JP5135236B2 - 引張試験較正デバイス及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気機器の小型導電結合部の強度を試験するための引張試験デバイスを較正する方法に関する。

携帯電話のような電気装置に用いる基板は、典型的には、その電気構成要素を接続するための電気経路を形成する。小型デバイスでは、基板への電気接続は、半田付け又は溶接接続を通じて行われ、この目的のために、例えば半田付けの導電ボールが、嵌め合い基板に組み付けられる時に構成要素上に形成されてリフロー又は溶接される。
典型的には、構成要素は、５−５０ミリメートルの範囲内とすることができ、その上に半田ボールを有する。このような構成要素は、多くの場合、ＢＧＡ（ボール・グリッド・アレイ）と呼ばれる。これらのボールは、低円形ドーム又は押し潰された球体の外観を有し、０．１−１．０ミリメートルの範囲の直径を有する。

生産結合方法が妥当であり、かつ結合強度が十分であるという信頼を与えるために、半田ボールと基板の間の結合部の機械的強度を試験する必要がある。１つの種類の試験は、把持及び引張によって引張荷重を半田ボールに印加するものである。使用中に、強力な結合は、半田ボールが壊れて外れるまで累進変形する半田ボールの延性破壊を生じることになり、このような破壊モードでは、半田ボールの一部は、基板に接着したままである。弱い結合は、典型的に脆性破壊を示して基板から引き剥がされることになり、そこに接着した残留物を殆ど残さない。

半田ボールの非常に小さなサイズ及び低い被検出力は、特殊な試験機器の開発をもたらしている。
特に、引張荷重を及ぼすように半田ボールを把持する顎を有するデバイスが開発されている。非常に低い力は、特殊な低摩擦技術及び高感度測定装置の使用によって検出される。
公知の引張試験装置は、英国エールズベリー所在の「Ｄａｇｅ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ、Ｌｔｄ．」から入手可能な「モデル４０００シリーズ」機である。このデバイスは、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、カートリッジを担持し、これは、実施される試験に特定であり、かついくつかの互換性のある把持ツールの１つを有する。このようなカートリッジの例は、米国特許第６、３０１、９７１号に示されている。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大きさ及び／又は形状にされることになる。使用中に、試験される基板は、支持面に取り付けられ、ツールは、カートリッジ内に装着され、かつ必要な試験を実施する前にボール堆積物を把持するように位置決めされる。典型的には、ツールは、固定堆積物に対して移動する。

典型的な把持ツールは、非常に小さくて、それに応じてカートリッジは、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）が装着された可撓性要素を有する点は理解されるであろう。すなわち、ツールとボール堆積物の間の引張力は、カートリッジの可撓性要素の撓みによるある一定の距離において測定される。
引張試験デバイスにおける１つの難しさは、性能を比較し、及び／又は既知で反復可能な基準値に対して力測定装置を較正することができるということである。半田ボールの結合方法は、絶対的保証の下で繰り返すことができないので、何らかの他の技術が必要である。

米国特許第６、３０１、９７１号

本発明の第１の態様により、引張試験デバイスの性能を判断する比較方法を提供し、本方法は、引張試験デバイスの引張軸を決める段階と、この軸に垂直な当接面を有し、かつ引張の方向に面する試験ツールを上述のデバイスに装着する段階と、上述の引張軸に垂直な縦軸を有する孔を有する比較的固定された部材をこの面の縁部に隣接して設ける段階と、この孔を通してワイヤのような密接に適合する試験試料を挿入し、そこから試験ツール側に突出させる段階と、上述の軸からのミスアラインメントを引き起こす傾向にある力に対して低摩擦法で上述のツールを支持する段階と、上述の軸上の試験ツールの移動によって上述の当接面で上述のワイヤを破壊する段階と、このワイヤを破壊するのに必要な破壊力を測定する段階とを含む。

