| 【発明の名称】 |
電子部品接合部信頼性試験装置及び試験方法 |
| 【発明者】 |
【氏名】松尾 俊和
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| 【要約】 |
【課題】エリア接合方式の電子部品の信頼性試験を行うために、電子部品の実使用時に生じる熱膨張による力学的状態を機械的に再現することができる電子部品接合部信頼性試験装置及び試験方法を提供することを目的とする。
【解決手段】電子部品１が実装された基板２を、引張試験機、又は疲労試験機等に取り付けられたつかみ部２０でチャックし、面方向に機械的荷重によって変形させる。基板２の面方向の変形により接合部３の内部において、電子部品１の実使用時に生じるエリア接合電子部品１と基板２の熱膨張の差による力学的状態が再現され、電子部品１の実使用時に即した条件の実装部信頼性試験を行うことができる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】電子部品が実装された基板の対向する縁部をチャックして基板に面方向の機械的荷重を付与するつかみ部と、基板の配線パターンと測定装置とを電気的に接続するコネクタとを有することを特徴とする電子部品接合部信頼性試験装置。
【請求項２】電子部品が実装された基板の対向する縁部をつかみ部でチャックし、機械的荷重を付与して基板を面方向に変形させた状態で、電子部品と基板の接合部の抵抗値を測定することを特徴とする電子部品接合部信頼性試験方法。
【請求項３】前記基板の配線パターンの配線方向を、前記基板の変形時において、前記機械的荷重の付与方向に対して所定の角度をなす方向としたことを特徴とする請求項２記載の電子部品接合部信頼性試験方法。
【請求項４】前記基板が複数のパターンニング層を有する基板であって、前記基板のいずれかの層にそれぞれ異なる方向にパターンニング形成された複数のひずみゲージにより、異なった方向のひずみを測定することを特徴とする請求項２記載の電子部品接合部信頼性試験方法。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電子部品実装部の接合信頼性を評価する電子部品接合部信頼性試験装置及び電子部品接合部信頼性試験方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】電子部品を基板に実装した後、電子部品が基板に正しく実装されたかどうかの信頼性試験が行われる。以下、従来の信頼性試験について説明する。
【０００３】図８は従来の電子部品接合部信頼性試験装置の全体斜視図である。図８において、１は接合部の信頼性試験対象となる電子部品であり、ベアチップ、ＣＳＰ（Ｃｈｉｐ Ｓｃａｌｌ Ｐａｃｋａｇｅ）等下面に多数の接合端子を有するエリア接合方式の電子部品である。２は電子部品１が実装された基板でガラス繊維入りエポキシ樹脂積層板等から構成されている。３は電子部品１と基板２を電気的、機械的に接合する接合部である。４は電子部品１の側面に位置し、電子部品１に強制変位を加えるための変位作用部材であり、鉄鋼等剛性が高い材料で構成されている。５は基板２の周辺に設けられた、基板２を固定するための固定部材であり、鉄鋼等剛性が高い材料で構成されている。６は基板２上に設けられ、基板２と外部装置とを電気的に接合するためのコネクタである。７は基板２上に形成され、接合部３とコネクタ６とを電気的に接合する配線パターンであり、銅等で形成されている。８は電子部品１、及び接合部３の電気的性能を測定するための電気性能測定装置である。
【０００４】図９は従来の電子部品接合部信頼性試験装置の強制変位作用時の側断面図である。図９において、９は接合部３の内部に設けられ、電子部品１と基板２とを電気的、機械的に接合するための半田である。１０は電子部品１、基板２、半田９の間の隙間を封止するための樹脂で、エポキシ等で構成されている。但し、接合部３は半田９による接合のみで樹脂１０を封止しない場合や、樹脂１０の代わりに、ニッケル等の導電性材料を混入した樹脂を使用し、半田９を使用しない場合もある。
【０００５】以上のように構成された電子部品接合部信頼性試験装置について、以下にその動作を説明する。図８、図９において、基板２は固定部材５によって固定されている。電子部品の実使用時には、電子部品の発熱、又は使用雰囲気温度の上昇等により、電子部品１と基板２の線膨張係数の差によって接合部３に熱応力等の力学的負荷が生じ、熱疲労破損をする。この力学的負荷を機械的に再現する目的で、変位作用部材４によって電子部品１に対して水平方向に強制変位を与える。
