JP3888194B2

JP3888194B2 - Semiconductor device joint strength evaluation system

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Publication number: JP3888194B2
Application number: JP2002069453A
Authority: JP
Inventors: 勲上野; 悟岡部; 俊章守田; 良一梶原; 弘則児玉
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-03-14
Filing date: 2002-03-14
Publication date: 2007-02-28
Anticipated expiration: 2022-03-14
Also published as: JP2003270105A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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回折パターン認識装置と、前記回折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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【００１９】
（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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
次にレーザー光を利用した速度測定の原理を説明する。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
次に以上の構成による衝撃試験機の動作を説明する。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
（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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
（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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
（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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
（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。
【００６０】
（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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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）。
【００６５】
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）。
【００６６】
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。
【００６７】
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）。
【００６８】
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）。
【００６９】
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)。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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）。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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）。
【００７７】
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。
【００７８】
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）。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
【発明の効果】
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。
【図面の簡単な説明】
【図１】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２】図１の左側方向から見た側面図である。
【図３】振上げ機構部の詳細図である。
【図４】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。
【図５】本装置における衝撃付加部の原理を説明した図である。
【図６】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。
【図７】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８】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。
【図９】実施例３の振上げ機構について詳細を示した図である。
【図１０】実施例４の正面図である。
【図１１】図１０の振上げ機構部について示した図である。
【図１２】実施例５について示した図である。
【図１３】２度打ち防止機構について示した図である。
【図１４】はんだボールの飛散防止機構を示した図である。
【図１５】測定サンプルを固定するステージを示した図である。
【図１６】測定サンプルの固定方法を示す図である。
【図１７】測定サンプルの固定方法を示す図である。
【図１８】衝突面に角度を持たせた重り形状を示した図である。
【図１９】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。
【図２０】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。
【図２１】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。
【図２２】従来のせん断試験方法の概略を示したものである。
【図２３】従来の常温式引張試験方法の概略を示したものである。
【図２４】従来の溶融式引張試験方法の概略を示したものである。
【図２５】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。
【図２６】実施例の装置操作のフローを示したものである。
【図２７】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。
【図２８】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。
【図２９】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。
【図３０】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。
【図３１】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。
【図３２】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。
【図３３】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。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention applies an impact to the junction of fine connection metal projections (bumps) mounted on a semiconductor package, the junction of a semiconductor package, semiconductor element, passive component mounted on a wiring board, The present invention relates to an apparatus for measuring the strength.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, solder is used for mounting electronic components and electronic elements on a printed wiring board, connecting electric wires and terminals, and the like. Conventional solder is generally Sn—Pb eutectic solder (hereinafter referred to as SnPb series), but in recent years, the abolition of Pb has been promoted due to the problem of environmental pollution. Various Pb-free solders with several kinds of metals added based on Sn have been proposed as alternatives to the conventional SnPb series. For example, SnAg series containing Ag instead of Pb, SnBi series containing Bi, and SnZn series containing Zn are representative.
[0003]
By the way, the bonding strength of solder balls (also called solder bumps) mounted on a semiconductor package such as a BGA (ball grid array) package or CSP (chip size package), a conductor formed on a wiring board such as a printed wiring board. The magnitude of the bonding strength of the electronic component mounted on the pattern is extremely important in evaluating the connection reliability of the mounted electronic component. Tensile strength is used as a method for evaluating the bonding strength of solder ball connection parts for connection to wiring boards mounted on semiconductor parts, bonding parts of electronic parts mounted via solder, or wire bonding parts. Tests, shear tests, etc. have been used conventionally. An example of a shear test is disclosed in JP 2000-32196. FIG. 22 shows an outline thereof, and a contact object 300 shears and breaks a measurement object (for example, a solder ball) 301, and the maximum load required for the break is measured as a shear break strength.
[0004]
Next, an example of a tensile test method is shown in FIG. The measured object 301 is sandwiched by the tension jig 400 and pulled upward to break the solder portion. The maximum load required for fracture is measured as the tensile fracture strength. FIG. 24 shows another example of the tensile test. The measurement probe 500 is heated to melt the measurement object 301 to the maximum, and then cooled to solidify the measurement object. Next, the measurement probe 500 is pulled upward to break the solder portion. The maximum load required for fracture is measured as the tensile fracture strength.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the Pb-free solder material is applied, there are currently many problems for ensuring the reliability of the connecting portion. In particular, with the downsizing and portability of equipment, the number of cases where solder joints are destroyed by impact such as dropping has increased. For this reason, in selecting a Pb-free solder material, measures for improving the impact resistance of the connecting portion have become important.
