(57)【要約】 【課題】  はんだ接合部を含む電子部品の劣化を非破壊で診断する。【解決手段】  はんだ接合部を含む電子部品を加熱しながら、電子部品の熱分布のデータ画像を経時的に計測する。熱分布のデータ画像から、Ｎ（Ｒ）・ＲＤ＝Ｃ…（１）（但し、式中、Ｎ（Ｒ）は被覆に必要な立方体の数、Ｒは立方体の一辺の長さ、Ｄはフラクタル次元、及びＣは定数（対象立体の体積）を表す）に基づいてフラクタル解析を行い、フラクタル次元を求める。その後、フラクタル次元の経時変化を評価する。【選択図】図１
2012042393.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
はんだ接合部を含む電子部品を加熱しながら、該電子部品の熱分布のデータ画像を経時的に計測し、
該熱分布のデータ画像から、下記式（１）に基づいてフラクタル次元を求め、
Ｎ（Ｒ）・ＲＤ＝Ｃ…（１）
（但し、式中、Ｎ（Ｒ）は被覆に必要な立方体の数、Ｒは立方体の一辺の長さ、Ｄはフラクタル次元、及びＣは定数（対象立体の体積）を表す。）
該フラクタル次元の経時変化を評価することを含む、
はんだ接合部の非破壊による劣化診断方法。
【請求項２】
前記フラクタル次元の経時変化の評価は、はんだ接合部毎に、フラクタル次元の経時変化及びその立ち上がりを比較して差を求めることを含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記差が最も大きいものを最大亀裂発生部として特定することを含む請求項１または２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体装置やダイオードの半導体やパワー素子やプリント基板などの種々の電子部品に実装される素子、チップなどのはんだ接合部の劣化及び寿命検出に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、一般に、電車、自動車、エレベータ等のドライブシステムに搭載される半導体装置は、半導体装置基板が樹脂モールドされており、その樹脂モールド内部には、シリコンのポッティング材が充填されている。この様にシリコンで充填されている場合は、樹脂をすべて除去し、部品の接合部を一つ一つ拡大鏡などを用いて観察して判定する方法がある。しかしながら、樹脂を除去するためには、除去液を準備し、浸漬して、数時間〜場合によっては数日間浸漬が必要となる。仮に浸漬して除去できた場合でも、判定に時間が掛かる。
【０００３】
また、例えば、ＣＰＵなどの接続で用いられるＢＧＡでは、１２００ピンという多ピンのものまであり、どの部位が劣化しているかを正確に検出することは非常に難しい。
【０００４】
例えばはんだクラックが発生して使用できなくなったはんだ接合部に含浸油を真空含浸させ、真空含浸前及び真空含浸後のはんだ接合部の重量を測定し、各重量の変化量によりはんだクラックの大きさを非破壊の状態で測定するようにしたことを特徴とするはんだクラックの測定方法がある。しかしながら、上述のように、樹脂の除去に時間がかかり、さらに、ポッティング材が完全に除去できなければ、亀裂内部への含浸もできず、重量変化もさらに誤差が広がる。
【０００５】
はんだ接合部の劣化を知ることは、製品のトラブルの対策として非常に有効である。
【０００６】
また、製品のトラブルを未然に防止するためには、使用中のはんだ接合部の接合部の劣化を調べて、製品の寿命を知ることが望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３６６１７１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の実施形態は、はんだ接合部を含む電子部品の劣化の非破壊による診断を行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
実施形態によれば、
はんだ接合部を含む電子部品を加熱しながら、該電子部品の熱分布のデータ画像を経時的に計測し、
該熱分布のデータ画像から、下記式（１）に基づいてフラクタル次元を求め、
Ｎ（Ｒ）・ＲＤ＝Ｃ…（１）
（但し、式中、Ｎ（Ｒ）は被覆に必要な立方体の数、Ｒは立方体の一辺の長さ、Ｄはフラクタル次元、及びＣは定数（対象立体の体積）を表す。）
該フラクタル次元の経時変化を評価することを含むはんだ接合部の非破壊による劣化診断方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態に係るはんだ接合部の非破壊による劣化診断方法を表すフロー図である。