このようなデバイスは、ワイヤを破壊することによる引張試験のシミュレーションを可能にする。一般的に言えば、ワイヤは、非常に一定した材料含有量、形状、及び大きさで押し出され、更に半田ワイヤが用いられる場合には、それは、半田ボールの材料を厳密に複製することができる。ツールは、ワイヤの曲げを最小にするために、ワイヤをワイヤが突出する孔の口の近くで破壊するように配列されるべきであるが、いかなる摩擦力も測定破壊力を曖昧にすることになるので、ツールと固定部材の間の接触は回避すべきである。

すなわち、本発明は、一定した試験材料、つまり既知の組成及び大きさの押し出しワイヤに関連して相対基準を判断し、かつ試験ワイヤが、使用中に繰返し試験される導電ボールと同じ材料である場合に絶対基準を判断することを可能にする。類似材料のワイヤの使用は、全く同じワイヤ組成を入手できない場合に絶対基準に近い結果を与えるのに十分であると考えられる。ワイヤの物理特性及び材料特性に関する情報は、絶対値に対する較正を容易にするように一般的に広く入手可能である。

このような比較方法は、一貫性があり、かつ反復可能とすることができる。孔を通してワイヤを割り出しすることにより、同じ試験を何回も繰り返すことができる。引張試験デバイスは、検出される力が正確であるという信頼を与えるために、望ましい回数だけ多く較正かつ再較正することができる。
加えて、２つの公称同一引張試験デバイスの性能を比較して、いかなる変動も記録し、又は調節してなくすことを可能にすることができる。

精緻化において、試験ツールは、突出するワイヤと接触するように加速して、衝撃試験を模擬することができる。このような目的のために、本方法は、試験を実施する前にツールに当接させるための静止台を引張軸上に設ける段階を含むことができる。本方法は、ワイヤに対して静止台の位置を調節する段階を更に含むことができる。この段階はまた、当接面をワイヤ孔のすぐ遠位に位置決めするのに用いることができる。
更に別の精緻化において、本方法は、引張試験に用いる従来の顎デバイスと実質的に同じ質量を有する試験ツールを選択する段階を含む。この精緻化は、類似の慣性荷重がツール及び顎デバイスの両方によって及ぼされることを保証する。

第２の態様によれば、本発明は、デバイスによって及ぼされる引張力を示す出力を有する引張試験デバイスの比較試験のための装置を提供し、装置は、ワイヤのような試験試料の密接な滑りばめに対して選択された貫通孔を有するアンビルと、引張試験デバイス上に装着し、かつ当接面を有するようになった試験ツールと、引張軸上の移動に対して試験ツールを抑制し、それによってこの軸上のツールの移動が、孔から突出するワイヤを当接面に破壊させるための低摩擦支持手段とを含み、装置は、ワイヤを破壊するのに必要な破壊力を測定する手段を含む。

好ましい実施形態では、アンビルは、上述の軸と平行な突出面を有し、そこからワイヤが使用中に突出する。低摩擦支持手段は、上述のツールの１つ又はそれよりも多くの側面に対して支持する１つ又はそれよりも多くのローラを含むことができる。当接面は、好ましくは、上述の突出面に直接隣接した垂直縁部で終端する。
装置には、更に、上述の軸上のかつそれに垂直な支持面を有して上述の当接面と同じ方向に向いたツール静止台、好ましくは、調節可能静止台を設けることができる。このような静止台は、開始位置を提供し、そこからツールが、ワイヤ接触させられる。開始位置は、孔から離して、衝撃試験のためのツールの加速を可能にすることができる。
他の特徴は、添付図面に単に例示的に示した好ましい実施形態の以下の説明から明らかであろう。

