(57)【要約】【課題】被着材と樹脂との界面強度を高い再現性及び精度にて評価可能な界面強度評価装置を提供する。【解決手段】本発明の界面強度評価装置は、被着材１と、被着材１の一面に当接して設けられた筒体１０と、筒体１０内において筒体１０の内側の形状に形成され、かつ被着材１と接着して界面強度が評価される樹脂２と、筒体１０に連結され筒体１０に対して負荷を与える負荷ツール４とを備える。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被着材と、前記被着材の一面に当接して設けられた筒体と、前記筒体内において当該筒体の内側の形状に形成され、かつ前記被着材と接着して界面強度が評価される樹脂と、前記筒体に連結され前記筒体に対して負荷を与える負荷ツールとを備えることを特徴とする界面強度評価装置。
【請求項２】
前記筒体は、その材質が当該筒体内において前記被着材と接着している樹脂よりも剛性が高いことを特徴とする請求項１に記載の界面強度評価装置。
【請求項３】
前記筒体は、形状及び前記被着材と成す角度が任意であることを特徴とする請求項１に記載の界面強度評価装置。
【請求項４】
前記筒体は、外周側に配置された外筒及び内周側に配置された内筒に分離構成され、前記内筒にはその内周側の形状となって前記被着材と接着している前記樹脂を有する一方、前記外筒は前記内筒の外周に対して回転可能としたことを特徴とする請求項１に記載の界面強度評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、界面強度を評価する装置に関し、特に被着材と接着剤との２相間の界面の強度を評価する装置の技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に２つの材料を接着又は接合（以下、これらを接着という。）するとき、２つの被着材の間には、接着剤又は接合材（以下、これらを接着剤という。）が存在する。
【０００３】
主に高分子からなる樹脂系接着剤は、液状で被着材に塗布して貼り合わせた後、加熱や紫外線等によって硬化させるものが多い。また、錫・銀・銅等の合金から成るはんだも、加熱時に液状で被着材に塗布した後、冷却によって固化して被着材と接合する。
【０００４】
その接合体に負荷を加えて被着材が再び２つに分離するときの負荷は、接着の強さとして評価される。但し、２つの被着材が分離するモードには、被着材が破壊、接着剤が破壊、被着材と接着剤との間が剥離、及びこれらの混合モードと多様である。しかも、被着材と接着剤との組合せが同一である上に製造条件を揃えても、強度が数倍から数十倍以上異なることもある。
【０００５】
ところで、樹脂やはんだを多く使用している電子部品の内部には、多くの界面が存在する。部品や配線を保護する封止樹脂やアンダーフィル樹脂は、それぞれ素子や基板等に接着している。これらの接着界面の不良に起因して発生する界面剥離や破壊（クラック）は、部品の信頼性を著しく損なう要因となっている。以下の説明では、接着剤、接合材等をまとめて「樹脂」ということもある。
【０００６】
接着強度を評価する一般的な方法は、大きく分けて２通りある。その一つは図６に示すように一対の被着材１，１の一端を樹脂２により貼り合わせ、矢印Ａで示す負荷方向にそれぞれの他端を引張って被着材１，１が分離するときの荷重を測定する方法である（非特許文献１、特許文献１、特許文献２参照）。
【０００７】
一方、接着強度を評価するもう一つの方法は、図７に示すように製造された部品等をそのままで評価するときに用いられる方法で、被着材１に樹脂（接着剤）２を介して接着している試験片３に負荷ツール４から矢印Ａの方向に直接負荷を与え、樹脂２が剥がれるか、又は樹脂２、被着材１若しくは試験片３が破壊する荷重を測定する方法である。この方法は、接着剤の他に、ワイヤ接合やはんだ接合の評価に多く用いられる（非特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５参照）。
【特許文献１】特許第３３４０３１３号公報
【特許文献２】特開平９−６１３４０号公報
【特許文献３】特開２００３−１０６９９０公報
【特許文献４】特開２０００−３２１１９６公報
【特許文献５】特開昭６０−１９３１３５号公報
【非特許文献１】１  ＪＩＳ  Ｋ  ６８５０、「引張せん断接着強さ」
【非特許文献２】２  ＪＩＳ  Ｚ  ３１９８−７、「チップ部品のはんだ継手せん断試験」