【図２】半導体パワー素子の構成の一例を正面から見た図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面を部分的に表す模式図である。
【図４】はんだ接合部表面の劣化の様子を表す電子顕微鏡写真である。
【図５】実施形態に係る方法に用いられるサーモグラフィのデータ画像を表す写真である。
【図６】はんだ接合部の破断面の電子顕微鏡写真である。
【図７】はんだ接合部表面の様子を表す電子顕微鏡写真である。
【図８】実施形態に係る方法に用いられるサーモグラフィのデータ画像を表す写真である。
【図９】加熱時間とフラクタル次元との関係を表すグラフである。
【図１０】加熱時間とフラクタル次元との関係を表すグラフである。
【図１１】実施形態に係る方法に用いられるサーモグラフィのデータ画像を表す写真である。
【図１２】実施形態に係る方法に用いられるサーモグラフィのデータ画像を表す写真である。
【図１３】実施形態に係る方法に用いられるサーモグラフィのデータ画像を表す写真である。
【図１４】実施形態に係る方法に用いられるサーモグラフィのデータ画像を表す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施形態にかかるはんだ接合部の非破壊による劣化診断方法では、まず、はんだ接合部を含む電子部品を加熱しながら、該電子部品の熱分布のデータ画像を経時的に計測する。
【００１２】
該熱分布のデータ画像から、下記式（１）に基づいてフラクタル解析を行い、フラクタル次元を求める。
【００１３】
Ｎ（Ｒ）・ＲＤ＝Ｃ…（１）
（但し、式中、Ｎ（Ｒ）は被覆に必要な立方体の数、Ｒは立方体の一辺の長さ、Ｄはフラクタル次元、及びＣは定数（対象立体の体積）を表す。）
その後、フラクタル次元の経時変化を評価する。
【００１４】
式（１）は、例えば以下のように書き換えることが出来る。
【００１５】
logＮ(Ｒ)＝logＣ−Ｄ・logＲ 
ここで用いられるフラクタル次元は、分布形状の複雑さを表わす指標で、温度分布では２〜３次元で表現することができる。
【００１６】
フラクタル次元の算出方法は、立法体の大きさＲを変化させて擬似表現した時の被覆個数Ｎとの間が一様な値Ｃにした時、上記式（１）に示す関係  Ｎ（Ｒ）・ＲＤ＝Ｃの関係があることから得られたＤをフラクタル次元としている。
【００１７】
以下、図面を参照し、実施形態をより詳細に説明する。
【００１８】
図１は、実施形態に係るはんだ接合部の非破壊による劣化診断方法を表すフロー図を示す。
【００１９】
実施形態においては、種々の電子部品に実装される素子、チップなどのはんだ接合部について経時的な熱分布測定を行い（Ｂｌｏｃｋ  １）、熱分布の赤外線画像データを得る。その後、その熱分布の赤外線画像データを基にフラクタル解析を実施し、フラクタル次元を求める（Ｂｌｏｃｋ  ２）。
【００２０】
その後、フラクタル次元の経時変化を評価する（Ｂｌｏｃｋ  ３）。
【００２１】
フラクタル次元の経時変化の評価として、はんだ接合部毎に、フラクタル次元の経時変化及びその立ち上がりを比較して差を求めることができる。
【００２２】
得られたフラクタル次元と時間との関係を、測定部位毎にグラフ化し、それぞれ立ち上がりとフラクタル次元を比較し、最も立ち上がりが緩やかで、次元の低いものを選定する。これにより、劣化診断として、差が最も大きいものを最大亀裂発生部として特定することができる。（Ｂｌｏｃｋ  ４）。また、劣化していない接合部のデータと、劣化が生じている接合部のデータの差から、劣化の進行の度合いを判断することが出来る。これにより、接合部の寿命を診断することも可能である。さらに、この劣化を早期発見することにより、製品の信頼性向上が図れ、トラブルの未然防止が可能となる。
【００２３】
熱分布のデータ画像を得ただけでは、発熱状態の画像を監視するだけであるが、実施形態にかかる方法では、さらにフラクタル解析を行うことにより、熱分布のデータ画像を定量的に評価することができる。
【００２４】
このように、実施形態に係る接合部の非破壊による劣化・寿命診断方法を用いると、接合部の劣化や寿命の診断に不慣れな人でも、データを見るだけで簡単に、診断することが可能となる。
【００２５】
実施形態にかかる方法では、例えば高周波などの誘導加熱により一様に加熱された例えば鉄板等の熱伝導体を上記半導体部品あるいは上記プリント基板実装部品等に接触させて、半導体部品の接合部やプリント基板実装部品の接合部等の加熱を行なうことができる。
【００２６】