図１の引張シャフト１０を参照すると、米国特許第６、３０１、９７１号に示すもののような試験カートリッジ又は試験ヘッドが、概略的に点線の外形で示されている。カートリッジ１０の正確な形態は、それが、試験ツールとしてカートリッジによって及ぼされる引張力を検出するための手段を含むことを除き、重要ではない。典型的な試験ツールは、引張力を矢印Ａの方向に及ぼすことができるように試験試料に対して閉じるようになった顎又は把持器を有する。力の測定は、例えば、電気出力を有する歪みゲージによるものとすることができる。このような試験カートリッジは、基準に対して較正を必要とし、本発明は、このような較正を行う手段を提供する。

本発明は、把持器を置換し、引張軸に垂直な当接面１５を有する代替試験ツール１２を提供する。底板１６は、その上に装着されたアンビル１７を有し、これは、ワイヤ１１が通過することができる引張軸に垂直な縦軸を有するほぼ一定の直径の孔を含む。ワイヤは、孔を貫通して自由に移動可能であるが、余分な横の遊びがないように孔に密接に適合する。
ネジ１４は、底板１１内に螺合し、試験ツールのための下部支持体を構成する静止台１４を提供する。ネジ１４は、上又は下に調節して静止台の位置を設定することができる。

ローラ１３は、図示のようにツール１２の逃げ面上に延びることによって低摩擦横支持体をもたらす。所望又は必要に応じて、類似のローラを他の平面に設けて、横安定性を保証することができ、例えば、ツールのスロット内に車輪を走らせることより、引張軸に関するツールの弓形移動を防止する手段を設けることができるであろう。一般的に、摩擦を最小まで低減するために、機能に釣り合った最小の支持で十分である。引張試験は、良好な固有横安定性を有する点は理解されるであろう。

図２は、作動中の引張試験を示している。ワイヤ１１は、アンビル１７を通って割出しされ、一部分１８が壊れて外れるように上方移動Ｂ中のツールによって壊される。孔を通ってワイヤの新たな部分を割出しすることにより、試験を繰り返すことができる。ワイヤの一定である性質に起因して、このような比較試験の結果は、非常に反復性があり、ワイヤの既知の物理的特性に従って測定された力の絶対値に関連させることができる。

試験装置が、異なる等級のワイヤとアンビル１７の置換による異なる直径のワイヤとに対して適切である点は理解されるであろう。
特に半田に関して、試験ワイヤは、半田ボールと正確に同じ組成のものとすることができる。
試験ツールが把持ツールをできるだけ厳密に複製することを保証するために、両方を実質的に同じ質量のものとすることが好ましい。
この装置は、試験ツールに対して定常な引張を及ぼす前に当接面がワイヤ表面にあるか又はそれに接触している実質的に静的な試験に適している。

代替的に、動的試験は、当接面を静止台１４の位置によって判断された距離にわたってワイヤと接触するように加速させることができる。引張方向に試験ツールを駆動する手段は、勿論、望ましい加速度及び／又は終端速度を保証するために調節可能とすることができ、このような駆動をもたらす手段は、従来の例えばフライス盤で見ることができるような３軸工作機械駆動装置である。従って使用中は、試験ツールは、調節可能静止台１４の位置によって判断した開始位置からワイヤに対して加速され、終端速度は、ツールの加速度と静止台とワイヤの間の距離とによって判断される。試験ツールの座標は、工作機械で見られる種類の従来の変位変換器技術と、あらゆる従来のコンピュータプロセッサで見られる種類の電子時計に対する座標の変化から判断した速度／加速度特性とを通じて判断することができる。
以下に説明するように、ローラ１３の位置を横方向に調節して、当接面１５の接触縁部とアンビル１７の突出面１９との間の距離を制御することができる。