【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、これらの従来の方法には、いくつかの問題点がある。すなわち、第１の問題点は、図６に示すような評価方法において、図８Ａ及び図８Ｂに示すように被着材１，１と樹脂２とが剥離するモード、あるいは図８Ｂ及び図８Ｃに示すようにどちらかが破壊するときのモード、すなわち被着材１，１と樹脂２の剥離モード、樹脂２の破壊モードがある他、被着材１，１の破壊モードまたはこれらの混合モードと多数混在することである。そのため、被着材１，１と樹脂２の界面強度に特化して評価することが難しいという問題点がある。
【０００９】
第２の問題点は、図７に示すような評価方法において、負荷ツール４により一方向から試験片３に負荷を与えると、試験片３の一部に荷重が集中するため、剛性の小さな試験片３（例えばシリコーン系やゴム系の接着剤）では応力が緩和されたり、大きな変形が生じることである。その結果、応力分布が変わり剥離モードにバラツキが生じて、界面強度が正確に測定することができないという問題点がある。
【００１０】
第３の問題点は、図７に示すような評価方法において、負荷ツール４により一方向から試験片３に負荷を与えるため、負荷ツール４が試験片３に当接する位置、負荷ツール４の移動軸及び試験片３の中心軸にずれが生じやすいことである。現状では、負荷ツール４の移動速度や高さ方向の位置等に関しては制御可能であるものの、試験片３に対する負荷ツール４の初期位置及び負荷方向等については、目視あるいは拡大鏡等を用いて目分量で設置している例が多く、結果としてバラツキの要因となっている問題がある。
【００１１】
第４の問題点は、図６に示すような評価方法及び図７に示すような評価方法において、樹脂２の形状の微小部分にバラツキが大きいことである。つまり、界面の強度に大きく影響する因子の一つに接触角が考えられる。液状の樹脂の場合、被着材１，１との濡れ性や圧着力等により決定されると考えられ、樹脂２の端部全体としては図６及び図８に示すようにフィレット（円弧）５が形成される。
【００１２】
ところが、樹脂２は硬化時に収縮し、さらに高温から常温になった時点で熱収縮するため、接触角は当初より減少することが多い。以下、硬化後の接触角を接着角度６（図９）という。上記フィレット５や接着角度６を制御することは困難であるため、評価結果にもバラツキが生じると考えられる。なお、図９では、開口モード７に界面剥離部８が示され、また樹脂破壊部９も示されている。
【００１３】
第５の問題点は、上記のように応力分布、破壊モード及び微小部分の形状が異なるため、評価結果を単位面積当たりの界面強度という形態に一般化することが困難なことである。したがって、引張強度や曲げ強度等と異なり、界面強度については、それぞれの評価結果を単純に比較することができないという問題点がある。
【００１４】
本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、被着材と樹脂との界面強度を高い再現性及び精度にて評価可能な界面強度評価装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、被着材と、前記被着材の一面に当接して設けられた筒体と、前記筒体内において当該筒体の内側の形状に形成され、かつ前記被着材と接着して界面強度が評価される樹脂と、前記筒体に連結され前記筒体に対して負荷を与える負荷ツールとを備えることを特徴とする。
【００１６】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の界面強度評価装置において、前記筒体は、その材質が当該筒体内において前記被着材と接着している樹脂よりも剛性が高いことを特徴とする。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の界面強度評価装置において、前記筒体は、形状及び前記被着材と成す角度が任意であることを特徴とする。
【００１８】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の界面強度評価装置において、前記筒体は、外周側に配置された外筒及び内周側に配置された内筒に分離構成され、前記内筒にはその内周側の形状となって前記被着材と接着している前記樹脂を有する一方、前記外筒は前記内筒の外周に対して回転可能としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る界面強度評価装置によれば、樹脂が筒体の内側の形状に形成されることにより、形状の微小部分のバラツキが少ない樹脂の試験片を得ることができる。また、樹脂の試験片から筒体を取り除かずに一体化した試験片として用いることにより、作業効率を高め、また筒体を取り除く時に生じる余分な負荷のかからない試験片を提供することができるとともに、試験片への負荷は筒体を通して与えることになり、樹脂の一部に応力が集中して変形することなく、被着材と樹脂との界面強度を高精度に評価することができる。そして、筒体と負荷ツールを連結することにより、制御可能で軸ずれのない精度の良好な負荷方法を実現した評価装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】
