(57)【要約】【課題】被験体を、該被験体のもつ降伏応力の温度依存性を考慮した温度下に放置して疲労試験を行い、また、その試験期間を短くできるサイクル疲労試験方法および試験装置を提供する。【解決手段】被験体３に変位を繰り返し与える押圧部５ａを備える負荷発生手段と、該負荷発生手段とともに前記被験体３を所定温度に保つ温度制御手段と、該被験体３に加えた負荷量に応じて変化する前記被験体３の状態変化量を検出する検出手段と、該検出手段からの検出信号に基づいて前記負荷発生手段を停止する制御手段とを具備するサイクル疲労試験方法であって、前記所定温度を、前記被験体３の室温における降伏応力よりも大なる温度としたことを特徴とする。【選択図】図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被験体に変位を繰り返し与える押圧部を備える負荷発生手段と、該負荷発生手段とともに前記被験体を所定温度に保つ温度制御手段と、該被験体に加えた負荷量に応じて変化する前記被験体の状態変化量を検出する検出手段と、該検出手段からの検出信号に基づいて前記負荷発生手段を停止する制御手段とを具備するサイクル疲労試験方法であって、前記所定温度は、前記被験体が室温において示す降伏応力よりも大きい降伏応力を示す温度としたことを特徴とするサイクル疲労試験方法。
【請求項２】
前記温度が、被験体の試験温度における降伏応力をσ１、室温における降伏応力をσ２としたときに、１．１≦σ１／σ２の関係を満足することを特徴とする請求項１に記載のサイクル疲労試験方法。
【請求項３】
負荷発生手段が繰り返し与える変位の頻度を０．０１Ｈｚ以上としたことを特徴とする請求項１または２に記載のサイクル疲労試験方法。
【請求項４】
被験体が絶縁層の表面に信号伝送用導体配線を備える配線基板であることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか記載のサイクル疲労試験方法。
【請求項５】
状態変化量が信号伝送用導体配線の抵抗変化であることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか記載のサイクル疲労試験方法。
【請求項６】
絶縁層が少なくとも有機樹脂を含むことを特徴とする請求項４に記載のサイクル疲労試験方法。
【請求項７】
固定部に保持された被験体に対して変位を繰り返し与える押圧部を備える負荷発生機構と、該負荷発生機構とともに前記被験体をも所定温度に保つ温度制御機構と、該被験体に加えた負荷量に応じて変化する前記被験体の状態変化量を検出する検出機構と、該検出機構からの検出信号に基づいて前記負荷発生機構を停止する制御機構とを具備するサイクル疲労試験装置であって、前記所定温度は、前記被験体が室温において示す降伏応力よりも大きい降伏応力を示す温度としたことを特徴とするサイクル疲労試験装置。
【請求項８】
固定部は、かしめ部が少なくとも２方向から中心に向かって可動するようにして対向して配置されていることを特徴とする請求項７に記載のサイクル疲労試験装置。
【請求項９】
かしめ部と被験体との間に緩衝材が備わっていることを特徴とする請求項７または８に記載のサイクル疲労試験装置。
【請求項１０】
かしめ部が階段状に形成されていることを特徴とする請求項７乃至９のうちいずれか記載のサイクル疲労試験装置。
【請求項１１】
状態変化量が信号伝送用導体配線の抵抗変化であることを特徴とする請求項７乃至１０のうちいずれか記載のサイクル疲労試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サイクル疲労試験方法およびサイクル疲労試験装置に関し、特に、配線基板等の寿命試験を速めるためのサイクル疲労試験方法およびサイクル疲労試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、配線基板単体や、表面実装部品などが実装された配線基板の信頼性を確認する信頼性評価法として、温度サイクル試験や熱衝撃試験が実施されている（例えば、特許文献１）。また、最近では、上記した温度サイクル試験に代わる信頼性試験として、下記の特許文献２に記したような機械荷重による疲労試験が提案されている。
【特許文献１】特開平１０−９０３４９号公報
【特許文献２】特開２０００−９７８３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記した温度サイクル試験や熱衝撃試験は、配線基板や、表面実装部品が実装された配線基板を高温の気体や液体と低温の気体や液体に交互にさらすことにより、配線基板や表面実装部品が実装された配線基板に熱的なひずみを生じさせるものである。ほとんどの場合が各温度にさらされる時間が、実際の使用環境の条件から、気体の場合１５分以上、液体の場合５分以上が必要となる。よって、１サイクルの所要時間が気体の場合３０分以上、液体でも１０分以上となり、例えば１０００サイクルの試験を行おうとすると気体の場合で２０日以上、液体の場合で７日以上と大変長い期間を要するために、製品開発における信頼性評価期間の長さが全体の開発期間の長期化の原因となっていた。
