。接触面積の増加は、所定の引張り荷重を加えるために必要である平均圧縮表面荷重を減少させる結果をもたらし、従って好都合である。
【００４１】
図１２に示されているように、ジョー４１の下縁部がバンプをわずかにへこます場合がある。これが実際に発生するか否かは、試験しようとするバンプの正確な形状によって決まる。へこみはわずかであるが、バンプに対する把持の向上を行うことができる。バンプは通常は正則形状であるので、再成形およびへこみ処理によるバンプのせん断を回避しながら許容されるへこみの度合いおよび再成形の度合いを決定することは比較的簡単である。
【００４２】
図１５ないし図１７は、ほぼ球形のバンプに有用な別の好適な実施例を示している。この場合、ジョー５１の各々に細い内向きのリップ５２が設けられており、図１６に示されているように、これはバンプ２３を直接的にへこます。リップ５２は連続的であって、ほぼ一定の断面を有するので、下方から見た時にそれらは半円形である。ジョーキャビティ５３はドラム状であり、必然的な再成形中にバンプを支持できる形状である結果、バンプはその周囲全体が制御状態で包囲される。
【００４３】
この形状のジョーは特に有効であり、そのへこみは基板５５の表面５４の位置でバンプを破壊するほどの大きさではないことがわかっている。従って、接合面のレベル５６での引張り破壊力の正確な表示値を決定することができる。閉鎖状態にある時も、リップ５２は接合面でのバンプの直径より外側に留まっていることが図１６からわかり、バンプは押しつぶされないように周囲全体が支持されている。
【００４４】
図１５ないし図１７と同様な別の実施例が、図１８ないし図２０に示されている。この場合、ジョー６１は幾分円錐形の上表面６２と、ほぼ一定直径の下部分６３を備えている。再成形バンプの支持が実質的にさらに完全になるため、キャビティ６４は小さい。ジョーリップ５２は、前述のものと同様に実質的に半円形である。
【００４５】
もちろん、以上に説明した発明の範囲内において様々な他の構造も可能である。バンプの寸法範囲は広いが、一般的な構成部品は寸法および形状が同一の多くのバンプを備えており、それに対して特定の試験ヘッドを準備することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】典型的なはんだバンプの断面図である。
【図２】従来技術の引張り試験方法を示している。
【図３】従来技術の引張り試験方法を示している。
【図４】本発明の第１実施例の断面図である。
【図５】図４の矢印Ａの方向に見た第１実施例の立面図である。
【図６】図４と同様な図であるが、本発明の第２実施例を示している。
【図７】図５と同様な図であるが、第２実施例を示している。
【図８】矩形のバンプの試験に使用される第３実施例を示している。
【図９】矩形のバンプの試験に使用される第３実施例を示している。
【図１０】矩形のバンプの試験に使用される第３実施例を示している。
【図１１】ほぼ球形のバンプの試験に使用される第４実施例を示している。
【図１２】ほぼ球形のバンプの試験に使用される第４実施例を示している。
【図１３】ほぼ球形のバンプの試験に使用される第４実施例を示している。
【図１４】ほぼ球形のバンプの試験に使用される第４実施例を示している。
【図１５】ほぼ球形のバンプの試験に使用される第５実施例を示している。
【図１６】ほぼ球形のバンプの試験に使用される第５実施例を示している。
【図１７】ほぼ球形のバンプの試験に使用される第５実施例を示している。
【図１８】ほぼ球形のバンプの試験に使用される第６実施例を示している。
【図１９】ほぼ球形のバンプの試験に使用される第６実施例を示している。
【図２０】ほぼ球形のバンプの試験に使用される第６実施例を示している。
【符号の説明】
２１ ジョー、
２２ はんだ球、
２３ ジョーの下縁部

Claims (11)

1. 電気装置の導電性突起を引張り試験するための装置用で、突起に接するように閉鎖することによって該突起を把持してそれに引張り荷重を加えることができるジョーを含む試験ヘッドであって、前記ジョーは前記突起とその表面の大部分にわたって密着係合することができ、各ジョーの先端縁部はジョーの軸線に近づいていくようにした試験ヘッド。
2. 前記ジョーは凹状である請求項１記載の試験ヘッド。
3. 前記ジョーで形成されたキャビティは、ほぼ球形である請求項２記載の試験ヘッド。
4. 前記ジョーで形成されたキャビティは、ほぼ円筒形である請求項２記載の試験ヘッド。
5. 前記ジョーで形成されたキャビティは、少なくとも１つのほぼ円錐形の部分を含む請求項２記載の試験ヘッド。
6. 前記ジョーは、前記突起とその表面積の４０％以上にわたって係合するようにした請求項１から５までのいずれか１項記載の試験ヘッド。
7. 前記ジョーは、前記突起とその表面積の７５％以上にわたって係合するようにした請求項６記載の試験ヘッド。
8. 前記ジョーは、使用の際に前記ジョーが閉じた時に前記突起を再成形できるようにする逃がし容積部分を形成している請求項１から７までのいずれか１項記載の試験ヘッド。
9. 前記逃がし容積部分は、前記ジョーと係合する突起表面の１０％未満である請求項８記載の試験ヘッド。
10. 電気装置の導電性突起を引張り試験する方法であって、
    試験しようとする突起の形状および大きさにぴったり対応したキャビティを形成しており、先端縁部がジョーの軸線に近づいていく開閉可能なジョーを有する試験ヘッドを選択する段階と、
    前記ジョーが前記突起とその表面の大部分にわたって係合するように、前記突起を前記ジョー内で締め付ける段階と、
    前記試験ヘッドに引張り荷重を加える段階とを含む方法。
11. さらに、前記突起を前記ジョーキャビティの形状にぴったり一致させるために、前記ジョーが閉鎖した時に前記突起を再成形する段階を含む請求項１０記載の方法。

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