(57)【要約】【課題】半導体バンブ電極として電極２上に形成されたはんだ球１の電極との付着強度を、縮小化された上に狭い間隔で形成されたはんだ球１の付着強度を精確に測定可能な方法と装置を提供する。【解決手段】電極２上に付着あるいは埋め込まれているはんだ球１を、プローブ６を用いて剥離する手段として、基板５に角度を付けてプローブ６をはんだ球１に接触させ、荷重を加えることによって剥離を行う。その際に剥離角度（θ）と荷重点の高さ（ｈ）を変数として最大剥離荷重および剥離仕事を用いてはんだ球１の付着特性を評価する。【選択図】図３
2004301813.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に付着あるいは埋め込まれている固体試料に対して、プローブを用いて荷重を加えることにより剥離強度を測定する機構において、基板の角度を変えることにより、剥離角度を変えて荷重を加えることができる機構、または、プローブから荷重を加える際に、固体試料上での荷重点の位置を任意に変更できる機構、および、これら剥離角度と荷重点の位置を同時に変更させることができる機構を備えたことを特徴とする付着強度試験方法および装置。
【請求項２】
荷重点の位置を固体試料の高さの１０〜３０％とする場合は剥離角度を４０〜５０°に設定し、荷重点の位置が７０〜８０％の場合は剥離角度を０〜１０°に設定して２種類の測定を行うことを特徴とする請求項１に記載の付着強度試験方法および装置。
【請求項３】
上記、請求項２の２種類の測定に基づき、各破壊荷重（Ｎ）を剥離面積（ｍ２）で除した値に対して平均したものを固体試料の破壊強度（Ｐａ）として用いることを特徴とする請求項２に記載の付着強度試験方法および装置。
【請求項４】
剥離角度や荷重点の位置を多段階、あるいは曲線を含む３次元的な多段制御により変化できることを特徴とする請求項１に記載の付着強度試験方法および装置。
【請求項５】
剥離角度や荷重点の位置を変更させるために、プローブを３次元に移動する機構を備えたことを特徴とする請求項１に記載の付着強度試験方法および装置。
【請求項６】
測定中に基板温度を変化させて、固体試料の軟化および硬化などの熱反応特性も測定できることを特徴とする請求項１に記載の付着強度試験方法および装置。
【請求項７】
基板上に付着あるいは埋め込まれている固体試料は、無鉛はんだを含む金属、合金、半導体、高分子などのあらゆる固体材料であることを特徴とする請求項１に記載の付着強度試験方法および装置。
【請求項８】
プローブにより剥離する場合に得られる剥離曲線の最大値を最大剥離荷重とする解析方法、あるいは剥離曲線の積分値から剥離仕事を算出すること、あるいは付着面積で除することで単位体積あたりの剥離強度および剥離仕事とすることを特徴とする請求項１に記載の付着強度試験方法および装置。
【請求項９】
剥離角度と荷重点の高さの剥離条件で、固体試料自身の凝集破壊を生じさせて、このときの荷重を固体試料の凝集力とすることを特徴とする請求項１あるいは請求項３〜８請求項の何れか１項に記載の付着強度試験方法および装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、基板上に付着あるいは埋め込まれた固体試料の付着強度および凝集特性、粘性等の物理量を明確に定量化できる分析方法および測定装置に関するものである。さらに詳しくは半導体バンブ電極として使用される電極基板上に形成されたはんだ球の付着強度を測定する、付着強度試験法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＳＩや液晶表示デバイスなどのエレクトロニクス機器の実用化および信頼性の向上にはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金によるＰｂフリーはんだ、およびＳｎ−Ｐｂ系共晶はんだ等で作製されたＢＧＡ（Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）の付着信頼性を評価することが必要不可欠である。