電子パッケージを対象とした面内変位２方向同時計測 システムの製作

電子パッケージを対象とした面内変位２方向同時計測 システムの製作

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内野 正和 、小金丸

正明 、新川

和夫

、東藤 貢

Construction of Simultaneous Two - Directional Measurement System of In-Plane Deformation for Electronics Packages

Masakazu Uchino, Masaaki Koganemaru, Kazuo Arakawa, Mitsugu Toudou

レーザ光が粗面などによって散乱、反射することで生じるスペックルパターンを利用した計測は、その発生機構 より測定面が荒れていることが条件となるため実構造物の計測には非常に適している。また、レーザの可干渉性を 利用しているため高温及び低温での計測、静的及び動的な荷重への適用が可能である。本研究では電子デバイス信 頼性評価のための実計測法の確立を目的としてレーザスペックルを利用した面内変位計測システムを製作し、

チップの計測を行った。

１ はじめに

、 、 、

近年

新技術の言葉で代表されるように 情報 通 信 の 融 合 に よ る デ ジ タ ル ネ ッ ト ワ ー ク 社会が 進 展 し、全地球規模での情報量の急速なる増大化で情報デ ータの交換、伝送の大容量化・高速化が要求されてき ている。この要求に対して、電子情報システム、デバ イスの高速化大規模化が進行すると共に電子機器の高 性能・高機能化（複合化・融合化）と小型携帯化（高 密度化）の動きが急激である。これを支えるキーテク ノロジーは超高密度実装技術である。現在の技術開発 は、複数部品の搭載にあたって従来の平面的に配置す る 二 次 元 実 装 か ら 部 品 を 積 み 重 ね た 三 次 元実装 に よ り、部品間の配線を短縮、実装面積効率を高めシステ ムの高密度化を図っている。しかしながらその実現に はパッケージの材料や構造、組立技術の複雑化、異な ったデバイスの混在、発熱対策等の課題が上げられ、

その信頼性の評価技術が非常に重要となる。信頼性評

（ ）

価にはコンピュータシミュレーション 有限要素法等 が用いられる機会が増えてきている。しかしながらこ

の 方 法 で は 境 界 条 件 を 正 確 に 与 え る こ と が困難 で あ り、しかも解析結果は境界条件で大きく異なる。過小 の強度評価は破壊に、過度の強度評価は製品重量の増 加、大型化につながる。そこで実験的応力計測の重要 性が再認識されているが、従来の方法では種々の欠点 があり、十分有効な手段とはなっていない。例えば歪 みゲージ法ではゲージを貼った点のみのデータが得ら れ る だ け で 応 力 の 分 布 や 応 力 集 中 部 の 特 定はで き な い。また、接触式なので計測条件や環境等によっては 計測できない場合がある。非接触の計測法として赤外 線、レーザを利用したものがある。これらの方法は物 体表面の変位分布を計測することができる。更に応力 集中箇所やき裂の発生部の特定ができ、実物のパター ン計測が可能である。しかしながら赤外線を用いた方 法では繰り返しの外力を加える必要があり、静的な荷

、 。 、

重 及び温度変化のある環境では計測できない また 計測だけでは主応力の分離（最大と最小主応力を求め る）ができない等の問題がある。一方、レーザを利用 した方法ではレーザ光の可干渉性を用いて変形を求め るため高温及び低温での計測、静的及び動的な荷重へ の適用が可能である。また、散乱光を利用した計測は 測定面が荒れている必要があるので実構造物への計測

＊１ 機械電子研究所

＊2 九州大学応用力学研究所

λ θ φ = 2πu sin

∆

φ φ φ

cos 2

) exp(

) exp(

2 1 2 2 2 1

2 2 2 1 1

a a a a

i a i a I_before

+ +

=

+

=

) cos(

2 _{1 2}

22

12 + + φ +∆φ

=a a a a

I_after

には非常に適している。本研究ではレーザスペックル を利用した電子パッケージの微視的計測を目的として 面内変位を高精度で計測可能なスペックル干渉法を利 用した従来にない２方向同時計測システムを試作し、

