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発明の名称 接続検査方法及び接続検査装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2001−319951(P2001−319951A)
公開日 平成13年11月16日(2001.11.16)
出願番号 特願2000−136881(P2000−136881)
出願日 平成12年5月10日(2000.5.10)
代理人 【識別番号】100094662
【弁理士】
【氏名又は名称】穂坂 和雄 (外2名)
【テーマコード(参考)】
2F067
2G001
5E319
5F044
【Fターム(参考)】
2F067 AA65 BB07 CC14 DD03 DD05 EE04 HH04 JJ03 KK06 LL02 PP05 PP12 
2G001 AA01 BA11 CA01 DA02 DA09 GA05 GA13 HA12 HA13 JA01 JA06 JA08 KA03 LA11 PA11 PA12
5E319 AA03 AB05 AC02 AC16 BB04 CC33 CD29 CD53 GG15
5F044 KK01 LL01 QQ01
発明者 五十嵐 修三
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 はんだボール,ランド間の接続状態を該はんだボール側からX線を放射することにより検査する接続検査方法において,X線を放射するX線発生部の放射面を該ランドのはんだボールとの接触面に対して水平とし,放射された該X線を検出するX線検出部の検出面を前記ランドのはんだボールとの接触面に対して所定角度傾けて接続検査を行う,ことを特徴とする接続検査方法。
【請求項2】 BGA/CSPの下部の多数のはんだボールをプリント配線基板上の各ランドにはんだ付けした後,前記プリント配線基板の上方に配置したX線発生部から検査対象となる位置に対しX線を照射し,前記プリント配線基板の下部の検査対象位置を透過したX線をX線検出部により検出して透過画像を表示する接続検査方法において,前記BGA/CSPのはんだボールの下部とランドとが良好にはんだ接続された時に形成される合金の接合部の一部をはんだボールを透過するX線とを分離できるように斜め方向を透過するX線を検出し,前記検出したX線の透過画像の表示によりはんだボール接続状態を識別することを特徴とする接続検査方法。
【請求項3】 請求項2において,前記X線発生部を当該X線発生部の光軸が前記プリント配線基板の検査対象となる位置に対し垂直の方向に配置し,前記X線検出部が検出するX線の受光軸が前記プリント配線基板の検査対象位置において前記プリント配線基板の平面と交差する角度(θ)を,はんだボールの半径をa,ランドの半径をbとした時,θ=sin-1(a/b)になるよう傾斜させることを特徴とする接続検査方法。
【請求項4】 X線発生部からはんだボール,ランドに対してX線を放射し,X線検出部で該X線を検出することにより,はんだボール,ランド間の接続状態を検査する接続検査装置において,前記X線発生部の放射面を該ランドのはんだボールとの接触面に対して水平とし,放射された前記X線検出部の検出面を前記ランドのはんだボールとの接触面に対して所定角度傾けた,ことを特徴とする接続検査装置。
【請求項5】 BGA/CSPの下部の多数のはんだボールをプリント配線基板上の各ランドにはんだ付けした前記プリント配線基板を載せるステージと,前記ステージの上方に設けられて検査対象となる位置に対しX線を照射するX線発生部と,前記ステージの下部に設けられて検査対象位置を透過したX線を検出するX線検出部と,検出したX線透過画像を表示する表示部とを備えた接続検査装置において,前記X線検出部は,前記ステージ上の検査対象位置における当該ステージの平面と当該X線検出部の受光軸が交差する角度を,前記BGA/CSPのはんだボールの下部とランドとが良好にはんだ接続された時に形成される合金の接合部の一部をはんだボールを透過するX線とを分離できる角度となるよう傾斜可能な機構を備えることを特徴とする接続検査装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は略球状のはんだボールとランドとの接続状態を検査する接続検査方法及び接続検査装置に関し,例えばプリント配線基板に実装されるBGA(Ball Grid Array)パッケージやCSP(Chip Size Package) のはんだボール等の接続状態をX線透過画面を元に判別するX線を用いた接続検査方法及び接続検査装置に関する。
