(57)【要約】【課題】幅数十μｍオーダーの狭小領域で、且つ通電状態であってもその表面温度を簡易且つ精度よく計測することができる温度計測方法を提供する。【解決手段】あらかじめ予測した被温度測定面の温度よりも高い融点の融点標準試薬を被温度測定面に当接し、融点標準試薬と被温度測定面との温度を均等化させたのち状態観察し、その後、順次融点が低い融点標準試薬を用いて同様の操作を繰り返し、状態が変化した融点標準試薬の融点と、この状態が変化した融点標準試薬の直前に使用した状態が変化しない融点標準試薬の融点とに基づいて被温度測定面の温度を決定する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
被温度測定面に融点標準試薬を当接させる工程と、
前記被温度測定面と前記融点標準試薬との温度を均等化させる工程と、
温度均等化後の融点標準試薬の状態を観察する工程とを、融点の異なる複数の融点標準試薬を用いて繰り返し、
前記融点標準試薬の状態変化に基づいて前記被温度測定面の温度を検出することを特徴とする温度計測方法。
【請求項２】
あらかじめ予測した前記被温度測定面の温度よりも高い融点の融点標準試薬を前記被温度測定面に当接し、温度を均等化させたのち状態観察し、その後、順次融点が低い融点標準試薬を用いて同様の操作を繰り返し、状態が変化した融点標準試薬の融点と、この状態が変化した融点標準試薬の直前に使用した状態が変化しない融点標準試薬の融点とに基づいて前記被温度測定面の温度を決定することを特徴とする請求項１に記載の温度計測方法。
【請求項３】
前記融点標準試薬を当接させる工程は、前記融点標準試薬を、この融点標準試薬よりも融点が高い箔に付着させた後、マニピュレータを用いて前記温度測定面に当接させる工程であることを特徴とする請求項１又は２に記載の温度計測方法。
【請求項４】
前記温度を均等化させる工程は、静置工程であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の温度計測方法。
【請求項５】
前記融点標準試薬の状態を観察する工程は、顕微鏡を用いて標準試薬の状態を観察する工程であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の温度計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試薬の融点特性を利用した温度計測方法に係り、特に、複数の融点標準試薬を使い分けることによって、狭小領域の表面温度を計測する温度計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子機器の多機能化、高性能化及び小型化に伴って電子部品は高密度に実装されるようになり、電子部品接続用のはんだバンプは年々縮小化している。従って、はんだバンプに流れる電流密度は増加傾向にあり、はんだバンプにおけるエレクトロマイグレーション（以下、ＥＭという）の発生が懸念されている。
そこで、はんだのＥＭ損傷を予測する技術が注目されているが、一般に、金属のＥＭ損傷を予測する場合、ＥＭによって移動する原子数を算出する必要がある。
ところが、従来用いられているＳｎ−Ｐｂ共晶はんだは多相金属であるために、はんだを構成する元素が複数存在するので、ＥＭによる拡散形態が通電条件によって異なることが知られている。ＥＭによる原子移動数を算出するためには、その拡散形態を詳細に把握しておく必要がある。拡散形態は多相金属を構成する原子の原子流束（単位断面積を貫く原子の数）の発散によって支配され、この原子流束の発散は温度によって変化する。従って、はんだにおけるＥＭ拡散形態を正確に把握してＥＭ損傷を予測するためには、使用状態と同様の通電時のはんだ自体の温度、電流密度、通電時間等を正確に計測する必要がある。
しかしながら、従来のはんだＥＭに関する研究においては、通電条件における温度として、はんだ部分に熱を供給するヒータの温度又は雰囲気温度が近似的に示される場合が多く、はんだバンプ自身の温度が表示されることはなかった。これは、はんだバンプのような狭小領域の温度測定が困難であることに起因していたと考えられるが、この場合、通電時には、はんだバンプ自体にジュール熱が発生するので、前記ヒータ温度又は雰囲気温度とはんだバンプ自体の温度とは必ずしも一致していないという問題がある。
【０００３】
各種物体の温度を計測する方法として、例えば抵抗温度計、熱電温度計、ガラス温度計、バイメタル式温度計、液体充満圧力式温度計、蒸気圧式温度計、蛍光式光ファイバ温度計等を用いた温度計測方法が挙げられる。表３は、このような温度計の特性を示すものである。