温度分布データの取得には、例えばサーモピュア等の温度測定機器を使うことができる。
【００２７】
以下、実施例を示し、実施形態をより詳細に説明する。
【実施例】
【００２８】
図２は、実施形態にかかるはんだ接合部の非破壊による劣化診断方法が適用可能な半導体パワー素子の構成の一例を正面から見た図を示す。
【００２９】
図示するように、この絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ素子２０は、絶縁基板２１と、その上に設けられた、コレクタ端子３１，ゲート端子３２，エミッタ端子３３、及び図示しない接合部を介して形成されたＦＲＤチップ１６及びＩＧＢＴチップ２４を有する。ＦＲＤチップ１６及びＩＧＢＴチップ２４は、各々、コレクタ端子３１，ゲート端子３２，エミッタ端子３３と接続されている。
【００３０】
図３に、図２のＡ−Ａ断面を部分的に表す模式図を示す。
【００３１】
Ａ−Ａ断面図には、実施形態に係るエミッタ端子３３周囲の断面の様子が記載されている。
【００３２】
ここでは、ＡｌＳｉＣからなる約４ｍｍの厚さを有する放熱基板１５上に、約５０μｍの厚さを有する例えばＳｎ−３７質量％Ｐｂはんだからなる錫−鉛はんだ接合層１７により接合された約０．２９ｍｍの銅配線層２８、銅配線層の上に設けられた約１ｍｍの厚さを有するＡｌＮ絶縁基板２１、ＡｌＮ絶縁基板２１上に設けられたもう１つの銅配線層２２，銅配線層２２上に設けられた、例えばＳｎ−３７質量％Ｐｂはんだからなる錫−鉛はんだ接合部２３、及び厚さ１．２ｍｍのエミッタ端子３３が設けられている。
【００３３】
エミッタ端子３３上には図示しない絶縁性ゲルが充填され、放熱基板１５上に設けられたケースにより封止されている。
【００３４】
実施例１
図２と同様の構成を有する半導体パワー素子を用意し、各々、熱疲労試験として、Δｔ  ７０℃で１万回のＯＮ−ＯＦＦサイクルを実施した。
【００３５】
熱疲労試験後のエミッタ端子表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察し、はんだ接合部の大きな劣化を確認することができるものをサンプルとして選んだ。
【００３６】
図４に、エミッタ端子のはんだ接合部表面の劣化の様子を表すＳＥＭ写真を示す。
【００３７】
図示するように、このサンプルは、はんだ接合部に亀裂が生じていた。
【００３８】
このエミッタ端子に誘導加熱装置による下面からの加熱を実施し、加熱しながら、０．２５秒ごとに、サーモグラフィにより測定し、劣化の様子を温度分布データ画像で観察した。
【００３９】
図５に、加熱から４０秒後のエミッタ端子のサーモグラフィのデータ画像を表す写真を示す。
【００４０】
この結果では、熱疲労試験によりはんだ接合部が劣化している場合は、数秒で高温を表す赤い部分と低温を表す青い部分とがみられ、一様に加熱されないことがわかった。
【００４１】
続いて、劣化した部分を剥離し、はんだ接合部の破断面をＳＥＭで観察した。
【００４２】
図６に、はんだ接合部の破断面のＳＥＭ写真を示す。
【００４３】
図示するように、図５のサーモグラフィにおける青い部分の形状は、ＳＥＭ写真において、開口した亀裂に良く一致しており、劣化の形状に相当することを確認することができた。
【００４４】
劣化に関しては、この青い部分の面積が広ければ、劣化が進行していることがわかり、寿命診断においては、青い部分の長さを計測し、剥離した部分と残存した部分からき裂進展率を算出して、残像寿命を算出することができる。
【００４５】
実施例２
図２と同様の構成を有する半導体パワー素子を用意し、各々、熱疲労試験として、Δｔ  ７０℃で１万回のＯＮ−ＯＦＦサイクルを実施した。
【００４６】
このエミッタ端子に誘導加熱装置による下面からの加熱を実施し、加熱しながら、０．２５秒ごとに、サーモグラフィにより測定した。
【００４７】
サーモグラフィにより劣化の状態を温度分布データ画像によって観察し、劣化が小さいものをサンプルとして使用した。
【００４８】
図７に、エミッタ端子の他の例のはんだ接合部表面の様子を表すＳＥＭ写真を示す。
【００４９】
図示するように、外観上、はんだ接合部に亀裂などは確認できない。
【００５０】
続いて、誘導加熱装置による下面からの加熱を実施し、パワー素子部分の端子を取り出してサーモグラフィにより劣化の状態を温度分布データ画像によって観察した。
【００５１】
図８に、加熱から４０秒後のエミッタ端子のサーモグラフィのデータ画像を表す写真を示す。
【００５２】
