JP4852041B2 - 剪断試験装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子の結合部の剪断強度、及びより具体的には、基板とこれに電気接続する手段との間の結合部、典型的には半田又は金の部分球形溶着部の強度を試験するための装置に関する。

半導体素子は、非常に小さく、典型的に０．２ｍｍ四方から２５ｍｍ四方である。これらの素子は、それに導電体を結合する部位を有する。この部位は、金又は半田の部分球形溶着部を含み、これは、典型的に、ボールとして集合的に知られているが、使用において、押し潰された球又は低い円形ドームの外観を有し、直径は、５０〜１０００μｍの範囲である。これらの溶着部は、例えばプリント基板とチップの間の電気経路の一部を形成し、構成要素に直接接続することができ、又は別の構成要素にそれ自体が接続された導電体に接合することができる。多くのこのようなボールは、基板上に規則的な格子状アレイとして設けることができる。
個別のボールが、典型的に基板に付加され、別の構成要素への次の接続中にリフローされる。

結合方法が妥当であり、結合強度が十分であるという確信を与えるために、金又は半田溶着部と基板の間の結合部の機械的強度を試験することが必要である。構成要素の非常に小さな寸法、試験装置を位置決めすべき精度、及び測定される非常に僅かな力及び偏位のために困難が発生する。
このような溶着部の剪断強度をその一方の側にツールを当てることによって試験することが提案されている。基板の表面を擦るツールによって発生する摩擦を回避するために、ツールは、基板表面のすぐ上方にあることが必要である。基板上方のツールの高さは、典型的に±０．００１ｍｍ以内で厳密に制御され、正確な力測定をもたらさなければならない。

公知の剪断試験装置は、支持面と、支持面に対して制御された方法で移動可能な試験ヘッドとを有する機械を含む。試験ヘッドは、実施される試験に特有のものであって、かついくつかの互換的なツールの１つを上に有するカートリッジを担持している。典型的に、ツールは、試験されるボール溶着部に適する大きさ及び／又は形状を有することになる。使用の際に、試験される基板は、支持面に取り付けられ、ツールは、ボール溶着部に対して相対的に駆動されて、例えば剪断試験又は往復疲労試験とすることができる必要な試験を実行する。

典型的なツールは非常に小さく、従って、カートリッジは、１つ又はそれよりも多くの力ゲージ（歪みゲージのような）が取り付けられた可撓性要素を有することが分かるだろう。すなわち、ツールとボール溶着部の間の剪断力は、カートリッジの偏位によってある一定の距離で測定される。
ツールがボール溶着部に接触する前に高速で移動する衝撃試験の場合、剪断力を検出するのは容易ではない。これは、歪みゲージの付いた要素がツールからいくらか遠隔であり、測定されている力をカートリッジの慣性が隠すからである。典型的に、試験の速度は、歪みゲージがツールでの力に応答する時間を有する前に、試験が終わってしまうほど十分に高速である。

本発明の第１の態様により、基板上の金又は半田のボール溶着部に剪断荷重を与えるための試験装置が提供され、この装置は、支持要素と支持要素上の圧電性結晶とを含み、支持要素は、この結晶を通じてボール溶着部に剪断荷重を与えるようになっており、すなわち、結晶を応力下に置いて、そこから電気信号を発生させる。
好ましくは、装置は、結晶のためのシールドを更に含み、そのために剪断荷重は、シールドを通じてボール溶着部に与えられる。

シールドは、結晶に直接付加された保護表面を含むことができ、又は支持要素上に取り付けられて結晶を担持するようになったツール要素とすることができる。このようなツール要素は、結晶に予備荷重を掛けてその安定性を改善するように配置することができる。
シールドは、例えば、ボール溶着部の周囲の一部分に係合するようになった部分球形凹部を有することにより、試験されるボール溶着部の形状に適応させることができる。

好ましい実施形態では、支持要素と結晶の間及び／又は結晶とシールドの間のインタフェースは、実質的に均一の平面接触をもたらすようになった力分散層を含む。このような層は、例えば、エポキシ樹脂を含むことができ、これは、それぞれのインタフェース表面上に流動的である間に広がり、装置の組立後に硬化して平面接触が生じることを確保する。このようにして、点及び線荷重を回避することができる。