[0006]
For general impact evaluation of solder joints, a single package such as BGA or CSP is fixed to a specified tray, case, etc., dropped from the specified height onto the floor, and the number of solder ball drops with respect to the number of drops is counted. Alternatively, a qualitative method such as mounting a package such as BGA or CSP on a predetermined substrate and dropping it from a predetermined height onto the floor surface to check whether the package has been dropped has been performed. FIG. 19 shows the relationship between the number of dropped balls and the number of reflows performed on a single BGA package. The reflow was performed in a nitrogen flow at a peak temperature of 260 ° C. for 15 seconds. The number of tray drops is five. The metallized structure of the solder ball mounting portion of the package is Cu / Sn plating, and the solder ball composition is made of Sn-3Ag-0.5Cu. Solder balls were mounted at a peak of 260 ° C. under nitrogen flow. The reflow conditions are the same as the solder ball mounting conditions. It can be confirmed that the number of dropped balls tends to increase with respect to the number of reflows. However, as shown in the test results for the same sample under the same conditions (FIG. 20), although the tendency of the number of ball dropouts to increase with respect to the number of reflows can be confirmed, the locus does not coincide with FIG. This is because the falling state of the tray is not constant. That is, the falling state is not constant, such as when the tray falls parallel to the floor surface at a certain fall and the end of the tray collides with the floor surface at another fall. This makes it impossible to accurately set the allowable number of reflows.
[0007]
Furthermore, it is impossible to accurately apply a predetermined force to a predetermined position by the conventional drop test method. Therefore, it is impossible to evaluate the superiority or inferiority of solder ball bonding due to the package structure.
[0008]
As described above, since the drop test method is not an evaluation apparatus that accurately measures a physical quantity quantitatively, a boundary for ensuring reliability cannot be provided.
[0009]
Further, in the conventional evaluation by the shear fracture strength test and the tensile fracture strength test, there is a problem that the solder ball impact evaluation cannot be sufficiently evaluated. FIG. 21 shows the change in shear fracture strength with respect to the number of reflows using the same package and reflow conditions as above, and also shows the number of solder ball drops with respect to the number of reflows. According to this, it can be seen that although the number of solder balls dropped off increased and the impact resistance was clearly reduced, the shear fracture strength hardly changed. This tendency is the same for the tensile test. Therefore, it is difficult to evaluate the superiority or inferiority of impact fracture by the conventionally used bonding strength evaluation method.
[0010]
As described above, the impact evaluation and bonding strength evaluation apparatuses that have been conventionally performed have a great problem that appropriate impact resistance evaluation and measures for improving the bonding reliability cannot be performed.
[0011]
An object of the present invention is to provide an evaluation device that quantitatively evaluates impact resistance of a connection part of an electronic component or an electronic element, and can select an appropriate material and specify a bonding condition without impairing long-term reliability. It is in.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The above-described problem can be solved by applying a shocking force to a predetermined position of the semiconductor device to break the joint and measuring the energy required for the break.
[0013]
For example, the solder ball is made to collide with a solder ball mounting portion of a semiconductor device to cause the solder ball to break from the joint portion, and at that time, the speed of the jig immediately before the collision with the solder ball, The speed of the jig immediately after breaking the solder ball from the joint is measured, and the energy required for breaking the solder ball joint is calculated from the difference between the square of the speed immediately after and the square of the speed immediately before. This is achieved by calculating a semiconductor mounting portion impact strength evaluation method for calculating the impact strength of the solder ball joint portion.
[0014]
On the other hand, for example, a solder ball mounting portion of a semiconductor device is impacted to collide with the solder ball, causing the solder ball to break from the joint portion, and the solder ball joint portion from a change in load applied to the jig. This is achieved by calculating the energy required for destruction and using the semiconductor mounting portion impact strength evaluation apparatus as the impact strength of the joint portion of the solder ball mounting portion.
[0015]
An evaluation apparatus according to the present invention includes a table for mounting a measurement sample, an arm having a weight at a tip, and a fixing / release device capable of fixing / opening the arm, and for swinging the arm up to an arbitrary angle. Check the swing arm and the movement of the weight diffraction A pattern recognition device; diffraction And an analysis device for processing a signal from a pattern recognition device to obtain the speed of the weight.
[0016]
A base plate, a guide rail fixed to the base plate, a weight attached to the guide rail in a movable state, and a position where the weight and the measurement sample can contact the base plate. An evaluation apparatus having a fixed plate for mounting a fixed measurement sample.
[0017]
The evaluation method described above can be realized by the evaluation apparatus of the present invention.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention are described below with reference to the drawings.
[0019]
Example 1
FIG. 1 is a side view of an impact tester having an optical speed measuring device, showing one configuration of an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a side view seen from the left side of FIG. FIG. 3 is a detailed view of the swing-up mechanism viewed from the right side.
[0020]
The impact testing machine mainly has a base plate 1, a support 2 fixed to the base plate 1, a bearing 3 (shown in FIG. 2) installed on the upper portion of the support 2, and a rotating shaft corresponding to the bearing 3. To measure the swing angle of the arm 4, the weight 5 attached to the tip of the arm 4, the table 7 on which the measurement sample 6 is placed, and the arm 4 mounted on the same rotation axis as the rotation axis corresponding to the bearing 3. Disc 8, an electromagnetic magnet device 9 for temporarily fixing the arm 4, a diffraction pattern recognition device 10 for examining the motion of the weight 5 attached to the tip of the arm 4 using laser light, and its diffraction An analysis device 11 that processes a signal from the pattern recognition device 10 to determine the speed of the weight 5, a display device 12 that displays the analysis result, an angle measurement device 13 that measures the swing angle of the arm 4, and an arm 4 Table of swing angle And a display device 14 for. Reference numeral 15 denotes a solder ball.
