JP5060494B2 - せん断試験装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体デバイス内の接合部のせん断強度、より具体的には、基板とそこへの電気接続手段との間の、典型的には部分球形堆積物である接合部の強度を試験するためのせん断試験装置に関する。こうした堆積物は、はんだ、金又は他の材料のものとすることができ、はんだバンプ又はボール・グリッド・アレイと呼ばれる場合がある。
半導体デバイスは非常に小さく、典型的には0.2mm平方から25mm平方までである。これらのデバイスは、そこへの電気導体接合のための場所を有する。場所は、典型的には、総じてボールとして知られる、例えば金又ははんだの部分球形導電性堆積物を含み、これらは、使用時はつぶれた球体又は低い円形ドームのような外観で、50から1000μmの範囲の直径を有する。これらの堆積物は、例えばプリント回路基板とチップとの間の電気経路の一部を形成し、構成部品を直接接続することができるか、又は、別の構成部品に接続された導体につなぐことができる。多くのこうしたボールは、基板上の規則的な格子状アレイとして提供することができる。
個々のボールは、典型的には基板に適用され、別の構成部品への次の接続時にリフローされる。
接合方法は適切であり、接合強度は十分であるという信頼を与えるために、金又ははんだの堆積物と基板との間の接合部の機械的強度を試験することが必要である。構成部品の寸法が非常に小さいこと、試験装置を正確に位置決めしなければならないこと、及び、測定される力及びゆがみが非常に小さいことから困難が生じる。
こうした堆積物のせん断強度を、その片面にツールを適用することによって試験することが提案されてきた。基板表面を擦るツールによって引き起こされる摩擦を避けるために、ツールは基板表面より少し上にあることを要する。基板上のツールの高さは、正確な力測定を行うために近接するように制御されなければならず、典型的には±0.0001mm以内である。
既知のせん断試験装置は、支持面、及び、支持面に対して制御される方法で移動可能な試験ヘッドを有する機械を含む。試験ヘッドは、実行される試験専用で、幾つかの交換可能なツールのうちの1つを装着したカートリッジを運ぶ。典型的には、ツールは、試験されるボール堆積物に適するようなサイズ及び/又は形状にされる。使用時には、試験される基板は支持面に取り付けられ、ツールはカートリッジ内に搭載され、例えばせん断試験又は往復疲労試験とすることができる要求された試験を実行するために、ボール堆積物に対して駆動される。典型的には、ツールは静止している堆積物に対して移動する。
典型的なツールは非常に小さく、それに応じてカートリッジは、1つ又はそれ以上のフォース・ゲージ(歪みゲージ等)を搭載する可撓性要素を有することが理解されるであろう。従って、ツールとボール堆積物との間のせん断力が、カートリッジの可撓性要素内のゆがみによる距離で測定される。国際出願特許WO-A-2005/114722号は、こうしたカートリッジの例を示す。
ツールがボール堆積物との接触前は高速で移動している衝突試験の場合は、せん断力を検出するのは容易でない。これは、歪み計測要素がツールからある程度離れており、支持要素の慣性が測定されている力を隠してしまうためである。典型的には、試験速度は速過ぎて、歪みゲージがツールにおける力に反応する前に試験は終わってしまう。
従来技術のこの不都合に対する解決策、特に、せん断ツールが高速で移動しているときに、ボール堆積物におけるせん断力をより適切に検出できる試験装置及び試験方法が求められる。こうしたせん断力は、一方向の又は往復の荷重によってもたらすことができる。
本発明の第1の態様によれば、基板上の導電性材料のボール堆積物にせん断荷重を加えるための試験装置が提供され、該装置は、支持要素、及び該支持要素上の圧電性結晶を含み、支持要素はせん断荷重をボール堆積物に加えるように適合され、前述の結晶は応力の下に置かれるように配置され、こうして電気信号がそこから発せられるようにする。電気信号は、好ましい実施形態においてはせん断ツールである支持要素が受けたせん断力の測定を提供するように処理される。
こうした装置では、圧電性結晶は支持要素の接触面に近接して、及び、検出可能な電気信号を与えるのに十分な歪みを受ける任意の位置に配置することができる。支持要素は片持ち梁として提供され、圧電性結晶は片持ち梁上に支持されることが好ましい。