図３は、本発明による試験装置の典型的な実施形態の斜視図である。それぞれのＸ、Ｙ、及びＺ軸が示されている。
底板２１には、Ｚ軸上で必要に応じて移動可能な試験ツール２３の周りの三角形構成で３つの支持ブロック２２が形成又は装着されている。各ブロック２２は、円筒型ローラ支持体２４ａ、２４ｂ、２４ｃのためのＸ方向の貫通経路を形成し、各支持体の突出部は、それぞれのグラブネジ２５を用いて係止されている。
ツール２３に隣接している支持体２４の端部には、スロットが作られ、かつＺ軸に整列している。各スロット２６内には、図示のようにＹ軸の周りを回転可能なローラ２７がある。
支持体２４は、使用中は、それぞれのローラが以下で更に説明するように試験ツールにもたれてＺ方向以外のその移動を制限するように軸線方向に調節される。

同じく底板２１上に装着されているのは、図１及び２に示す種類のアンビル３１であり、これを通ってワイヤ２８が突出している。ワイヤ２８を進める手段が設けられているが、示していない。
試験ツール２３は、装着孔２９を通じた試験カートリッジへの取り付けのための上方に向けられたリムを有するプレートと、ワイヤ２８の突出部分に接触するための当接面３０とを含む。当接面３０は、取り付け可能構成要素によって構成することができ、その場合には、代替当接プロフィールによる置換が可能である。アンビルに近い当接面の縁部は、ワイヤ破壊の平面を形成する。

使用中に、ローラ支持体２４ａは、アンビルの前面から望ましい分離位置で試験ツール２３を維持するように軸線方向に調節されて係止される。この分離は、試験の再現性を保証し、かつ試験ツール２３がアンビル３１上を引きずる危険性を回避するように選択される。
次に、２つのローラ支持体２４ｂ、２４ｃは、図示のように試験ツール２３の反対側にもたれるように軸線方向に調節され、かつＺ軸の周りの試験ツールの弓形移動に抵抗するように係止される。

図示のように、支持体２４ｂ、２４ｃは、支持体２４ａの軸の両側上に配列されるが、他の場所も、そのような弓形移動の防止にふさわしい。支持体の調節により、ローラ２７が試験ツールに軽くもたれることを可能にし、摩擦を最小まで低減すると同時に不要な自由な遊びを排除する。
使用中に、試験カートリッジへの試験ツールの接続は、Ｘ軸においては剛性ではなく、従って、支持体２４ａの調節が摩擦荷重を課さないことを保証する。

本出願を通して、半田ボールを通じて行われた電気的接続、及びこのような半田ボールの結合強度の試験を参照した。しかし、他の導電材料を使用して、嵌め合い部品への取り付け時にリフロー又は溶接されるようになったボールを形成することができる点は理解されるであろう。本発明の方法及び装置は、適切なワイヤ形態で利用可能であればそのような他の材料に特に適用可能であるが、異なる材料のワイヤも、試験カートリッジを較正し、かつその較正を検査する基準を提供する上で依然として有用である。更に、試験装置は、ワイヤ以外の試験試料と共に用いることができる。
本発明は、本明細書に説明した実施形態に限定されず、かつ当業者には明らかなように特許請求の範囲の精神及び範囲内の変更を行うことができることは、理解されるものとする。

静止条件における本発明による試験装置の概略側面図である。 試験が進行中の図１の装置を示す図である。 本発明による試験装置の斜視図である。

符号の説明

２１ 底板
２２ 支持ブロック
２３ 試験ツール
２７ ローラ

Claims (21)