【0002】近年,SMD(Surface Mount Devices)部品実装技術が進展し,プリント配線基板(PCB:Print Circuit Board)に搭載される部品も高密度化に対応した部品が多数実現している。その中で,BGA/CSPのようなICの部品の下部ではんだ付けされるような部品は,はんだ付け状態の確認を可視範囲で判断することが周辺部を除いて困難であり,特に目で見えない部分の検査を確実に行うことが望まれている。
【0003】
【従来の技術】図7はBGA(またはCSP)をPCBの表面へ実装する説明図である。図中,90はBGAまたはCSP(以下,単にBGA/CSPという)であり,IC(Integrated Circuits)等を含んでいる。91はBGA/CSPの下部に設けられた端子,92は各端子91に設けられたはんだボール(すず,鉛等で構成)であり,マトリクス状に配置された端子91の狭いピッチ(例えば1mm)に対応して高密度に設けられている。93はプリント配線基板(PCBで表示),94はPCB93の表面にBGA90等の実装部品の端子と接続するために設けられた銅等で構成された微小サイズ(例えば,0.5mmの長さ)のランドである。
【0004】図7のA.に示すBGA90をPCB93に実装する場合,多数のはんだ付けを行うランド94上にはんだペースト95を印刷等の方法により塗布して,その上にBGA80を各はんだボール92がPCB93上の決められた各ランド94の位置に対応するように載せて高温にさらすことではんだ付けが行われる。図7のB.ははんだ付けが良好に行われた場合の状態を示し,はんだボール92がPCB93のランド94上のはんだペースト95を溶かしてはんだボール92とランド94とが物理的に接合され,電気的にも接続されている。なお,この接合部(フィレットと呼ばれる)は,はんだと銅の合金層として形成される。
【0005】BGA/CSPのような部品をPCB上にはんだ付けをする実装作業の後には,目視によりはんだ付けの状態を検査するが,部品の周辺部に配置された端子(はんだボール)の接続状態の一部が見えるだけで,部品の周辺より内部側の下部は目で見ることができない。なお,全ての端子が電気的に全て接続しているかの試験も行うが,その前に不良を検出できれば効率を上げることができる。
【0006】従来は,BGA/CSPのボール部をX線の透過画像を用いて,その濃度分布により判定する方法がある。
【0007】上記図7に説明した方法でPCB(プリント配線基板)上にはんだボールを備えたBGA/CSPを表面実装した後,上部からX線を投射して,その透過したX線を受光装置で受け取って増幅等の処理を経て表示装置に2次元画像として表示する。この透過画像を作業者が見て検査が行われる。
【0008】図8は従来の検査による透過画像の例である。図8のA.ははんだがショートした例でありはんだ工程の不良である。図8のB.は円形のランドだけの画像であり(ランドよりはんだボールの方が大きい場合),この場合ははんだボールが欠けている例であり,BGA/CSPの部品不良があることが分かる。また,図8のC.は,はんだボールの形状を表す画像であるが,ランド(はんだボールより小さい円の場合)と重なっているため接続状態を濃度分布により判断することができない。この図8のC.のような透過画像を用いた場合,鉛の素材(はんだ部分)はX線を吸収するため黒い画像となる。なお,図8のB.のランドの部分だけを通ったX線はほとんど吸収されないため相当透過するので透過画像はグレイ(灰色:図では網かけで表示)になる。
【0009】この図8のC.のようにランドとはんだボールが重なると,接続状態を判断できなくなるという問題を解決する方法として,部品側のはんだ付け部分(ボール部)とそれが接続されるプリント配線基板側のランドの形状を変える方法がある。その方法を使用すると,ボールとランド上のはんだが融合した場合には元のボール形状と異なる形状となる。図8のD.とE.がその方法を使用した場合の透過画像であり,ランドを正方形としてはんだボールの円形と区別している。図8のD.は黒い円形のボール部と,グレイ(灰色)の正方形のランドとが透過画像上で区別できるため接合部が形成されない未接続であることが分かる。これに対し,E.はボール部とランド上のはんだが融合して元のボール形状と異なる正方形の透過画像が形成された場合で,この形状によりはんだが正常に接続されたことが分かる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】上記した方法では,部品側のボール部または接続されるプリント配線基板側のランドの形状を変えなければならず,また透過画像上で判定するためには融合した場合の外形を元のボールの外形よりも大きくしておく必要がある。
【0011】しかし,融合した場合の外形を大きくするには,部品端子を高密度に実装することが困難になるという問題があった。