この層は、非常に薄いことだけが必要であり、また、存在しうるあらゆるアラインメント誤差を受け入れるだけで十分である。エポキシ樹脂特有の利点は、隣接する構成要素もまた互いに接着して保持され、装置が一体になることである。
層はまた、結晶のための電気絶縁体を提供することができ、又は電気経路によっては導電性とすることができる。

本発明の第２の態様により、基板上の金又は半田のボール溶着部に剪断荷重を与えるようになった装置を較正するための装置が提供され、この装置は、平坦表面とこの表面に直角の貫通開口とを有するプレート要素を含み、この開口は、金又は半田のワイヤを受けるような大きさであり、それによってワイヤには、この表面の上方に突出するための指標が付けられ、この装置は、それに剪断荷重を与えるようになっている。
金又は半田のワイヤは、それぞれのボール溶着部に非常に密接に関連し得、従って、１つの剪断ツール装置を別の装置に対して正確に較正することができる。装置は、要求に応じて上述の開口を通してワイヤを指標付けするための及び指標付け毎の上述の表面上方のワイヤの突出を判断するための手段を含んでいてもよい。指標付けするための手段は、モータ駆動とすることができる。

この第２の態様により、金又は半田のボール溶着部のための剪断ツールを較正する方法も提供され、本方法は、貫通開口が直角に配置された平坦表面を設ける段階と、この開口に金又は半田のワイヤを設ける段階と、この表面上方に突出するようにこのワイヤを指標付けする段階と、このワイヤの突出部分に対してツールで剪断試験を実施する段階とを含む。
ワイヤは、均一な材料であり、検出された剪断力が厳密に反復可能であるから、反復試験に十分に適するものである。従って、異なる剪断ツールを用いる連続する剪断試験を相関させることができ、それぞれのツールの剪断センサは、一貫した規準に対して較正することができる。
ワイヤの機械的特性は、通常は公知であり、従って、本方法を用いて検出された剪断力は、絶対値並びに相対値に関連させることができる。
本発明の他の特徴は、添付図面に例示的に示すいくつかの好ましい実施形態の以下の説明から明らかであろう。

図面を参照すると、図１は、支持面１１及び支持面に対して水平（ＸＹ）及び垂直（Ｚ）に移動可能な試験ヘッド１２を含む従来の試験装置を示している。試験ヘッドは、平行アーム１６によってツール台１５が取り付けられたカートリッジを含む。試験ツール１７は、ツール台１５上に設けられる。
使用中、ツールは、表面１１上に取り付けられたボール溶着部に対して矢印１４の方向に横向きに移動して剪断試験を実施し、アーム１６の偏位に応答する歪みゲージによって力が判断される。試験ツール１７の先端は、典型的に非常に小さく、ボール溶着部の直径程度、すなわち、５０〜１０００μｍの範囲である。

図２は、本発明の第１の実施形態を示し、かつ支持要素２１を含むツール２０を示し、その上端２２は、従来技術の試験ヘッド１２への又はそのカートリッジへの直接接続にあらゆる適切な方法で適応している。後者の配置は、既存の試験装置に対する構成要素の互換性を確保するものである。
下端２３は、テーパ付であり、これに圧電性結晶２４が取り付けられている。結晶の外面は、シールド２５を有する。結晶は、立方体で示されているが、円筒形のような他の形状も勿論可能である。

結晶は、試験されるボール溶着部とほぼ同程度の幅、例えば１００μｍを有する。結晶の応力変化を検出することができる結晶の通常の電気接続、及び較正による実際の荷重の計算は示されていない。
シールドは、結晶を機械的損傷から保護するが、荷重をそこに完全に伝達させるようになったあらゆる適切な材料被覆とすることができる。例えば、シールドは、結晶に結合された薄い金属プレートを含むことができる。

