JP5656894B2 - 接触圧力検出装置および接点圧力測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、接触圧力検出装置および接点圧力測定装置に関する。

従来、圧力は、荷重センサ、半導体歪みゲージ式センサ、ピエゾ抵抗型センサ、光ファイバ式センサ、またはプラズモン共鳴式センサ等を用いて計測していた（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１ 特開２０１１−１５８３１７号公報

しかしながら、これらの計測装置を用いて、例えば、３０μｍ程度の狭ピッチで配列された直径２０μｍ程度の複数の凸部が平面に接触する場合の接触圧力を、当該凸部毎に計測することは困難であった。

本発明の第１の態様においては、対象物が接触して圧力が印加されるセンサ部と、圧力が印加されたセンサ部に、ラマン散乱を生じさせる波長の光を照射する光源部と、センサ部からの反射光を受光して、対象物とセンサ部との間の圧力を検出する検出部と、を備える接触圧力検出装置を提供する。

本発明の第２の態様においては、被試験デバイスの電極の接触圧力を測定する接点圧力測定装置であって、被試験デバイスを載置して、被試験デバイスの電極をセンサ部に押し当てて固定する固定部と、圧力検査装置と、を備える接点圧力測定装置を提供する。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

本実施形態に係る接触圧力検出装置１００の構成例を示す。 本実施形態に係る接点圧力測定装置２００の構成例を被試験デバイス２１０と共に示す。 本実施形態に係る接点圧力測定装置２００の動作フローを示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態に係る接触圧力検出装置１００の構成例を示す。接触圧力検出装置１００は、対象物が接触して圧力が印加された部位に光を照射し、照射した光に対するラマン散乱を検出することで当該対象物の接触圧力を検出する。接触圧力検出装置１００は、光源部１１０と、ハーフミラー１１４と、センサ部１２０と、検出部１３０と、算出部１５０と、を備える。

光源部１１０は、センサ部１２０に光を照射する。光源部１１０は、圧力が印加されたセンサ部１２０に、ラマン散乱を生じさせる波長の光を照射する。光源部１１０は、レーザ光源を有し、レーザ光をセンサ部１２０に照射してよい。光源部１１０は、可視光を出力してよい。光源部１１０は、ミラー１１２、および／またはレンズ等の光学系を有し、出力光の出射方向および／または焦点位置を調整してよい。光源部１１０は、ハーフミラー１１４を介してセンサ部１２０に光を照射する。

ハーフミラー１１４は、光源部１１０からの光の一部を反射または透過して、センサ部１２０に当該光を照射する。また、ハーフミラー１１４は、センサ部１２０からの光の一部を透過または反射する。図中において、ハーフミラー１１４は、光源部１１０からの光の一部を反射してセンサ部１２０に当該光を照射し、かつ、センサ部１２０からの光の一部を透過する例を示す。

センサ部１２０は、対象物が接触して圧力が印加される。センサ部１２０は、印加された圧力に応じて入力光のラマン散乱を発生させ、入力光が入射される方向に当該ラマン散乱光を出力する。センサ部１２０は、基板部１２２と、散乱部１２４とを有する。

基板部１２２は、光源部１１０が照射する光を透過させる。基板部１２２は、圧力が印加されても光源部１１０が照射する光に対してラマン散乱を生じない材料により形成されてよい。これに代えて、基板部１２２は、散乱部１２４が生じるラマン散乱の散乱強度に比べて弱い強度のラマン散乱を生じさせてよい。この場合、またはこれに代えて、基板部１２２は、散乱部１２４が生じるラマン散乱の波長シフト量に比べて異なるシフト量のラマン散乱を生じさせてよい。基板部１２２は、ガラスで形成されてよい。

散乱部１２４は、基板部１２２の一方の面に形成され、対象物が接触して圧力が印加されると、入力光の波長に対してラマン散乱を生じさせる。ラマン散乱は、照射した光の波長と同じ波長の光を散乱させるレイリー散乱とは異なり、物質を構成する分子等の振動に応じて、照射された光の波長を変化させて散乱させる現象である。ラマン散乱は、物質の内部状態に起因するので、当該物質に圧力が印加されると構成分子等の状態が変化して、当該圧力に応じて散乱光の波長を変化させる。即ち、散乱部１２４は、対象物からの接触圧力に応じて、光源部１１０から照射される光の波長とは異なる波長の光を出力する。