結晶への電気接続は、例えば好適な断面積の一対の可撓性電気導体のような従来の配線手段によることができる。代替的には、電気経路を、圧電性結晶が取り付けられた支持要素の材料を介して提供することができる。電気供給及び電気返還を分離するための絶縁体を、例えば、可撓性電線の外部絶縁体によるか、又は支持要素の構成部品を分離する誘電材料によるか、或いはこれらの組み合わせによるような任意の従来方法で提供することができる。1つの実施形態において、支持要素は電気供給及び電気返還の経路を提供し、別の実施形態では、絶縁された可撓性電線が供給及び返還の電気経路を提供する。
圧電性結晶は、1つの好ましい実施形態においては、せん断ツール又は支持要素の背面に適用され、正面は前述のせん断荷重を加えるように適合されている。支持要素の裏側に圧電要素を設ける利点は、圧電要素が支持要素の正面上に設けられた場合、正面が基板のボール堆積物をせん断するときに、ボール堆積物は圧電要素に衝突するところにある。
こうした配置では、ボール堆積物に接触するように適合された正面は、基板のボール堆積物をせん断するように必然的に張力がかけられた状態にされる。反対の背面は、圧電性結晶の好都合な取り付けを提供する。ボール堆積物がせん断されるように正面に張力がかけられた状態にある間、同時に背面は必然的に圧縮状態にされ、背面上に取り付けられた圧電要素は背面に沿って作用する圧縮力によって応力を受ける。結晶の取り付け面は平面で、使用時にはボール堆積物に接触するように適合された支持要素部分に近接することが好ましい。
圧電性結晶は、任意の好適な形状又は厚さのものとすることができる。一般に、その1つの面は、支持要素への取り付けを可能にするために平面であるのが好ましく、平坦であるのが最も好ましい。結晶は、応力と電気出力との関係を定めるように較正することができ、その形状は所望の特性を与えるように選択することができる。好ましい実施形態において、結晶は、実質的に等しい横断寸法を有する矩形の平面部材であり、Z軸と縁部が位置合わせされ、上述のようにボール堆積物をせん断するときに圧縮応力を受ける支持要素の裏側に取り付けられる。
本明細書は単一の圧電性結晶の使用について言及するが、1つよりも多い結晶を、力の適用方向と一致する方向以外の力を検出するために提供することができると考えられる。例えば、偏心荷重は、試験される接合部の性質を判断する際に有用である横方向の歪みを与えることができる。従って本発明は、支持要素上に取り付けられ、力の適用方向に対して異なる方向の応力の下に置かれるように配置された、1つ又はそれ以上の圧電性結晶を想定する。本発明の装置は、ボール堆積物にかかる破壊力の方向に関する情報を得るために、幾つかの圧電性結晶からの入力の電子分解能を含むことができる。
使用時に、支持要素は、X軸、Y軸及びZ軸内で移動可能な、既知のせん断試験機内に取り付けられたツール・ホルダによって保持される。
こうした配置は、特に、支持要素の形状をボール堆積物の性質及び形状に応じて選択し、適切なせん断力を加えることを可能にすることによって、せん断試験機を異なるせん断試験に適合させる利便性のある手段を提供する。従って、より大きいサイズで、おそらくより高い付着性を有しているボール堆積物を、適切なサイズの支持要素を用いて試験することができる。より具体的には、圧電性結晶の出力範囲を最適化して、予測されたせん断力の範囲内で高い感度を与えることができる。更に、ボール堆積物との接触領域における支持要素の形状は、例えば、平坦な平面接触面、ボール堆積物のおよその直径に適合された一次元の湾曲接触面、ボール堆積物のおよその球形度に適合された二次元の湾曲接触面を含む範囲から、目的の試験に適するように選択することができる。ボール堆積物は、典型的にはある程度不規則な形状であり、接触面のサイズ及び形状の近似が求められることが理解されるであろう。
支持要素は、例えば、平行な正面及び裏面を有する実質的に矩形のブロックとすることができ、正面はボール堆積物に対する接触面を有し、背面はその上に取り付けられた圧電性結晶を有する。
1つの実施形態において、支持要素は、前述の結晶が取り付けられた平坦な背面を有する鋤形のツールである。支持要素の正面は、例えば、ボール堆積物の円周の一部に係合するように適合された部分球形凹部を有することによって、試験されるボール堆積物の形状に適合させることができる。