【０００４】
【表３】
2007120950.tif 000002
【０００５】
表３において、抵抗温度計、熱電温度計、蛍光式光ファイバ温度計は、それぞれμｍオーダーの位置分解能を有し、ガラス温度計、バイメタル式温度計、液体充満圧力式温度計及び蒸気圧式温度計は、それぞれｍｍオーダーの位置分解能を有している。
【０００６】
また、熱電温度計に関する従来技術として、例えば特許文献１（特開平８−２３３６６５号公報）には、校正確度の向上と、校正操作の容易な熱電温度計を提供することを目的として開発された温度計であって、熱電対又は補償導線が接続される入力端子台に特性の揃った一対の温度センサを埋め込み、一方の温度センサ出力を計器内部での冷接点温度補償演算に用い、他方の温度センサ出力を校正用として外部に引き出せるように構成した熱電温度計が開示されている。
更に、バイメタル式温度計に関する従来技術として、例えば特許文献２（特開平９−５３９９５号公報）には、取付相手から温度計本体の取外しが容易に行え、しかも感度のよいバイメタル式温度計を得ることを目的として開発された温度計であって、温度表示部と、つる巻状バイメタルと該つる巻状バイメタルの感温時に発生する回転方向への膨脹収縮により回転し前記温度表示部内で指針を動かす回転軸を内部に収容する感温筒と、感温筒の基部に設けられた被測定物取付用の取付部とからなるバイメタル式温度計において、前記基部に取付部を設けた感温筒が、前記回転軸及びつる巻状バイメタルを一体として取付けた温度表示部と別体に構成されるとともに両者が着脱自在となっており、また、温度表示部に一体として取付けられる回転軸とつる巻状バイメタルにあっては、回転軸は、その基部が温度表示部に回転自在に支持され、つる巻状バイメタルは、その一端が前記回転軸に固定され他端が温度表示部に連結され感温筒に収容される連結部の先端に固定したバイメタル式温度計が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開平８−２３３６６５号公報
【特許文献２】特開平９−０５３９９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、ガラス温度計、バイメタル式温度計、液体充満圧力式温度計、蒸気圧式温度計は、いずれも位置分解能がｍｍオーダーであるために、μｍオーダーの狭小領域の表面温度測定には適用できない。また、抵抗温度計、シース型熱電温度計、蛍光式光ファイバ温度計は、それぞれμｍオーダーの位置分解能を有するが、位置分解能が３桁であるために、数十μｍオーダーであるはんだバンプの表面温度測定に対応することはできない。一方、素線のみの熱電温度計は数十μｍオーダーの位置分解能を有するものの、通電状態の被温度測定面の温度を計測することができず、例えばはんだのＥＭ損傷の予測に利用することを目的とした通電状態におけるはんだバンプの温度測定に適用することはできない。
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、幅数十μｍオーダーの狭小領域で、且つ通電状態であってもその表面温度を簡易、且つ精度よく測定することができる温度計測方法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、融点標準試薬の融点特性を利用し、融点の異なる複数の融点標準試薬を使い分けることによって被温度測定面の温度を簡便に計測する温度計測方法であって、融点の異なる複数の試薬を融点の高い試薬から順に被温度測定面に当接又は塗布し、この試薬の状態を、例えば光学顕微鏡を用いて状態が変化したか否か、即ち融解したか否を観察し、状態変化が認められない場合は、順次融点が低い試薬を当接させ、試薬が融解するまで、この操作を繰り返し、融解した試薬と融解しない試薬を特定することによって被温度測定面の温度を決定するものである。
即ち、本発明に係る温度計測方法は、被温度測定面に融点標準試薬を当接させる工程と、前記被温度測定面と前記融点標準試薬との温度を均等化させる工程と、温度均等化後の融点標準試薬の状態を観察する工程とを、融点の異なる複数の融点標準試薬を用いて繰り返し、前記融点標準試薬の状態変化に基づいて前記被温度測定面の温度を検出することを特徴とする。
【００１０】
この場合において、あらかじめ予測した被温度測定面の温度よりも高い融点の融点標準試薬を前記被温度測定面に当接し、温度を均等化させたのち状態観察し、その後、順次融点が低い融点標準試薬を用いて同様の操作を繰り返し、状態が変化した融点標準試薬の融点と、この状態が変化した融点標準試薬の直前に使用した状態が変化しない融点標準試薬の融点とに基づいて前記被温度測定面の温度を決定することが好ましい。
