(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドーム形状の５０〜１０００マイクロメートルの範囲の直径を有する半導体デバイスの導電性溶着体の剪断試験用の試験装置であって、剪断力を加えるために前記溶着体の周縁部の一部に密着して係合し、前記溶着体に対して少なくとも線接触を確保するように構成された凹部を有するテストヘッドを備えている試験装置。
【請求項２】
上記凹部が上記溶着体の表面の一部と密着して係合する請求項１記載の試験装置。
【請求項３】
上記凹部が半円形状である請求項２記載の試験装置。
【請求項４】
上記凹部は、試験される溶着体の占有範囲の少なくとも７５％が密着して嵌まるように構成された直径を有する半円筒状空洞部である、請求項３記載の試験装置。
【請求項５】
上記凹部が、試験しようとする溶着体の占有範囲の少なくとも９５％が密着して嵌まるように構成されている請求項４記載の試験装置。
【請求項６】
上記凹部が、溶着体の周縁部の３０％以上の範囲にわたって密着して係合するように構成されている請求項１記載の試験装置。
【請求項７】
基板上で複数の部分球状溶着体を剪断試験し、上記溶着体は金またははんだであり導電体の接合に用いられる方法において、上記溶着体の平均半径を測定するステップと；上記平均半径とほぼ等しい半径を有し、前記溶着体の周縁部の一部に密着して係合し、前記溶着体に対して少なくとも線接触を確保するように構成された半円筒状空洞部を有する剪断試験ツールを選択するステップと；上記試験ツールを各溶着体に順次当てることにより上記基板から上記溶着体を剪断させるステップと；上記基板から上記溶着体を剪断させるための剪断力を測定するステップと；を備えている、方法。
【請求項８】
上記溶着体を剪断する前に、上記試験ツールに上記平均半径ではない溶着体を部分的に再整形（re-shaping）させ、上記再整形された溶着体は上記試験ツールの空洞部に密着して適合させる中間ステップをさらに含む請求項７記載の方法。
【請求項９】
上記再整形がそれぞれの溶着体の周縁部の３０％以上あるいは未満で生じることを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１０】
上記再整形がそれぞれの溶着体の直径の１０％の深さに限定されている請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイスにおける接合の完全性を試験するための装置に関し、より詳しくは、基板と、その基板への電気的接続手段との間の接合の強度、すなわち典型的にははんだあるいは金の部分球状溶着体（deposit）の強度を試験するための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
半導体デバイスは、通常０.２ミリメートル平方乃至１５ミリメートル平方で非常に小さい。これらの半導体デバイスは導電体を接合するための部位を有する。これらの部位は、通常、総称的にボールとして知られる金あるいははんだの部分球状溶着体を備えており、これらの溶着体は使用時には低い円形ドーム様の外形と５０〜１０００マイクロメートルの範囲の直径を有する。これらの溶着体は、例えばプリント回路基板とチップとの間の電路の一部を形成し、構成部品同士を直接接続することもあれば、他の構成部品に接続された導線に接合されることもある。
【０００３】
金の場合、ボールは熱圧縮技術によって電路に接合された金線のボール状端部からなることもある。はんだの場合は、単離状のボールを基板に貼り付け（apply）、後で別の構成部品に接続するための半円形状隆起（bump）を形成するためにリフロー（reflow）される。
【０００４】
接合方法が適切であり、接合強度が十分であるという信頼性を得るためには、金あるいははんだ溶着体と基板との金属間接合の機械的強度（mechanical strength）を試験することが必要である。これらの試験では、構成部品の寸法が非常に小さいことや、試験装置を正確に位置決めしなければならないこと、測定しようとする力やたわみが非常に小さいことにより問題が生じる。
【０００５】
このような溶着物を、その片側に平坦剪断工具をあてがうことによって試験することが提案されている。上記工具が基板表面を擦ることによって摩擦が生じることを避けるために、工具は基板表面のちょうど上（just above）にあることが必要である。工具の高さは、正確な力の測定ができるよう通常±０.００１ミリメートルの範囲内で厳密に制御されなければならない。平坦剪断工具は、通常、最初は溶着体と点接触し、その接触は溶着体の湾曲のために不十分な場合がある。その最初の点接触の結果、点荷重が大きいことから溶着体の変形が生じ、そのために上記接合にかなり大きい荷重が加わる以前に溶着体の機械的破壊を生じることがある。溶着体の破壊は剪断工具による切り込みに起因する場合もある。機械的破壊が生じると、最終的な接合の強度に関する情報が得られなくなる。
【０００６】
金のボールの場合は、典型的な金溶着体は直径が非常に小さいために機械式ピンセット（mechanical tweezers）を用いる引張試験のような従来とは異なる試験技術が不可能な点で特別な問題が生じる。
【０００７】
