JP3978889B2

JP3978889B2 - バンプ電極の接合強度試験装置と試験方法

Info

Publication number: JP3978889B2
Application number: JP25825598A
Authority: JP
Inventors: 正樹渡辺
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-09-11
Filing date: 1998-09-11
Publication date: 2007-09-19
Anticipated expiration: 2018-09-11
Also published as: JP2000091465A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体または半導体装置を構成するバンプ電極の接合強度試験装置および試験方法に係り、特に、ＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）のはんだボールの引張り強度の試験装置および試験方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高密度実装の普及にともない、半導体または半導体装置を構成するバンプ電極（バンプたとえば、略球形のはんだボール等とメッキ層と銅箔パターン等とからなる。）の引張り強度試験装置または試験方法として、半導体または半導体装置全体を引張ったり，プローブとバンプを接着剤で接続し引張する方法が用いられている。
また、特開平８−１１１４１７号公報では、半導体を構成するバンプに当接したプローブを加熱接着し、該プローブを引張り、その接合強度を測定する接合強度試験方法と装置が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前記特開平８−１１１４１７号公報の方法を用いて、例えば半導体装置としてＢＧＡを対象とした場合の試験方法を説明する。
この場合は、バンプ電極を構成するバンプとしてはんだボールが用いられ、周辺の構造は概ね図４のようになっている。
バンプ電極の引っ張り強度測定はまず半導体装置の基材２０を固定する。次に、プローブをはんだボール１７に固着（接続／接着）して基材２０からはんだボール１７を剥離する上方向に引張して行なう。
【０００４】
室温における引っ張り強度測定では、銅箔１９が基材２０から剥離するモードが多く見受けられる。一方、ＢＧＡのはんだボールにまつわる問題の一つに、リフロー半田付けの際などの高温状態で、メッキ１８とはんだボール１７との接合強度が低下しパッケージの反りとあわせて、最悪の場合、剥離に至るという現象がある。
この場合の剥離個所は当然、メッキ１８とはんだボール１７の界面で生じる。この現象が生じた場合、メッキ仕様の改善などの対策が取られる。
しかし、上記対策の効果を検証しようとしても、常温下で行なう従来の引っ張り強度試験では破壊が銅箔と基材の間で生じてしまう。
その結果、メッキとはんだボールとの接合強度を正しく測定することが不可能であった。
【０００５】
本発明は高温状態におけるバンプ電極の接合強度を正確に測定することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明のバンプ電極の接合強度試験装置および試験方法は、
１．引っ張り強度測定に際し、バンプ電極を備えた半導体または半導体装置の内いずれか一方を所定温度たとえば８０℃〜１３０℃の範囲に加熱する構成とした。
２．バンプ電極にプローブを接着固定する工法として、前記バンプ電極にプローブを当接した状態で前記プローブに加熱コテ（鏝）を接触させる工法、または光ビーム、レーザービーム、熱風等の内いずれか一つの加熱手段を用いバンプ電極を溶融し接着する構成とした。
３．プローブは、金属部分（銅または銅合金）と熱絶縁体部分（樹脂部材）とを接続した構成とした。
【０００７】
上記構成により本発明は、高温時のバンプ電極の接合強度を正確に測定できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明における第１の発明は、バンプ電極を備えた半導体またはバンプ電極を備えた半導体装置の内いずれか一方を固定するステージと、前記半導体または半導体装置を加熱する手段と、前記バンプ電極にプローブを接着する手段と、前記プローブを引張し前記バンプ電極の引張り強度を測定する接合強度測定手段とを備えたことを特徴とするバンプ電極の接合強度試験装置としたもので、高温時のバンプ電極の接合強度を正確に測定できる。
【０００９】
さらに、第２の発明は、プローブが金属部分と熱絶縁体部分とからなることを特徴とする第１の発明に記載のバンプ電極の接合強度試験装置としたもので、プローブの保持、駆動部に熱伝達しにくい。
【００１０】
さらに、第３の発明は、面状ヒーターの熱がステージに伝導しないよう、ヒーターとステージとの間に熱絶縁体を配置したことを特徴とする第１の発明に記載のバンプ電極の接合強度試験装置としたもので、試験装置の温度上昇を防止する。
【００１１】
さらに、第４の発明は、引張強度測定手段がプッシュプルゲージであることを特徴とする第１〜３の発明に記載のバンプ電極の接合強度試験装置としたもので、測定手段が簡便で安価となる。
【００１２】
さらに、第５の発明は、バンプ電極の引っ張り強度を測定する試験方法であって、半導体を構成するバンプ電極または半導体装置を構成するバンプ電極の内いずれか一方にプローブを接着し、前記半導体または半導体装置を所定温度に加熱した状態で前記バンプ電極の引張強度を測定するようにしたことを特徴とするバンプ電極の試験方法としたもので、高温時のバンプ電極の接合強度を正確に測定できる。
【００１３】
さらに、第５の発明は、バンプ電極に当接したプローブに熱ゴテ、または光ビーム、レーザービーム、熱風等の内いずれか一つの加熱手段を用い前記バンプ電極とプローブとを接着するようにしたことを特徴とする第５の発明に記載のバンプ電極の試験方法としたもので、バンプの溶融を簡便迅速に行える。