図３は、使用中の図２の装置を示し、また、基板２８上に取り付けられたボール溶着部２７に対して矢印２６の方向に剪断荷重を与えようとしているところを示す。
図４の断面図は、シールド及び結晶が、どのように、ボール溶着部２７の湾曲形状に適応することができるかを示している。
第２の実施形態が、図５に示されており、支持要素２１を含み、そこからアンビル３１が、ピン３２又はあらゆる適切な種類のクリップに対して吊り下げられている。ツールはプレート状であり、結晶２４に圧縮荷重を直接与えることができる。好ましい実施形態では、ツールは、その内部弾性により、例えば、上端２２と接触する部分の厚みを低減することにより結晶に対して付勢される。
代替アンビル３３が断面で示されており、ボール溶着部に密接に係合するための部分球形凹部３４を有する。

図６は、基板４８上方の前縁４６の高さを剪断試験前に正確に判断することができるようにツール４０の底面が上向きレーキ４９を有する代替的な実施形態を示している。レーキは、前縁の背後の間隙を確保する一方、ツールの機械的一体性を維持するあらゆる適切な角度とすることができる（典型的には、１５〜３０度の範囲）。
図７は、図５に対応し、同様の負のレーキ５９を示している。図８は、ツールの残った部分に対する負のレーキが必要でないように、図示のように下方に突出する代替アンビル６１を示している。
図８及び図９は、典型的なツール７０の構成部品の例示的な配置を示している。

例えば真鍮のツール本体７１には、圧電性結晶７４が取り付けられている。図示のように、結晶は、部分的に窪んでおり、その側壁は、例えば、ナイロンのフィラメント８１によって電気的に絶縁されている。
ツール７１は、皿ビス７２によって本体７１の前面に取り付けられ、皿ビスは、ツールの正確な位置決めを確保し、回転は、本体７１のスロット８３内で案内されるペグ８２によって回避される。

結晶７４の１つの面（後側）は、本体７１と電気接続するが、その前面は、前面に半田付けされて本体の内部を通して突出接点８５に接続されたリード８４を有する。適切な注入材料８６が、接触ピン８５を本体７１から絶縁する。
圧電性結晶は、大体の寸法が４ｍｍ×２ｍｍ、厚み０．３ｍｍの市販の製品である。結晶の材料は、典型的にジルコニアのような頑強で硬質な非導電性セラミックである。
アンビル７１は、試験溶着部との接触のための下方突出部８７を有する。

全ての実施形態において、結晶と本体の間及びアンビルと結晶の間のインタフェースは、例えばエポキシ樹脂の荷重分散層を含むことができる。樹脂は、流動的である間に広がって硬化し、確実に平面である荷重経路をもたらす。製造又は組立における僅かな欠陥がそれによって回避され、その結果、荷重の点及び線伝達が未然に防がれる。硬化すると、エポキシ樹脂は、構成要素を一体アセンブリに保持する利点を有する。

使用において、ツールは、公知の技術を用いて、試験ヘッドに取り付けられ、基板に対して下げられ、特定の距離だけ引き出される。ツールは、次に、試験される溶着部に対して駆動され、剪断荷重が、アンビル７１から圧電性結晶７４に直接伝達され、そこでは歪み変形が、ここで更に説明する必要はないが、適切な記録及び分析器具に送られる荷重を表す電気信号を生じる。
歪みゲージ及び圧電性結晶のような要素を用いて力を感知するツールの１つの問題は、ツールを較正することである。多くの場合に、絶対値（グラムで測定される破壊荷重のような）を判断することは可能ではなく、ユーザは、結果の比較を可能にする相対値に頼る必要がある。この後者の技術は、１つのみの試験ツールが用いられている場合は受け入れられるが、試験ツールを置換する必要があるか、又はいくつかの同様のツールからの結果を比較すべき時に問題になる。

図１１は、同様の剪断ツールの荷重／出力を比較することができるための技術を示し、破壊荷重の絶対読取値を与えるようにツールを較正する可能性も提供する。
基板９１には、直角に延びる開口９２が通っており、これを通してワイヤ９３が突出する。矢印９５の方向に駆動される試験ツール９４は、ワイヤを剪断することになり、適切に適応した場合、相対破壊荷重を測定することができる。例えば、ツールは、本明細書に説明する電気歪みゲージ又は圧電性結晶装置に頼ることができる。