【０００６】図１０は従来の電子部品接合部信頼性試験装置の強制変位作用時の側断面図である。図１０において、電子部品１に水平方向の強制変位を与えると、電子部品１の水平方向の変位に伴って、接合部３を形成する半田９、樹脂１０に一様なせん断変形が生じ、応力などの力学的な負荷が作用する。電子部品１の実使用時には、電源ＯＮ，ＯＦＦや雰囲気温度の変化によって電子部品１の温度が変化するため、電子部品１に与えられる水平方向の強制変位を繰り返し作用させる。強制変位の繰り返し数の増加と共に、接合部３を形成する半田９、樹脂１０が疲労破損を生じる。信頼性試験中の疲労破損は、接合部３の電気抵抗値の増加等を、配線パターン７、コネクタ６を介して電気性能測定装置８によって測定することで評価する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従来の構成では、電子部品に水平方向の強制変位を与えるため、接合部全体が一様なせん断変形をし、実使用時に生じる部品と基板の熱膨張差による接合部の力学的状態を再現できていないという問題点があった。
【０００８】本発明は上記した課題に鑑み、電子部品と基板との接合部に、熱膨張差によって生じる力学的状態を再現することができる電子部品接合部信頼性試験装置及び電子部品接合部信頼性試験方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の電子部品接合部信頼性試験装置は、電子部品が実装された基板の対向する縁部をチャックして基板に面方向の機械的荷重を付与するつかみ部と、基板の配線パターンと測定装置とを電気的に接続するコネクタとを備えた。この構成により、電子部品と基板の接合部に熱膨張差によって生じる力学的状態を再現し、接合部の信頼性の測定試験を行うことが出来る。
【００１０】
【発明の実施の形態】請求項１に記載の発明は、電子部品が実装された基板の対向する縁部をチャックして基板に面方向の機械的荷重を付与するつかみ部と、基板の配線パターンと測定装置とを電気的に接続するコネクタとを有する。この構成により、電子部品と基板との接合部に、熱膨張差によって生じる力学的負荷を再現することができる。
【００１１】請求項２に記載の発明は、電子部品が実装された基板の対向する縁部をつかみ部でチャックし、機械的荷重を付与して基板を面方向に変形させた状態で、電子部品と基板の接合部の抵抗値を測定する。この構成により、電子部品と基板の接合部に熱膨張差によって生じる力学的状態を再現し、接合部の信頼性の測定試験を行うことができる。
【００１２】請求項３に記載の発明は、前記基板の配線パターンの配線方向を、前記基板の変形時において、前記機械的荷重の付与方向に対して所定の角度をなす方向とした。この構成により、配線パターンの伸びによる配線パターン内での電気抵抗値の変化を防止するといる作用を有する。
【００１３】請求項４に記載の発明は、前記基板が複数のパターンニング層を有する基板であって、前記基板のいずれかの層にそれぞれ異なる方向にパターンニング形成された複数のひずみゲージにより、異なった方向のひずみを測定するようにした。この構成により、基板上の任意の点の複数の方向のひずみを同時に測定するという作用を有する。
【００１４】（実施の形態１）図１は本発明の実施の形態１における電子部品接合部信頼性試験装置の全体斜視図である。図１において、電子部品１、基板２、接合部３、コネクタ６、配線パターン７、電気性能測定装置８であり、これらは従来例と同じである。２０は基板２の対向する２つの縁部をチャックし、機械的荷重によって基板２の面方向に変形を加えるためのつかみ部である。つかみ部２０は鉄鋼等の剛性が高い材料で構成されており、既存の疲労試験機、又は引張試験機等に取り付けられる。
【００１５】図２は本発明の実施の形態１における電子部品接合部信頼性試験装置の基板変形前の側断面図、図３は（ａ）同基板変形後の側断面図、図３（ｂ）は同基板変形後の一部拡大側断面図である。図２、図３において、半田９、樹脂１０は従来例と同じである。また接合部３についても従来例と同様に、半田９による接合のみで樹脂１０を封止しない場合や、樹脂１０の代わりに、ニッケル等の導電性材料を混入した樹脂を使用し、半田９を使用しない場合もある。
【００１６】以上のように構成された電子部品接合部信頼性試験装置について、以下にその動作を説明する。基板２はつかみ部２０によってつかまれている。つかみ部２０を取り付けている疲労試験機、又は引長試験機等を作動させると、つかみ部２０が基板の面方向に引長、又は圧縮等、機械的荷重を与える。
【００１７】図３（ａ）は基板変形時の側断面図、図３（ｂ）は同一部拡大の側断面図である。図３において、与えられた機械的荷重によって、基板２は面方向に変形し、基板２は荷重方向に一様な垂直ひずみを生じる。基板２の変形に伴って、接合部３を形成する半田９、樹脂１０はせん断変形をする。この際、電子部品１の中心から荷重方向に沿った距離ｘによってせん断ひずみγの大きさは異なる。即ちｘ１＜ｘ２のときγ１＜γ２となり、熱膨張による力学的状態を再現することができる。