（第１実施形態）
図１Ａは本発明に係る界面強度評価装置の第１実施形態を示す概略側面図、図１Ｂは図１Ａの筒体及び負荷ツールを示す概略平面図である。なお、従来例と同一又は対応する部分には、同一の符号を用いて説明する。
【００２２】
図１Ａに示すように、平板状に形成された被着材１の上面には、円筒状に形成された筒体１０が当接して設置されている。この筒体１０は、材質が例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）により形成されることにより、剛性が樹脂２より充分大きな材質からなる。また、筒体１０は、軸方向に沿って矩形板状の連結板１１が一体に形成されている。この連結板１１には、上下に２つ挿通孔１１ａが形成されている。
【００２３】
被着材１の上面と、筒体１０において被着材１の上面と当接している下端開口面は、それぞれ平坦に形成されている。筒体１０の内部には、未硬化状態のエポキシ系の樹脂２が収容される。この樹脂２の量は、筒体１０の内側底面を充分覆う程度であれば任意に調整可能である。樹脂２は、適切な硬化温度で加熱され、この加熱にはホットプレート又は恒温槽が用いられる。このとき、樹脂２の硬化中に筒体１０が移動するのと、被着材１の反りを防止するため、図示しない所定重量のガラス板を筒体１０の上端に載置する。被着材３との界面強度を評価するための樹脂２の外形は、筒体１０の内側の形状と同一形状に硬化している。樹脂２と被着材１は、図１Ａに示すように筒体１０の内側底面において接着部１０ａとして接着しているものの、筒体１０の底面と被着材１とは、非接着部１０ｂとして示すように接着していない。
【００２４】
負荷ツール４は、図１Ｂに示すように開口部４ａを有する平面コ字状にステンレス鋼から形成され、下部両側にそれぞれ２つの取付孔４ｂが形成されている。これにより、筒体１０の連結板１１を負荷ツール４の開口部４ａ内に配置した後、ボルト１２を負荷ツール４の取付孔４ｂと連結板１１の挿通孔１１ａを挿通して端部をナット１３によって締付け固定することにより、筒体１０に負荷ツール４が連結される。したがって、負荷ツール４は、筒体１０に対して負荷を与えたり移動させたりすることができる。そして、負荷ツール４により樹脂２に負荷を与える際は、筒体１０を樹脂２から外さないようにする。なお、筒体１０と樹脂２を載置した被着材１は、図示しないステージに着脱可能に固定される。そして、ボルト１２、ナット１３は、ステンレス鋼から形成されている。
【００２５】
次に、本実施形態の作用を説明する。
【００２６】
上述したように筒体１０は、樹脂２から取り外すことなく、そのまま試験に供するため、従来の方法のように樹脂２から型を外す手間と、その時不用意にかかる負荷とを軽減することができる。
【００２７】
また、負荷ツール４により樹脂２に負荷を図１Ａに矢印で示す負荷方向Ａのように与える際、負荷ツール４は筒体１０と連結しており、被着材１の表面と平行に移動して筒体１０に負荷を与える。筒体１０、負荷ツール４及び連結部材としてのボルト１２、ナット１３は、ステンレス鋼から形成され、樹脂２よりも剛性が大きいため、樹脂２の側面に均等な負荷を与えることができる。さらに、筒体１０の内側の形状に樹脂２が形成されているため、樹脂系接着剤やはんだ接合材以外に、柔らかい樹脂、例えばシリコーン系接着剤やゴム系接着剤についても同様の負荷を与えて界面強度を評価することが可能となる。
【００２８】
そして、負荷ツール４には、図示しないが負荷ツール４の移動距離及び荷重を感知するセンサと、記録するデータロガー部とが接続されている。また、負荷ツール４は、界面の剥離（荷重が一定時間に低下する）を感知して任意に停止する。さらに、負荷ツール４は、移動速度、移動距離等を任意に設定することができる。
【００２９】
なお、上記センサにより得られた荷重には、筒体１０と被着材１との摩擦による荷重が含まれる。そのため、予め樹脂２の存在しない状態で負荷を与えたときの荷重を測定しておき、得られた荷重から差し引いたものを評価する。
【００３０】
