JP4653166B2 - 試験装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置とその導電体の間の接合部の完全性を試験する装置に関する。

半導体装置は非常に小さく、一般的に０．２ｍｍ平方から１５ｍｍ平方である。感知導体基板には一般的に、導電体の接合を行うための多くの接合部位が設けられており、これらの接合部位は一般的に約０．０５ｍｍ幅であり、０．０５ｍｍ〜０．７ｍｍ間隔である。接合部はそれぞれ、基板に張り付きするはんだボール又は金ボールから成る。非常に細く、一般的に直径が約０．０２５ｍｍの電線をそれぞれの接合部位に接合して、これらの接合部位を対応の電気回路及び構成部材に接続する。代替的に、それらの接合部位は、上に重なっている構成部材に直接接合される。接合方法が適切であるか、また、接合強度が満足できるものであるかを確認するために、それらの接合部位での接合の完全性を試験することが必要である。構成部材の寸法が非常に小さいこと、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及びたわみが非常に小さいことから、様々な問題が生じる。

既知の試験装置は、それぞれの接合部位で接合部と係合するプローブを有する。半導体装置を拘束して、接合部をプローブで側方へ押すことによって、接合部のせん断強度を判定することができる。接合部をせん断するために必要な横力を測定するために、力変換器が試験装置に組み込まれている。

繰り返し性を確保するために、プローブが半導体の表面から上方に所定高さで接合部の側部と係合することが重要である。接合部は一般的に半球状であるため、この距離はわずかであるが重要である。表面から所定の間隔を置くことによって、半導体基板上でのプローブの滑り摩擦をなくすと共に、接合部の接合面に対して正確な接合部位でせん断荷重を加えることを確実にする。したがって、実際には、プローブを半導体表面と係合する位置へ移動させてから、接合位置と接触するように側方移動させる前に、所定距離だけ、一般的に０．００５ｍｍ以内で後退させる。

幾つかの問題点が生じる。装置自体の機構の摩擦及び張り付きによって、半導体表面との接触を感知することが困難になることがある。不正確な表面感知は必然的に、プローブを後退させる距離、即ち、接合部を試験する高さに影響する。問題となる距離は極々わずかであるため、半導体表面を圧縮することなく表面接触するその瞬間を感知するために十分な注意が必要である。また、せん断試験力を加える前に試験高さでプローブが無制御移動しないように注意しなければならない。そのような移動も試験結果に重大な影響を与えることがあり、また、プローブの大きな移動は隣接した接合部又は電線を破損する可能性がある。

半導体基板を感知した時の低接触力と試験高さの正確な制御を得ようとする目的は、達成することが困難である。

米国特許出願第６，０７８，３８７号は、試験ヘッドと基板の接触を感知し、試験ヘッドの下向き駆動を直ちに停止させるようになっている感知装置を開示している。当該装置は、基板への比較的ソフトな接地を確保し、基板との接触の感知と下向き駆動力の停止との間の遅延によって接地荷重の小さい積み重ねを最小限にとどめる。

使用の際に、試験ヘッドは所定距離だけ後退し、それにより基板上に間隙ができる。これにより、試験ヘッドの側方移動が可能になり、基板上でツールの引きずりなしに接合部
にせん断力を加えるようにすることができる。

最近では層状の基板が考案されており、それら基板では、１つの層が片持ち式に側部へ突出する。一般的に、接合部はその片持ち部分に設けられるが、接触を感知するための現在の方法では、基板の非常にわずかな角度のたわみも防ぐことができない。したがって、試験ヘッドが後退したときに、それでもなお基板の間隙を確保することは非常に困難である。

この問題は、基板（例えばその角領域）の局所的な剛性が分からないか、又は計算するのが難しい可能性があるためより困難になり、したがって必要とされる後退の程度も分からない。

必要とされる後退の程度は、たわみの程度と同様であり、したがって、すべての場合において安全な後退を行うと、せん断試験高さに許容不可能なばらつきが生じることになる。

基板の種類は非常に多く、基板の材料も一般的に様々であるため、片持ち式基板に必要な後退量を計算することは好ましくない。

必要とされているものは、非剛性の基板の接触を感知し、さらに、接触力が小さくなると基板表面が移動するにもかかわらず基板から所定の間隙にわたって後退することができるようになっている装置及び方法である。

本発明の一態様によると、せん断試験装置であって、基板に対して離接するようにほぼ垂直方向に駆動するようになっている試験ヘッドを有し、また、基板と試験ヘッドとの接触を感知する感知手段を含み、試験ヘッドはさらに、基板上の突起にせん断荷重を加えるために基板にわたって横断方向に駆動されるようになっており、また、当該装置は、突起に加えられるせん断力を感知する測定手段を含み、測定手段はさらに、基板上の試験ヘッドの引きずり荷重を検出するようになっている、せん断試験装置が提供される。

