(57)【要約】  せん断荷重を基板上の堆積物に加えるための試験装置は、堆積物との接触のための先端部（２４）と、上に圧電性結晶を有する背面とを有する片持ちせん断ツール（１８）を含む。使用時は、背面は圧縮力並びに他の力を受け、それらの力に比例する、対応する電気出力を前述の結晶から受ける。１つの実施形態において、せん断ツールの堆積物に接触する部分は、圧電性結晶によって発生される信号の精度を高めるために、せん断ツールの正面から後方にオフセットされる。装置は、半導体デバイス中に典型的に見られる堆積物と基板との間の接合部の強度を試験するのに有用である。
2009526987.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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、前記せん断ツール上に取り付けられた圧電性結晶とを含み、前記せん断ツールは、せん断力を前記堆積物に加えるように適合され、前記せん断ツールが前記せん断力を前記堆積物に加えている間、前記結晶は、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。
【請求項２】
前記圧電性結晶は前記せん断ツールの背面に適用され、正面は前記せん断荷重を加えるように適合されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
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又は請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記せん断ツールは、片持ち梁としてツール・ホルダに固定されるように適合されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
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乃至４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
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乃至５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
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乃至６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
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乃至７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
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８に記載の装置。
【請求項１０】
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９に記載の装置。
【請求項１１】
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１０に記載の装置。
【請求項１２】
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９乃至請求項１１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
前記せん断ツールは裏面に正面を有し、前記ボール堆積物との接触のための接触部分が設けられ、前記接触部分は前記正面から後方にオフセットされることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
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１３に記載の装置。
【請求項１５】
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１４に記載の装置。
【請求項１６】
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１３乃至請求項１６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１７】
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乃至１６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１８】
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１７に記載の装置。
【請求項１９】
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乃至１８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２０】
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１９に記載の装置。
【請求項２１】
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２０に記載の装置。
【請求項２２】
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２１に記載の装置。
【請求項２３】
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１９乃至請求項２２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２４】
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１９に記載の装置。
【請求項２５】
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２４に記載の装置。
【請求項２６】
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２５に記載の装置。
【請求項２７】
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２４乃至請求項２６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２８】
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２７に記載の装置。
【請求項２９】
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１９乃至請求項２８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項３０】
基板上の導電性ボール堆積物に加えられるせん断力を求める方法であって、
前記堆積物をせん断するための正面を有し、上に接合された圧電性結晶を有するせん断ツールを準備し、
前記圧電性結晶内の応力の変化を、前記圧電性結晶の電気出力を監視することによって検出するための装置を準備し、
前記堆積物を前記基板からせん断するために、前記正面を前記ボール堆積物に適用し、
前記ボール堆積物が前記基板からせん断されるときの前記圧電性結晶内の応力の変化を検出する、
ステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項３１】
前記せん断ツールを前記ボール堆積物に対して急速に適用するステップを含むことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記せん断ツールを、前記ボール堆積物との接触点において、毎秒０．５から１０メートルまでの範囲の終端速度まで加速するステップを含むことを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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装置及び方法に関する。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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【発明の開示】
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１乃至図４を参照すると、ツール・ホルダ１１は、図１Ａ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１Ａ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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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１Ａ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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明を組み込むツール・ホルダの側面図である。
【図２】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３】図２に対応する側面図である。
【図４】図１のツール・ホルダのヘッドを拡大した斜視図である。
【図５】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。
【図６】変形態様の正面図を示す。
【図７】図５の変形態様の側面図を示す。
【図８】図７の一部の拡大図である。
【図９】図８の一部の更なる拡大図である。
【図１０】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。
【図１１】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。
【図１２】使用時の変形態様のツールを表わした図である。
【図１３】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。
【図１】
2009526987.tif 000003
【図２】
2009526987.tif 000004
【図３】
2009526987.tif 000005
【図４】
2009526987.tif 000006
【図５】
2009526987.tif 000007
【図６】
2009526987.tif 000008
【図７】
2009526987.tif 000009
【図８】
2009526987.tif 000010
【図９】
2009526987.tif 000011
【図１０】
2009526987.tif 000012
【図１１】
2009526987.tif 000013
【図１２】
2009526987.tif 000014
【図１３】
2009526987.tif 000015
【国際調査報告】
2009526987.tif 000016
2009526987.tif 000017
2009526987.tif 000018