加熱から数秒で中温を表す橙色部分と低温を表す青い部分とがみられ、図５と比較すると極端に高温となる部分がなく、一様に加熱されていることがわかった。
【００５３】
劣化の大きいはんだ接合部と劣化の小さいはんだ接合部について、サーモグラフィの各データ画像から式（１）に基づいてフラクタル次元を求めた。
【００５４】
図９に、劣化の大きいはんだ接合部と劣化の小さいはんだ接合部について、加熱時間とフラクタル次元との関係を表すグラフを示す。
【００５５】
図中、劣化の小さいはんだ接合部を表すグラフは１０２、劣化の大きいはんだ接合部を表すグラフは１０１である。
【００５６】
また、図中、図５に示す温度分布データ画像が測定された時点はＳ１秒（１９秒）後、図８に示す温度分布データ画像が測定された時点はＳ２秒（２３秒）後として各々示す。
【００５７】
劣化の大きいはんだ接合部と劣化の小さいはんだ接合部とでは、フラクタル次元の立ち上がりが大きく異なっていた。また、劣化の大きいはんだ接合部と劣化の小さいはんだ接合部について、フラクタル次元の差が最も大きいものが最大亀裂発生部として特定できることができることがわかった。
【００５８】
これは、はんだ接合部だけではなく、その他の実施形態の例として、パワーデバイスのＳｉチップ直下の接合部の劣化や今後使用されるＳｉＣチップを用いたものの直下接合部分の劣化などもフラクタル次元を測定し、フラクタル次元の立ち上がりと接合部毎の次元を測定し、その差が最もきいものが最大亀裂発生部として特定できる。
【００５９】
このようにして、接合部の非破壊による劣化及び寿命診断方法が得られる。
【００６０】
実施例３，４
図２と同様の構成を有する半導体パワー素子を用意し、各々、熱疲労試験として、Δｔ  ７０℃で１万回のＯＮ−ＯＦＦサイクルを実施した。
【００６１】
このエミッタ端子に誘導加熱装置による下面からの加熱を実施し、加熱しながら、０．２５秒ごとに、サーモグラフィにより測定、実施例１及び２と同様にして、劣化の大きいはんだ接合部を持つ半導体パワー素子と、劣化の小さいはんだ接合部を持つ半導体パワー素子とを得た。
【００６２】
図１０に、劣化の大きいはんだ接合部と劣化の小さいはんだ接合部について、加熱時間とフラクタル次元との関係を表すグラフを示す。
【００６３】
図１１ないし図１４に、劣化の大きいはんだ接合部と劣化の小さいはんだ接合部について、加熱から各々数秒後のエミッタ端子のサーモグラフィのデータ画像を表す写真を示す。
【００６４】
図中、劣化の大きいはんだ接合部のグラフは２０１，劣化の小さいはんだ接合部のグラフは２０２に示す。
【００６５】
また、図１０中、図１１に示す温度分布データ画像が測定された時点はＴ１秒（１４秒）後、図１２に示す温度分布データ画像が測定された時点はＴ２秒（２５秒）後、図１３に示す温度分布データ画像が測定された時点はＴ３秒（１５秒）後、及び図１４に示す温度分布データ画像が測定された時点はＴ４秒（２６秒）後として各々示す。
【００６６】
図示するように、熱疲労試験によりはんだ接合部が劣化している場合は、早い段階で、中温を表す橙色の部分が現れ、その後部分的に高温を表す赤及び白い部分が現れ、中温を表す橙色の部分は、時間が経過しても高温になりにくく、一様に加熱されないことがわかった。
【００６７】
一方、熱疲労試験によるはんだ接合部の劣化が小さい場合は、早い段階では、中低温を表す緑色部分がみられ、時間が経過すると中温を表す橙色となり全体的に一様に加熱される傾向があることがわかった。
【００６８】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６９】
１５…基板、１７…はんだ接合層、２０…半導体素子、２１…基板、２２，２８…配線部、２３…接合部、２４…半導体チップ、３０…半導体実装部品、３３…エミッタ端子
【図１】
2012042393.tif 000003
【図２】
2012042393.tif 000004
【図３】
2012042393.tif 000005
【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】
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【図９】
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【図１０】
2012042393.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2012042393.tif 000016