好ましくは、感知手段は変位検出器を含み、好適な実施の形態では変位検出器は、上記試験ヘッドの移動を停止させるようになっている光電センサである。光学検出は、基板表面との摩擦のない感知を保証する。

好適な実施の形態では、当該装置はさらに、基板上を横断方向に試験ヘッドを往復させ、それにより引きずり荷重を検知することができるようにする駆動体を含む。

本発明の別の態様によると、基板の突起をせん断試験する方法であって、
ａ）試験ツールを前記基板へ前進させるステップと、
ｂ）基板と接触すると試験ツールの前進を停止させるステップと、
ｃ）試験ツールを所定距離だけ後退させるステップと、
ｄ）試験ツールを基板に対して横断方向に往復させ、且つ、いかなる引きずり力も検出するステップと、
ｅ）引きずり力が検出されると、所定距離分だけ試験ツールをさらに後退させ、且つ、引きずり力が検出されなくなるまで上記ステップｄ）を繰り返すステップと、
ｆ）基板の突起に対して試験ツールを横方向に動かしてせん断試験を行うステップと、を含む、せん断試験する方法が提供される。

当該方法は、以下の追加ステップ：
ｅ１）引きずり力が検出されない場合、試験ツールを所定距離分だけ前進させ、且つ、
引きずり力が検出されるまで上記ステップｄ）を繰り返すステップと、
ｅ２）せん断試験を行う前に、試験ツールを所定距離分だけ後退させるステップと、
をさらに含むことができる。

この「磨き」作用は、基板表面が幾分可撓性であっても、その表面をかなり正確に感知することを可能にする。最も重要には、表面接触は、上下力センサではなく既存の横力センサによって感知される。往復運動は理想的には、試験ツールを接触位置又は接触位置近くへ後退させる。

本方法は、引きずりを感知した後、設定距離だけ上記試験ツールを後退させるステップを任意に含み、それによりかなりの、しかし正確な事前に設定されたせん断試験高さを確保する。

本発明の他の特徴は、添付の図面を参照して単なる例示として挙げた好適な実施の形態の以下の説明から明らかになるであろう。

図１〜図３を参照すると、変換器カートリッジ１０が、固定質量体１２がねじ１３でしっかりと取り付けられているベースプレート１１を備えている。固定質量体は上下の片持ち式アーム１４ａ、１４ｂを有しており、その自由端部に移動質量体１５が取り付けられている。片持ち式アーム１４ａ、１４ｂは、移動質量体１５が上下移動できるようにすると共に、協動して移動質量体１５の停止位置を決定する。

アーム１４ａ、１４ｂの自由端部の内側が軸受けプレート１６を担持しており、この軸受けプレート１６自体はベースプレート１１に当接している。停止位置にある場合、アーム１４ａ、１４ｂは、軸受けプレート１６を締め付けることによって移動質量体１５が上下方向に振動しないようにするのにちょうど十分な付勢力をベースプレート１１に加えることができるように構成されている。この付勢力によって、ベースプレート自体が移動している間、移動質量体１５はベースプレート１１に対して移動しないようにすることが確実となる。

ベースプレート１１は、軸受けプレート１６の下側の室１９に出口ポート２２を有する空気供給ダクト２１を備える空気軸受け２０を含む。ダクト２１に加圧空気を供給すると、軸受けプレート１６はアーム１４ａ、１４ｂの付勢力に逆らってベースプレート１１から離れる方向へ移動するため、移動質量体は上下方向に摩擦のない移動を行うことができる。

付勢力及びそれに打ち勝つために必要な空気圧の程度は、詳細な設計の問題であり、当業者であれば試験要件に従って決定することができる。同様に、アーム１４ａ、１４ｂが軸受けプレート１６と係合する面積、軸受けプレート１６がベースプレート１１と係合する面積、空気ポート配置及び他の可変要素は、個々の状況に応じて決定することができる。一般的に言うと、付勢力は、試験を実施している間は移動質量体１５の移動を抑止するのにちょうど十分な強さであることが必要であると共に、空気圧は、移動質量体１５が自由に移動できるようにするのにちょうど十分な強さであるべきである。

移動センサ取り付け具３０が、ねじ３１でベースプレート１１に固定されている。取り付け具３０は、光電エミッタ３２とレシーバ３３とを有しており、それらの間に上側の片持ち式アーム１４ａの突出部分３５に螺着されたスタッド３４が延出している。図１に示されているように、スタッド３４は取り付け部３０と係合する位置へねじこまれ、それによって移動質量体１５をベースプレート１１に対して上方へ移動させることができる。この構造によって、移動質量体１５の実際の質量の釣り合いであって、アーム１４ａ、１４
ｂによって為され、空気軸受けの作動時にスタッド３４によって為される釣り合いを調節することができる。これによって、プローブ先端の最もわずかな接触で、プローブがわずかに上方移動し、それによってスタッド３４がエミッタ３２とレシーバ３３との間の光路を覆う度合いを変化させることができる。一般的に、プローブ先端の初期接触力は０〜５０ｇ、例えば１５ｇであるが、スタッド３４の突出量に応じて調節することができる。