[0021]
In addition, since the apparatus of the present embodiment shears the solder ball 15, it is necessary to have a structure in which the elastic deformation energy of the arm system can be ignored. Therefore, the arm system (arm arm) having a highly rigid material and shape. 4 from the center of the bearing 3 including 4 to the tip of the weight 5). Thereby, when the weight 5 collides with the solder ball 15 bonded on the measurement sample 6, the elastic deformation energy of the arm system is negligible.
[0022]
In FIG. 3 (1), the arm rotation shaft 18 and the rotation shaft (power shaft 19) of the swing arm 20 are separated from each other in order to reduce the frictional resistance when the arm system rotates. These shafts are fixed by attracting the electromagnetic magnet 9 attached to the swing arm 20. This is because if the arm is manually detached from the arm during swinging, variation occurs and accurate data cannot be obtained. Therefore, in addition to the electromagnetic magnet 9 described above, a mechanical fixing / release mechanism can be mounted. FIG. 3 (2) is a view as seen from the upper left.
[0023]
Next, the principle of speed measurement using laser light will be described.
[0024]
When laser light is applied to a rough surface (a surface that diffusely reflects; here, a side surface of a weight), an interference fringe called a speckle pattern is generated. This is because when the laser light strikes the rough surface, the difference in the distance from the rough surface can be slightly changed, so that a phase difference can be made in the diffused light. This phase difference causes light interference, resulting in bright and dark interference fringes. This interference fringe changes depending on the state of the rough surface. If the rough surface is stationary, the interference fringes are also stationary. If the rough surface moves, the interference fringes also move. As the rough surface moves, the state of the rough surface also changes. Therefore, the interference fringe pattern also changes. The state where this interference fringe changes and moves is captured by an image sensor. The interference fringes are generated without being affected by the material of the rough surface. However, in order to improve the sensitivity to the sensor, it is desirable to stick a seal with a black and white slit pattern on the rough surface.
[0025]
When laser light is applied to the rough surface, the reflected light interferes to form a speckle pattern, and when the rough surface moves, the pattern also moves. The amount of movement is measured as follows.
[0026]
The light receiving element of the diffraction pattern recognition apparatus 10 uses a one-dimensional image sensor. The image sensor is shaped so that the light receiving elements are arranged at regular intervals. For example, assume that the speckle pattern shown in FIG. 4A is incident on the image sensor when the reset value is ON. If the reset input is turned OFF and the incident light of the image sensor changes to the pattern of FIG. 4B and moves in the plus direction by one image sensor (for example, 20 μm), a movement amount of 20 μm is detected.
[0027]
Next, the operation of the impact tester configured as described above will be described.
[0028]
In FIG. 1, the weight 5 is adjusted in the height direction so as to pass through so as to block the laser light emitted from the diffraction pattern recognition device 10.
[0029]
First, the preparation before the impact test is described. The measurement sample 6 is placed on a table 7 on which the measurement sample is placed with the arm 4 suspended in the vertical direction. At this time, the position of the solder ball on the measurement sample 6 is adjusted so that it is located immediately next to the tip of the weight 5 and on the locus of the weight 5. At this time, the angle measuring device 13 confirms that the arm 4 and the weight 5 are in the vertical direction.
[0030]
Next, the arm 4 is fixed by turning on the electromagnetic magnet 9 mounted on the swing arm 20, the output of the motor 16 is transmitted from the clutch 17 to the swing arm 20, and the arm 4 attracted by the electromagnetic magnet 9 is also Shake up at the same time.
[0031]
For the measurement of the swing angle, the rotation of the angle measuring disk 8 attached to the rotation shaft of the arm 4 is swung up to a predetermined angle by the angle measuring device 13.
[0032]
Next, when the fixing with the electromagnetic magnet 9 is released, the arm 4 starts rotating, and when the lowest point is reached, the tip of the weight 5 collides with the solder ball on the measurement sample, and the solder ball joint is impacted. Destroy it.
[0033]
FIG. 5 shows the principle of the apparatus. The speed when the weight 5 does not collide with the solder ball 15 (empty swing) and the speed immediately after the collision with the solder ball and destruction are measured. At this time, the speed measurement position is the position where the arm is vertically lowered in both the former and the latter. The swing angle is the same as the speed measurement condition. Each measured speed is converted into the speed of the center of gravity position of the arm system (from the center of the arm rotation shaft 18 including the arm 4 to the tip of the weight 5), and the arm system center of gravity speed immediately before the collision is V1. Assuming that V2 immediately after that is, the energy W required for the impact fracture is given by W = 1/2 × m × (V1 squared−V2 squared). m is the weight of the center of gravity of the arm system. Data management can be performed by incorporating these displayed numerical values into the 111 personal computer as required.