また、前記融点標準試薬を当接させる工程は、前記融点標準試薬を、この融点標準試薬よりも融点が高い箔に付着させた後、マニピュレータを用いて前記被温度測定面に当接させる工程であってもよい。この場合、前記箔としては、例えばアルミ箔、銅箔等の金属箔、又は金属以外の箔を用いることができる。箔の厚さは、例えば１０〜２０μｍ程度であることが好ましい。
更に、前記温度を均等化させる工程を、静置工程とすることができる。
更にまた、前記融点標準試薬の状態を観察する工程は、顕微鏡、例えば光学顕微鏡を用いて標準試薬の状態を観察する工程であってもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、被温度測定面の幅が数十μｍの狭小領域であっても、また、前記温度測定面が通電状態であってもその表面温度を簡易且つ精度よく計測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、本実施形態に係る温度計測方法に適用される試験片を示す説明図である。図１において、この試験片１０は、はんだのＥＭ損傷予測に使用されるものであり、ＥＭ損傷の有無を観察する観察領域１１を含むはんだ部１５と、このはんだ部１５の両端にそれぞれ密着するように配置されたアルミ箔１２、１３とから主として構成されており、例えば以下のようにして作製される。
即ち、例えば厚さ５０μｍのＳｎ−Ｐｂ共晶はんだ箔を絶縁性接着テープ１４を用いて図示省略したシリコンウェハに固定し、幅１ｍｍ×長さ１０ｍｍだけ残してその他の部分を切除し、はんだ部１５を作製する。その後、その長さ方向両端部に、例えば縦５ｍｍ×横５ｍｍ×厚さ１５μｍのアルミ箔を当接、密着させ、集束イオンビーム加工装置（ＦＩＢ）を用いて前記はんだ部１５の一部分を１ｍｍの幅から約２０μｍの微小線幅に加工し、観察領域１１を得る。なお、図１中、観察領域１１の上下の部分（ハッチング部分）は前記集束イオンビーム加工装置（ＦＩＢ）による加工によって切除された部分である。
得られた試験片１０の観察領域１１の幅を、例えばデジタルマイクロスコープで測定し、高さを、例えばレーザ顕微鏡で計測して断面積を求める。このような試験片１０の観察領域１１の断面は、例えば幅１３．７９μｍ、高さ５０．１０μｍであり、その面積は、例えば６９１μｍ２である。なお、はんだ部１５の両端部のアルミ箔は、はんだのＥＭ損傷を予測する際、後述する実験装置の二つのプローブをそれぞれ接触させるためのものであり、これによって、はんだ試験片に直接プローブを接触させることによって通電時に発生するジュール熱に起因する前記はんだ試験片である観察領域１１の融解を回避することができる。
【００１３】
次に、はんだのＥＭ損傷を予測するために、図１の試験片を通電状態に維持する通電装置について説明する。図２は、本実施形態に適用される通電装置の概要を示す図である。図２において、この通電装置は、試験片１０を固定するシリコンウェハ２１と、試験片１０の両端部のアルミ箔１２、１３にそれぞれ当接されるプローブ２２、２３と、このプローブ２２、２３間に電流を流す定電流電源２５と、この定電流電源２５とプローブ２２、２３とを接続する定電流回路に配置された電圧計２６及び検流計（ガルバノメータ）２７と、シリコンウェハ２１の上方に配置された光学顕微鏡２８とから主として構成されている。試験片１０は、絶縁性接着テープ２４によってシリコンウェハ２１に固定されている。
このような通電装置を用い、以下のようにして試験片１０の観察領域１１のＥＭ損傷観察を行い、その後、観察領域１１表面の温度を測定した。
即ち、図２の通電装置のシリコンウェハ２１上に固定された図１の試験片１０に対し、この試験片１０のはんだ部１５の両端に密着されたアルミ箔１２、１３にそれぞれプローブ２２、２３を当接、固定し、この状態でプローブ２２、２３間に所定の電圧をかけ、約１アンペア（Ａ）の電流を流し、この通電状態を所定時間維持し、その後、光学顕微鏡２８によって観察領域１１におけるＥＭ損傷の有無を観察した。このとき、観察領域１１の断面積に基づいて電流密度を求めたところ、１４５ｋＡ／ｃｍ２であった。
表１に、通電試験条件の一例を示す。
【００１４】
【表１】
2007120950.tif 000003
【００１５】
表１において、観察領域１１の断面積は、例えば１３．７９×５０．１０μｍ２、電流密度は、例えば１４５（ｋＡ／ｃｍ２）、非通電時温度は、例えば２３℃、通電時間は、例えば３、６、１２時間とした。