【0012】本発明はX線の透過画像を用いてはんだ等の接続状態を正確に判定することができるX線を用いた接続検査方法及び接続検査装置を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明はBGA/CSPのボール部とランド部が正常に接続されていれば,ボール部とランド間に合金の接合部(またはフィレット部という)が形成されるので,この点に注目してその接合部が正常な厚さで存在するか否かを識別できるよう工夫して接続状態の判定を行うことを原理とするものである。
【0014】図1は本発明の原理構成を示し,A.は接合部をX線により識別する原理,B.はX線透過画像の拡大率の関係を示す。図中,1はX線発生部,2はBGA(またはCSP),3は略球状のはんだボール,4ははんだボールとランドとがはんだ接続により形成された接合部(フィレット,または合金層とも呼ばれる),5はPCB(プリント配線基板)6上のランド,6はPCB(プリント配線基板),7はX線検出部,8は表示部である。また,ランド5の半径をa,はんだボール3の半径をb,はんだボール3のピッチ(間隔)をcとする。
【0015】図1において,BGA2の上下面からの単純なX線透過では接合部4ははんだボール3に比較すると微量であることから,単純なX線透過画像では,はんだボール3の透過画像に隠れ,接合部4の有無を判定できない。しかし,斜め方向からX線を透過させることにより,その透過画像上ではんだボール3と接合部4を分離させることが可能となる。この場合のBGA2等のはんだボール3と接合部4を分離させるために必要な角度を求める。この場合,図1に示すモデルに基づいて考えると,ランド5の端部からBGA2へ垂線を描いて,はんだボール3と交わった点をPとする。この点Pの位置は理論的に接合部4の端部であり,この点Pの接線に平行な線が元のランド上面の線と成す角度(θ)とすると,この線に平行なX線を照射すれば,はんだボール3を通過しないで接合部4だけを通過するX線が含まれる。この時の,角度(θ)は次の式により求めることができる。
【0016】θ=sin-1(a/b)
具体的には,a,bの値がそれぞれ,a=0.3mm ,b=0.4mm の場合,θ=sin-1(a/b)=sin-1(3/4)=48.6度となり,この場合の接合部4を分離できる角度範囲は,48.6度≦θ≦138.6度となる。但し,90度以上はBGA/CSP等を上下反転させることで実現する。
【0017】この角度θのX線は,X線発生部1の光軸をPCB6の平面に垂直な下方に向けてX線が各方向に放射され,X線検出部7を上記角度θの範囲で傾斜させることで,対応するX線を検出して,透過画像を表示部8に表示する方法か,X線検出部7は垂直の上方に向けて固定し,X線発生部1とPCB6を置くステージ(図示せず)を物理的に一体化して設けて,一体化した構成をX線検出部7に対して上記角度θの範囲で回転させて,透過画像を表示部8に表示する方法があり,更に隣接するはんだボールとショート(短絡)したか否かはX線発生部1とX線検出部7を被検査部(PCB6上のはんだボール)に対して垂直線上に位置付けることで検出できる。
【0018】図1のB.はX線の拡大率についての説明図である。X線発生部1とPCB6(被検査部)の距離をFOD(Focus Object Distance),X線発生部1とX線検出部7の距離をFFD(Focus Film Distance)とすると,X線の拡大率(倍率)は次の式により求められる。
【0019】倍率=FFD/FODこれにより,X線発生部1と被検査部(PCB6)との距離(FOD)が短いほど拡大率が高くなることが分かり,X線発生部1の光軸をPCB6の平面に垂直な下方に向けてX線が各方向に放射され,X線検出部7を上記角度θの範囲で傾斜させる方法によれば,FODを極めて小さくすることにより拡大率を高くすることができる。一方,X線発生部1を傾斜させる手法によっては,X線発生部1の先端であるX線発生部の形状いかんによってはFODを小さくすることにも限界があり,充分な拡大率を確保するためには,FFDを大きくする必要があるが,その場合は,PCBからX線検出部までの距離を長くする必要があり,装置の大型化を招く。
【0020】