【００１８】電子部品１の実使用時には、電源ＯＮ，ＯＦＦや雰囲気の変化によって電子部品の温度が変化するため、基板２を繰り返し変形させる。基板２の変形の繰り返し数の増加と共に、実装部３を形成する半田９、樹脂１０が疲労破損を生じる。信頼性試験中の疲労破損は、従来例と同様に、接合部３の電気抵抗値との増加等を、配線パターン７、コネクタ６を介して電気性能測定装置８によって測定することで評価する。
【００１９】なお、以上の説明では接合部３が半田９と樹脂１０で構成された場合について説明したが、半田９による接合のみで樹脂１０を封止しない場合や、樹脂１０の代わりに、ニッケル等の導電性材料を混入した樹脂１０を使用し、半田９を使用しない場合に対しても同様に実施可能である。
【００２０】（実施の形態２）更に、本発明の他の実施の形態として、配線パターン７を、基板２の変形時に垂直ひずみが生じない方向に配線した場合について説明する。
【００２１】図４は本発明の実施の形態２における電子部品接合部信頼性試験装置の上面図である。図４において、２１は基板２上で荷重方向をｘ軸、荷重と垂直方向をｙ軸とした場合に、ｘ軸と角θをなす方向に配線された配線パターンであり、銅などで構成されている。
【００２２】角θは垂直ひずみが生じない方向の角度であり、基板２を等方等質の弾性体と仮定し、ｘ方向のみに一様な垂直応力が作用した場合には基板２のポアソン比をｖとして、ｃｏｓ２θ＝（ｖ−１）／（ｖ＋１）を満足するθで与えられる。ガラス繊維入りエポキシ樹脂基板の場合は、θ＝６１°を中心として、±２°以内が好ましい。
【００２３】以上のように構成された電子部品接合部信頼性試験装置について、以下にその動作を説明する。信頼性試験中の疲労破損は、接合部３の電気抵抗値の増加等を、配線パターン２１、コネクタ６を介して電気性能測定装置８によって測定することで評価する。信頼性試験中の荷重作用時は、基板２に対してｘ方向にのみ荷重を加えると、基板２はｘ方向に引長方向のひずみが生じ、ｙ方向には圧縮方向のひずみが生じる。このとき角θ方向には垂直ひずみを生じないため、θ方向に配線された配線パターン２１は配線方向の寸法変化を生じない。このため、基板２の変形時に配線パターン２１の伸びによる配線パターン２１内での電気抵抗値の変化を防止する。
【００２４】（実施の形態３）図５は本発明の実施の形態３における電子部品接合部信頼性試験装置の裏面図である。図５において、２２は基板２上の電子部品１の裏側に設けられ、基板２の荷重方向のひずみを検出するためのひずみゲージであり、銅などによって基板２上に直接パターンニングされている。２３はひずみゲージ２２が検出したひずみの値を測定するためのひずみ計測装置である。
【００２５】以上のように構成された電子部品接合部信頼性試験装置について、以下にその動作を説明する。信頼性試験中、基板２に荷重を加え、基板２にひずみが生じると、ひずみゲージ２２が荷重方向のひずみを検出し、そのひずみの値は、配線パターン２１、コネクタ６を介して、ひずみ計測装置２３によって測定される。従って、基板２に生じるひずみを計測するための、ひずみゲージ２２が不要になる。更に基板２を多層基板とし、多層基板内層にもひずみゲージ２２を設けた場合について説明する。
【００２６】図６は本発明の実施の形態３における電子部品接合部信頼性試験装置の多層基板内層透視図であり、図６（ａ）は多層基板内層、図６（ｂ）は多層基板裏面である。２４はその内層にもパターンニングを可能とするために用いられる多層基板であり、ガラス繊維入りエポキシ樹脂積層板等から構成されている。２５は多層基板２４の内層において、多層基板２４の板厚方向の電子部品１、ひずみゲージ２２を通る直線上に設けられた、荷重と垂直方向のひずみを検出するためのひずみゲージであり、ひずみゲージ２２と同様に、銅などによって多層基板２４の内層に直接パターンニングされている。ひずみゲージ２２とひずみゲージ２５は、板厚方向の直線上にパターンニングされており、互いに異った方向のひずみを測定する。
【００２７】以上のように構成された電子部品接合部信頼性試験装置について、以下にその動作を説明する。信頼性試験中、多層基板２４に荷重を加え、多層基板２４にひずみが生じるとひずみゲージ２２が荷重方向のひずみを検出し、ひずみゲージ２５が荷重と垂直方向のひずみを検出する。
【００２８】ひずみゲージ２２，２５から検出されたひずみは、配線パターン２１、コネクタ６を介して、ひずみ計測装置２３によって同時にひずみの値が測定される。ひずみゲージ２２，２５は多層基板２４の被測定方向に対して板厚方向に一直線上に位置しているため、被測定個所の複数の方向のひずみを同時に測定できる。基板２、多層基板２４に作用しているひずみの値から接合部３に作用しているひずみ、又は応力を算出する場合は、基板２、多層基板２４に生じたひずみを境界条件とし、有限要素方等、数値解析手法を用いる。なお、以上の説明はひずみゲージ２２を多層基板裏面に設けた場合についてであるが、ひずみゲージ２２，２５とも多層基板内層に設けた場合についても同様に実施可能である。