支持要素の接触面は、試験されるボール堆積物の直径に密接に対応するように、サイズを小さくすることができる。具体的には支持要素は、圧電性結晶が取り付けられる主本体部分及び、サイズが小さくなった突出接触部分を含むことができる。
この配置は、多数の利点を有する。特に、主本体部分は、接触部分のサイズに関わらず所望の大きさの圧電性結晶に適応するようにサイズ調節することができる。接触部分は、相応に小さい支持要素及び圧電性結晶を必要としないで、個別であるが密接して隣接するボール堆積物に係合するのに十分なように小さくすることができる。接触部分の底部も、せん断試験前に基板からの正確な持ち上げ距離を保証するために、近接するボール堆積物の間の基板の平坦部分に着くのに十分なように小さくすることができ、冒頭で述べたように、こうした持ち上げはこすり摩擦を避けるために必要である。最後に、接触部分の大きさに対する支持要素の大きさの変動は、圧電性結晶領域内の応力の範囲を選択することを可能にし、従って、圧電性結晶の好ましいサイズ及び形状は、異なるサイズ及び形状の接触部分の範囲に適合させることができる。
圧電性結晶は、一貫した繰り返し可能な方法で応力をそこに伝達することができる任意の好適な方法で、支持要素に取り付けることができる。1つの好適な取り付け方法は、エポキシ樹脂等の接着剤による表面接合である。
好ましい実施形態において、支持要素と結晶との間の界面は、実質的に均一な平面接触をもたらすように適合された力分散層を含む。こうした層は、例えば、流体がそれぞれの界面表面上にある間に広げられ、平面接触が行われるのを確実にするために装置の組み立て後に硬化するエポキシ樹脂を含む。
層は非常に薄い必要があるのみで、それぞれの表面に存在する可能性があるどのような不整合にも対応するのに十分であればよい。エポキシ樹脂の特に有利な点は、隣接する構成部品がまた、互いに付着し保持されて装置が一体になるところである。
従って接着層は、支持要素と圧電性結晶との間に薄い緩衝部を含み、支持要素及び圧電性結晶を永久的に堅牢な係合で機械的に保持する第2の機能を有する。
エポキシ樹脂層はまた、結晶のための電気絶縁体を提供することができるか、又は、電気経路によって導電性とすることができる。こうした配置は、1つ又はそれ以上の可撓性電線は望ましくないと考えられる場合に特に有利である。
好ましい実施形態において、支持要素には、ボール堆積物との接触のためのはめ込み接触部分が設けられる。接触面は典型的には、支持要素の幅全体の30から60%まで後退している。はめ込み部の平面は、せん断力の意図された適用方向に対して垂直であることが好ましく、典型的には基板に対して実質的に垂直であり、Z軸内である。1つの実施形態において、はめ込み部の平面は、支持要素の正面及び背面を定める面に対して平行且つ、それらの間にある。
はめ込み面の正確な場所は、圧電性結晶の出力が影響を受けないように、ツール下側にかかる垂直方向の荷重が圧電性結晶の取り付け面に対して中立面を通過するように決定されるのが好ましい。圧電性結晶の電気出力のこの適合及び/又は分析は必要とされず、具体的には、電気出力は、そこに作用する歪み及び加えられたせん断力に比例するのが好ましい。加えられたせん断力と電気出力との関係は直線的であることが最も好ましい。はめ込み部の場所は、支持要素の求められた形状及び寸法によって決定されるが、有限要素解析(FEA)等の数学的方法の使用によって予測することができ、垂直方向(Z軸方向)荷重の実験的適用によって確認することができる。
好ましい実施形態において、はめ込み部は意図されたせん断方向に対して垂直であり、応力が高い点又線を排除するように、角度のついた又は半曲の面によって支持要素の正面に接続される。
本発明の他の特徴は、添付の図面に例としてのみ示された幾つかの好ましい実施形態に関する以下の説明から明らかであろう。
図1から図4を参照すると、ツール・ホルダ11は、図13に概略的に示された接合部試験機100等の試験機への取り付けのために直径が小さくなったシャンク13を有する管状本体12を含む。シャンク13は、図13のチャック102のようなコレット・チャックなどによって機械内に固定される。管状本体12は、例えば金属製であり、鋼鉄等の好適な剛性材料であることが好ましい。非導電性プラスチック等の、任意の好適な誘電材料の環状絶縁体14が管状本体12の開口部内に押し込まれる。図に示されるように、絶縁体14内には、例えば鋼鉄製で、ソケット・ヘッドねじ20によって固定される取り外し可能キャップ17を含む分割型クランプ16を近位端部に有するツール・ホルダ15が押し込まれる。