ここで、散乱部１２４は、基板部１２２側の一方の面から光源部１１０の光が入力される。即ち、光源部１１０は、基板部１２２の他方の面側から散乱部１２４に光を照射する。これによって、光源部１１０は、散乱部１２４に接触して圧力が印加される部位に光を照射することができる。また、散乱部１２４は、ラマン散乱光の一部を、光源部１１０の光が入力する方向に出力する。即ち、散乱部１２４は、散乱部１２４の圧力が印加される面とは反対側の面にラマン散乱光を出力する。

散乱部１２４は、基板部１２２の一方の面に略均一な厚さで形成され、当該厚さは光源部１１０が照射する光の散乱部１２４に対する吸収深度以下でよい。ここで、散乱部１２４の吸収深度は、散乱部１２４に照射された光の強度が散乱部１２４を通過するにつれて減衰して、入力強度の略１／ｅに減衰するまでの距離を示す。これによって、散乱部１２４は、圧力が印加される部位である散乱部１２４の基板部１２２とは反対側の面まで入力光を到達させることができる。即ち、散乱部１２４は、圧力印加によって変形してラマン散乱を発生させる散乱部１２４内の領域に入力光を照射させて効率的にラマン散乱を発生することができる。

散乱部１２４は、基板部１２２とは反対側の一方の面に、光源部１１０が照射する光を反射する反射膜を更に有してよい。これによって、散乱部１２４は、光源部１１０からの入力光のうち散乱部１２４を透過する成分を再び散乱部１２４の方向へ入射させて、効率的にラマン散乱を発生することができる。

散乱部１２４は、可視光の入力光に対してラマン散乱を生じさせる材料により形成されてよい。散乱部１２４はシリコンを含んでよい。一例として、センサ部１２０は、ガラス基板で形成された基板部１２２の上面に、散乱部１２４としてシリコンが形成される。ここで、シリコンは、結晶、多結晶、またはアモルファスであってよい。これに代えて、散乱部１２４は、半導体材料、または高分子材料等の、ラマン散乱を生じさせる材料で形成されてよい。散乱部１２４は、発生させるラマン散乱光のうちの一部を、検出部１３０の方向へと出力する。

検出部１３０は、センサ部１２０からの光を受光して、対象物とセンサ部１２０との間の圧力を検出する。図中において、検出部１３０は、センサ部１２０から出力される光のうち、ハーフミラー１１４を透過した一部の光が入力される例を示す。検出部１３０は、光フィルタ１３２と、波長測定部１４０とを有する。

光フィルタ１３２は、センサ部１２０から入力される光のうち、光源部１１０が照射する光の波長と略同一の波長の光を低減させる。また、光フィルタ１３２は、センサ部１２０から入力される光のうち、ラマン散乱光はほとんど低減させない透過特性を有する。即ち、光フィルタ１３２は、センサ部１２０から入力される光のうち、ノイズ成分となる光の成分を低減させる。

波長測定部１４０は、光フィルタ１３２を通過した光の波長を測定する。波長測定部１４０は、散乱部１２４が生じさせるラマン散乱に応じて、光源部１１０が照射する光に生じさせる波長シフト量を検出する。一例として、波長測定部１４０は、入力光を分光して波長に対する光強度を示すスペクトルを測定する分光器を含んでよい。

これによって、波長測定部１４０は、光源部１１０が出力する光とは異なる波長の光を検出したか否かによって、ラマン散乱が生じたか否かを検出する。また、波長測定部１４０は、光源部１１０が出力する光とは異なる波長の光について、光源部１１０が出力する光の波長からの波長シフト量を検出することで、接触圧力の大きさを検出する。

算出部１５０は、検出部１３０に接続され、予め定められた波長シフト量と印加圧力の対応関係に基づき、検出された波長シフト量から、対象物がセンサ部１２０に印加した接触圧力を算出する。算出部１５０は、センサ部１２０への接触圧力と波長シフト量とを予め測定して対応関係を記憶し、検出部１３０が検出した波長シフト量から接触圧力を算出してよい。

例えば、シリコンで形成された散乱部１２４は、可視帯域の波長の光を照射した場合、１００ＭＰａ程度の接触圧力に応じて略１ｎｍ程度波長シフトさせたラマン散乱光を出力する。算出部１５０は、このような接触圧力と波長シフト量の対応関係から、接触圧力を算出する。

