界面強度評価装置
【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。
【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。
【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
【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
【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。
【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。
【図1A】
【図1B】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図6】
【図7】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図8D】
【図9】
【図1B】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図6】
【図7】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図8D】
【図9】
【公開番号】特開2009−229441(P2009−229441A)
【公開日】平成21年10月8日(2009.10.8)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−208565(P2008−208565)
【出願日】平成20年8月13日(2008.8.13)
【出願人】(000004237)日本電気株式会社 (19,353)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成21年10月8日(2009.10.8)
【国際特許分類】
【出願日】平成20年8月13日(2008.8.13)
【出願人】(000004237)日本電気株式会社 (19,353)
【Fターム(参考)】
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