また、はんだ付けされた界面状態が強さや腐食性などの性質に直接影響を及ぼすため，基板との界面状態が重要となる。ＢＧＡとは、図１にあるような、電極を有した基板上に、はんだ球が格子状に配列されたものをいう。図中、（１）ははんだ球、（２）は合金層による多層電極、（３）は金属配線、（４）はＩＣ素子、（５）は樹脂等の絶縁板をそれぞれ表す。また、これらのＢＧＡは、金属多層膜で形成された（２）の多層電極に接続される。合金層の存在の有無によってはんだのぬれ性やはんだ付け界面の強度に大きく影響を及ぼすことになる。また、はんだ球と合金層電極間の応力集中を緩和させて、（１）のはんだ球との付着強度を改善する働きもある。一般的に合金は固くて脆い性質を持つことから，はんだ球の付着強度が最も弱い部分は（２）の合金層との界面である。そのため，はんだ球の信頼性評価をする上で、付着強度の最も弱いはんだバンプ球の接合界面での剥離を評価する必要がある。通常、（２）の合金層による電極部は基板表面より底部に作製されており、はんだ球は埋め込まれる形態となる。そのため、はんだ球と電極界面は、基板表面より低い部分となり、ここでの付着力の解析が重要になる。最終的には、このＢＧＡにさまざまなデバイスが接続される。
【０００３】
従来のＢＧＡの主な剥離試験方法としては、図２に示されているように、▲１▼シェアモード法、▲２▼溶融モード法、▲３▼プルモード法の３種類がある。ここで、（６）はプローブ、（７）は溶融ロッド、（８）はアームをそれぞれ示す。これらの手法を用いることで、はんだ球を基板から剥離させて、その際の剥離荷重を測定することは可能であった。
【０００４】
シェアモード法は、電極の金属部にワイヤを接続して該ワイヤを垂直方向に引っ張ることによってはんだ球（１）の電極（２）への付着強度を測定するワイヤリード法と共に古くから行われていた方法で、はんだ球（１）の側面に計測機器に接続されたプローブ（６）を当て、該プローブ（６）を水平方向に押してはんだ球（１）を合金層からなる電極（２）から剥離する力を測定することによってはんだ球（１）の電極（２）への付着強度を評価するものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭５７−２５５０（第１−２頁、第１−２図）
【０００６】
溶融モード法ははんだ球（１）が溶融する温度まで加熱された、測定プローブとしての溶融ロッド（７）をはんだ球（１）内に挿入して、該はんだ球（１）を溶融させ、さらに溶融したはんだ球（１）と挿入された溶融ロッド（７）を冷却して固化させ、その後、はんだ球（１）内で固化させた溶融ロッド（７）を電極（２）に対して垂直方向に引っ張ってはんだ球（１）の合金層電極（２）への付着強度を測定するものである（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
特許文献２に開示された方法は一つのはんだ球（１）の付着強度を測定する毎にはんだ球（１）の加熱と冷却を繰り返すものであるが、電極（２）上で配列されたはんだ球（１）に合わせて配列された測定プローブとしての溶融ロッド（７）を配し、加熱装置ではんだ球（１）を溶融させ、自重で溶融ロッド（７）をはんだ球（１）内に挿入して冷却、固化させた後、溶融ロッド（７）を電極（２）に対して垂直方法に引っ張って付着強度を測定する方法、またははんだ球（１）に溶融ロッド（７）を挿入して後、はんだ球（１）を溶融して溶融ロッド（７）とはんだ球（１）とを一体化させ、冷却、固化させて垂直方向に引っ張って付着強度を測定する方法が開示されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００８】
【特許文献２】
特開平８−１１１４１７（第２−３頁、第１図）
【特許文献３】
特開２０００−３４９１１８（第２−５頁、第３−５図）
【０００９】