【０００４】
また、機械荷重による疲労試験を用いた場合、荷重の繰り返し頻度を高めることにより評価期間の短縮を図ることができるものの、この試験方法は、通常、室温における被験体の純機械的な疲労による信頼性を評価するものであり、被験体の評価が温度依存性まで考慮されたものではない。
【０００５】
そのため、試験に用いる被験体が、例えば、セラミックス、有機樹脂、金属などである場合、それぞれの降伏応力が異なることから、上記疲労試験のように室温のみの試験条件では、被験体として用いる各材料の強度や靭性が急激に劣化する降伏応力特性に適応した評価結果を得ることができないという問題があった。
【０００６】
従って、本発明は、被験体を、該被験体のもつ降伏応力の温度依存性を考慮した温度下に放置して疲労試験を行い、また、その試験期間を短くできるサイクル疲労試験方法およびサイクル疲労試験装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のサイクル疲労試験方法は、（１）被験体に変位を繰り返し与える押圧部を備える負荷発生手段と、該負荷発生手段とともに前記被験体を所定温度に保つ温度制御手段と、該被験体に加えた負荷量に応じて変化する前記被験体の状態変化量を検出する検出手段と、該検出手段からの検出信号に基づいて前記負荷発生手段を停止する制御手段とを具備するサイクル疲労試験方法であって、前記所定温度は、前記被験体が室温において示す降伏応力よりも大きい降伏応力を示す温度としたことを特徴とする。
【０００８】
そして、上記サイクル試験方法では、以下の要素を含むことがより望ましいものとなる。即ち、（２）その温度が被験体の試験温度における降伏応力をσ１、室温における降伏応力をσ２としたときに、１．１≦σ１／σ２の関係を満足すること、（３）前記負荷発生手段が与える繰り返しの頻度を０．０１Ｈｚ以上としたこと、（４）被験体が絶縁層の表面に信号伝送用導体配線を備える配線基板であること、（５）状態変化量が信号伝送用導体配線の抵抗変化であること、（６）絶縁層が少なくとも有機樹脂を含むことである。
【０００９】
このようなサイクル疲労試験の方法であれば、温度変化によりストレスを印加する方法に比較して繰り返し回数を機械的に与えることができることから、繰り返し回数の頻度や期間の増減が容易となり、これにより従来の温度サイクル試験や熱衝撃試験では多大に必要であった試験時間を大幅に短縮することができる。
【００１０】
また、本発明の疲労試験方法では、被験体をさらす温度を、この被験体が室温において示す降伏応力よりも大きい降伏応力を示す温度に設定することから、従来用いられていた温度サイクル試験や熱衝撃試験の低温状態での熱応力を再現することができる。
【００１１】
さらに本発明では、状態変化量が信号伝送用導体配線の抵抗変化であることから、導体配線の抵抗変化を連続測定しながら信頼性試験を実施できるため、導体配線の断線などの状態変化をその場観察のような状態にて精度よく観察することができる。
【００１２】
次に、上記サイクル疲労試験方法を具備する本発明のサイクル疲労試験装置は、（７）固定部に保持された被験体に対して変位を繰り返し与える押圧部を備える負荷発生機構と、該負荷発生機構とともに前記被験体をも所定温度に保つ温度制御機構と、該被験体に加えた負荷量に応じて変化する前記被験体の状態変化量を検出する検出機構と、該検出機構からの検出信号に基づいて前記負荷発生機構を停止する制御機構とを具備する高速サイクル疲労試験装置であって、前記所定温度は、前記被験体が室温において示す降伏応力よりも大きい降伏応力を示す温度としたことを特徴とするものである。
【００１３】
そして、上記サイクル疲労試験装置では、以下の要素を含むことがより望ましいものとなる。即ち、（８）固定部は、かしめ部が少なくとも２方向から中心に向かって可動するようにして対向して配置されていること、（９）かしめ部と被験体との間に緩衝材が備わっていること、（１０）かしめ部が階段状に形成されていること、（１１）状態変化量が信号伝送用導体配線の抵抗変化であることである。
【００１４】
このような構成によれば、上記本発明のサイクル疲労試験方法を安定して確実に実施できる。さらに本発明によれば、固定部のかしめ部を少なくとも２方向から中心に向かって可動するようにして対向して配置することにより、試験時における被験体の位置ずれを抑制できる。また、かしめ部と被験体との間に緩衝材が備わっていることにより、かしめ部をきつく締めても被験体の破壊を防止できる。さらに、かしめ部を階段状に形成すると、形状の異なる被験体であっても同一の固定部に保持できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