このように本実施形態によれば、筒体１０の内側の形状に樹脂２が形成されているため、試験片の作製において界面強度のバラツキの要因である被着材１と樹脂２との接着角度やフィレットを制御することができる。そのため、製造時の条件や環境の相違によるバラツキが少ない試験片を作製することが可能である。また、筒体１０から樹脂２を取り出す必要がないため、作業効率を格段に向上させることができる。
【００３１】
さらに、負荷ツール４が筒体１０に連結されているため、荷重がかかる位置を正確に制御することができ、負荷方向と試験片の軸とのずれが生じない。また、筒体１０は、樹脂２よりも剛性が大きく、かつ樹脂２の側面全体を覆っているため、負荷は一様となる。したがって、負荷が樹脂２の側面のある一点に集中、又はある点より上方だけにかかるということがなく、樹脂２が上方で曲がるモード、樹脂が破壊するモード、又は負荷と反対側の樹脂２と被着材１との界面のある点を支点として回転かつ開口するモードの損傷は発生しない。そのため、他のモードを含まない樹脂２と被着材１との界面の強度の評価が可能となる。
【００３２】
以上のように本実施形態によれば、接着面積、接着角度及び負荷方式を制御することによって、被着材１と樹脂２との界面強度を高い再現性及び精度にて評価することが可能となる。その結果、２相間の界面強度を評価する装置において、被着材１を拘束して負荷を与えると、被着材１自身が破壊するような脆性材料や、逆に大きく変形する塑性材料やゴム状材料の接着強度を評価することができる。また、試験片単独でも、市販の引張試験機やダイシェア試験機等の負荷ツールを利用して評価が可能である。
【００３３】
（第２実施形態）
図２は本発明に係る界面強度評価装置の第２実施形態を示す概略側面図である。なお、前記第１実施形態と同一又は対応する部分には、同一の符号を用いて説明する。その他の実施形態も同様である。
【００３４】
前記第１実施形態では、筒体１０の形状を円筒状に形成したが、本実施形態は、筒体１０の形状が断面台形状であって円錐台状に形成されている。また、本実施形態は、筒体１０の形状は任意でよく、特に接着角度６を決定する形状に制限を設けない。
【００３５】
このように本実施形態によれば、筒体１０の形状及び被着材１と成す角度（接着角度６）が任意であるので、界面強度に大きな影響を与える接着角度６を筒体１０の形状によって変化させ、界面強度との相関を評価することが可能となる。その他の構成及び作用は、前記第１実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
【００３６】
（第３実施形態）
図３Ａは本発明に係る界面強度評価装置の第３実施形態を示す概略側面図、図３Ｂは図３Ａの筒体及び負荷ツールを示す概略平面図である。
【００３７】
本実施形態では、筒体１０は、周方向に互いに対向する位置であって、軸方向に沿って一体に２枚の矩形板状の連結板１１，１１が形成されている。また、負荷ツール４は、図３Ｂに示すように開口部４ａを有する平面逆Ｃ字状にステンレス鋼から形成され、筒体１０の連結板１１，１１を負荷ツール４の開口部４ａ内に配置した後、２本のボルト１２，１２を負荷ツール４の取付孔４ｂと連結板１１の挿通孔１１ａを挿通して端部をナット１３，１３によって締付け固定することにより、筒体１０に負荷ツール４が連結される。
【００３８】
このように本実施形態によれば、前記第１実施形態に加えて、負荷ツール４と筒体１０との連結部を、矢印Ａに示す負荷方向に対して同方向で、筒体１０の幅が最も広い両側の連結板１１，１１の２箇所としたことにより、荷重がかかる位置を正確に制御することができ、負荷方向と試験片の軸とのずれが生じない。また、負荷が一様となり、負荷が樹脂２の側面のある一点に集中、又はある点より上方だけにかかるということがなく、樹脂２が上方で曲がるモード、樹脂が破壊するモード、又は負荷と反対側の樹脂２と被着材１との界面のある点を支点として回転かつ開口するモードの損傷は発生しない。そのため、他のモードを含まない樹脂２と被着材１との界面の強度の評価が可能となる。その他の構成及び作用は、前記第１実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
（第４の実施の形態）
図４Ａは本発明に係る界面強度評価装置の第４実施形態を示す概略側面図、図４Ｂは図４Ａの筒体及び負荷ツールを示す概略平面図である。
【００３９】