プルモード法は、はんだ球（１）を加熱溶融した後に該はんだ球（１）と電極（２）との付着強度を測定する方法がはんだ球（１）に一度、溶融と固化工程を加えることによりはんだ球（１）と電極（２）との本来の付着強度を求めることにはならない、として提案された方法で、はんだ球（１）を微小なアーム（８）で摘み、その後、アーム（８）を電極（２）に対して垂直方向に引っ張ることによってはんだ球（１）と電極（２）との付着強度を測定する方法である（例えば、特許文献４〜５参照）。
【００１０】
【特許文献４】
特開平１１−２７４２４８（第２−３頁、第６図）
【特許文献５】
特開２００１−１１８８８７（第２−３頁、第２図）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、シェアモード法は，はんだ球と基板との界面へのせん断方向への破壊試験のため、はんだ球が基板に埋め込まれている場合には、埋め込み部にはんだが残ってしまう欠点がある。また、溶融モード法は，加熱したプローブをはんだ球の頂点付近に接触させ溶融接合後上方向への引張りによって界面から剥離させる方法であるが，今後のＢＧＡの縮小化を考えるとはんだ球の頂点付近のみを部分加熱することは困難であり、ＢＧＡの縮小化への評価方法としては妥当とは言えない。また、プルモード法は，アームによってはんだ球をつまみ，上方向へ引張り接合界面から剥離させる方法であるが、同様に、微細なアームが必要となるため縮小化への評価が困難になってくる。よって、従来の手法では、ＢＧＡの縮小化には適してなく、また、剥離がはんだ球と電極界面で生じにくく、真の付着力解析に適している手法であるとは言えなかった。このように、はんだ球と基板との界面付着力の試験評価方法として、多くの評価方法が存在している。また、これらの剥離方法は、本質的に異なる剥離方法であり、得られた付着強度の相関性が不明確であるなどの欠点があった。そこで、はんだ球の微細化に対応可能であり、かつ、標準的な解析手法を有する付着強度試験法および装置が強く望まれている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明は、基板上に付着あるいは埋め込まれている固体試料をプローブを用いて剥離する手法として、基板に角度を付けてプローブを走査して、はんだ球上へ荷重を加えることで剥離を行う。その際に、剥離角度と荷重点の高さを主な変数とする。そして、最大剥離荷重および剥離仕事を用いて、付着特性を評価しようとする手法および装置である。また、基板の角度および探針の走査方向は、固体の剥離過程において、多段階に変化させ、かつ、固体上の荷重点の位置を任意に変更させることで、あらゆる硬さおよび粘性の固体試料、あるいは、固体試料と基板電極部の接合形態に対応できるように工夫がなされている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図３に基づいてこの発明にかかるはんだ球の付着凝集力試験方法および装置の請求項１の発明の一実施の形態を説明する。図において、Ｈは、はんだ球（１）の高さ、荷重点ｈは、プローブ（６）の荷重点の高さであり基板からの垂直高さで定義され、θは剥離角度をそれぞれ示す。それぞれの剥離角度θにおいて，荷重点ｈは、はんだ球（１）の高さＨの範囲内で変化させることができる。図４はＨ＝５５０μｍのはんだ球（１）の剥離曲線を示している。プローブ（６）の移動距離に伴い、荷重が増加していることが分かる。また、最大点を越えると急激に荷重は減少する。この最大点を最大剥離荷重（Ｎ）として、剥離強度の解析に用いる。また、この最大剥離荷重をはんだ球（１）と電極（２）との界面の面積で除することで、単位面積あたりの最大剥離荷重（Ｐａ）を求めることができる。一方、この剥離曲線を積分することで剥離仕事（Ｊ）を求めて解析する。同様に、この剥離仕事をはんだ球（１）と電極（２）との界面の面積で除することで、単位面積あたりの剥離仕事Ｗ（Ｊ／ｍ２）を求めることができる。
【００１４】