以上のように、本実施形態に係る接触圧力検出装置１００によれば、センサ部１２０に接触して印加される圧力を検出することができる。また、接触圧力検出装置１００は、光源部１１０から照射される光のラマン散乱光の波長シフト量に応じて接触圧力を検出するので、光源部１１０が照射する光をビーム状にして当該照射ビーム径を絞り込むことで、微細な領域の接触圧力を検出することができる。

また、接触圧力検出装置１００は、ラマン散乱光の波長シフト量に基づいて接触圧力を検出するので、ラマン散乱光強度の強弱とはほとんど関係なく検出することができ、光学系の自由度を増すことができる。また、接触圧力検出装置１００は、ラマン散乱光の波長シフト量を検出するので、光源部１１０、ミラー１１２、ハーフミラー１１４、検出部１３０、および算出部１５０は、ラマン顕微鏡１６０が有する構成部品であってよい。この場合、接触圧力検出装置１００は、当該ラマン顕微鏡１６０がセンサ部１２０のラマン散乱光を検出することで、センサ部１２０に印加された接触圧力を検出する。

また、接触圧力検出装置１００は、センサ部１２０の複数箇所の接触圧力を検出してよい。例えば、光源部１１０は、センサ部１２０に照射する光を走査し、検出部１３０は、センサ部１２０からの光を受光して、光源部１１０が光をセンサ部１２０に照射した位置と対応づけて対象物とセンサ部１２０との間の接触圧力を検出し、対象物がセンサ部１２０に印加した圧力の平面分布を検出する。

これに代えて、接触圧力検出装置１００は、光源部１１０からセンサ部１２０に照射される光の光軸をＺ軸とした場合に、センサ部１２０をＸＹステージ等に固定してセンサ部１２０をＸまたはＹ方向に動かしてよい。この場合、検出部１３０は、当該ＸＹステージの移動に応じてセンサ部１２０に照射される光の位置と対応づけて、対象物とセンサ部１２０との間の接触圧力を検出することで、対象物がセンサ部１２０に印加した圧力の平面分布を検出することができる。

図２は、本実施形態に係る接点圧力測定装置２００の構成例を被試験デバイス２１０と共に示す。本実施形態の接点圧力測定装置２００において、図１に示された本実施形態に係る接触圧力検出装置１００の動作と略同一のものには同一の符号を付け、説明を省略する。接点圧力測定装置２００は、被試験デバイス２１０の接点となる電極の接触圧力を測定する。

被試験デバイス２１０は、アナログ回路、デジタル回路、メモリ、およびシステム・オン・チップ（ＳＯＣ）等の半導体デバイスでよい。被試験デバイス２１０は、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）またはＬＧＡ（Ｌａｎｄ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）等の電極を有してよい。これに代えて、ＳＯＪ（Ｓｍａｌｌ Ｏｕｔｌｉｎｅ Ｊ−ｌｅａｄｅｄ）、ＰＬＣＣ（Ｐｌａｓｔｉｃ Ｌｅａｄｅｄ Ｃｈｉｐ Ｃａｒｒｉｅｒ）、ＱＦＰ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）、またはＳＯＰ（Ｓｍａｌｌ Ｏｕｔｌｉｎｅ Ｐａｃｋａｇｅ）等の端子を有してよい。

接点圧力測定装置２００は、被試験デバイス２１０が有するこれら接点電極の接触圧力を測定する。本実施例において、接点圧力測定装置２００は、複数のＢＧＡ電極２１２を有する被試験デバイス２１０の、それぞれのＢＧＡ電極２１２の接触圧力を測定する例を説明する。接点圧力測定装置２００は、固定部２２０を更に備える。

固定部２２０は、被試験デバイス２１０を載置して、被試験デバイス２１０の電極をセンサ部１２０に押し当てて固定する。固定部２２０は、センサ部１２０を固定する側に設けられ、光源部１１０からの光を通して、被試験デバイス２１０の電極に当該光を照射させる開口部２２２を有する。接点圧力測定装置２００は、被試験デバイス２１０のＢＧＡ電極２１２がセンサ部１２０に接触する部分に光を照射して、ラマン散乱を検出することで、ＢＧＡ電極２１２の接触圧力を測定することができる。