本実施形態では、筒体１０は図４Ａ及び図４Ｂに示すように内周側に配置されたかつ内周側の形状となって被着材１と接着している樹脂２を有する内筒１４と、この内筒１４の外周側に同心状に配置された外筒１５とに分離構成されている。内筒１４内には、その内周側の形状となって被着材１と接着している樹脂２が充填されている。また、内筒１４と外筒１５との間は、所定間隔をおいて空隙部１６が形成され、この空隙部１６内に多数の軸受１７が収納されている。さらに、外筒１５の外周面には、前記負荷ツール４が連結されている。
【００４０】
したがって、本実施形態では、内筒１４と外筒１５とが分離構成されているので、内筒１４の外周を外筒１５が自由に回転可能となる。また、内筒１４と外筒１５と間には、軸受１７が介在しているので、回転動作における摩擦を低減している。
【００４１】
このように本実施形態によれば、内筒１４と外筒１５とが分離構成され、内筒１４と外筒１５と間には、軸受１７が介在していることから、外筒１５に負荷が与えられたとき、たとえ負荷ベクトルが筒体１０の中心からずれていても、外筒１５が自由に回転することで、負荷ベクトルは常に筒体１０の中心を通ることとなる。その結果、樹脂２の一部に応力が集中して変形することなく、被着材１と樹脂２との界面強度を高精度に評価することができる。そして、筒体１０と負荷ツール４を連結することにより、制御可能で軸ずれのない精度の良好な負荷方法を実現した評価装置を提供することができる。
【００４２】
（実験例）
図１Ａ及び図１Ｂに示す第１実施形態の簡易的な実験を以下のように行った。
【００４３】
ここで、被着材１は、一般的なガラス−エポキシ樹脂製の配線基板、筒体１０は、外径が４ｍｍ、内径が３ｍｍ、高さが５ｍｍのステンレス鋼（ＳＵＳ）材、樹脂２は、市販のエポキシ系アンダーフィル樹脂を用いた。
【００４４】
上記のような樹脂２を標準条件で加熱硬化した後、接着部１０ａが剥離するまで、筒体１０の側面に対して水平方向に負荷をかけた。図５Ａ及び図５Ｂは、そのときの時間（ｓｅｃ）を横軸に、荷重（Ｎ）を縦軸に表したグラフである。
【００４５】
図５Ａと図５Ｂは、それぞれ被着材１の表面の清浄度が異なる場合の結果である。図５Ａ及び図５Ｂにおける横軸と荷重結果のカーブに囲まれた面積部分をそれぞれＥ（ａ）及びＥ（ｂ）とすると、これら面積部分Ｅ（ａ）とＥ（ｂ）は、接着部分を剥離させるのに要するエネルギに相当する値であり、図５Ａと図５Ｂの接着界面の強さを比較する際の数値として有効であることが判明した。その結果、接着界面強度を高精度に評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１Ａ】本発明に係る界面強度評価装置の第１実施形態を示す概略側面図である。
【図１Ｂ】図１Ａの筒体及び負荷ツールを示す概略平面図である。
【図２】本発明に係る界面強度評価装置の第２実施形態を示す概略側面図である。
【図３Ａ】本発明に係る界面強度評価装置の第３実施形態を示す概略側面図である。
【図３Ｂ】図３Ａの筒体及び負荷ツールを示す概略平面図である。
【図４Ａ】本発明に係る界面強度評価装置の第４実施形態を示す概略側面図である。
【図４Ｂ】図４Ａの筒体及び負荷ツールを示す概略平面図である。
【図５Ａ】図１に示す実験結果を示すグラフである。
【図５Ｂ】図１に示す実験結果を示すグラフである。
【図６】一般的な樹脂の強度評価法における試験片を示す斜視図である。
【図７】一般的な電子部品のダイシェア試験を示す概略図である。
【図８Ａ】一般的な被着材と樹脂との界面の剥離状態示す概略図である。
【図８Ｂ】一般的な被着材と樹脂との界面の剥離状態示す概略図である。
【図８Ｃ】一般的な被着材と樹脂との界面において樹脂の破壊状態示す概略図である。
【図８Ｄ】一般的な被着材と樹脂との界面において樹脂の破壊状態示す概略図である。
【図９】一般的な被着材と樹脂との界面の状態を示す概略図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  被着材
２  樹脂
４  負荷ツール
４ａ  開口部
４ｂ  取付孔
６  接着角度
１０  筒体
１０ａ  接着部
１０ｂ  非接着部
１１  連結板
１２  ボルト
１３  ナット
１４  内筒
１５  外筒
１６  空隙部
１７  軸受
Ａ  負荷方向
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
2009229441.tif 000014
【図８Ｂ】
2009229441.tif 000015
【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９】
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