1. 引張試験デバイスの性能を判断する方法であって、
   引張試験デバイスの引張軸を決める段階と、
   引張の方向に向いた当接面を有する試験ツールを前記デバイスに装着する段階と、
   前記引張軸に垂直な縦軸を有する貫通孔を有する部材を前記面の縁部に隣接して引張試験デバイスの底板に対して固定する段階と、
   前記孔を通して密接に適合する試験試料を挿入し、そこから前記試験ツールの側に突出させる段階と、
   前記軸からのミスアラインメントを引き起こす傾向がある力に対して低摩擦方法で前記ツールを支持する段階と、
   前記軸上の前記試験ツールの移動によって前記当接面で前記試験試料を破壊する段階と、
   前記試験試料を破壊するのに要する力を測定する段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記試験試料を破壊する段階の実施の前に前記ツールを該試験試料と接触するように移動する段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記ツールを前記試験試料内に加速してその破壊を引き起こす段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記ツールを前記試験試料からある一定の距離で当接して支持し、前記試験試料を破壊する段階の前に前記引張の方向と反対の方向に移動するのを防止する段階を含むことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記試験試料を破壊する段階の前に前記ツール及び試験試料の望ましい間隔を得るために前記当接を調節する段階を含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記試験デバイスは、電気構成要素の導電ボール堆積物を把持して引っ張るようになった引張試験把持器を含み、
   前記把持器を実質的に同じ質量の試験ツールで置換する段階、
   を含むことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記軸と垂直に前記孔の口から所定の距離に前記縁部を設定する付加的な段階を含むことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の方法。
8. ワイヤの試験試料を選択する段階を含むことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の方法。
9. デバイスによって試験試料（１１）に対して引張軸の方向に及ぼされる引張力を示す出力を有する引張試験デバイス（１０）の比較試験のための装置であって、
   前記試験試料（１１）の密接な滑りばめに対して選択された貫通する孔を有するアンビル（１７）と、
   引張試験デバイス（１０）上に装着され、かつ前記試験試料（１１）に当接する当接面（１５）を有するようになった試験ツール（１２、２３）と、
   前記試験ツール（１２）が、前記引張軸に沿って移動するように前記試験ツール（１２）の動きを抑制する低摩擦支持体（１３、２４）とを有し、前記試験ツール（１２）が移動することによって、前記当接面（１５）で前記孔から突出する試験試料を破壊し、
   更に、前記試験試料を破壊するのに要する力を測定するための測定デバイス、
   を含むことを特徴とする装置。
10. 試験試料が所定の試験試料突出位置で剪断されることを保証するようになった、前記当接面（１５、１３０）のための設定デバイス（２２、２４、２５）を更に含むことを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. 前記低摩擦支持体（２４ａ）は、前記設定デバイス（２２、２４、２５）を含むことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 前記アンビル（１７）は、前記引張軸と平行な突出面を有し、そこから前記試験試料が使用中に突出することを特徴とする請求項９から請求項１１のいずれか１項に記載の装置。
13. 前記低摩擦支持体（２４）は、前記引張軸の周りの前記試験ツールの弓形移動を防止するようになっていることを特徴とする請求項９から請求項１２のいずれか１項に記載の装置。
14. 前記低摩擦支持体（２４）は、前記試験ツール（２３）の１つ又はそれよりも多くの側面に対して支持する１つ又はそれよりも多くのローラ（２７）を含むことを特徴とする請求項９から請求項１３のいずれか１項に記載の装置。
15. 平行軸の周りで回転可能な複数のローラ（２７）を有することを特徴とする請求項１４に記載の装置。
16. 前記平行軸は、前記引張軸に垂直であることを特徴とする請求項１５に記載の装置。
17. 前記ローラ（２７）は、前記試験ツール（２３）の両側にもたれることを特徴とする請求項１５又は請求項１６に記載の装置。
18. 前記引張軸に実質的に垂直であり、かつ前記ツール（１２）の開始位置を定める、該ツール（１２）のためのツール静止台（１４）を更に含むことを特徴とする請求項９から請求項１７のいずれか１項に記載の装置。
19. 前記ツール静止台（１４）は、使用中に前記当接面（１５）と前記試験試料の間の固定距離を定めるように配置された、前記ツール（１２）のための当接表面を形成することを特徴とする請求項１８に記載の装置。
20. 前記ツール静止台（１４）は、前記ツール（１２）の静止位置を変更するように前記引張軸上で調節可能であることを特徴とする請求項１８又は請求項１９に記載の装置。
21. 前記孔は、ワイヤの密接な滑りばめに対して選択されることを特徴とする請求項９から請求項２０のいずれか１項に記載の装置。

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