ここで、固定部２２０は、予め定められた圧力で被試験デバイス２１０をセンサ部１２０に押し当ててよい。これによって、接点圧力測定装置２００は、被試験デバイス２１０を押し付ける圧力と、ＢＧＡ電極２１２がセンサ部１２０に印加する接触圧力との関係を測定することができる。

また、固定部２２０は、被試験デバイス２１０を固定したまま、ＸまたはＹ方向に動かすＸＹステージ等を有してよい。これに代えて、または、これに加えて、光源部１１０は、センサ部１２０に照射する光を走査してよい。これによって、接点圧力測定装置２００は、被試験デバイス２１０が有する複数のＢＧＡ電極２１２のそれぞれの接触圧力を測定することができる。

ここで、被試験デバイス２１０は、ＢＧＡ電極２１２が形成される面とは反対側の面に、パッケージ材料２１４を有してよい。また、センサ部１２０は、ＢＧＡ電極２１２が接触する面とは反対側の面に、パッケージ材料１２６を有してよい。ここで、パッケージ材料２１４および１２６は、被試験デバイス２１０をパッケージする材料と同一の材料でよい。また、パッケージ材料２１４および１２６は、フィルム状に形成されてよい。

また、１つのパッケージ材料２１４が被試験デバイス２１０およびセンサ部１２０を収容し、固定部２２０は、パッケージ化した被試験デバイス２１０およびセンサ部を固定してもよい。これにより、接点圧力測定装置２００は、被試験デバイス２１０がパッケージに収容された状態における接触圧力を測定することができる。

ここで、例えば、光源部１１０は、可視域のレーザ光源を用いることで、ビーム径を１μｍ程度以下にすることができ、また、ＸＹステージの動作精度を１μｍ以下にすることもできる。即ち、ラマン顕微鏡自体、位置分解能を１μｍ以下程度にすることができるので、接点圧力測定装置２００は、微細な領域の接触圧力を検出することができる。したがって、接点圧力測定装置２００は、例えば、３０μｍ程度のピッチで配列された直径２０μｍ程度の複数の凸部が平面に接触する場合の接触圧力を、当該凸部毎に計測することができる。

図３は、本実施形態に係る接点圧力測定装置２００の動作フローを示す。固定部２２０は、被試験デバイス２１０を固定する（Ｓ３００）。固定部２２０は、被試験デバイス２１０をセンサ部１２０に押し当てた状態で固定する。

次に、接点圧力測定装置２００は、測定位置を決定する（Ｓ３１０）。ここで、接点圧力測定装置２００は、固定部２２０をＸまたはＹ方向に移動させてよく、これに代えて、光源部１１０からの光を走査させてよい。接点圧力測定装置２００は、被試験デバイス２１０が有する複数のＢＧＡ電極２１２のうち、一のＢＧＡ電極２１２がセンサ部１２０に接触している部位に、光源部１１０からの光が照射されるように固定部２２０および／または光源部１１０からの光の照射位置を動かす。

次に、検出部１３０は、センサ部１２０からのラマン散乱光を検出する（Ｓ３２０）。次に、算出部は、検出したラマン散乱光の波長シフト量から、接触圧力を算出する（Ｓ３３０）。

接点圧力測定装置２００は、測定位置の決定のステップＳ３１０から接触圧力を算出するステップＳ３３０を、測定箇所毎に繰り返す（Ｓ３４０）。ここで、接点圧力測定装置２００は、一のＢＧＡ電極２１２に対して１カ所以上の測定箇所を設定して測定してよい。例えば、接点圧力測定装置２００は、一のＢＧＡ電極２１２毎に、接触圧力の平面分布を測定する。

接点圧力測定装置２００は、測定すべき測定箇所が無くなるまで測定を続けてよい。ここで、接点圧力測定装置２００は、測定すべき測定箇所を、予め記憶してよい。接点圧力測定装置２００は、このような動作フローによって、被試験デバイス２１０が有するＢＧＡ電極２１２の接触圧力をＢＧＡ電極２１２毎に測定することができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１００ 接触圧力検出装置、１１０ 光源部、１１２ ミラー、１１４ ハーフミラー、１２０ センサ部、１２２ 基板部、１２４ 散乱部、１２６ パッケージ材料、１３０ 検出部、１３２ 光フィルタ、１４０ 波長測定部、１５０ 算出部、１６０ ラマン顕微鏡、２００ 接点圧力測定装置、２１０ 被試験デバイス、２１２ ＢＧＡ電極、２１４ パッケージ材料、２２０ 固定部、２２２ 開口部