ここでは、まず本発明のサイクル疲労試験装置について説明し、次いで、試験方法について詳述する。図１は本発明のサイクル疲労試験装置を示す概略図である。本発明のサイクル疲労試験装置は、固定部１に保持された被験体３に対して変位を繰り返し与える押圧部５ａを備える負荷発生機構５と、該負荷発生機構５とともに前記被験体３を所定温度に保つ温度制御機構７と、該被験体３に加えた負荷量に応じて変化する前記被験体３の状態変化量を検出する検出機構９と、該検出機構９からの検出信号に基づいて前記負荷発生機構５を停止する制御機構１１とを具備する。
【００１６】
図２は、固定部１に被験体３を設置したときの状態を示す模式図である。固定部１は、かしめ部１ａが少なくとも２方向から、特に４方向から中心に向かって可動するようにして対向して配置されており、また、かしめ部１ａと被験体３との間に緩衝材１３が備わっていることが望ましく、さらには、このかしめ部１ａが階段状に形成されていることがより望ましい。緩衝材１３としては、試験時に被験体３に傷をつけたり、破壊を防止できるという点で被験体よりもヤング率が低いものであることが好ましい。また、本発明ではかしめ部が階段状に形成されていることが好ましい。このようにかしめ部１ａを階段状にしておくと大きさの異なる被験体３を用いる場合でもいちいち固定部１を取り替える必要がなく、固定部代コストの削減および取り替える手間を省くことができる。
【００１７】
図３は、本発明の被験体の代表例を示す模式図である。被験体３は、例えば、有機樹脂中にセラミック粉末あるいはガラス繊維のいずれか１種を含有する絶縁材料の表面に銅などの導体配線３ａを具備した有機樹脂系の配線基板を挙げることができる。
【００１８】
その他に、本発明では、上記有機樹脂系のみならずセラミックス系の配線基板や、各種単味の材料若しくは複合材料についても本発明のサイクル疲労試験方法および試験装置に適用できることは言うまでもない。
【００１９】
押圧部５ａは、その材質が試験温度下での機械的強度を維持できるという点で、鉄を主成分とする金属体が好ましく、耐腐食性という点で、特にＳＵＳ材がより好ましい。また押圧部５ａの被験体３との当接面は、例えば、被験体３が配線基板であれば、その基板に搭載される電気素子の大きさとすることが、電気素子による直接的な配線基板への応力を印加できるという点で望ましい。
【００２０】
温度制御機構７は、上記負荷発生機構５とともに前記被験体３をも所定温度に保つことのできる機能を備えている。即ち、温度制御可能な恒温槽を用いることが好ましく、温度範囲としては室温を境とした低温域および高温域である。
【００２１】
検出機構９は、被験体３に加えた負荷量に応じて変化する前記被験体３の状態変化量を検出することのできる機能を備えている。即ち、本発明のサイクル疲労試験に用いる被験体３を配線基板とした場合、その配線基板に形成した状態変化量である導体配線３ａの電気抵抗を検出する装置として、例えば、ＬＣＲメーターが上げられる。検出成分を導体配線３ａの電気抵抗とすると、試験中にこの導体配線３ａに亀裂や断線が生じた場合に電気抵抗が直接的に変化するために、その場観察の状態で被験体３の劣化を評価できるためである。負荷量は、押圧部５ａに印加される荷重、繰り返し頻度およびたわみ量などのうちのいずれかである。
【００２２】
制御機構１１は、前記検出機構９からの検出信号に基づいて負荷発生機構５を停止する機能を備えているものである。
【００２３】
そして、本発明では、負荷発生機構５とともに前記被験体３が晒される所定温度は、前記被験体３が室温において示す降伏応力よりも大きい降伏応力を示す温度としたことが重要である。一方、被験体３の降伏応力が室温における値よりも低くなる温度であれば、被験体３の応力が緩和されて伸びが生じるので、短時間で亀裂を発生することができない。
【００２４】
本発明のサイクル疲労試験装置では、被験体３は、固定部１に保持され、負荷発生機構５に接続された押圧部５ａにより負荷され、これら押圧部５ａ、固定部１および被験体３は温度制御機構７を構成する恒温槽内に設置される。被験体３に接続された導体配線３ａである抵抗変化測定用配線が検出機構９であるＬＣＲメータに接続され試験時の被験体３に形成されている導体配線３ａの抵抗変化を連続測定できる。この場合、測定された信号が所定の値を超えた際に、制御機構１１への信号を伝える抵抗変化測定用配線を通して負荷発生機構５の停止信号を制御機構１１に送信し試験を終了する。
【００２５】
次に、本発明のサイクル疲労試験方法について説明する。サイクル疲労試験方法は前述したサイクル疲労試験装置の各機構に適用されるものである。即ち、被験体３に変位を繰り返し与える押圧部５ａを備える負荷発生手段と、該負荷発生手段とともに前記被験体３を所定温度に保つ温度制御手段と、該被験体３に加えた負荷量に応じて変化する前記被験体３の状態変化量を検出する検出手段と、該検出手段からの検出信号に基づいて前記負荷発生手段を停止する制御手段とを具備するものである。本発明では、この所定温度を被験体３の室温における降伏応力よりも大なる温度としたことを特徴とする。