この荷重分担構造によって、移動質量体１５の実際の質量が半導体４１の表面４０をへこませたり歪めたりする問題や、プローブを移動させて表面４０と接触させる装置が、下向き駆動を停止する前にプローブを表面に埋め込んでしまうという問題が軽減される。必然的に、接触を感知し、Ｚ軸駆動を停止するためにはわずかであるがある程度の時間がかかる。本構造では、移動質量体１５の移動は摩擦を受けず、光電センサ３２、３３は透過する光の度合いのわずかな変化を検出することができるため、接触点をかなり正確に感知することができ。Ｚ軸駆動が停止するために必要な時間を正確な距離に関連づけることができ、したがって試験に先だってプローブが後退する距離を容易に考慮に入れることができる。

ベースプレートの突起６１が試験ヘッドの開口６２に遊嵌されており、アーム１４ａ、１４ｂの移動をそれらの弾性範囲内に限定することができる。

装置の使用段階が図４〜図６に示されており、これらはプローブ先端５０、半導体基板５１、電気接点５２、電線５３及び接合部５４を示している。

接合部５４の正確な形状は製造技法に応じて変化すると思われ、したがって図４〜図７に示されている接合部は単なる例示のためのものである。特徴をより分かりやすく示すために、寸法が誇張されているものもある。

使用時は、空気圧力を加えて、移動質量体をアーム１４ａ、１４ｂの弾性たわみによって支持する。この段階で、スタッド３４が担う荷重の釣り合いを調節することによって、所望の接地荷重を与えることができる。試験状態が変化しなければ、初期設定後にスタッドを調節する必要がない。次に、プローブ先端５１が試験位置に接近するまで、ベースプレート１１を基板５１の方へ進める。移動質量体１５の実際の質量は、ベースプレートの高速移動によって振動するほど大きくはない。

基板の直ぐ上方で、ベースプレートの移動を減速して、接触を光学センサ３２、３３で感知する（図４）。図３には、空気軸受けに形成されたギャップ７０が誇張されて示されており、実際には、アーム１４ａ、１４ｂがベースプレート１１からわずかに離れることができるように、空気圧力が選択される。

接触が感知されると、ベースプレートの移動が停止する。軸受けへの空気の供給も停止される結果、アームがわずかに移動してベースプレートと係合する（図２）。この段階で、移動質量体１５は、アーム１４ａ、１４ｂによって発生する固有の側方ばね力によってベースプレートに対してしっかり保持される。アーム１４ａ、１４ｂ内のわずかな残留荷重も、この固有のばね力によって保持されるであろう。空気供給の停止による移動は、もっぱら空気ギャップをなくす方向であり、プローブ先端は基板表面と軽く接触した状態を維持する。

次に、ベースプレートを所定量だけ後退させて（図５）、側方移動させて接合部に当接させる（図６）ことによって、せん断試験を開始することができる。

実際には、試験状態の繰り返し性を確保するために、ベースプレートの駆動は自動化される。試験しようとする接合部の付近でのプローブの位置決めは、一般的に拡大技法を用いて手動で、或いは、データ及び接合部位置間隔が既知である場合、事前プログラミングで実施される。

加えられる荷重の範囲に応じてそれぞれ構成される、幾つかの異なった試験ヘッドを提供することができる。一般的に、２５ｇ、２５０ｇ、５ｋｇ及び１００ｋｇの公称荷重を加えるようになっている試験ヘッドを提供することができる。

本装置は内部移動部材を含まず、不定の摩擦及び張り付き力が排除される。

図７に示されているように、基板が変形する可能性がある場合、問題が生じる。図４〜図６では、堅牢な支持面５５上に基板５１があるものとする。しかしながら、基板５１が、別の装置５６によって片持ち式に支持されている場合、プローブ先端が下方向に接触すると、矢印５７の方向にたわむことは避けられないであろう。結果として、基板が、その固有の弾性によって最初の位置まで戻った場合、プローブ先端５０の垂直方向の後退は、間隙を確保するのには不十分であろう。そのような場合、プローブ先端は、せん断試験を行う直前に基板５１に近づくか、又はプローブ先端の垂直荷重がほほゼロであるにもかかわらず基板と軽く引きずり接触することになる。前者の場合、試験結果は試験高さが異なるため比較可能なものとはならず、後者の場合、引きずり力により、記録されるせん断荷重がわからなくなるであろう。