[0034]
FIG. 6 shows the energy (hereinafter referred to as impact resistance energy) required for impact fracture obtained by the above method with respect to the number of reflows. The number of balls dropped is also shown. For the measurement, the weight of the weight was 20 grams, and the speed immediately before the collision of the weight was 1400 mm / s.
[0035]
According to FIG. 6, it can be seen that, unlike the tendency of shear fracture strength, the impact resistance energy tends to decrease as the number of balls falling off increases. If this tendency is analyzed in detail, it can be confirmed that the impact energy decreases slightly as the number of reflows increases even if the ball does not fall off. Further, it can be seen that the impact resistance energy is drastically reduced when the ball starts to drop out (a in the figure). That is, according to this impact resistance evaluation method, it can be said that the impact resistance evaluation of the solder ball joint, which has been difficult to evaluate by the conventional shear fracture strength test method and tensile fracture strength test method, can be sufficiently performed. In particular, since it is possible to find a region such as point a where the ball drop-off starts in FIG. 6, it is possible to set conditions for ensuring long-term solder ball joining reliability. That is, it is possible to evaluate the reliability of impact without performing a drop test in which quantitative evaluation is impossible and measurement results vary. This is particularly effective for packages using Pb-free solder and parts mounted on electronic boards for environmental protection.
[0036]
The impact external force in the present invention indicates that the speed of the weight immediately before the collision is 100 mm / s or more. At this time, it is desirable that the impact destruction is performed in a time required for the destruction in the range of 0.1 milliseconds to 1000 milliseconds.
[0037]
In the present invention, the impact fracture is predominantly shear fracture. FIG. 33 shows a representative example of the solder ball shape after the test according to the present invention. It can be seen that the solder balls extend in the direction opposite to the direction in which the external force is applied. This indicates that the fracture is caused by shearing, which is decisively different from the bending fracture in the Charpy test.
[0038]
(Example 2)
By the way, the impact energy measured in Example 1 is strictly the sum of the elastic plastic deformation energy of the solder ball and the joining energy of the solder ball joint.
[0039]
Therefore, an impact tester equipped with a device capable of sampling at high speed with respect to the signal from the velocity analyzer was produced. FIG. 7 is a diagram showing an outline of the impact testing machine 100 equipped with the sampling device 42. FIG. 8 shows speed data sampled by the sampling device 42 with respect to time. Sampling data is recorded by a personal computer. The test conditions are the same as above. The point k in FIG. 8 is the speed immediately before the tip of the weight 5 at the tip of the arm 4 collides with the solder ball. The point l in FIG. 8 is the tip of the weight 5 at the tip of the arm 4 that impacts the solder ball joint. The speeds immediately after are equivalent to V1 and V2, respectively.
[0040]
Further, the α region in FIG. 8 corresponds to the elastic deformation of the solder ball after the tip of the weight 5 collides with the solder ball and the speed change during the plastic deformation of the solder ball. The β region in FIG. 8 corresponds to the speed change required to break the solder ball joint.
[0041]
Thus, in the apparatus of this embodiment, it is possible to separate and evaluate the elastic plastic deformation portion and the interface fracture portion of the solder ball, so that the joining energy with respect to the impact property of the solder ball joint portion is evaluated purely. It is possible. For this reason, impact resistance can be evaluated without considering physical constants such as hardness and Young's modulus of solder balls.
[0042]
Furthermore, if the energy value is divided by the area of the joint, the impact energy value can be generalized.
[0043]
Further, it is possible to convert a speed change with respect to time into an acceleration change using personal computer software or the like. The maximum load required for impact fracture can be calculated from the maximum absolute value of acceleration at this time. This maximum load can be used as an index for impact strength evaluation.
[0044]
(Example 3)
The impact evaluation according to Example 1 is sufficiently possible. FIGS. 9A and 9B are examples in which the configuration of the swing-up mechanism of FIG. 3 is improved in order to reduce energy loss due to inertial mass and frictional resistance when the arm 4 rotates.
[0045]
9 (1) is a view seen from the left side, and FIG. 9 (2) is a view of the arm system (from the center of the bearing 3 including the arm 4 to the tip of the weight 5) seen from the front. Show.
[0046]
In order to reduce the frictional resistance of the bearing portion and obtain more ideal speed data, what is required of the apparatus is an arm system (from the center of the arm rotating shaft 18 including the arm 4 to the tip of the weight 5). It is important that the position of the center of gravity is as close as possible to the position of collision with the solder ball, the inertial mass around the arm rotation shaft 18 is reduced, and the frictional resistance acting on the bearing portion is reduced.
[0047]
9 is separated from the arm rotation shaft of the arm 4 mounted on the weight 5 with the angle measuring disk 8 and the angle measuring device 13 of FIG. 3, and a motor 16 (in this case, a double-axis motor is installed). The angle measuring disk 8 and the angle measuring device are installed on the other axis of the (used). Further, the angle measuring disk 8 and the angle measuring device 13 can be installed at any position on the power shaft 19.