【発明の実施の形態】図2は実施例の装置構成を示す。図中,1〜3,6〜8の各符号は上記図1の同じ符号の各部に対応し,図1に示すはんだボール3,接合部4,ランド5は微細であるため図示省略されており,1はX線発生部,2は電子部品(BGAまたはCSP等)であり,はんだボールを介してPCB上のランドと接続されている。6はプリント配線基板(PCB,被検査物と呼ぶ場合もある),7はX線検出部(イメージインテンシファイアとも呼ばれる),7aは傾斜角度検出部(後述する12)の制御によりX線検出部7の検出面が所定の傾斜角度になるようX線検出部7をこれに沿って移動させるための傾斜用レール,7bはX線検出部を傾斜させる時に駆動されるモータと傾斜角度を検出するセンサ,8は表示部(モニタ)である。また,9はX線の透過画像を印刷するビデオプリンタ,10はX線制御部,11は被検査物(PCB)を載せるステージのX,Y軸(平面)の移動の制御,倍率を変えるためのZ軸(上下)の移動の制御,被検査部を載せたステージ(テーブル)を回転させる回転テーブル軸の制御等を行うステージ制御部,12はX線検出部7の傾斜角度をモータ駆動により制御したり,X線発生部とステージ傾斜機構をモータ駆動により制御する傾斜角度制御部,13はX線検出部7の出力を受け取って画像信号に変換するX線CCDカメラ,14はX線CCDカメラ13の出力を処理してモニタ8やビデオプリンタ9の信号へ変換処理を行う画像処理機能部である。また,15はZ軸(上下方向)への移動が可能なZステージ,16はX,Y軸の移動が可能なX−Yステージ,17はステージ全体を回転してX線発生部1から出力するX線またはX線検出部7へ入力するX線の角度を変更するためのθステージ(回転テーブル),18はX線発生部1とステージとを機械的に一体化したX線発生部/ステージ一体化機構である。なお,この実施例では,モータを用いてX線検出部の位置制御を行っているが,これに限定されず手動によるネジ止め機器その他の可動機構を採用することが可能である。
【0021】図2に示す実施例では,符号1,2,6,7,13,15〜18の各部は一つの装置の内部に収容され,9〜12,14の各部はその外部に設けるよう構成されている。
【0022】上記図2に示す構成を用いて,本発明による複数の方法による検査を実現することができ,以下に図を用いて説明する。
【0023】図3は第1の方法による構成を示す図である。図3において,1,6,7,8は上記図2の同じ符号の各部に対応し,15〜17はステージ,80,80’は透過画像を表す。
【0024】まず,はんだショートの検出について説明する。図2と同様にX線発生部1はステージ(15〜17)上の被検査物6(PCB)の真上に配置して,光軸を垂直の下方に向け,X線検出部7は図3の点線で示す被検査物6の垂直の下方に配置して,検出するX線の入力方向も垂直の上方に向かせる。この状態では,モニタ8に得られる画像は,図3の直視透過画像80として示すように,はんだボールを上方から見た画像(この例では円形となっている)となり,隣接したランドと接続するはんだショートの検出が可能となる。
【0025】次にはんだボールとランド間の接続状態の検査について説明する。傾斜角度制御部12により角度制御のためにモータ(7b)を駆動し,X線検出部7を上記図1に説明したθの角度だけ傾斜させ固定すると(モータ停止),図3の符号7’に示す状態になり,はんだの接合部を含む斜視透過画像80’が得られる。
【0026】図4にはんだの接続状態に応じた斜視透過画像の例を示す。図4において,3ははんだボール,4は接合部,5はPCB(プリント配線基板)上のランド,81ははんだボールの透過画像,82は接合部の画像,83はランドの画像を表す。図4の(1) は正常接続を表し,はんだボールの画像(X線を吸収するので黒の画像)81に接触した接合部(フィレット)の画像(合金であるため黒灰色)82が表示され,これにランドの画像(X線がかなり透過するため灰色)83も表示される。これに対し図4の(2) の透過画像の場合は,はんだボールの透過画像81とランドの画像83が表示されるだけで,接合部(フィレット)が表示されないので,未接続であることが分かる。
【0027】次に図5は第2の方法による構成である。図5中,1,6,7,8,15〜17の各符号は上記図3の同じ符号の各部に対応し,84,84’は透過画像を表す。
【0028】図5の場合,最初は被検査物6の垂直の上方に位置した実線で示すX線発生部1からのX線が,被検査物6を透過した後,被検査物の直下に配置されたX線検出部7で検出して,直視透過画像84がモニタ8に表示され,はんだのショートを検出できる。この後,X線発生部1と被検査物(PCB)6を載せたステージ15〜17を一体化した,X線発生部/ステージ一体化機構18(図2参照)を図1に説明した角度θだけ回転させ,図5の点線で示すような状態に設定して,X線検出部7は動かさない。この場合,X線検出部7には,斜め方向のX線が入力され,モニタ8には上記図4と同様の斜視透過画像84’が表示され,はんだ接続が正常に行われたか,未接続であるかを識別することができる。
【0029】次に図6は第3の方法による構成を示す。図中,1,6,7,15〜17は上記図3及び図5の同じ符号の各部に対応し,85,85’は透過画像を表す。
