JPH04307365A - はんだ付部検査方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子部品が実装された
回路基板でのはんだ付部の接合状態の良否を検査する方
法及びその装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、各種電子部品が回路基板に実装
される際には、はんだ付けにより電気的な接続が行われ
る。しかし、これらのはんだ付部にしばしばぬれ不良や
ブリッジ等の欠陥が発生し、断線やショートの原因とな
っている。かかるはんだ付け欠陥の検査方法としては、
従来、目視による方法のほか、可視光、Ｘ線、超音波な
どを用いた各種の検査方法が知られている。

【０００３】超音波を用いて回路基板上のはんだ付部の
接合状態を検査する方法の例としては、たとえば特開昭
６１−９３９５０号公報に記載されている。これは、超
音波振動子で超音波を発生させて回路基板上のはんだ付
部に照射し、透過または反射してくる超音波の強度を測
定することによって接合状態を検査するものである。一
般に、超音波は音響インピーダンスの異なる媒質の界面
でその一部が反射されるが、音響インピーダンスの差が
大きいほど反射強度が大きい。はんだ付部の接合界面に
ぬれ不良等に起因する空気の層が存在する場合には、強
い反射波が生じるが、これは空気の音響インピーダンス
が回路基板やはんだに比べて著しく小さいことによるも
のである。このような原理により、超音波の反射強度を
測定することによつてはんだ付部の欠陥を検出すること
ができる。

【０００４】ところで、上記のように超音波によつて微
小な欠陥を検出する場合には、一般に、音響レンズで超
音波ビームを集束させ、それを機械的に走査して検査す
る方法も用いられている。これに対し、超音波ビームを
電子的に集束・走査する方法が知られている。たとえば
、「非破壊検査」　　第３８巻第１２号　　ｐｐ．１０
７２〜１０７８においては、電子部品の検査を目的とし
た電子走査式超音波探傷装置について述べられている。 この装置では、複数の超音波振動子をアレイ状に配列し
たトランスジューサが用いられ、各振動子から発生する
超音波の位相を電子的に制御して超音波ビームを集束さ
せ、駆動する振動子を適宜切り換えることによってビー
ムを走査するようにしている。この電子走査・集束方式
によると、機械走査式に比べて高速な検査が可能となる
。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以上説明した超音波検
出方式では、いずれも、トランスジューサと検査対象部
分の間に存在する伝搬媒質が一様であることが前提とさ
れている。すなわち、超音波は媒質内部で反射や屈折な
どの複雑な挙動を示さないと仮定し、トランスジューサ
から超音波を放射すれば、この超音波は検査対象部分へ
そこまでの距離に応じた一定時間で到達するものと考え
ている。

【０００６】しかし、一般に、回路基板においては、内
部の配線層の材質がその他の部分と異なっているため、
これを一様な媒質として扱うことはできない。たとえば
、回路基板に超音波を伝搬させた場合、配線層とそれ以
外の部分とでは音速が異なるため、超音波がはんだ付部
に到達するまでの時間は回路基板の内部構造に依存して
変化する。したがって、このような回路基板中において
は、一様な媒質を仮定した従来の方式では、確実な検査
を行なうことができない。

【０００７】以上のような理由により、回路基板を介し
てその裏側にあるはんだ付部を検査する場合、従来の電
子集束・走査方式はそのまま適用することはできないと
いう問題がある。

【０００８】本発明の目的は、回路基板が複数の材質か
ら成つて超音波に対し均質な媒質と考えられない場合に
おいても、はんだ付部の接合状態の良否を超音波の電子
集束・電子走査方式によつて検査することができるよう
にしたはんだ付部検査方法及びその装置を提供すること
にある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、次のような手段により達成される。すな
わち、まず、超音波を伝搬させる回路基板の構造をその
設計情報に基づいてモデル化して記憶しておき、該モデ
ルに基づいて該回路基板中における超音波の伝搬状態を
計算し、該回路基板のはんだ付部に超音波を集束させる
ために必要なトランスジューサの駆動条件を求める。そ
して、その条件に基づいて該トランスジューサを制御し
て超音波を発生させ、特定のはんだ付部に超音波を集束
させる。該はんだ付部で反射した超音波は、該トランス
ジューサで検出して電気信号に変換する。検出した信号
より欠陥を判定するためには、まず、前記モデルに基づ
いて計算された超音波の伝搬状態に基づいて、該トラン
スジューサの検出信号から該はんだ付部からの反射波に
よる信号を抽出し、該信号の強度をもとに欠陥を判定す
る。

【００１０】また、本発明は、検出信号から欠陥を判定
するためには、以下の方法をとることもできる。まず、
前記モデルに基づいて前記はんだ付部に欠陥が存在しな
い場合に前記トランスジューサで検出されるべき信号を
予め計算により求めて記憶しておき、前記トランスジュ
ーサの検出信号と記憶されている該信号とを直接比較し
て差信号を抽出し、この差信号の強度に基づいて欠陥を
判定する。