【００２６】
本発明によれば、例えば、被験体３として上記した配線基板を用いた場合、評価対象である配線基板において、室温における降伏応力よりも降伏応力が大きくなる例えば低温の環境下で試験を実施することにより、温度サイクル試験や熱衝撃試験の低温状態にて配線基板と配線基板に実装された半導体素子との熱膨張率差に起因して生じる熱応力を効果的に再現することが出来る。
【００２７】
つまり、本発明のサイクル疲労試験時の所定温度を、被験体３が室温において示す降伏応力よりも大きい降伏応力を示す室温以下とすることで、例えば、被験体３である配線基板の脆化が促進され、負荷により配線基板に生じる降伏応力が高まり、このため配線基板に発生する亀裂を生じやすくできる。このような被験３における亀裂の発生は従来の温度サイクル試験や熱衝撃試験における半導体素子が実装された配線基板に発生する破壊モードと同じモードである。
【００２８】
その結果、試験を継続しながらの信号伝送用配線の抵抗値の変化を連続測定することができる。連続測定する事により従来の信頼性試験では困難であった正確な破壊発生時期を把握するこができる。
【００２９】
この場合、被験体３および押圧部５ａとの当接面について、被験体３の面積をＡ１、押圧部５ａの面積をＡ２としたときに、４≦Ａ１／Ａ２≦１０の関係を満足することが好ましい。
【００３０】
また本発明では、所定温度が被験体３の所定温度における降伏応力をσ１、室温における降伏応力をσ２としたときに、１．１≦σ１／σ２≦３の関係を満足することがより望ましい。この場合、被験体として有機基板を用いる場合、被験体３の室温と試験温度での降伏応力比であるσ１／σ２比を上記の範囲とすることにより評価時間を短縮できるとともに、半導体素子を駆動させたとき破壊に至る程度のストレスを負荷させることができる。
【００３１】
さらに、負荷発生手段が与える繰り返しの頻度を０．０１Ｈｚ以上、特に、０．１Ｈｚ以上とすることが試験時間の短縮という点でより好ましい。
【実施例】
【００３２】
本実施例では、サイクル疲労試験装置として、上述した図１のサイクル疲労試験装置を用いた。固定部は４方向から中心に向かって可動するかしめ部とし、かしめ部と被験体との間にポリエチレンからなる緩衝材を設置した。また、本実施例では大きさの異なる被験体を用いたことからかしめ部は階段状のものを用いた。温度は−７０〜２５℃とし、被験体としては、一方表面中央に半導体素子を搭載した有機配線基板を用いた。有機配線基板の大きさは３５×３５×０．７ｍｍ３とした。
【００３３】
試験では試験装置を構成するＬＣＲメータに接続された抵抗変化用配線を被験体である配線基板の導体配線に接続し、被験体からの検出信号を配線基板に形成した導体配線の電気抵抗として検出するようにした。有機基板を構成する有機樹脂の室温における降伏応力は６０ＭＰａであった。試験における低温度での降伏応力比は表１に示した。半導体素子の大きさは１５×１５ｍｍ２とした。押圧部の荷重は０．２ｋＮとし、押圧部は被験体の半導体素子の搭載面とは反対面側を押すようにした。駆動周波数は表１に示した値とし、最大サイクル回数は試験前の電気抵抗値の１０％以上となったときのサイクル数までとした。比較例として従来の温度サイクル試験（温度は−４０℃（３０分放置）〜１２５℃（３０分放置を繰り返す）を用いた。以上の結果をまとめて表１に示した。
【表１】
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【００３４】
表１の結果から、本発明の手法を用いた評価であるＮｏ．２〜１０では、比較例である従来の温度サイクル試験に比較して試験時間を短縮できた。また、サイクル頻度を０．０１Ｈｚ以上とした試験Ｎｏ．３〜１０では、破壊までの測定時間を２１時間以下にできた。
【００３５】
この場合、被検体の温度を下げたＮｏ．4の場合は、降伏応力比が１．４となり発生応力が高くなることから破壊サイクルが減少した。また、押圧部の面積と基板面積の比の関係では試験Ｎｏ．3と試験Ｎｏ．9の比較で面積比が小さくなることにより配線基板に生じる応力が高くなることから破壊サイクル数が低下した。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明のサイクル疲労試験装置の模式図である。
【図２】固定部に被験体を設置したときの状態を示す模式図である。
【図３】本発明の被験体の代表例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  固定部
１ａ  かしめ部
３  被験体
５  負荷発生機構
５ａ  押圧部
７  温度制御機構
９  検出機構
１１  制御機構
１３  緩衝材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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