分割型クランプ16は、圧電性結晶19が取り付けられる支持要素又はせん断ツール18の挿入及び取り外しを可能にする。せん断ツールはセラミック材料製で、実質的に一定の厚さの平坦な板を含む。ツール18はツール・ホルダの対応する凹部に収容され、ねじ20が締め付けられるときに保持されて把持される。せん断ツール18は片持ち梁として取り付けられ、圧電性結晶19は、好ましい実施形態においては梁の長さの中央区域に沿って取り付けられる。
本発明は、半導体デバイス内の接合部のせん断強度を試験するための装置に関し、より具体的には、せん断ツール18及び結晶19を含むせん断ツール組立体に関する。試験機内へのツール・ホルダ11の取り外し可能な取り付けが望ましいが、不可欠なものではなく、取り外し可能な取り付けの場合、取り付け手段は、好適に剛性があり確実な接続を保証することを除いては重要でない。
同様に、取り外し可能なせん断ツール18は不可欠ではないが、異なるせん断ツールを共通のツール・ホルダ16に嵌めることを可能にするのは有利である。せん断ツール18は半永久的であるように試験機に固定できること、換言すると、その取り外し可能性は、破損又は他の種類の動作不良の場合においてのみ考えられることが理解されるであろう。こうした配置は、同じ構成部品を繰り返し試験する場合に有益であり、取り外し可能なツール・ホルダ及び/又はせん断ツールは、試験手順及び/又は製品の頻繁な変更の場合に有益であり得る。
ツール・ホルダ及びせん断ツールは、例えばエポキシ系接着剤によって永久的に接続することができ、この場合、取り外し可能キャップ17は必要ではないと考えられる。
ボール堆積物のせん断試験を行うことができる接合部試験機は、当技術分野で入手可能である。1つの例は、英国エールズベリー所在のDage Precision Industries社から入手可能な4000型シリーズの機械である。図13は、4000型機械に共通する多くの要素を有する接合部試験機を概略的に示す。図13の機械では、せん断ツール18を保持するツール・ホルダ11のシャンク13は、ツール・ムーバー104に取り付けられるチャック102内に固定される。ツール・ムーバー104は、例えば、ボール堆積物23を基板22からせん断するためにせん断ツール18をX軸方向に移動させ、且つ、せん断ツール18をボール堆積物23に対して垂直に位置決めするようにZ軸方向に移動させる。基板22は、基板をせん断ツール18に対してX軸方向及びY軸方向に移動させる台118上に取り付けられる。ツール・ムーバー104は、高性能顕微鏡106が取り付けられたハウジング105に固定される。ハウジング105はまた、圧電性結晶19から受信した電気信号を処理し、好ましくは、その処理結果を、ハウジング105に取り付けられた表示スクリーン107上に表示するプロセッサを含むことができる。機械100はまた、X−Y台118及びせん断ツール18を移動させる操作棒制御部106、108を含む。操作者は、高性能顕微鏡106を通して関心のある基板22の区域を観察し、操作棒106、108を用いて、せん断ツール18を、基板22からせん断されるボール堆積物23に隣接するように位置決めする。せん断ツール18がボール堆積物23に対して適切に位置決めされると、ツール・ムーバー104は、ツール18をX軸方向に所望の距離だけ所望の速度で移動させ、ボール堆積物23を基板22からせん断する。このせん断が行われている間、圧電性結晶19は、後で詳述する方法で引張力及び圧縮力を受ける。圧電性結晶19に作用する力は、ボール堆積物23を基板からせん断するために必要なせん断力と相関させることができる電気信号を結晶19から発生させる。
圧電性結晶によって発生された電気信号は、本体12内部の孔5を貫通して遠位端21の出口に達し、次にハウジング105内部に含まれるプロセッサ(図示せず)まで通る絶縁線(図示せず)によって伝達することができる。1つの実施形態において、好適な電気軌道が、セラミック製せん断ツール18の表面にフォトレジスト印刷によって形成され、押し込み式電気接続を、ツールがツール・ホルダ15に固定された表面に設けることができる。本実施形態において、セラミック製せん断ツール18は、導電軌道が設けられる誘電材料を提供する。導電軌道は、例えば、金属の要素をセラミック製ツール18に接合するか或いは別の方法により固定するその他の方法等の他の方法で提供することができる。