本発明によると、プローブ先端の横方向の移動によって感知されるいかなる力も、基板上の引きずりによるためのものであるとしている。そのような状況では、先端はそれに応じたわずかな距離、一般的には０．５μｍだけ持ち上がり、横方向の移動が再び始まる。力が感知されると、先端は再び持ち上がり、横方向の移動に力が加わらなくなるまで同じように続き、その時点でせん断試験が行われる。先端が約１０μｍだけ横方向に移動すれば、引きずりを示すのに十分である。

この操作方法は、垂直方向の感知力を測定する必要性を回避する一方で、既存の試験装置が、より可撓性の基板に適応することを可能にする。摩擦のない光学接触の感知が実行され続ける。

試験高さの正確性をより高めるために、磨き試験を行ってもよい。このような試験は支持されている基板及び支持されていない基板の場合に、又は基板材料が可撓性若しくは簡単にへこむものである場合に有用である。

本実施形態では、プローブ先端が前進して基板と接触し、図４に関連して前述したように表面接触が感知される。次に、ツール先端が標準距離だけ後退し、横力が検出されるかどうかを確かめるために横方向に移動する。次いで、プローブ先端と基板との間の若干の接触を示す所定範囲内の力の検出を確実にするためのプロセスが繰り返して行われる。力が検出されないと、一般的に５μｍの範囲の非常にわずかな距離だけプローブは前進し、力が検出されると、同じ距離だけプローブは後退する。そのような構成により、基板表面に対する先端の位置がかなり正確に、また基板の弾性とは無関係に示される。したがって、せん断試験前に先端が持ち上がることにより、かなり正確な試験高さを得ることができ、試験の繰り返し性が向上する。

接触を感知するための従来の装置の側面図である。 図１のＸ−Ｘ線に沿った断面図であり、休止状態を示している。 図２と同様の図であるが、作動状態を示している。 装置の移動段階を拡大して示す図である。 装置の移動段階を拡大して示す図である。 装置の移動段階を拡大して示す図である。 片持ち式の基板を示す図である。

Claims (6)

1. 基板に対して離接するようにほぼ垂直方向に駆動するようになっている試験ヘッド（１５）を有し、該基板と該試験ヘッド（１５）との接触を感知する感知手段（３０）を含むせん断試験装置（１０）であって、
   前記試験ヘッド（１５）はさらに、前記基板上の突起にせん断荷重を加えるために該基板にわたって横断方向に駆動されるようになっており、
   前記試験ヘッド（１５）は、基板に対して垂直方向に摩擦のない移動を行えるように支持され、
   前記せん断試験装置は、前記突起に加えられるせん断力を感知する測定手段を含み、
   前記感知手段（３０）は光電センサ（３２、３３）を含み、
   前記測定手段はさらに、前記試験ヘッド（１５）を摩擦のない状態で支持しながら前記試験ヘッド（１５）を横断方向に移動することで、前記基板上の前記試験ヘッドのひきずり荷重を検出するようになっている、せん断試験装置。
2. 前記測定手段により所定のひきずり荷重を検出すると、前記試験ヘッドの横断移動を停止するようになっている装置をさらに含む、請求項１に記載のせん断試験装置。
3. 前記試験ヘッドを横断方向に往復させる駆動体をさらに含む、請求項１又は２に記載のせん断試験装置。
4. 基板の突起をせん断試験する方法であって、
   ａ）試験ツールを前記基板へ前進させるステップと、
   ｂ）前記基板と接触すると前記試験ツールの前進を停止させるステップと、
   ｃ）前記試験ツールを所定距離だけ後退させるステップと、
   ｄ）前記試験ツールを摩擦のない状態で支持しながら前記試験ツールを前記基板に対して横断方向に往復させることで、いかなるひきずり力も検出するステップと、
   ｅ）ひきずり力が検出されると、前記所定距離分だけ前記試験ツールをさらに後退させ、且つ、ひきずり力が検出されなくなるまで前記ステップｄ）を繰り返すステップと、
   ｆ）前記基板の突起に対して前記試験ツールを横方向に動かしてせん断試験を行うステップと、
   を含む、せん断試験する方法。
5. 以下の追加ステップ：
   ｅ１）ひきずり力が検出されない場合、前記試験ツールを前記所定距離分だけ前進させ、ひきずり力が検出されるまで前記ステップｄ）を繰り返すステップと、
   ｅ２）前記せん断試験を行う前に、前記試験ツールを前記所定距離分だけ後退させるステップと、
   をさらに含む、請求項４に記載のせん断試験する方法。
6. 最初にひきずり力を感知した後、前記試験ツールを設定距離だけ後退させ、ただちに前記せん断試験を行う代替的ステップを含む、請求項４又は５に記載のせん断試験する方法。

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