通電試験後、図示省略したＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて観察領域１１のＰｂ相及びＳｎ相のＥＭ形態変化を観察したところ、通電前にカソード側に存在したＰｂ結晶が時間の経過と共にアノード側に移動し、通電１２時間後には、カソード側のＰｂ相にボイド（格子欠陥）が発生したことを確認した。
【００１６】
次に、このようなＥＭ損傷評価後の観察領域１１表面の温度計測方法について説明する。観察領域１１の表面積は、例えば幅１３．７９×長さ１００μｍ２である。このとき、被温度測定部である観察領域１１の面積は１０００μｍ２以上であることが好ましく、この面積が四角形に近似できる場合、隣接する２辺は、それぞれ縦（幅）１０μｍ以上、且つ横（長さ）１００μｍ以上であることが好ましい。前記２辺が縦（幅）１０μｍ、横（長さ）１００μｍよりも短くなると融点標準試薬を被温度測定面に当接することが困難となる。
表２に、本温度計測試験に用いた融点標準品（以下融点標準試薬という）を示す。
【００１７】
【表２】
2007120950.tif 000004
【００１８】
融点標準試薬は融点既知の試薬である。表２において、この融点標準試薬は、測定温度約８０℃〜１２０℃に対応するものであり、その融点は、約１０℃刻みで段階的に異なっている。
即ち、試薬Ａは、３，４，５−トリメトキシフェニル酢酸（Ｃ１１Ｈ１４Ｏ５）であり、その融点の文献値は１１８−１２０℃である。また、試薬Ｂは、１−ヒドロキシ−１−シクロプロパンカルボン酸（Ｃ４Ｈ６Ｏ３）であり、その融点の文献値は１０８−１１０℃である。更に、試薬Ｃは、１−メチル−２−フェニルインドール（Ｃ１５Ｈ１３Ｎ）であり、その融点の文献値は９８−１００℃である。更にまた、試薬Ｄは、イソフタルアルデヒド（Ｃ８Ｈ６Ｏ２）であり、その融点の文献値は８８−９０℃である。更にまた、試薬Ｅは、５−α−コレスタン（Ｃ２７Ｈ４８）であり、その融点の文献値は７８−８１℃である。
このような融点標準試薬を用い、先ず、融点標準試薬の融点の文献値が実測値と一致するか否かを確認するため、融点測定装置によって融点を測定したところ、これらの融点標準試薬に問題がないことを確認した。融点の実測値を表２に併せて示した。また、このとき、試薬の融点は試薬の量に依存しないことを確認した。
次に、高融点試薬である試薬Ａから順に用いて試験片１０の観察領域１１の温度測定を開始した。即ち、３, ４, ５−トリメトキシフェニル酢酸（試薬Ａ）の適量、例えば１０ｍｇをミクロスパーテルを用いて採取し、これをシリコンウェハ上で加熱溶融して液体とし、この液体状の試薬Ａに、端部が鋭角に加工された厚さ１２μｍのアルミ箔の前記鋭角の端部を浸漬し、液体状試薬Ａをアルミ箔の一端に付着させ、これを室温で放置して冷却、固化し、アルミ箔の鋭角状端部を試薬Ａで被覆した。なお、上記アルミ箔は、略五角形状を呈しており、その面積は、例えば１ｃｍ２で、鋭角状端部を形成する２辺の長さは、例えば１ｃｍである。
【００１９】
図３は、鋭角状の端部３２を有するアルミ箔の前記鋭角状端部３２を融点標準試薬３３で被覆したアルミ箔３１を示す説明図である。
図３において、アルミ箔３１の鋭角状端部３２は試薬３３によって完全に覆われている。また、前記鋭角状端部３２以外のアルミ箔３１の大部分は絶縁性テープ３４によって覆われている。絶縁性テープ３４に覆われた部分を、例えばピンセットによって挟持して後述するマニピュレータの所定位置に固定する。アルミ箔３１を絶縁性テープ３４によって被覆することによってアルミ箔３１に融点標準試薬の担持体としての強度を付与すると共に、万一、ピンセット側で漏洩電流が発生してもアルミ箔３１との絶縁性を確保することができる。この場合、試薬３３は絶縁性であるために、試薬３３が融解するまではアルミ箔３１に電流が流れることはない。従って、アルミ箔３１自体からジュール熱が発生して温度が変化することはない。
試薬Ａで端部が被覆されたアルミ箔３１をミクロンオーダーで位置移動させることができる図示省略したロボット、例えばマニピュレータを用い、図２の通電装置のシリコンウェハ２１上に固定された試験片１０の観察領域１１表面に当接させ、この観察領域１１を上述したＥＭ損傷評価時と同様の通電状態とし、３０分間静置して被温度測定面である観察領域１１と試薬Ａとの温度を均等化させ、その後、観察領域１１に当接した試薬Ａを光学顕微鏡２８によって、例えば倍率１０倍で目視観察し、前記試薬Ａが溶融したか否かを判定した。