図4に最も良く示されるように、試験される接合ボールの実際の幅に密接に対応するように、せん断ツール18の先端部24の幅は細くなっている。せん断ツール18は、3:1から8:1までの範囲の幅/厚さ比率を典型的に有し、先端部24は、典型的には1000μm以下である。示されるように、せん断ツール18の幅に対する先端部24の幅の割合は、4:1から10:1までの範囲とすることができる。
図5は、使用時の試験ツールを示す。ツール・ホルダの本体12は、図13に示される機械のような好適な試験機に取り付けられ、示されるようなX、Y、Zの方向移動範囲を有し、前述したように、多数のボール堆積物23のうちの1つにせん断力を加える所定の位置にあるように基板に対して移動する。せん断ツール18がボール堆積物23を基板22からせん断する間、基板22上でのせん断ツール18の引きずりを避けることを確実にするために、好適な接触感知装置を提供することができる。
ボール23の2本の縁部列が示されるが、基板22の面を覆うグリッド・アレイを含むどのような形状のアレイもあり得る。
試験は、せん断ツール18を個々のボール23に当てながらX軸方向に移動すること、及び、破損が起きるまで徐々に増加する力を加えることによって実行される。試験は、代替的には、例えば0.5から2.5m/秒までの範囲の速度でせん断ツール18をボール堆積物23に対して移動させ、ボール堆積物23を基板22から動的にせん断することによって実行することができる。ツール移動の速度は、装置の性能に応じて10m/秒までにすることができるが、一般には、効果的な試験に適した最も遅い速度が好適である。
せん断ツール18は本体12から出て片持ち状にされて、使用時に、ツール18が基板22のボール堆積物23をせん断している間に経験した、せん断ツール18の正面に対する荷重は、その面を張力がかけられた状態にする。同時に、裏面は対応するように圧縮された状態にされる。従って、圧電性結晶19は裏面に作用する圧縮力によって応力を加えられ、結晶19は、基板22のボール23をせん断するのに必要な力を決定するために用いることができる電気出力を生成する。
試験は、基板のボール堆積物の幾つか又は全部に対して繰り返すことができ、規則的なアレイの場合、試験は自動化することができる。
本実施形態は、一般的にZ軸方向で、せん断試験中の移動平面に対して垂直な孔圧縮軸を有する1つの圧電性結晶の使用について説明する。必要又は好都合な場合、幾つかの結晶を用いて幾つかの互いに異なる方向の歪みを検出することができ、幾つかの電気出力を単独で又は組み合わせて用いて、関心のある所望の方向のせん断力を決定することができる。
必要な場合には、ツール18は、例えば、基板の密接に嵌まる穴を通って上方に割り送られた電線端部等の、既知のサイズ及び品質の材料を繰り返しせん断することによって較正することができる。この方法によれば、試験電線を保持する固定具は台118に固定される。せん断ツール18は、次に、ボール堆積物に対して位置決めされるのと同じ方法で、電線端部に隣接して位置決めされる。機械は、次に試験電線の端部をせん断するように作動される。試験電線が既知の材料及び形状寸法で与えられた場合、試験電線をせん断するのに必要な力は既知である。従って、圧電性結晶19によって発生された電気信号は、既知のせん断力値と相関させることができる。こうして、所与のせん断力値に関する圧電性結晶19の信号出力の表は、試験される特定のせん断ツール18に関して作成することができる。これらの値は、次に、圧電性結晶19から受信された電気信号に基づいて、ボール堆積物をせん断するのに必要なせん断力を示すために機械のプロセッサで用いることができる。
本発明の変形態様が図6乃至図8に示される。この変形態様において、ツール・ホルダ41は、取り付けシャンク43及び、せん断ツール・インサート46を受け入れるための逆「V」字形溝45を有する開口部44を有する。インサート46は、溝45の軸に沿ってホルダ41内に、且つ停止板47をもつアバットメント内にスライドする。インサート46は、ばね荷重式のボール・キャッチ(図示せず)によって保持されるように配置され、グラブねじ48によって固定されて、ツール・ホルダ41に対して動かされないようになる。