【００２９】（実施の形態４）図７は本発明の実施の形態４における電子部品接合部信頼性試験装置の透視図である。図７において、２６は電子部品１が実装された基板であり基板２と同様にガラス繊維入りエポキシ樹脂積層板等から構成されている。基板２６は基板幅Ａがつかみ部２０の幅より十分大きくなっており、かつ、つかみ部２０からひずみゲージ２２間までの距離Ｂと基板幅Ａとの関係Ａ＜Ｂとなるように形成されている。２７はつかみ部２０の両脇に位置する低ひずみ領域である。つかみ部２０の両脇はサンブナンの定理により作用する応力、及びひずみが小さい。コネクタ６は低ひずみ領域２７内に設けられている。配線パターン２１は、全て、実施の形態２で述べた角θで配線されている。Ａ＜Ｂであるため、ひずみゲージ２２からコネクタ６まで一本の直線でパターンを配線できない場合は、角θで配線されたパターンの組合せで配線パターン２１を形成する。ガラス繊維入りエポキシ樹脂基板の場合は、θ＝６１°を中心にして、±２°以内が好ましい。
【００３０】以上のように構成された電子部品接合部信頼性試験装置について、以下にその動作を説明する。信頼性試験中の疲労破損は、接合部３の電気抵抗値の増加等を、配線パターン２１、コネクタ６を介して電気性能測定装置８によって測定することで評価する。同時に、ひずみゲージ２２が基板２６の荷重方向のひずみを検出し、そのひずみの値は、配線パターン２１、コネクタ６を介して、ひずみ計測装置２３によって測定される。基板２６の両端に荷重が作用した場合Ａ＜Ｂであるので、サンブナンの定理によりひずみゲージ２２が設けられた部分には荷重方向に一様な垂直応力が生じる。このため、ひずみゲージ２２でひずみを検出する領域内でひずみが一様になるという作用を有する。また、コネクタ６は低ひずみ領域２７に設けられているので、コネクタ６と基板２６の接合部に生じる力学的負荷が小さくなるという作用を有する。なお、実施の形態３で説明したように、基板２６を多層基板とし、多層基板内層にもひずみゲージを設けた場合についても同様に実施可能である。
【００３１】
【発明の効果】以上のように本発明は、エリア接合部品が実装された基板を、機械的荷重によって基板の面方向に変形させることによって、エリア接合部品と基板との接合部に熱膨張差によって生じる力学的負荷を再現可能である。従って、電子部品の実使用時に即した条件の実装部信頼性試験を行うことができ、実装部高信頼化が可能となる。更に、基板の配線パターンの配線方向を、基板の変形時において、垂直ひずみが生じない方向としたことによって、配線パターンの伸びによる配線パターン内での電気抵抗値の変化を防止することが可能である。従って、純粋に電子部品、及び接合部の電気性能の低下を測定でき、測定精度の向上が図れる。
【００３２】また更には、基板として多層基板を用い、多層基板の表面、裏面、内層の板厚方向の直線上に少なくとも２つ以上のパターンニングによって形成されたひずみゲージがあり、それらのひずみゲージはそれぞれ異なった方向のひずみを測定するように配置されたことによって、基板上の任意の点の複数の方向のひずみを同時に測定可能である。従って、接合部に作用する応力、ひずみ等を数値解析する際に必要な境界条件等を正確に得ることができ、接合部の正確な応力、又はひずみの評価が可能になる。
【００３３】また更には、配線パターンと外部の測定装置とを電気的に接続するコネクタを、基板上のつかみ部の両脇付近の低ひずみ領域に配置することにより、コネクタと基板との接合部の疲労破損を防止することが可能である。従って、信頼性試験中のコネクタ接合部の断線が生じず、信頼度の高い実装信頼性試験が可能となる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５８２１
【氏名又は名称】松下電器産業株式会社
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| 【出願日】 |
平成９年（１９９７）７月７日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】滝本 智之 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開平１１−２３６５３ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）１月２９日 |
| 【出願番号】 |
特願平９−１８１０５５ |
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