要求されていることは、上記の問題、特に通常の金溶着体の直径が非常に小さいことに付随する問題を解消することができる剪断試験のより良い手段である。本発明の主たる目的は、金属間界面に加えることができる荷重を可能な限り大きくすることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、ドーム形状の５０〜１０００マイクロメートルの範囲の直径を有する半導体デバイスの導電材料溶着体の剪断試験用の試験装置であって、剪断力を加えるために上記溶着体の周縁部の一部に密着して係合するよう構成された凹部を有するテストヘッドを備えた試験装置が提供される。
【０００９】
代表的な溶着体としては、はんだや金のような軟質導電材料がある。
【００１０】
凹部は、溶着体の表面の一部、例えば部分球面にわたって密着して係合してもよい。
【００１１】
好ましくは、この凹部は半円状及び円筒状である。このような凹部は、例えば部分球面状の凹部に比べて比較的作りやすい。いずれにしても、テストヘッドは接合の部位における剪断が必ず予測された破壊様態（expected mode of failure）となるよう溶着体と十分な面積にわたって係合するようにしなければならない。一般に、この凹部が溶着体の形状に近似すればするほど、溶着体と基板との間の界面で剪断破壊（shear failure）が起こりやすい。しかしながら、簡単な形態の工具を使って接合界面の剪断破壊を起こさせることができるならば、より複雑な形状のものは必要ないかもしれない。要求されることは、試験する材料の種類及び金属間接触面の接合の性質に依存する。これについては、この明細書で後程に説明する技術を用いて経験的に求めることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例においては、凹部は部分円筒状であり、好ましくは試験しようとする全ての溶着体の少なくとも７５％、最も好ましくは９５％がその中に密着して嵌入するような直径を有する半円筒状空洞部である。このような空洞部は、大きすぎるかあるいは小さ過ぎる溶着体の再整形を確実に最小限にすることができる。しかしながら、金やはんだは比較的軟質の材料であり、少々再整形すれば、接合界面を著しく変えることなく対応することができる。このような溶着体の再整形は、溶着体の周縁部の３０％以上又は未満の範囲とすることが好ましい。非常に精密に成形された溶着体の場合は、凹部を最小限の再整形で線接触あるいは狭い帯状接触のための理想的な直径に非常に近づけることができる。
【００１３】
溶着体をより密着した状態で凹部の形状に合わせることができるという点で、少々の再整形が役に立つこともある。このような再整形は、好ましくは、溶着体の直径の１０％未満、最も好ましくは５％未満の深さまである。
【００１４】
本発明の他の特徴については、添付図面に例示する実施例に関して行う以下の詳細な説明から明らかになろう。
【００１５】
添付図面では、いくつかの間隙は図を分かりやすくするためにある程度拡大して示してある。図１及び２において、ボール状端部を有する金線１２は基板１１に接続されている。溶着体１０と基板との間には金属間接合が形成され、機械的接続と電気的接続の両方が達成される。
【００１６】
一箇所の点接触は大きな初期荷重を生じさせ、これが実際に剪断工具を溶着体の比較的柔らかい材料中に食い込ませる。その結果、破壊（図５で図解すように）を助長する直線状押し込みが生じる。
【００１７】
溶着体と基板との間の接合の機械的強度を試験するためには、平坦剪断工具１３を矢印Ａの方向に動かし、溶着体１０の側面にあてがう。最終的には溶着体または接合のどちらかが破断するが、工具１３は最初は溶着体１０と一箇所で点接触するので、溶着体の方が破壊されやすい。溶着体が金属間接合の部分より上で破断すると、溶着体を基板から剪断させるために必要な力は測定することができない。接合を破壊あるいは溶着体を破壊するのに必要な力は例えば従来の歪みゲージ技術によって測定できる。
【００１８】
図画では、基板１１表面から剪断工具１３までの距離は誇張されているが、それでも平坦な工具を溶着体の曲面に当てると、特に工具が溶着体に食い込んだり、そうでなければ溶着体を歪ませたりすることから、溶着体の破断がより起こりやすい。
【００１９】
図３は、平坦剪断工具１３が接触したとき金溶着体が被る典型的な変形を示したものである。通常は、溶着体の直径の最大３分の１まで工具の面によって平たくひしゃげられる。図４に示すように、工具と基板との間に必要な間隙のために、実際には工具が溶着体を金属間接合の部分より上方で彫る結果、その金属間接合、すなわち接合の平面そのものよりも上方で一部破断が生じる（図５）。
【００２０】
この変形は望ましくないが、平坦剪断工具は比較的製作しやすいために、その欠点にもかかわらず剪断試験に使用される。
【００２１】
はんだ溶着体の場合、はんだの接合は金ボンド場合のひしゃげたボールのような外観に比して全体的に半球形状になる。しかしながら、剪断工具から受ける作用はいくぶん似通っている。はんだ溶着体の寸法は金溶着体よりほぼ１桁大きいため、他の試験方法も実施可能である。例えば、典型的な直径が７５０マイクロメートルのはんだ溶着体は接合の接合強度の引張試験を行うのにツイーザーズで把持することができる。しかしながら、通常直径が７５マイクロメートルの金溶着体または小さいはんだ溶着体は、このような仕方で把持するには小さ過ぎ、現在のところ剪断試験が唯一の実行可能な機械試験である。
