(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
配線板の接続端子上に接合した球状はんだの接合部分の界面強度を評価するための破壊試験装置であって、試験試料を固定する支持台と、当該支持台に固定された試験試料におけるボールパッドに溶融接続された球状はんだに衝突して接合界面に水平方向の力を加えるシェアツールと、前記球状はんだと前記シェアツールとを接続界面で剥離を生じさせる力を作用させるように毎分５ｃｍ以上の移動速度で衝突させるための機構と、を備えていることを特徴とする接続部分の界面強度を評価するための破壊試験装置。
【請求項２】
配線板の接続端子上に接合した球状はんだの接合部分の界面強度を評価するための破壊試験装置であって、試験試料を固定する支持台と、当該支持台に固定された試験試料におけるボールパッドに溶融接続された球状はんだに衝突して接合界面に水平方向の力を加えるシェアツールと、前記球状はんだと前記シェアツールとを接続界面で剥離を生じさせる力を作用させるように毎分１０ｃｍ以上の移動速度で衝突させるための機構と、を備えていることを特徴とする接続部分の界面強度を評価するための破壊試験装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の破壊試験装置において、前記シェアツールが前記球状はんだに衝突する部分は、前記接合界面に垂直な面を備えていることを特徴とする接続部分の界面強度を評価するための破壊試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は球状はんだと配線板との接合部分の接合強度を評価するための破壊試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図４は、従来の半導体装置の実装構造例を示す断面図である。半導体チップ１８０は、ダイボンディング材１７０で半導体搭載用配線板であるパッケージ基板１６０上に接着固定されるとともに、外周囲を封止材２００で覆われている。パッケージ基板１６０はさらに、球状はんだであるはんだボール１４０を介して配線板１１０上に固定されている。
【０００３】
この実装構造において電気的接続には、半導体チップ１８０とパッケージ基板１６０をつなぐ一次接続と、パッケージ基板１６０と配線板１１０をつなぐ二次接続とがある。
【０００４】
一次接続には図４に例示するようなＡｕ（金）ワイヤ１９０を用いたワイヤボンディングが用いられることが多いが、その他に金バンプやはんだバンプを用いたフリップチップボンディング等を用いる場合もある。二次接続には配線高密度化に伴って、最近では図４に例示するような球状のはんだを用いたはんだボール接続が多く用いられている。
【０００５】
このはんだボール１２０と配線板１１０との接続部の強度を評価するため、はんだボール接合部分の破壊試験が行われている。この破壊試験としては、はんだボール結合面に水平方向から一定速度でシェアツールを移動させ、はんだボールに衝突させることで力を作用させるシェア試験が代表的である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
はんだボール接続は、金属リード等を用いた電気的接続方法に比較し接続面積が小さくリードによる応力緩和作用もないため、接続信頼性に対する評価法の確立が望まれている。
【０００７】
しかし、従来のシェア試験では力を作用させる道具であるシェアツールの移動速度は毎分１〜２ｃｍ範囲で行われており、このシェア試験条件では、はんだボール自体の割れを伴うはんだ内のせん断破壊がほとんどであり、接続界面での剥離は発生していなかった。そのため、この試験方法では、はんだボールと配線板の接続界面強度の情報を知ることができなかった。
【０００８】
そこで、本発明は、上述のような課題に鑑み、配線板上のはんだボール接続の界面強度を知るために適した破壊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】
【０００９】
本発明は、前述のごとき問題に鑑みてなされたもので、配線板の接続端子上に接合した球状はんだの接合部分の接続強度を評価するための破壊試験装置であって、試験試料を固定する支持台と、当該支持台に固定された試験試料におけるボールパッドに溶融接続された球状はんだに衝突して接合界面に水平方向の力を加えるシュアツールと、前記球状はんだと前記シュアツールとを毎分５ｃｍ以上の移動速度で衝突させるための機構と、を備えていることを特徴とするものである。
【００１０】
また、前記破壊試験装置において、前記シェアツールが前記球状はんだに衝突する部分は、前記接合界面に垂直な面を備えていることを特徴とするものである。
【００１１】