【００１１】

【作用】回路基板の構造を設計情報に基づいてモデル化
し、回路基板中における超音波の伝搬状態を計算すれば
、トランスジューサで発生した超音波が検査対象とする
はんだ付部に到達するまでの時間を予測できる。したが
って、これに基づいて、発生した超音波が一定の時刻に
はんだ付部に到達するようにトランスジューサを制御す
れば、回路基板の構造によらず、目標とするはんだ付部
に超音波を集束させることができる。

【００１２】一方、トランスジューサで検出した信号に
ははんだ付部以外で反射した超音波の信号も含まれてい
る。しかし、前記のモデルにより伝搬状態を計算すれば
、はんだ付部で反射した超音波がトランスジューサに到
達する時間が予測できる。したがって、その時刻でのト
ランスジューサの検出信号を抽出することにより、はん
だ付部で反射された超音波の強度を検出できて、それに
基づいて欠陥を判定することができる。

【００１３】また、前記モデルに基づいて、はんだ付部
に欠陥が存在しない場合に観測されるべき検出信号を予
め求めておき、この結果と実際に検出された信号を直接
比較すると、はんだ付部に欠陥が存在する場合には、比
較結果に差が生じる。これにより、欠陥が判定できる。

【００１４】

【実施例】本発明の実施例を説明する前に、まず、図３
により、検査対象とするセラミック基板の一例を説明す
る。同図において、セラミック基板１上には微小な球状
のはんだ付部２が格子状に多数配列されており、それに
よってＩＣチップ３が実装・接続されている。これらの
はんだ付部２においては、ぬれ不良などの欠陥が発生す
る可能性があるが、セラミック基板１とＩＣチップ３に
挟まれているため、外側から目視で確認することはでき
ない。セラミック基板１は多層構造をなし、各層には銅
やタングステンなどの金属からなる配線パターン４が形
成されている。また、セラミック基板１の裏面には、外
部と電気的に接続するためのＩＯピン５が格子状に配列
されている。

【００１５】次に、本発明で採用する電子集束方式につ
いて図２により説明する。同図おいて、この電子集束方
式は、セラミック基板１の裏側からはんだ付部２へ超音
波を照射し、超音波の反射強度をもとに欠陥を検出する
ものである。図には記していないが、ＩＣチップ３の上
面にはＩＣチップ３を冷却するための放熱板などの構造
物が配置されるため、セラミツク基板１の上面から超音
波を照射して欠陥を検出することは困難である。このた
め、ここでは、図示のように、セラミック基板１の裏面
のＩＯピン５の隙間に超音波の送受信を行なう所定個数
のトランスジューサ６を挿入し、セラミツクス基板１の
表面に直接接触させている。トランスジューサ６は２次
元的に配置する必要があるが、必ずしも規則的でなくて
もよい。しかし、ＩＯピン５が格子状に配列されている
場合には、その隙間に格子状に配列する方法が適当であ
る。各トランスジューサ６からは、後述のように、パル
ス状の超音波が発生され、トランスジューサ６とセラミ
ック基板１との接触点を中心として、球面波が放射状に
広がっていく。その様子は基板表面上に点音源を置いた
場合と等価である。

【００１６】図４および図５は夫々上記のような等価的
な点音源を実現するトランスジューサの具体例を示した
ものである。図４に示すトランスジューサは、シユー２
３に固定された凹面形状の振動板２２ａを回路基板表面
に取り付け、振動板２２ａから超音波を出力して回路基
板の表面に集束させる。回路基板内部では、超音波が集
束点を中心として放射状に伝搬する。このため、この集
束点を等価的な点音源とみなすことができる。図５に示
すトランスジユーサは、凹面振動板を用いる代わりに、
超音波の伝搬速度を異にする２種類の媒質を用いて音響
レンズ２４ａ，２４ｂを構成し、これらによつて振動板
２２ｂからの超音波を回路基板表面に集束させるもので
ある。この場合のトランスジューサとしては平面形状の
振動板２２ｂを用いることができる。

【００１７】図２において、回路基板の内部に配線層が
存在せず、超音波にとつて一様な媒質と仮定できるもの
とする。

【００１８】セラミツク基板１の裏面に配置されたトラ
ンスジューサ６にパルス源８から電圧パルスを与えると
、パルス状の超音波が発生し、球面波として回路基板中
を放射状に伝搬する。この結果、各はんだ付部２には、
そこまでの距離に応じた一定時間後に超音波が到達する
。パルス源１１をトリガーするトリガーパルスのタイミ
ングを遅延回路７ａでもつてパルス源８毎に異ならせる
ことにより、トランスジューサ６に与えられる電圧パル
スの発生時刻を調節し、各トランスジューサ６から発生
される超音波が特定のはんだ付部２に同時に到達するよ
うにすると、そのはんだ付部２で各トランスジユーサ６
からの超音波の位相が揃い、強い強度の超音波が生ずる
。このようにして特定のはんだ付部２に音場の強度を集
中させることができる。