Claims (13)

1. 対象物が接触して圧力が印加されるセンサ部と、
   圧力が印加された前記センサ部に、ラマン散乱を生じさせる波長の光を照射する光源部と、
   前記センサ部からの光を受光して、前記対象物と前記センサ部との間の圧力を検出する検出部と、
   を備え、
   前記センサ部は、
   前記光源部が照射する光を透過させる基板部と、
   前記基板部の一方の面に形成され、前記対象物が接触して圧力が印加されると、前記波長の入力光に対してラマン散乱を生じさせる散乱部と、
   を有し、
   前記光源部は、前記基板部の他方の面側から前記散乱部に光を照射する接触圧力検出装置。
2. 前記散乱部は、前記基板部の一方の面に略均一な厚さで形成され、
   当該厚さは前記光源部が照射する光の前記散乱部に対する吸収深度以下である請求項１に記載の接触圧力検出装置。
3. 前記基板部は、圧力が印加されても前記光源部が照射する光に対してラマン散乱を生じない材料により形成される請求項２に記載の接触圧力検出装置。
4. 前記検出部は、
   前記センサ部から入力される光のうち、前記光源部が照射する光の波長と略同一の波長の光を低減させる光フィルタと、
   前記光フィルタを通過した光の波長を測定する波長測定部と、
   を有し、
   前記散乱部が生じさせるラマン散乱に応じて、前記光源部が照射する光に生じさせる波長シフト量を検出する請求項１から３のいずれか一項に記載の接触圧力検出装置。
5. 前記検出部に接続され、予め定められた波長シフト量と印加圧力の対応関係に基づき、検出された前記波長シフト量から、前記対象物が前記センサ部に印加した接触圧力を算出する算出部を備える請求項４に記載の接触圧力検出装置。
6. 前記散乱部は、前記基板部とは反対側の一方の面に、前記光源部が照射する光を反射する反射膜を更に有する請求項１から５のいずれか一項に記載の接触圧力検出装置。
7. 前記散乱部は、可視光の入力光に対してラマン散乱を生じさせる材料により形成され、
   前記光源部は、前記散乱部に可視光を照射する
   請求項１から６のいずれか一項に記載の接触圧力検出装置。
8. 前記散乱部はシリコンを含む請求項１から７のいずれか一項に記載の接触圧力検出装置。
9. 前記基板部はガラスで形成される請求項１から８のいずれか一項に記載の接触圧力検出装置。
10. 前記光源部は、前記センサ部に照射する光を走査し、
    前記検出部は、前記センサ部からの光を受光して、前記光源部が光を前記センサ部に照射した位置と対応づけて前記対象物と前記センサ部との間の接触圧力を検出し、
    前記対象物が前記センサ部に印加した圧力の平面分布を検出する請求項１から９のいずれか一項に記載の接触圧力検出装置。
11. 被試験デバイスの電極の接触圧力を測定する接点圧力測定装置であって、
    前記被試験デバイスを載置して、前記被試験デバイスの電極を前記センサ部に押し当てて固定する固定部と、
    請求項１から１０のいずれか一項に記載の接触圧力検出装置と、
    を備える
    接点圧力測定装置。
12. 前記固定部は、フィルム状のパッケージ材料でパッケージ化した前記被試験デバイスおよび前記センサ部を固定する請求項１１に記載の接点圧力測定装置。
13. 対象物がセンサ部に接触して圧力が印加されるセンサ段階と、
    圧力が印加された前記センサ部に、ラマン散乱を生じさせる波長の光を照射する光照射段階と、
    前記センサ部からの光を受光して、前記対象物と前記センサ部との間の圧力を検出する検出段階と、
    を備え、
    前記センサ部は、
    前記ラマン散乱を生じさせる波長の前記光を透過させる基板部と、
    前記基板部の一方の面に形成され、前記対象物が接触して圧力が印加されると、前記波長の入力光に対してラマン散乱を生じさせる散乱部と、
    を有し、
    前記光照射段階は、前記基板部の他方の面側から前記散乱部に光を照射する接触圧力検出方法。

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