電子デバイス信頼性評価のための実計測法の確立を目 指す。

２ スペックル干渉法の原理

本研究で利用したスペックル干渉法の原理

につい て説明する。レーザ光を粗面に照射した場合、レーザ のコヒーレンシ（可干渉性）によって ランダムな位 相の光が重ね合い、干渉し、ぎらぎらと輝く斑点模様 が観察される。この干渉パターンはスペックルパター ンと呼ばれる。スペックル干渉法は、測定面上に２つ 以上の光路を通ったレーザ光を重ね合わせた時に生じ るスペックパターンを利用して変位を求めるものであ る。図−１に面内変位を求める光学系を示す。この光 学系は測定面の法線に対して対称な２方向からレーザ 光を照射し、法線方向から観察する。そして測定面が 面内方向に u だけ変形したとすると、変形前後で二 つの光路を通る光の位相差 Δ

は次式で表される。

( )

ここで、λはレーザの波長で、

は照射光が測定面の 法線となす角である。

また、ここで２方向からの照射で観察面上の１点に 到達する I ,I

の光の振幅をそれぞれ a a

とし、両者 の位相、並びに位相差をそれぞれ

,

,

=

-

と するとこの点の変形前の強度は次式で表される。

( )

I Δ とすると

変形後の強度

は変形による位相を

( )

[ ]

2) sin(

2 ) 2sin(

4 1

) cos(

) 2cos(

21

φ φ φ

φ φ φ

∆ +∆

=

∆ +

−

=

−

a a

a after a

before I I

となる。

次に変形前 I

と後 I

のスペックルパターンの差 の絶対値を取ると

( )

図−１ スペックル干渉法による面外変位計測系

となり、| sin( +Δ

/2) | は０から１までランダム な値をとり、| sin(Δ

/2) | は位相差によって０か ら１まで規則的に変化する。そのため変形による位相 差 Δ

が π の奇数倍 (2n+1)π の場合は強度が最も大き くなり、偶数倍 2πn の場合は強度がセロとなる。これ によりスペックルの干渉縞が形成される。この原理を 利用し、縞分布よりレーザ照射方向の面内変位量の分 布を求めることができる。

３ 実験及び考察 ３−１ 光学計測システム２）

上述のスペックル干渉法ではレーザ照射方向の面内

変位分布しか求めることができず、真の面内変位を求

めるためには少なくとも２方向の面内変位量が必要で

ある。しかしながら、従来の方法では照射する方向を

光 学 素 子 や シ ャ ッ タ 等 を 用 い て 切 り 替 え て行っ て お

り、２方向同時には計測されていない

。２方向同時

図−２ ２方向同時計測システムの概略図

図−３ 画像計測部の概略図

図−４ 計測システムの全体写真

図−５ 画像計測部の写真

計測としてはレーザ光の偏向を利用したものが報告さ れているが 、この方法では測定物表面での反射・散

乱による偏向状態に依存するという問題点を抱えてい る。そこで本研究では２種類の波長の異なるレーザと 光学フィルタを利用し、２方向同時計測装置を製作し た。図−２に概略図を示す。本装置はHe-Neレーザと アルゴンイオンレーザ、画像計測部、レーザ照射系で 構成されている。波長の異なったレーザを水平方向、

垂直方向から同時に計測面に照射する。それぞれのレ ーザ光はレンズを用いて拡大されて、一部のレーザ光 は直接、測定物に照射され、一部はミラーの反射を利 用して照射される。ミラーを利用することにより図−

１に示したように２つの光学系を通ったレーザ光を測 定物上で重ね合わせ、それぞれの方向の面内変位分布

を計測する。

次に、水平、垂直方向の変位を同時に求める画像分 離部を図−３に示す。測定面からの散乱、反射した水 平、垂直方向用の波長の異なったレーザ光は図−３の 画像計測部で、エッジフィルタにより２種類の波長が 混在した反射光を透過と反射で大まかに分離し、CCD カメラのレンズに装着したレーザラインフィルタを利 用して目的の波長のみを透過させ、水平、垂直のスペ ックルパターンに分離し、２個のCCDカメラに取り込 む。本システムの全体写真と画像計測部の写真を図−