また、前記破壊試験装置に使用する試験試料であって、パッケージ基板上に金属層からなるボールパッドを備え、前記ボールパッドの周囲の前記パッケージ基板の表面は、ソルダーレジストで被覆されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、配線板の接続端子上に接合した球状はんだの接合部分の破壊試験装置において、破壊試験の際に接合部分に対し、接合面の水平方向から力を与える衝突時の速度を毎分５ｃｍ以上とし、接続界面剥離が発生し易い条件にすることにより、接合界面強度の評価を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１（ａ）は、本発明の実施の形態に係る配線板と球状はんだとの接続強度を評価するための破壊試験装置を説明する概略断面図である。
【００１４】
同図に示すように、破壊試験試料は、配線板上の接続端子に溶融接着された球状はんだを備えたものである。本実施の例では、配線板１０としてパッケージ基板１０を、接続端子としてボールパッド２０を、球状はんだとしてはんだボール４０をそれぞれ例示している。
【００１５】
なお、上記試験試料において、配線板は、パッケージ基板以外にもこのパッケージ基板が搭載される配線板やそれ以外の基板でもよい。また、その基材はエポキシ、フェノール、ポリイミド、ポリエステル等の樹脂基材やセラミック、ガラス等の無機材料であれば良く特に限定しない。また、基材の中にガラス、紙、有機化合物繊維等の充填物があっても良い。
【００１６】
ボールパッド２０の形状は円形が好ましいが楕円や矩形でも良い。また、ボールパッドは単独の金属層でも良く、多層の金属層でも良い。銅、銅合金、ニッケル、ニッケル合金、金、金合金、すず、すず合金、銀、銀合金、パラジウム、およびパラジウム合金のうち少なくともいずれか１種以上を電解メッキ等で被覆したものに対しても適用できる。ボールパッドの周囲の配線板１０表面は、例えばソルダーレジスト３０で被覆される。
【００１７】
はんだボール４０は、スズと鉛を主成分として含み、その含有重量比は５：９５〜１００：０のものを適用できる。また、スズ、鉛以外の添加物を含んでいても良く、例えば銀、アンチモン、亜鉛、銅、インジウム、ビスマス、およびニッケルのいずれか１種以上の添加物を含んでいてもよい。
【００１８】
はんだボール４０とボールパッド２０との接続は、使用するはんだの融点以上の温度で溶融接着で行う。例えば、６０％すずと４０％鉛の共晶はんだの場合は、融点１８０℃以上で溶融接着する。はんだボール４０の形状はほぼ球状であるが、多少の変形があっても良い。また、ボールパッド２０と溶融接続した段階で多少の変形が加わるのが普通である。
【００１９】
破壊試験において接合界面に水平方向から力を加える道具であるシェアツール５０は、高硬度材料による工具鋼等で作られたものを使用でき、はんだボール４０と衝突する部分は、接合界面に垂直な面を持つ。図１（ａ）に示すように、シェアツール５０の先端裏面は傾斜面となっていてもよい。
【００２０】
なお、破壊試験に用いる装置は、上記シェアツール５０に加えて、試験試料を固定する支持台とシェアツール５０を水平移動させる機構と、移動速度制御回路、シェアツール５０に対するブレーキ機構等を備えることが好ましい。
【００２１】
本実施の形態に係る破壊試験では、このシェアツール５０を水平方向に毎分５ｃｍ以上で移動させ、はんだボール４０へ衝突させる。
【００２２】
以下、具体的な実施例と比較例について説明する。
【００２３】
（実施例）
試験試料の配線板（パッケージ基板）としては、銅箔厚さ３５μｍのガラス布基材エポキシ樹脂銅張り積層板を用いた。これにエッチング法でテストパターンを形成した後、ソルダーレジストをボールパッドの周辺部を覆うように形成した。ボールパッドの直径は約０．６２ｍｍとした。ボールパッド表面を、メッキ処理せず銅箔を露出させたもの、無電解メッキでＮｉ-Ｐ／Ｐｄ／Ａｕを被覆処理したもの、無電解メッキでＮｉ-Ｐ／Ａｕを被覆処理したもの、または電解めっきでＮｉ／Ａｕを被覆処理したものを用意した。
【００２４】
はんだボール（直径０．７６ｍｍ球状、６０％すず−４０％鉛の共晶はんだ）を２２５℃でリフロー炉によって上記ボールパッドに溶融接合させて破壊試験用の試料を作製した。
【００２５】
図１（ａ）に示すように、試料を固定し、水平方向から毎分１０ｃｍの移動速度でシェアツール５０を定速移動させ、はんだボール４０に衝突させることで破壊試験を行った。
【００２６】
この破壊試験条件において、図１（ｂ）に示すように、いくつかの試料においてボールパッドとはんだボールの接合界面で剥離破壊が生じた。破壊部分の光学顕微鏡写真を図２（ｂ）に示す。ボールパッド表面にはんだボールの残留物はほとんどない。
【００２７】
（比較例）
上述する実施例と同様な条件ではんだボール（直径０．７６ｍｍ球状、６０％すず−４０％鉛の共晶はんだ）を２２５℃でリフロー炉によって直径０．６２ｍｍの円状ボールパッドを有する配線板に接合させて破壊試験用の試料を作製した。
【００２８】
図１（ａ）に示すように、試料を固定し、水平方向から毎分３ｃｍの移動速度でシェアツール５０を定速移動させ、はんだボール４０に衝突させることで破壊試験を行った。
【００２９】
この破壊試験条件において、図１（ｃ）に示すように、ほとんど全ての試料ではんだボール内でせん断破壊が生じた。破壊部分の光学顕微鏡写真を図２（ａ）に示す。ボールパッド表面にはんだボールの凹凸のある破断面が残っている。