判定の結果、試薬Ａは融解していなかったので、融点標準試薬を１−ヒドロキシ−１−シクロプロパンカルボン酸（試薬Ｂ）に代えて同様の操作を行い、試薬Ｂが融解したか否かを判定した。以下、同様にして、順次融点が低い融点標準試薬をＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅの順に使用して融点標準試薬が融解するまで同様の操作を繰り返し、試薬Ｄを適用した際に試薬が融解した。
【００２０】
図４は、アルミ箔３１の鋭角状先端部３２を被覆した試薬Ｄが融解した状態を示す図である。図４において、試薬Ｄが融解した結果、先端部のアルミ部分が露出している。なお、試薬Ｄが融解したので、試薬Ｅを用いた操作は行わなかった。
表２の融点の実測値から、融解した試薬Ｄの融点は８８．７℃であり、融解した試薬の直前に使用した融解しない試薬Ｃの融点は９８．９℃である。従って、被温度測定部であるはんだの観察領域１１の表面温度は８８．７℃以上、９８．９℃未満であることが分かった。
なお、融点標準試薬として、上記以外に、例えば文献値の融点が３２−３５℃の９，１０−ジヒドロフェナントレン（Ｃ１４Ｈ１２）、文献値の融点が、それぞれ４２−４４℃、４８−５０℃、５８−６０℃、６８−７０℃のパラフィン（ＣｎＨ２ｎ＋２）等が挙げられ、被温度測定面の温度に応じて使い分けられる。
【００２１】
本実施形態によれば、融点の異なる複数の融点標準試薬Ａ〜Ｅを、融点の高い試薬から  順に被温度測定面である観察領域１１に当接し、温度を均等化させた後、前記試薬の状態を観察し、融解した融点標準試薬の融点と、その前段階で使用した融解しない融点標準試薬の融点とに基づいて観察領域１１の温度を決定するようにしたので、被温度測定面の温度を簡易かつ精度よく、しかも安価に測定することができる。
また、融点標準試薬をアルミ箔の端部に付着させ、これをマニピュレータを用いて被温度測定面に当接、接触させるようにしたので、被温度測定面が、例えば幅数十μｍオーダーのような狭小領域であっても良好に温度測定することができる。更に、本実施形態に係る温度計測方法は、被温度測定面への通電の影響を受けることがないので、素線のみの熱電温度計を用いた従来方法では困難であった通電状態の被温度測定面であってもその表面温度を良好に測定することができる。
本実施形態において、温度計測面に当接させる融点標準試薬であって融解した試薬と融解しない試薬との融点差はなるべく小さいものを使用することが好ましく、これによって温度計測精度が向上する。
本実施形態における、通電時におけるはんだＥＭ損傷観察領域１１の表面温度測定結果は、８８．７℃以上、９８．９℃以下であり、例えば従来通電時のはんだＥＭ損傷評価部の温度として適用されてきた、例えば室温２３℃とは大幅に異なっているが、これは、従来は、ＥＭ損傷観察領域の温度を実測することができず、近似値として例えば加熱ヒータ温度、雰囲気温度等を採用していたためであると考えられる。上述のように、本実施形態によれば、例えば通電状態のはんだ観察領域１１の温度を簡易に計測することができるので、はんだのＥＭ拡散形態を決定する温度としてはんだ自体の表面温度を採用することができる。
本実施形態において、融点標準試薬の担持体である箔としては、アルミ箔以外に、例えば銅箔又は金属箔以外の箔を用いてもよい。
本実施形態の温度計測方法は、例えばＭＥＭＳ（微小電気機械システム）の表面温度測定、はんだボールをはじめとする電子部品の接合部の表面温度測定等に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態における試験片を示す説明図である。
【図２】本発明の実施形態に適用される通電装置の概要構成図である。
【図３】鋭角状の端部を融点標準試薬で被覆したアルミ箔を示す説明図である。
【図４】図３の融点標準試薬が融解した状態を示す図である。
【符号の説明】
【００２３】
１０  試験片  
１１  観察領域
１２  アルミ箔
１３  アルミ箔
１４  絶縁性接着テープ
１５  はんだ部
２１  シリコンウェハ
２２  プローブ
２３  プローブ
２４  絶縁性接着テープ
２５  定電流電源
２６  電圧計
２７  検流計（ガルバノメータ）
２８  光学顕微鏡
３１  アルミ箔
３２  鋭角状端部
３３  試薬
３４  絶縁性テープ
【図１】
2007120950.tif 000005
【図２】
2007120950.tif 000006
【図３】
2007120950.tif 000007
【図４】
2007120950.tif 000008