４、５に示す。

３−２ 計測結果

２方向同時計測を検証するため本システムを用いて 熱膨張計測を行った。試料は銅板で後部側からラバー ヒータを用いて加熱を行い、銅板の中心部（表示範囲

：26x19mm ）を測定した。図−６に２方向同時計測で

得られた干渉縞を示す。

(a)は水平方向、(b)は垂

、 （ ）、

直方向の面内変位で 温度差が約5℃ (a)-1,(b)-1 約10℃（(a)-2,(b)-2）の干渉縞である。温度が増加 するにつれて縞密度が増加している。また、干渉縞の 間隔はほぼ等間隔に並んでいる。これは銅板の熱膨張 を計測しており、試験片が等厚の板状で、更に中心部

図−６ 銅板 の熱膨張の計測結果 、( )は水平方向

( )は垂直方向の面内変位

図−７

チップの変位計測結果

の計測であったためであると考えられる。次にICチッ プに電流を流したときの熱膨張を計測した結果を図−

７に示す。ICチップを基板に装着し、基板の横側を固 定している。熱が発生し、水平、垂直、両方向の変形 に対応した干渉縞が得られ、電子デバイスの実装時や 稼働時の計測が可能であることが確かめられた。

４ まとめ

He-Neレーザとアルゴンイオンレーザの波長の異な るレーザと光学フィルタを利用し、スペックル干渉法 を用いた２方向同時計測装置を製作した。装置の応用 計測として金属板、並びにICチップの動的な温度変化 過程（熱膨張）の変形計測を行い、電子パッケージの 信頼性評価のための実計測への応用の有効性を確かめ た。今後は同時に温度変化も計測し、変位分布と温度 分布との相関を明らかにし、電子デバイス実装時のよ

うな高温下での計測や稼働時の計測実験を行う予定で ある。また、電子パッケージの加熱方法について、ヒ ータ上に置いて加熱する方法も検討したが、ヒータ自 身も変形してしまい、得られた結果が両者の変形を含 んだものとなる。そのため試料のみに変形を与える加 熱方法を検討することが今後の課題である。

５ 参考文献

1) Pramod, K. R.: Digital Speckle Pattern Interferometry and Related Techniques, John Wiley & Sons, Ltd Press, Chichester (2001)

2) Masakazu, U.: Proc. APCFS & ATEM '01, Sendai, p.836-839 (2001)

3) Facchini, M. and Zanetta, P., An Electronic Speckle Pattern Interferometry In-Plane System Applied to the Evaluation of Mechanical Characteristics of Masonry, Maes.

Sci. Technol., Vol. 6, p.1260-1269 (1995)

4) Ritter, R., Galanulis, K., Winter, D., M ller, E. and Breuckmann, B., Notes on the Application of Electronic Speckle Pattern Interferometry, Optics and Lasers in Engineering, Vol. 26, p.283-299 (1997)

5) Gong, X. L. and Toyooka, S., Investigation on Mechanism of Plastic Deformation by Digital Speckle Pattern Interferometry, Exp. Mech. Vol. 39, No. 1, p.25-29(1999) 6) Bowe, B., Martin, S., Toal, V., Langhoff, A. and Whelan, M., Dual In-Plane Electronic Speckle Pattern Interferometry System with Electro-Optical Switching and Phase Shiffting,, M., Appl. Opt., Vol. 38, No. 4, p.666-673 (1999)

7) Moore, A. J. and Tyrer, J. R., An Electronic Speckle Pattern Interferometer for Complete In-Plane Displacement M e a s u r e m e n t , M a e s . S c i . T e c h n o l . , V o l . 1 , p.1024-1030(1990)