ここで、実際の実施例について説明する。図５には、Ｈ＝５５０μｍのはんだ球（１）に対して実際に測定した結果を示す。それぞれの測定点には、５個の試料を用いている。荷重点ｈが高くなるほど、あるいは、剥離角度θが大きくなるほど、最大剥離荷重は低くなり剥離されやすいことが分かる。図６は、図５の試験結果に対して、破壊モードについてまとめている。破壊モードは、界面破壊（◎○）、はんだ球（１）の凝集破壊（×▲）、これらの混合である混合破壊（●▲）に区別できる。はんだ球（１）の付着強度解析には、この界面破壊をしているはんだ球（１）に対して評価することが必要である。剥離角度θおよび荷重点ｈの高さによって、剥離モードが異なることが分かる。界面剥離モード（◎○）の分布は，剥離角度θを増加さると荷重点の高さｈが低くなることが分かる。また、剥離角度４０°接触高さ１００μｍの場合と、剥離角度０°接触高さ４００μｍの場合の両方において界面破壊モード（◎○）を多く確認した。ここで、図６の剥離モードと図５の破壊荷重を一つのグラフに示したものが図７である。ここでは、異なる剥離角度および荷重点の高さであっても、界面破壊（◎○）を生じた破壊においては、点線で挟まれた領域のように、破壊荷重がほぼ同一の値になることが分かる。すなわち、測定条件によらない真の付着強度を表している。図７より、はんだ球（１）の最大破壊荷重を１４．８±１．９５［Ｎ］であると決定した。また，破壊した界面の面積から、単位面積当りの最大剥離荷重は４０．１±５．２７［ＭＰａ］であると決定した。これが、基板上でのはんだ球（１）の付着強度解析方法である。
【００１５】
この破壊メカニズムを論理付けるために、剥離時の応力分布を解析した。図８にははんだ球モデルを示している。このモデルにおいて，一定荷重を加えた場合について、剥離角度θと基板からの荷重点の高さｈを変化させて，はんだ球底部での応力の変化を確認する。はんだ球底部での応力を解析は図８中のＡ点である。図９には、その結果を示している。すなわち、剥離角度と荷重点の高さの増加に伴い、Ａ点での応力は増加する傾向にあることが分かる。特に、中間的な応力の場合に、点線で囲んだ界面剥離が実現されることが分かる。
【００１６】
また、図１０には本発明の上記以外の実施形態を示している。剥離試験中に剥離角度と荷重点の位置を、多段を含む任意の３次元的な変化をさせることで粘性の高い試料および硬い試料にも適用することができる。
【００１７】
【発明の効果】
この発明は、上述の通り、はんだ球の付着強度の試験において、界面剥離を容易に生じさせる手法であるとともに、剥離角度および荷重点の位置が異なっても、単位面積あたりの剥離荷重は同一となることを利用して、はんだ球の本質的な付着強度の決定方法を与えるものであり、極めて実用的なものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＢＧＡとしての基本構造の概念図である。
【図２】従来のはんだ球等の基板上の付着物の付着強度試験方法の概念図である。
【図３】本発明に係る付着強度試験方法および装置の請求項１の記載の発明の実施の形態の説明図である。
【図４】プローブの荷重曲線からの剥離荷重および剥離仕事の決定を示す説明図である。
【図５】はんだ球の剥離強度に対する剥離角度および荷重点の高さ依存性（ｈ＝５５０μｍ）を示す関係図である。
【図６】はんだ球の剥離モードに対する剥離角度および荷重点の高さ依存性ｈ＝５５０μｍ）を示す関係図である。
【図７】本発明に係る付着強度試験方法および装置の請求項３の記載の剥離荷重の決定方法についての発明の実施の形態の関係図である。
【図８】はんだ球内の荷重時の応力分布解析のための有限要素法モデルの概念図である。
【図９】はんだ球の底面での応力集中特性を示す関係図である。
【図１０】この発明に係る付着強度試験方法および装置の請求項４の記載の発明の実施の形態の説明図である。
【符号の説明】
１  はんだ球
２  合金層による電極
３  金属配線
４  ＩＣ素子
５  樹脂等の絶縁板
６  プローブ
７  溶融ロッド
８  アーム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2004301813.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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