インサート46からは、ボール堆積物との接触のための正面50及び、圧電性結晶52が上に取り付けられた背面51を有するセラミック製せん断ツール49が垂下する。使用時には、前述した通り、正面でボール堆積物23に加えられたせん断荷重は結晶52に加えられる圧縮応力をもたらし、結果として電気出力をもたらす。ツール49は、第1の実施形態に示されたツールと類似する全体的な大きさを有する。
好適なスライド電気接続53が、インサート46の圧電性要素52とツール・ホルダ41との間に提供され、ツール・ホルダ41が挿入されるときにブラッシングによって自動的に係合する。
せん断ツール49の接触面54は、示されるように正面から後退している。使用時には、せん断ツールがボール堆積物を通り抜けるとき、発生した水平方向の力に加えて垂直方向の力も発生する。垂直方向の力は、大きい場合は結晶52の出力に影響を与え、測定された力を変形させるのに十分である可能性がある。理想的には、基板に対してボール堆積物をせん断するのに必要な水平方向の力のみが、結晶19によって示されるべきである。
接触面54を結晶の取り付け面により近づけることによって、垂直方向の力を中立面に向けて、取り付け面における曲げ応力及び歪みの測定を比較的変形させないようにすることができる。図8A、図8B及び図8Cは、本発明のこの特徴を示す。
図9に示されるように、接触面54は、本実施形態においては、正面50から背面(取り付け面)51までの距離122の約40%の距離120だけ後退している。特定のせん断ツール49のために選択された実際の後退120は、せん断ツール49の全体的な寸法並びに圧電性結晶52のサイズ及び位置による。
後退120はまた、ボール堆積物の形状、及び接触面52の形態によって左右される可能性がある。使用中、後退120の大きさは典型的には30から60%の範囲であり、有限要素解析(FEA)等の数学的方法によって試験から、及び、結晶52の出力を観察する間の、ツール49の下側への垂直方向の荷重適用から、経験に基づいて決定することができる。
後退していないせん断ツール18のようなせん断ツールと比較すると、正面50から後退している接触面54を有するせん断ツール49の実施形態の利点を理解するために、図10を参照する。図10において、せん断ツール202の正面200がボール堆積物23に衝突して基板22からせん断するときに、多数の力が発生する。ボール堆積物23は、ツール200を水平方向の力210で押し返す。ボール堆積物23はまた、垂直方向の力212でツール202を押し上げる。更に、ボール23によってツール202の根元から離れた位置で力が加えられるので、曲げモーメント214がツール202に加えられる。曲げモーメントの大きさは、モーメント・アームの関数又は、接触面200とツール202の根元との間の距離216である。水平方向の力210は、前述したように、ツールの正面204に張力をかけ、裏面206を圧縮状態にする。結果として、圧電性結晶220は、水平方向の力210によって発生された圧縮力230、垂直方向の力212に対応する圧縮力232、及び、曲げモーメント214に対応して結晶220を引っ張る力234を受ける。引張力234は、圧縮力232よりもかなり大きい可能性があり、この引張力234は力230の一部を解消する傾向をもたらし、不正確なせん断力測定を引き起こす。
この不正確さを最小限にするか又は減らすために、図11に示されるように、せん断ツール302の接触面300は、正面304から後方に向けてオフセットされる。このオフセットの効果は、接触面300をツール302の屈曲部318の中央により近づけることである。これはモーメント・アーム308を、従って曲げモーメント314を減少させる。ツール302は、ツール302を押し返すボール堆積物23によりもたらされる同じ水平方向の力をやはり受ける結果となる。ツール202はまた、ツール302を押し上げるボール堆積物23によって引き起こされる同じ垂直方向の力312を受ける。しかしながらモーメント・アーム308が短くなったため、曲げモーメント314は、図10の曲げモーメント214と比較すると対応するように減少する。従って、圧電性要素320は、水平方向の力310に対応する同じ圧縮力330、及び、垂直方向の力312に対応する同じ圧縮力332をやはり受けるが、曲げモーメント314からもたらされる引張力334はかなり減少する。理想的には、ツールの形状寸法は、曲げモーメント314からもたらされる引張力334が圧縮力332と概ね等しくなるように設計され、これらの力は実質的に互いに相殺し合って、圧電性結晶320は、水平方向の力310からもたらされる圧縮力330にのみ対応する電気信号を生成する。こうして、結晶320は、ボール堆積物23を基板22からせん断するのに必要な力の量のみをより正確に反映する力を生成している。