【００１４】
以下、本発明の一実施例におけるバンプ電極の接合強度試験装置と試験方法について図面と共に説明する。
【００１５】
【実施例】
図２は本発明の一実施例における半導体または半導体装置のバンプ電極の接合強度試験装置の全体構成を示す概念の側面図である。
図２において、バンプ電極の接合強度試験装置は台１０、脚１１、支柱１２から構成されており台１０の上にはヒーター２および試料である半導体または半導体装置１を固定するステージ６が備わっている。
また、台１０の下部に設けられたモーター１４によりステージ６と垂直に上下方向に可動である可動部１３が支柱に備えられ、可動部１３には引っ張り強度を測定するプッシュプルゲージ９が備え付けられている。プッシュプルゲージ９の下端にはプローブ８が取り付けられている。
【００１６】
図１は本発明におけるバンプ電極の接合強度試験装置のステージ部周辺の詳細斜視図である。
半導体または半導体装置１は押え板３とネジ７によりヒーター２に密着した状態でステージ６に固定される。この場合のヒーターとしては半導体または半導体装置１との密着性をあげるため面状のシリコンラバーヒーターを用いることが望ましい。さらに、ヒーター２と半導体または半導体装置１との間に熱伝導用のシリコングリスを塗布するとなお効果的である。
また、ヒーター２とステージ６の間に熱絶縁体４を配置しており、さらに熱絶縁体４とステージ６の間にスペーサー５を介し一定の空隙を有している。
上記構成によりヒーター２のステージ６への熱絶縁が確保され、ヒーター２の熱効率が向上する。
【００１７】
ステージ６は二次元平面内を任意に移動するＸＹテーブルとなっており、半導体または半導体装置１を取り外すこと無く、連続して複数個のバンプ電極強度を引っ張り測定できる。
【００１８】
プローブ８はバンプ電極１００のバンプ（例えば、はんだボール）と濡れ性が良好な金属部分と、熱絶縁体部分との組み合わせからなっている。
一例を挙げると図３のように、銅線１５を樹脂１６に固着したものである。該構成により、半導体または半導体装置１を構成するバンプ電極１００を加熱した際、プローブ８を伝って放熱してしまうことを防ぐことができる。
即ち、プローブ８全体を金属部材で構成すると、プローブ８をバンプ電極に当接または固着した場合に、プローブ８を伝って半導体または半導体装置１の熱が奪われ、ヒーターの熱効率が極端に悪くなる。
【００１９】
次に、バンプ電極１００の引っ張り強度測定手順について説明する。まず、面状ヒーター２に通電して半導体または半導体装置１を所望の温度、例えば、８０℃〜１３０℃の範囲に加熱する。
次に、半導体または半導体装置１のはんだボールを備えたバンプ電極１００にプローブ８を当接する。この状態でプローブ８の先端に熱ごて（鏝）を接触させ、はんだバンプを溶融させる。
このとき、プローブ８の先端にフラックスを塗布しておくと溶融が速やかに行なわれる。溶融を確認後、熱ごてを取り除くことでプローブ８とはんだバンプとが固着される。
【００２０】
続いて、半導体または半導体装置１を８０℃〜１３０℃程度の範囲に保ったまま、接合強度試験装置の可動部１３を可動させ、プッシュプルゲージ９およびはんだバンプに固着（接着）されたプローブ８を基材の主平面と直交する方向（）鉛直方向に引張り、バンプ電極１００が破壊した時点の引っ張り強度を測定する。
【００２１】
図５は１．２７ｍｍピッチのプラスチックＢＧＡのはんだボールの各温度毎の引張り強度と破壊モードを示したものである。横軸にはんだボールの温度、縦軸に引張り強度を示している。
銅箔と基材との間で破壊した場合を×印、メッキとはんだの間で破壊した場合を○印で図示している。破壊モードがボール温度に強く依存していることが分かる。このことは、従来の室温で行なっていた試験方法では知り得なかったことである。
【００２２】
なお、上記実施例においてプローブとバンプ電極との加熱接着手段として熱鏝をプローブに当接する工法の例を説明したが、別段、これに限るものでないことは言うまでもない。任意の加熱手段、例えば、光ビーム、レーザービーム、熱風等の内いずれか一つをプローブ、またはバンブまたはプローブとバンプとの当接部分等に照射するようにしてもよい。
また、バンブやバンブ電極の構成についても任意の部材と構成を用いてよいことも同様である。
【００２３】
【発明の効果】
上記構成により本発明は高温時のバンプ電極の接合強度を正確に測定することができる。
また、プローブがバンプ電極のバンプ金属と濡れ性が良好な金属と熱絶縁体との組み合わせからなる構成と、半導体または半導体装置１を加熱する面状ヒーターがステージから熱絶縁されている構成とにより、面状ヒーターの熱効率が極めて良い。
さらに、ステージをＸＹテーブルとすることにより、半導体または半導体装置１を取り外すこと無く、連続して複数個のバンプ電極強度を測定でき、作業効率が優れている。
さらに、、引張り強度を測定する手段に一般的なプッシュプルゲージを用いることで接合強度試験装置を安価に構成できる。
さらに、プローブとバンプ電極との接着に熱鏝を用いた場合、プローブの加熱機構が不要となり接合強度試験装置を安価に構成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例におけるバンプ電極の接合強度試験装置を構成するステージ部の拡大斜視図
【図２】本発明の一実施例のバンプ電極の接合強度試験装置の概念の側面図
【図３】図２を構成するプローブの斜視図
【図４】ＢＧＡのはんだボール接合部の概略構成側面図
【図５】図２を用いて測定した引っ張り強度の特性図
【符号の説明】
１半導体または半導体装置
２ヒーター
３押え板
４熱絶縁体
５スペーサー
６ステージ
７ネジ
８プローブ
９プッシュプルゲージ
１０台
１１脚
１２支柱
１３可動部
１４モーター
１５銅線（金属部分）
１６樹脂（熱絶縁体部分）
１７はんだボール（バンブ）
１８メッキ
１９銅箔
２０基材
１００バンプ電極