【００２２】
本発明は、図６及び７に図解されている。本発明の場合、剪断工具１４はその下部に円筒状の凹部１５を具備し、この凹部１５の直径は溶着体１０の直径とほぼ同じである。
【００２３】
この円筒状空洞部工具１４によれば、溶着体に対して少なくとも線接触が確保され、平坦工具１３の場合のような大きい初期点荷重が回避され、これに伴って溶着体の大きな変形も避けられる。実際には、空洞工具１４は溶着体の縁部を僅かにひしゃげさせ、金溶着体の場合図８及び９に示すような外観になることもある。この場合、変形によって周縁部の一部に沿って比較的狭小な帯状部１６が形成される。
【００２４】
はんだ溶着体の場合、変形により図１０及び１１に示すような典型的な外観を呈することがある。この場合の帯状部１７は、はんだ溶着体がドーム形状なため幾分へこんでいる。はんだ溶着体はまた、実際により球状に近づくことがあり、その場合は、工具の接触部で図８に似た平らな帯状になることも考えられる。
【００２５】
例１
ある比較試験において、直径が７０〜９０マイクロメートルの範囲の金の溶着体を円筒状空洞部を有する工具で試験した。基板上の工具の高さを変えて試験を行った。円筒状空洞工具を用いて加えた最大荷重は、従来の平坦剪断工具の場合より概して９％より大きかった。このように増加した荷重で溶着体破壊の割合は低いという結果をもたらし、このことは溶着体全体が基板から除去された試験のパーセンテージを示す（従って金属間接合の純粋な剪断破壊だけを示す）下記の表に示されている。
0004369595.tif 000002
【００２６】
試験後に溶着体を調べた結果、平坦剪断工具では変形によって顕著に平坦な面を表したのに対し（図３及び４）、空洞工具を用いた場合、溶着体は変形が非常に少ないままであった（図８及び９）。平坦剪断工具に起因する変形は、特に金属間接合の強度を試験するのに必要な力より小さい力で溶着体を破断させることによって、明らかに溶着体の内部構造に影響を及ぼす。なお、試験した溶着体は非常に小さい（約７５μm ）ため、図面では強調されている。
【００２７】
例２
次に、直径が７３０マイクロメートル及び７５０マイクロメートルのはんだ溶着体と、円筒状空洞部を有する工具を用いて典型的な試験を実施した。
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【００２８】
この場合も空洞部剪断工具の印加荷重は平坦剪断工具の場合よりそれぞれ４.８％及び８％高かった。
【００２９】
いずれの場合も、溶着体は金属間接合とは異なる位置だが近傍の基板上のはんだ部分を通して剪断された。このように、はんだ溶着体が耐え得る荷重は金属間接合に確実に破断を生じさせるには不十分であるが、従来の試験方法より著しく改善されている。
【００３０】
平坦工具の場合は、相当大きい変形が起こり、溶着体の直径の約３５％の平らなへこみが生じた。空洞部工具では、図１０及び１１に示すように、ほとんど変形が生じなかった。印加荷重は金属間界面ではんだを剪断するほど十分ではなかったが、それでも接合は、従来の平坦剪断工具により試験することができる強度よりは高い強度を有することを示す。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、テストヘッドに試験しようとする溶着体の外形に適合した空洞部を設けた簡単な構成により、試験荷重による溶着体の破壊を少なくして、基板との接合強度を正確に測定することが可能になり、半導体デバイスの生産性が改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術のチゼル・テストヘッドを示す立断面図である。
【図２】従来技術のチゼル・テストヘッドの横断面図である。
【図３】試験後における従来技術の溶着体を示す概略斜視図である。
【図４】試験中の従来技術の溶着体を示す立側面図である。
【図５】図４の溶着体の破壊後の状態を示す立側面図である。
【図６】本発明のテストヘッドを示す立断面図である。
【図７】図６のテストヘッドの横断面図である。
【図８】図６のテストヘッドにより生じた金溶着体の変形を示す立側面図である。
【図９】図６のテストヘッドにより生じた金溶着体の変形を示す平面図である。
【図１０】はんだ溶着体の場合におけるそれぞれ図８及び９に対応する図である。
【図１１】はんだ溶着体の場合におけるそれぞれ図８及び９に対応する図である。
【符号の説明】
１０  溶着体
１１  基板
１２  導電体
１３  平坦工具（平坦剪断工具）
１４  剪断工具
【図１】
0004369595.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
0004369595.tif 000007
【図５】
0004369595.tif 000008
【図６】
0004369595.tif 000009
【図７】
0004369595.tif 000010
【図８】
0004369595.tif 000011
【図９】
0004369595.tif 000012
【図１０】
0004369595.tif 000013
【図１１】
0004369595.tif 000014