[0048]
As a result, the inertial mass around the arm rotation shaft 18 is reduced, and the position of the center of gravity can be lowered. In addition, the frictional resistance of the bearing portion can be reduced by reducing the inertial mass.
[0049]
Although a rolling bearing is used as the arm rotation shaft 18 of the arm 4, it is also effective in this apparatus to mount a non-contact bearing that eliminates frictional resistance.
[0050]
Example 4
FIG. 10 is a front view of an apparatus having a mechanism for manually setting the swing angle. FIG. 11 is a view of the manual swing arm 21 as viewed from the upper left side of the broken line portion of FIG. The configuration of the swing mechanism includes an arm 4, an arm rotation shaft 22, a bearing 3, a weight 5, an electromagnetic magnet 9, a manual swing arm 21, an angle adjustment plate 24, and a fixing screw 25. Compared with FIG. 3, the power source of the swing-up mechanism is omitted and the configuration is simple.
[0051]
The rotation axis of the manual swing arm 21 and the center line of the arm rotation shaft 22 of the arm 4 are the same, but the connection of both axes is achieved by attracting the arm 4 by the electromagnetic magnet 9 attached to the manual swing arm 21. Connectable. There are several angle adjustment holes 26 provided in the angle adjustment plate 24 in an arc shape from the axis center of the manual swing-up arm 21 every 10 °. The angle adjustment hole 26 is a hole for fixing the manual swing arm 21 with the fixing screw 25. The angle adjustment hole 26 corresponds to the swing angle of the arm 4. The position of the angle adjusting hole 26 of the angle adjusting plate 24, the manual swing arm 21 and the fixing screw 25 and the accuracy of the hole machining are important.
[0052]
The manual swinging procedure will be described. First, the manual swing arm 21 is swung up into an arbitrary angle adjusting hole 26 of the angle adjusting plate 24 and fixed to the angle adjusting hole 26 of the angle adjusting plate 24 with a fixing screw 25. Next, the arm 4 is manually raised to a specified angle, the electromagnetic magnet 9 is turned on, and the arm 4 is attracted. Then, the electromagnetic magnet is turned off and the arm part is shaken down. The procedure other than swinging is the same as that in the first embodiment.
[0053]
The test apparatus of this example is an apparatus used for the impact evaluation of solder balls. See FIG. 1 and FIG. The arm 5 with the weight 5 attached to the arm 4 is pivoted from a predetermined angle with the arm rotation shaft 18 of the arm portion as a fulcrum. The solder ball 15 and the weight 5 on the measurement sample 6 collide, and the solder ball is broken and shaken out. At this time, in order to observe the joint after the solder ball 15 is broken, a structure is required in which the weight 5 does not strike the solder ball joint of the measurement sample 6 twice.
[0054]
FIGS. 13 (1) and (2) show a double strike prevention mechanism. FIG. 13 is a front view of the arm portion. FIG. 3B is a view of the arm portion as viewed from the left side. Hook 28 is attached to a mechanically stable part. The arm that has been shaken out swings out after breaking the solder ball. Thereafter, it is possible to prevent the arm 4 from passing through the hook 28 and catching on the barb, and the weight 5 from contacting the solder joint of the measurement sample 6.
[0055]
In addition, since it is necessary to observe the state of the solder ball after the breakage, it is necessary to attach a solder ball 15 to prevent scattering. FIG. 14 illustrates solder ball scattering prevention. The arm 5 with the weight 5 attached to the arm 4 is pivoted from a predetermined angle with the arm rotation shaft 18 of the arm portion as a fulcrum. The solder ball 15 and the weight 5 on the measurement sample 6 collide, and the solder ball is broken and shaken out. At this time, the solder ball 15 scatters in a substantially tangential direction with respect to the track of the arm unit from the collision position on the track of the arm unit. For this reason, the solder catch box 29 is installed in the scattering direction. The solder catch box 29 is attached at a position where it does not contact the tip of the weight 5 when the arm portion is shaken down. A shock absorbing sheet 30 is attached to the surface to which the solder balls 15 come into contact to reduce the impact at the time of collision. In addition, the surface on which the solder ball hits is inclined so that the solder ball 15 falls vertically downward. A tray for receiving the dropped solder ball 15 is provided, and the tray 31 is structured to be separable from the solder catch box 29.
[0056]
The stage for fixing the measurement sample of this apparatus will be described with reference to FIG. The measurement sample 6 is fixed with a clip 32 on the table 7 on which the measurement sample is placed. These are generally called stages. The stage made it possible to adjust the X axis, the Y axis, the Z axis, and the θ axis (rotation axis) in order to facilitate the alignment of the solder ball 15 and the weight 5 on the measurement sample 6. An automatic position adjustment mechanism that combines these adjustments with an image recognition device such as a CCD camera and an actuator is also effective for alignment.
[0057]
In addition to the stage position adjustment described above, a method for fixing the measurement sample 6 will be described. In FIG. 16, the clip 32 is pushed in the direction of the arrow on the side surface of the measurement sample 6 to fix the measurement sample. In FIG. 17, an air suction hole 33 (hole) is provided in the table 7 on which the sample is placed, and the measurement sample 6 is installed. The measurement sample 6 is fixed by setting the air suction hole to a negative pressure.