試験は、開口を通るワイヤの更なる一長さを指標付けすることによって反復することができる。開口上方のワイヤの長さは重要でない場合があること、及び試験ツールが各試験で同じ軸線に沿ってワイヤを打つことが分かるであろうし、これらの特徴は、試験の実施を非常に簡単にするものである。
ワイヤは、非常に均一な材料であり、更に、半導体素子に用いられる基板に付加される半田及び金ボールの前駆物質として容易に入手可能である。従って、較正試験は、試験ツールの商業的用途で試験される的確な材料を用いて達成することができる。
開口９２は、試験ツールが直角に打つことを確保するために、好ましくは、ワイヤ９３に密接に適合すべきである。

本方法による剪断試験が優れた反復性を有する結果を与えることが確立された。可変ワイヤ突出のあらゆる同様の効果は、経験的試験によって容易に検査することができ、一貫した均等なワイヤ給送が必要な場合には、適切な指標付け装置を組み込むことができる。
この技術は、従って、いくつかの異なるツールからの結果を比較することができるように、類似のツール及び名目上同一のツールを較正することを可能にする。この技術は、多くの異なる製造場所で用いることができる生産試験ツールの較正の場合に特に価値がある。
また、ワイヤの強度及び材料に関する公知の情報を用いて、この技術が試験ツールを較正することを可能にして例えばグラム、ニュートン、又は他のあらゆる適切な単位での読取値を与えるように、絶対破壊荷重の遙かに良好な検出を得ることが可能であることも分かるであろう。

従来の試験装置を概略的に示す図である。 本発明による試験装置を拡大スケールで概略的に示す図である。 典型的な剪断試験を側面図で示す図である。 図３の線４−４に対する図である。 ツール要素を縦断面で示す代替ツールの側面図である。 代替ツールを側面図で示す図である。 代替ツールを側面図で示す図である。 代替ツールを側面図で示す図である。 ツールを正面図で示す図である。 線’９’−’９’に対する図９のツールの横断面図である。

符号の説明

２０ ツール
２１ 支持要素
２４ 圧電性結晶
２５ シールド

Claims (13)

1. 基板上に溶着された金又は半田のボール溶着部に剪断荷重を与えるための試験装置であって、
   上下方向に延び、上端と、この上端から下方に向けてテーパされた下端とを有する支持要素（２１）を有し、この支持要素は前記上端において支持されており、
   更に、前記支持要素（２１）の下端に取付けられた圧電性結晶（２４）を含み、
   前記支持要素（２１）の下端は、ボール溶着部に接触して、ボール溶着部に剪断荷重を与え、ボール溶着部を基板から剥すようになっており、かくして、支持要素とボール溶着部との間における接触により、圧電性結晶（２４）を応力下に置いて、剪断荷重を表す電気信号を圧電性結晶から発生させる、ことを特徴とする装置。
2. 前記結晶のためのシールド（２５）を更に含み、該シールドを通じて剪断荷重がボール溶着部に与えられる、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記シールド（２５）は、前記結晶（２４）に直接付加された保護表面を含む、ことを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記シールドは、前記支持要素（２１）上に取り付けられて前記結晶（２４）に対して担持するようになったツール要素（３１）を含む、ことを特徴とする請求項２に記載の装置。
5. 前記ツール要素（３１）は、意図する剪断方向に前記結晶（２４）に予備荷重を掛けるように配置されている、ことを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 前記シールドは、試験される前記ボール溶着部の形状に適応している、ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記シールド（２３）は、ボール溶着部の周囲の一部分に係合するようになった部分球形凹部（３４）を有する、ことを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 前記支持体と前記結晶の間のインタフェースは、実質的に均一な平面接触をもたらすようになった力分散層を含む、ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記シールドと前記結晶の間のインタフェースは、実質的に均一な平面接触をもたらすようになった力分散層を含む、ことを特徴とする請求項２から５のいずれか１項に記載の装置。
10. 前記層は、流動的である間に前記それぞれのインタフェースの表面上に広がって、組立後に硬化して平面接触を確保するようになったエポキシ樹脂を含む、ことを特徴とする請求項８又は９に記載の装置。
11. 前記層は、前記それぞれのインタフェース表面を互いに不動に結合して一体アセンブリをもたらす、ことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 前記層は、電気絶縁体である、ことを特徴とする請求項８から１１のいずれか１項に記載の装置。
13. 前記層は、導電性である、ことを特徴とする請求項８から１１のいずれか１項に記載の装置。

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