Claims

バンプ電極を備えた半導体またはバンプ電極を備えた半導体装置の内いずれか一方を固定するステージと、前記半導体または半導体装置を加熱する加熱手段と、前記バンプ電極に接着するプローブと、前記プローブを引張ることで前記バンプ電極の接合強度を測定する接合強度測定手段とを備えたバンプ電極の接合強度試験装置であって、
前記プローブが金属部分と熱絶縁体部分とからなることを特徴とするバンプ電極の接合強度試験装置。
前記プローブは、前記バンプ電極と濡れ性が良好な金属部分と樹脂部材からなる熱絶縁体部分とを接合してなることを特徴とする請求項１記載のバンプ電極の接合強度試験装置。
前記加熱手段が面状ヒーターであることを特徴とする請求項１記載のバンプ電極の接合強度試験装置。
前記面状ヒーターがシリコンラバーヒーターであることを特徴とする請求項３記載のバンプ電極の接合強度試験装置。
前記面状ヒーターの熱が前記ステージに伝導しないよう、前記面状ヒーターと前記ステージとの間に熱絶縁体を配置したことを特徴とする請求項３〜４のいずれか１項に記載のバンプ電極の接合強度試験装置。
前記面状ヒーターの熱がステージに伝導しないよう、前記熱絶縁体と前記ステージの間にスペーサーを介し、一定の空隙を有していることを特徴とする請求項５記載のバンプ電極の接合強度試験装置。
前記ステージが水平面内を縦横に可動するＸＹテーブルであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のバンプ電極の接合強度試験装置。
前記バンプ電極に前記プローブを接着する加熱接着手段として熱こて、光ビーム、レーザービーム、熱風の内いずれか一つを使用したことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のバンプ電極の接合強度試験装置。
前記接合強度測定手段がプッシュプルゲージであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のバンプ電極の接合強度試験装置。
バンプ電極の接合強度を測定する接合強度試験方法であって、半導体を構成するバンプ電極または半導体装置を構成するバンプ電極の内いずれか一方に金属部分と熱絶縁体部分とからなるプローブを接着する接着ステップと、前記半導体または半導体装置を所定温度に加熱する加熱ステップと、前記プローブを引張ることで前記バンプ電極の接合強度を測定する接合強度測定ステップとを有することを特徴とするバンプ電極の接合強度試験方法。
前記加熱ステップは、前記半導体または半導体装置の内いずれか一方を加熱する温度を８０℃〜１３０℃の範囲としたことを特徴とする請求項１０記載のバンプ電極の接合強度試験方法。
前記接着ステップは、熱鏝、光ビーム、レーザービーム、熱風の内いずれか一つの加熱接着手段を用い前記バンプ電極と前記プローブとを接着するようにしたことを特徴とする請求項１０〜１１のいずれか１項に記載のバンプ電極の接合強度試験方法。