【0030】図6の方法でも,最初は被検査物(PCB6)の垂直の上方に位置した実線で示すX線発生部1からのX線が,被検査物6を透過した後,被検査物の直下に配置されたX線検出部7で検出して,直視透過画像85がモニタ8(図2)に表示される。この後,被検査物を搭載したステージをその水平面内で移動または回転機構により回転させることで,接合部の全周囲を確認する。これにより,はんだボールの接続状態を全方位の斜視透過画像(図6の85’はその画像の一部)を得ることにより,接合部の全体像を識別することができる。
(付記1)はんだボール,ランド間の接続状態を該はんだボール側からX線を放射することにより検査する接続検査方法において,X線を放射するX線発生部の放射面を該ランドのはんだボールとの接触面に対して水平とし,放射された該X線を検出するX線検出部の検出面を前記ランドのはんだボールとの接触面に対して所定角度傾けて接続検査を行う,ことを特徴とする接続検査方法。
(付記2)BGA/CSPの下部の多数のはんだボールをプリント配線基板上の各ランドにはんだ付けした後,前記プリント配線基板の上方に配置したX線発生部から検査対象となる位置に対しX線を照射し,前記プリント配線基板の下部の検査対象位置を透過したX線をX線検出部により検出して透過画像を表示する接続検査方法において,前記BGA/CSPのはんだボールの下部とランドとが良好にはんだ接続された時に形成される合金の接合部の一部をはんだボールを透過するX線とを分離できるように斜め方向を透過するX線を検出し,前記検出したX線の透過画像の表示によりはんだボール接続状態を識別することを特徴とする接続検査方法。
(付記3)付記2において,前記X線発生部と前記プリント配線基板の距離(FOD)が極小となるよう近接させることにより透過画像の拡大率を上げて前記はんだボール接続状態を検査することを特徴とする接続検査方法。
(付記4)付記2において,前記X線発生部を当該X線発生部の光軸が前記プリント配線基板の検査対象となる位置に対し垂直の方向に配置し,前記X線検出部が検出するX線の受光軸が前記プリント配線基板の検査対象位置において前記プリント配線基板の平面と交差する角度(θ)を,はんだボールの半径をa,ランドの半径をbとした時,θ=sin-1(a/b)になるよう傾斜させることを特徴とする接続検査方法。
(付記5)付記2において,前記X線検出部を当該X線検出部の受光軸が前記プリント配線基板の検査対象となる位置に対し垂直の下方に配置し,前記X線発生部を当該X線発生部の光軸が前記プリント配線基板の検査対象位置において前記プリント配線基板の平面と交差する角度(θ)を,はんだボールの半径をa,ランドの半径をbとした時,θ=sin-1(a/b)になるよう傾斜させることを特徴とするBGA/CSPのはんだボール接続状態の検査方法。
(付記6)X線発生部からはんだボール,ランドに対してX線を放射し,X線検出部で該X線を検出することにより,はんだボール,ランド間の接続状態を検査する接続検査装置において,前記X線発生部の放射面を該ランドのはんだボールとの接触面に対して水平とし,放射された前記X線検出部の検出面を前記ランドのはんだボールとの接触面に対して所定角度傾けた,ことを特徴とする接続検査装置。
(付記7)BGA/CSPの下部の多数のはんだボールをプリント配線基板上の各ランドにはんだ付けした前記プリント配線基板を載せるステージと,前記ステージの上方に設けられて検査対象となる位置に対しX線を照射するX線発生部と,前記ステージの下部に設けられて検査対象位置を透過したX線を検出するX線検出部と,検出したX線透過画像を表示する表示部とを備えたBGA/CSPのはんだボールの接続状態の検査装置において,前記X線検出部は,前記ステージ上の検査対象位置における当該ステージの平面と当該X線検出部の受光軸が交差する角度を,前記BGA/CSPのはんだボールの下部とランドとが良好にはんだ接続された時に形成される合金の接合部の一部をはんだボールを透過するX線とを分離できる角度となるよう傾斜可能な機構を備えることを特徴とする接続検査装置。
(付記8)付記7において,前記ステージは,前記BGA/CSPのはんだボールの下部とランドとが良好にはんだ接続された時に形成される合金の接合部の全周囲を確認するために,当該ステージ上の被検査物を当該面内で移動及び回転が可能な機構を備えることを特徴とするBGA/CSPのはんだボールの接続検査装置。
【0031】
【発明の効果】本発明によればBGA/CSP等のはんだ付け状態を外観で判定しにくい部品の良品検査を,ランドをはんだボールのステージへの投影面積よりも大きく変更することなく可能となる。更に,良否判定が確実に行えることから,長期信頼性も確保できる。




 

 


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