図12は、ボール堆積物の列のうちの1つにせん断力を適用する前の、後退ツール49の立体図を示す。
典型的に接触面52の幅は、ボール堆積物の直径とほぼ同じであり、約100から750μmとすることができる。交換可能なはめ込み部の使用は、異なる幅のツール、及び異なる形態のツール(例えば、ボール堆積物の形状に適合された成形凹部を有するツール)を提供することを可能にする。
本発明は、本明細書において説明された実施形態に限定されず、当業者にとっては明らかな変形態様を、本発明の精神及び、本明細書に添付の装置及び方法の特許請求の範囲内で行うことができることが理解されることを意図する。例えば、圧電性結晶は、本実施形態においては、示された実施形態のせん断ツールの裏面においてのみ示されるが、圧電性結晶は、代替的にはせん断ツールの正面又は他の面に設けることができる。他のこうした修正も行うことができる。
本発明を組み込むツール・ホルダの側面図である。 90°回転された、図1のホルダを通る軸方向の断面図である。 図2に対応する側面図である。 図1のツール・ホルダのヘッドを拡大した斜視図である。 使用時の、図1乃至図4のツール・ホルダを表わした図である。 変形態様の正面図を示す。 図5の変形態様の側面図を示す。 図7の一部の拡大図である。 図8の一部の更なる拡大図である。 オフセットのボール堆積物接触面をもたないせん断ツールにかかる力を表わす。 オフセットのボール堆積物接触面を有するせん断ツールにかかる力を表わす。 使用時の変形態様のツールを表わした図である。 本発明の改良されたせん断試験ツールを用いることができる接合部試験機を概略的に示す。

Claims (26)

  1. 基板と導電性堆積物との間の接合部のせん断強度を試験するために、せん断力を前記基板上の前記導電性堆積物に加えるための試験装置であって、
    前記装置は、せん断ツールと、ツール・ホルダとを含み、前記せん断ツールは、片持ち梁として前記ツール・ホルダに固定されるように適合されており、
    前記装置は、さらに、前記せん断ツール上に取り付けられた圧電性結晶を含み、
    前記せん断ツールは、正面および背面を有しており、
    前記堆積物との接触のための接触部分が、前記正面に設けられており、
    前記接触部分は、前記正面の非接触部分から後方にオフセットされており、
    前記圧電性結晶は、前記せん断ツールの背面に適用され、
    前記せん断ツールの正面の接触部分は、せん断力を前記堆積物に加えるように適合され、
    前記せん断ツールの正面の接触部分が前記せん断力を前記堆積物に加えている間、前記圧電性結晶は、前記ツールに沿って作用する圧縮力又は引張力によって引き起こされた応力の下に置かれるように配置され、
    前記圧電性結晶は前記応力に応じて電気信号を発生させ、
    前記電気信号は、前記堆積物を前記基板からせん断するのに必要なせん断力の表示を提供する
    ことを特徴とする装置。
  2. 前記結晶の前記取り付け面は平坦であり、せん断作用中に最大歪みを受ける支持要素の部分に近接することを特徴とする、請求項1に記載の装置。
  3. 前記ボール堆積物との接触領域における前記せん断ツールの形状は、平坦な平面接触面と、前記ボール堆積物のおよその直径に適合された一次元の湾曲接触面と、前記ボール堆積物のおよその球形度に適合された二次元の湾曲接触面とを含む範囲から選択されることを特徴とする、請求項1又は2に記載の装置。
  4. 前記せん断ツールは、平行な正面及び裏面を有する実質的に矩形のブロックであり、前記正面は前記ボール堆積物に対する接触面を有し、前記背面は上に取り付けられた前記圧電性結晶を有することを特徴とする、請求項1から3のいずれか1項に記載の装置。