[0058]
The test apparatus of this example is an apparatus used for the impact evaluation of solder balls. The size and bonding strength of the solder ball 15 vary depending on the measurement sample 6. For this reason, the components are combined in accordance with the joint strength of the solder ball 15 such as the mass of the weight 5, the material of the arm 4, the length of the arm 4, and the collision surface is inclined as in the weight 34 in FIG. A mechanism that can be changed as desired is desirable. In addition, when the jig installed at the tip of the pendulum collides with a metal projection formed on a semiconductor element, semiconductor package, or wiring board to break the joint and swing out, the jig contacts other than the metal projection. It is preferable to use a jig having a shape that does not allow the escape.
[0059]
(Example 5)
FIG. 31 shows an apparatus for measuring a change in acceleration, unlike the method for measuring a speed change in the first to fourth embodiments. This is an apparatus for the purpose of evaluating the impact property of the solder ball 15 on the measurement sample 6, and the arm portion having the weight 5 attached to the tip of the arm 4 swings down from a certain angle with the arm rotation shaft 18 as a fulcrum. At this time, the solder ball 15 on the measurement sample 6 is on the track of the collision surface of the weight 5. An acceleration sensor 35 is attached to the weight 5 and a change in acceleration at the time of collision is displayed on the acceleration display 36. The acceleration data measured at this time can be taken into the personal computer 111 and managed as required. In addition, the measurement sample 6 can be evaluated and analyzed from acceleration data measured using analysis software or the like.
[0060]
(Example 6)
FIG. 32 shows a device that causes a free-falling weight 40 to collide with the solder ball 15 and measures an acceleration change at the time of collision by an acceleration sensor 35 attached to the weight 40. The configuration of this example is as follows. A measurement sample fixing plate 39 is provided on the base 38, and the measurement sample 6 is attached to the measurement sample fixing plate 39. A weight 40 is attached to the guide rail 41 so that the frictional resistance can be moved up and down with a small amount. An acceleration sensor 35 is attached to the weight.
[0061]
Next, an acceleration measurement procedure according to the seventh embodiment will be described. The weight 40 equipped with the acceleration sensor 35 is allowed to fall freely from a certain height and collide with the solder ball 15 of the measurement sample 6. The weight 40 destroys the solder ball 15 and falls vertically downward. The acceleration measured at this time is displayed on the acceleration display 36. Further, the acceleration data measured at this time can be taken into the personal computer 111 and managed as required. In addition, the measurement sample 6 can be evaluated and analyzed from acceleration data measured using analysis software or the like. This change in acceleration takes into account gravitational acceleration.
[0062]
FIG. 25 shows the overall system configuration of one embodiment of the present invention. Reference numeral 101 denotes an overall control device, which measures the speed immediately before the solder ball is collided with the speed measuring instrument 100 and immediately after the solder ball is broken, performs signal processing in the signal processing unit 103, and processes the processed signal as serial data. In this system, data is transmitted to the personal computer 111 via the RS232C cable 110, and the personal computer 111 can store and edit the data.
[0063]
In this embodiment, the velocity measuring instrument 100 uses a measurement method based on a change in the spectrum of laser light. However, depending on the measurement object, measurement using an optical fiber or the like is also possible.
[0064]
FIG. 26 shows an apparatus operation flow. In order to perform measurement, first, the power supply of the entire apparatus is turned on by the power supply 102 of the control apparatus 101, and the apparatus is lifted (step 112).
[0065]
At the same time, the personal computer is activated and software for collecting measurement data is activated. When activated, the startup setting screen of FIG. 27 is displayed. Here, the COM port received by the personal computer 111 is set at 135. This setting is basically an operation only at the initial startup of the personal computer. By inputting measurement conditions and the like in 137 comments, it becomes an effective information source at the time of editing. After the setting or the like is completed, the measurement data can be taken in by clicking the measurement start 133 (step 113).
[0066]
This software is a basic one intended only for data collection. In addition to data collection, it is also possible to process the settings and operations of the controller manually described in this embodiment in software. It is.
[0067]
Next, the accuracy of the data is confirmed in the idle swing. The arm portion (showing the arm 4 with the weight 5 attached to the tip) is brought into a stationary state under the vertical direction, the electromagnetic magnet 9 is turned on at 104, and the arm portion is attracted to be ready for swinging. Next, the clutch 17 is turned on at 106, the swing-up motor 16 and the arm rotation shaft 18 are connected, and the swing-up is possible (step 114).
[0068]
By setting the angle to be swung up at 105 and turning on 108, the arm unit is automatically driven to the set angle by the motor 16, swung up, and automatically stopped (steps 115 and 116).
[0069]
After confirming the stop angle, the arm 9 is disconnected from the electromagnetic magnet 9 by turning off the electromagnetic magnet 9, and the speed data in the idling state is taken into the personal computer 111 (step 118). For the purpose of calibration or the like during the initial stage or during use, the accuracy of the data in the absence of swing is confirmed (step 119).