【００３０】
図３は、上述する実施例、比較例の条件下で、本出願の発明者等が実験的に求めたシェア速度とはんだボールのバルク破壊率の関係を示す。なお、シェア速度とはシェアツールの移動速度であり、バルク破壊率とは、破壊原因がはんだボールのバルク破壊にある割合をいう。
【００３１】
グラフ手前より一列目は、ボールパッド表面を、無電解メッキでＮｉ-Ｐ／Ａｕを被覆処理したもの、二列目は電解メッキでＮｉ／Ａｕを被覆処理したもの、三列目は無電解メッキでＮｉ-Ｐ／Ｐｄ／Ａｕを被覆処理したもの、そして四列目はメッキ処理をせず、銅表面を露出させたものである。
【００３２】
同図より、いずれの場合にも、シェア速度が早くなるとバルク破壊率が減少する傾向が明らかである。即ち、言い換えると、シェア速度が早くなると、破壊状態がバルク破壊からはんだボール４０とボールパッド２０との接続界面での剥離に変わっていく。
【００３３】
従来のようにシェア速度が毎分２ｃｍ程度の低速のときは、１００％の破壊がはんだボールのバルク破壊であるため、ボールパッドの表面処理の違いによる接続界面の強度差を知ることができないが、本実施の形態の破壊方法のようにシェア速度が毎分約５ｃｍを超えると、界面剥離が発生し始め、ボールパッドの表面処理状態によって、その剥離の度合いも差が生じ始める。即ち、シェア速度を毎分５ｃｍ以上とする本実施の形態に係るシェア試験を行えば、はんだボール４０とボールパッド２０との接続界面の接続強度の評価が可能となる。
【００３４】
例えば、図３に示すように、シェア速度を毎分５ｃｍ以上とする条件において、
ボールパッド表面を電解メッキでＮｉ／Ａｕを被覆処理した場合は、無電解メッキでＮｉ-Ｐ／Ａｕを被覆処理した場合に較べ、バルク破壊率が小さく、よりはんだボールとの接合界面強度が強いことが分かる。
【００３５】
なお、図３にも示すように、シェア速度は、毎分１００ｃｍ（１０３ｍｍ／ｍｉｎ）でも接続界面の接続強度の評価が可能であるが、破壊試験装置を改良することにより、シェア速度を１００ｃｍ以上とすることも十分可能である。
【００３６】
以上、実施の形態に従って、本発明の破壊試験方法について説明したが、本発明の破壊試験方法は、上記実施の形態の記載に限定されるものではなく、種々の改良、改変が可能なことは当業者に明らかである。
【００３７】
ところで、破壊試験において、接合部分に加える力の移動速度を上げると、接合界面強度は相対的に弱くなる傾向がある。すなわち、配線板の接続端子上に接合した球状はんだの接合部分への力の衝突速度がある限界を超えると、はんだ内のせん断強度よりはんだと接続端子間の接続界面強度が低くなり、接続界面での剥離が、破壊限界を律する場合が生じるようになる。具体的には、この衝突速度の速度の指標は、毎分５ｃｍ以上の条件であり、この条件下で、はんだボール内でのせん断破壊より接合界面での剥離が生じやすい条件となる。
【００３８】
よって、上記の破壊試験装置によれば、配線板の接続端子上に接合した球状はんだの接合界面強度の評価を行う上で、好ましい破壊試験条件を提供できる。
【００３９】
なお、上記接合部分に加える力の速度は毎分１０ｃｍ以上としてもよい。より接続界面での剥離が生じやすい条件にできる。なお、速度の上限については、現行の破壊試験ツールを用いれば毎分１００ｃｍでも可能であり、ツールの改良によりこれ以上の速度とすることもできる。
【００４０】
また、上記試験装置で試験対象となる配線板の種類は限定されるものではなく、いわゆるパッケージ基板と呼ばれる半導体搭載用配線板およびこのパッケージ基板が搭載される配線板のいずれをも含まれる。
【００４１】
なお、上記破壊試験装置は、配線板上の接続端子が、銅、銅合金、ニッケル、ニッケル合金、金、金合金、すず、すず合金、銀、銀合金、パラジウム、およびパラジウム合金のうち少なくともいずれか１種以上を含むいずれのものに対しても適用できる。
【００４２】
また、上記破壊試験装置は、球状はんだが、スズと鉛を５：９５〜１００：０の含有重量比率で含むものに適用できる。また、上記球状はんだは、さらに銀、アンチモン、亜鉛、銅、インジウム、ビスマス、およびニッケルのいずれか１種以上の添加物を含むものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施の形態に係る破壊試験の構成を示す図である。
【図２】実施例と比較例に係る破壊試験後の破壊表面の状態を示す光学顕微鏡写真である。
【図３】シェア速度とバルク破壊率の関係を示す棒グラフである。
【図４】一般的な半導体実装基板の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０  配線基板
２０  ボールパッド
３０  ソルダーレジスト
４０  はんだボール
５０  シェアツール
【図１】
0004438837.tif 000002
【図２】
0004438837.tif 000003
【図３】
0004438837.tif 000004
【図４】
0004438837.tif 000005