  5. 前記せん断ツールは、前記圧電性結晶が取り付けられる主本体部分と、前記ボール堆積物との接触のためにサイズが小さい突出接触部分とを含むことを特徴とする、請求項1から4のいずれか1項に記載の装置。
  6. 前記圧電性結晶は、前記せん断ツール上に接着剤によって取り付けられ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. 前記接着剤はエポキシ樹脂であることを特徴とする、請求項6に記載の装置。
  8. 前記せん断ツールと前記圧電性結晶との界面は、実質的に均一な平面接触をもたらすように適合された力分散層を含むことを特徴とする、請求項7に記載の装置。
  9. 前記層は、前記せん断ツール及び前記圧電性結晶のそれぞれの表面に存在する可能性があるどのような不整合にも対応するのに十分であることを特徴とする、請求項8に記載の装置。
  10. エポキシ樹脂の前記層は、前記圧電性結晶のための電気導体を提供することを特徴とする、請求項7から9のいずれか1項に記載の装置。
  11. 前記接触部分は、前記せん断ツールの幅全体の30から60%まで前記正面から後退している接触面を含むことを特徴とする、請求項1に記載の装置。
  12. はめ込み部の平面は、せん断力の意図された適用方向に対して垂直であることを特徴とする、請求項11に記載の装置。
  13. 前記接触面の前記オフセットは、垂直方向の力から生じる、前記圧電性結晶に作用する引張力及び圧縮力が弱められるように決定されることを特徴とする、請求項1、11、12のいずれか1項に記載の装置。
  14. 加えられたせん断力と電気出力との関係は比例することを特徴とする、請求項1から13のいずれか1項に記載の装置。
  15. 加えられたせん断力と電気出力との前記関係は直線的であることを特徴とする、請求項14に記載の装置。
  16. 前記せん断ツールが固定され、ツール・ムーバーに固定されるように適合されたツール・ホルダを更に含むことを特徴とする、請求項1から15のいずれか1項に記載の装置。
  17. 前記ツール・ホルダは、前記せん断ツールを内部に保持する開口部を定めることを特徴とする、請求項16に記載の装置。
  18. 前記ツール・ホルダは、前記開口部を定め、前記せん断ツールを把持するように動作可能な分割型クランプを含むことを特徴とする、請求項17に記載の装置。
  19. 前記ツール・ホルダは、本体と、ねじによって前記本体に固定された取り外し可能キャップとを含み、前記本体及び前記キャップは前記分割型クランプを定め、前記キャップは、前記せん断ツールを把持するために前記ねじの作用によって前記本体に対して調節可能であることを特徴とする、請求項18に記載の装置。
  20. 前記ツール・ホルダは実質的に管状であり、前記ツール・ムーバーのチャックに取り付けるための円筒形の近位端を含むことを特徴とする、請求項16から19のいずれか1項に記載の装置。
  21. 前記ツール・ホルダ及び前記せん断ツールは、前記せん断ツールのせん断方向に対して垂直な単線軸上での接続を可能にする相補的な雄型及び雌型の形態を含むことを特徴とする、請求項16に記載の装置。
  22. 前記せん断ツールは、前記ツール・ホルダの対応するスライド凹部に受け入れるために、反対に突出するスライド・レールを含むことを特徴とする、請求項21に記載の装置。
  23. 前記ツール・ホルダ内の前記せん断ツールの挿入を制限するための停止部を含み、前記せん断ツールを前記ツール・ホルダ内に維持するための解放可能クランプを更に含むことを特徴とする、請求項22に記載の装置。
  24. 前記せん断ツールと前記ツール・ホルダとの接続部上に連結するように適合された協働電気接触部を更に含むことを特徴とする、請求項21から23のいずれか1項に記載の装置。
  25. 前記電気接触部は、前記軸の方向に自動的に係合可能なスライド・ブラシを含むことを特徴とする、請求項24に記載の装置。
  26. 前記基板を支持するための移動可能な台を更に含み、顕微鏡と、前記せん断ツールを前記基板上の前記堆積物に対して位置決めするための手動制御部とを更に含むことを特徴とする、請求項16から25のいずれか1項に記載の装置。
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