[0070]
In the present embodiment, an automatic swinging mechanism using a motor is shown, but it is also possible to swing manually by using a mechanism as shown in FIGS.
[0071]
In steps 114 and 117, it is possible to detach manually without using the electromagnetic magnet 9. However, considering the stability of the data, it is possible to use the electromagnetic magnet 9 or the like which is effective not only manually but automatically. Easy to obtain data reproducibility.
[0072]
After checking the accuracy of the data in the swing, set the evaluation object on the stage, fix it with the jig of the stage, and after fixing, the target for measuring the joint strength with the stage and jig, and the pendulum for breaking it Are aligned (steps 120 and 121).
[0073]
Thereafter, the operation is advanced according to steps 114 to 117 in the same manner as the idling measurement. In step 126, the speed immediately before the collision and immediately after the solder ball is broken is measured and taken into the personal computer 110. FIG. 28 shows a screen at the time of measurement, and data is displayed at 138 as needed.
[0074]
When there are a plurality of targets to be measured in the same semiconductor package and when repeated measurement is performed at the same angle, when the evaluation object is to be replaced, the determination is made by steps 127 and 129, and the step is determined depending on the situation. The operation from step 120 or step 121 is repeated.
[0075]
When continuing measurement at a different set angle, follow step 128 to check the accuracy of the missed swing or check the accuracy of the missed swing data at any angle before performing the fracture measurement. It is also possible to repeat the operation from step 120 or step 121 depending on the situation.
[0076]
When the measurement is to be ended, the save screen 133 in FIG. 29 is displayed by clicking the measurement end button 134 in FIG. 27 with the software for collecting the measurement data activated in step 113. In the save screen of FIG. 29, once this software is started, a folder of 140 MSdata is created as a default directly under the C drive. It is possible to specify another folder for the user to save. Next, when the file name 141 to be saved is input and the save button is clicked, the data saving is completed. If saving is not necessary, the user clicks a cancel button 143. In 142, a data name acquired and stored in the past is displayed. When the saving operation is completed, the software is in an end state (step 130).
[0077]
In the case where the evaluation object is changed or the set angle is changed in steps 127, 128, and 129, the later editing can be performed more easily if the measurement is completed at the end of measurement 134. In this case, it is easier to understand if necessary information is entered in the comment field 137.
[0078]
After the end of the software, the power supply of the entire control apparatus 101 is turned off by the power supply 102 of the control apparatus 101, and the series of evaluation tests is completed (steps 131 and 132).
[0079]
Since the data after the measurement is stored in the comma-delimited csv method 145 as shown in the stored data in FIG. 30, data editing can be easily performed using spreadsheet software or the like.
[0080]
Further, in this embodiment, a method of measuring the speed immediately before colliding with the solder ball 15 and immediately after breaking the solder ball 15 is taken as one embodiment, but impact evaluation can also be performed by changing the angle. Is possible. An apparatus for performing impact evaluation by changing the angle will be described. FIG. 12 shows a swing-up and swing-down mechanism in which an encoder 27 is attached to the arm rotating shaft 19. The mechanism is the same as that of the first embodiment, and the angle measuring disk 8 and the angle measuring device 13 of the angle measuring unit are changed to an encoder 27. Next, an actual measurement method will be described. The weight 5 is swung down from the swing angle θ1 with the state of being stationary in the vertically downward direction as the origin, and the top dead center angle after the weight 5 and the solder ball 15 collide and swing out is defined as θ2. The angle at this time is θ1> θ2. Solder impact evaluation can be performed by calculating the energy lost due to the collision from the difference between the measured θ1 and θ2.
[0081]
【The invention's effect】
According to the semiconductor device strength evaluation apparatus of the present invention, it is possible to perform a quantitative impact resistance evaluation of a solder ball joint, which has been difficult to evaluate by a conventional shear fracture strength test method, tensile fracture strength test method, drop test, or the like. In addition, long-term solder ball bonding reliability evaluation and condition setting for ensuring bonding reliability can be performed. This is particularly effective for packages and electronic board mounting parts using Pb-free solder for environmental protection.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view of an impact tester having a speed measuring device, showing one configuration of an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a side view seen from the left side of FIG.
FIG. 3 is a detailed view of a swing-up mechanism unit.
4 is a diagram for explaining a diffraction pattern recognition apparatus of the apparatus of FIG. 1; FIG.
FIG. 5 is a diagram illustrating the principle of an impact applying unit in the present apparatus.
FIG. 6 shows impact energy required for impact destruction with respect to the number of reflows.
FIG. 7 is a diagram showing an outline of an impact tester equipped with a device capable of sampling a signal from a speed analysis device at high speed.
FIG. 8 shows velocity data sampled by the apparatus of FIG. 7 with respect to time.
FIG. 9 is a diagram illustrating details of a swing-up mechanism according to a third embodiment.
10 is a front view of Example 4. FIG.
11 is a view showing the swing-up mechanism unit of FIG. 10;
12 is a diagram showing Example 5. FIG.
FIG. 13 is a diagram showing a double strike prevention mechanism.
FIG. 14 is a view showing a solder ball scattering prevention mechanism;
FIG. 15 is a diagram showing a stage for fixing a measurement sample.
FIG. 16 is a diagram illustrating a method of fixing a measurement sample.
FIG. 17 is a diagram showing a method of fixing a measurement sample.
FIG. 18 is a view showing a weight shape in which an angle is given to a collision surface.
FIG. 19 shows the relationship between the number of dropped balls and the number of reflows performed on a single BGA package.
FIG. 20 shows the number of solder ball drops with respect to the number of reflows.
FIG. 21 shows the change in shear fracture strength with respect to the number of reflows, and also shows the number of solder ball drops with respect to the number of reflows.
FIG. 22 shows an outline of a conventional shear test method.
FIG. 23 shows an outline of a conventional room temperature tensile test method.
FIG. 24 shows an outline of a conventional melt-type tensile test method.
FIG. 25 shows the overall system configuration of an embodiment of the present invention.
FIG. 26 shows a flow of apparatus operation of the embodiment.
FIG. 27 shows a setting screen when measurement data collection software is started.
FIG. 28 shows a state during measurement by measurement data collection software.
FIG. 29 shows a storage screen for data collected by measurement data collection software.
FIG. 30 shows a state in which data saved by measurement data collection software is opened.
FIG. 31 is a diagram showing a configuration in the case where the mechanism of the apparatuses of Examples 1 to 5 is the same, but is changed from speed measurement to acceleration measurement.
FIG. 32 is a diagram showing a configuration of an apparatus for measuring a change in acceleration by colliding a weight that is freely dropped to a measurement sample.
FIG. 33 shows a representative example of a solder ball shape after a test by the evaluation apparatus of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Base plate, 2 ... Support | pillar, 3 ... Bearing, 4 ... Arm, 5, 34, 40 ... Weight, 6 ... Measurement sample, 7 ... Stand for mounting a measurement sample, 8 ... Angle measurement disk, 9 ... Electromagnetic magnet, DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Diffraction pattern recognition apparatus, 11 ... Speed analysis apparatus, 12 ... Speed indicator, 13 ... Angle measuring device, 14 ... Angle indicator, 15 ... Solder ball, 16 ... Motor, 17 ... Clutch, 18, 22 ... Arm rotation Axis, 19 ... power shaft, 20 ... swing arm, 21 ... manual swing arm, 23 ... bearing, 24 ... angle adjusting plate, 25 ... fixing screw, 26 ... angle adjusting hole, 27 ... encoder, 28 ... hook, 29 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Solder catch box, 30 ... Shock absorption sheet, 31 ... Receptacle, 32 ... Clip, 33 ... Hole for air suction, 35 ... Acceleration sensor, 36 ... Acceleration indicator, 37 ... Personal computer 38 ... base, 39 ... measurement sample fixing plate, 41 ... guide rail, 42 ... sampling device.

Claims

A base plate, a support fixed to the base plate, a bearing provided on the support, and a rotating shaft corresponding to the bearing, and a weight attached to the tip of the weight is 100 with respect to the solder ball of the measurement sample An arm for colliding at a speed of at least mm 2 / s , a stage for mounting a measurement sample, an electromagnetic magnet device for temporarily fixing the arm by the attractive force of the electromagnetic magnet, and the arm up to an arbitrary angle A semiconductor device comprising: a swing-up arm for swinging up, a diffraction pattern recognition device for examining the movement of the weight, and an analysis device for processing a signal from the diffraction pattern recognition device to obtain the speed of the weight Joint strength evaluation device.

Oite to claim 1, the semiconductor device junction strength evaluation device, characterized in that the rotation axis of the rotary shaft and the Fuage arm of said arm is provided independently.

Oite to claim 1 or 2, the semiconductor device junction strength evaluation apparatus characterized by comprising an angle measuring means for measuring the angle of the arm.

4. The semiconductor device joint strength evaluation apparatus according to claim 3 , wherein the angle measuring means is installed on a rotating shaft of the swing arm.

In any one of claims 1-4, mount for mounting the measurement sample, the measurement sample and the semiconductor device junctions, characterized in that it comprises a positioning mechanism for positioning between the weight Strength evaluation device.

In any one of claims 1-5, wherein the weight is a semiconductor device junction strength evaluation apparatus characterized by having a sloping surface in contact with the measurement sample.

In any one of claims 1 to 6, down vibration arms having the weight from a predetermined angle, after which the weight is broken collide with the measurement sample, wherein the weight to hold the arm so as not to contact the measurement sample A semiconductor device joint strength evaluation apparatus characterized by comprising means.

In any one of claims 1 to 7, the semiconductor device junctions evaluation apparatus characterized by having a mechanism for accommodating a scattering of measured samples destroyed by the weight.

In any of the claims 1-8, the semiconductor device junctions evaluation apparatus characterized by having a Fuage mechanism equipped with an actuator for increasing vibration the jig that is provided on the pendulum of the tip to a predetermined angle.