【００１９】一方、特定のはんだ付部２に欠陥が存在す
ると、集束された超音波から強い反射波が生じ、各トラ
ンスジューサ６に戻つてくる。各トランスジューサ６は
この反射波を検出して電気信号に変換する。このとき、
各トランスジユーサ６では、夫々のはんだ付部２までの
距離に応じて、それぞれある時間差をもって反射波が検
出される。かかる時間差は遅延回路７ａによつて送信時
に与えられた電圧パルスの遅延時間差に等しい。したが
って、各トランスジユーサ６の出力信号を増幅回路９で
増幅し、遅延回路１０ｂによってこの時間差を補正して
時間差をなくした後、加算回路１０で加算することによ
り、はんだ付部２からの反射波を重ね合わせて検出する
ことができる。

【００２０】しかし、図３に示すように、回路基板の内
部に配線層４が存在し、これと周囲の部分との音速が大
きく異なる場合には、超音波は内部で屈折しながらはん
だ付部２に到達し、その到達時間は配線層が存在しない
場合と異なっている。したがって、図２に示した方法を
そのまま適用したのでは、はんだ付部２で各トランスジ
ユーサ６からの超音波は位相が揃わず、そこに集束しな
い。

【００２１】本発明は、このように回路基板の内部に配
線層が存在する場合の伝搬時間の変化を予め求めておき
、これでもつて各トランスジユーサからの超音波の発生
タイミングを適宜設定して、図６のように、超音波を所
定のはんだ付部に集束させるものである。

【００２２】以下、本発明の実施例を図面により説明す
る。図１は本発明によるはんだ付部検査方法及びその装
置の一実施例を示す構成図であつて、１１は全体制御部
、１２はメモリ、１３はトリガ−パルス発生部、１４ａ
、１４ｂはトランスジユーサ選択部、１５はゲート部、
１６はピーク検出部、１７は欠陥判定部であり、前出の
図面に対応する部分には同一符号をつけている。

【００２３】同図において、検査装置全体は全体制御部
１１によって制御される。この全体制御部１１は制御手
順や処理方法をプログラムしたコンピュータにより構成
されている。まず、全体制御部１１は検査対象となるは
んだ付部２の１つを定め、全てのトランスジユーサ６の
中からこれの検査に用いるいくつかのトランスジューサ
６を決定し、トランスジューサ選択部１４ａ，１４ｂを
動作させて決定されたトランスジューサ６を夫々対応す
るパルス源８および増幅回路９に接続する。かかるトラ
ンスジューサ６の選択は、検査するはんだ付部２からの
距離が近い順に必要な個数選択する方法で実現できる。

【００２４】次に、全体制御部１１は、メモリ１２に予
め記憶されている検査しようとする図示の回路基板の基
板構造モデルをもとに、選択された各トランスジューサ
６からはんだ付部２に至る超音波の伝搬距離を計算して
その伝搬に要する時間を求める。ここでは、説明を簡単
にするため、回路基板中に１層の配線層４が存在するも
のとするが、この場合の伝搬時間は、図７に示すように
厚さＤのセラミック基板１の内部に厚さｄの配線層４が
存在するモデルを考えると、次のように求められる。す
なわち、同図において、いま、セラミック基板１と配線
層４の音速を夫々ｖ１　、ｖ２　とし、超音波の送信点
をＯとして、点Ｏを原点として座標をとり、受信点をＲ
（ｘ，Ｄ）とし、配線層４の界面における超音波の入射
角をα、出射角をβすると、図８に示す式１、式２が成
り立つ。また、点Ｏから点Ｒに至る超音波の伝搬時間Ｔ
は図８の式３で与えられ、式１、式２を数値計算により
解いてα、βを求め、これらを式３に代入することによ
り、伝搬時間Ｔが求められる。

【００２５】以上のようにして選択された各トランスジ
ューサに対する伝搬時間Ｔを求め、Ｃを適当な定数とす
ると、所定のはんだ付部２に各トランスジユーサ６から
の超音波が集中するための遅延回路７ａ、７ｂの遅延時
間τは図８の式４のように決定される。

【００２６】次に、全体制御部１１はトリガ−パルス発
生部１３に指示を与えてトリガ−パルスを発生させる。 このトリガーパルスは各遅延回路７ａに同時に供給され
て夫々設定された時間だけ遅延され、パルス源８を駆動
する。これにより、パルス源８は夫々所定のタイミング
で高電圧パルスを発生し、トランスジューサ選択部１４
ａを介してトランスジューサ６に加えられる。かかる電
圧パルスにより、選択されたトランスジューサ６は超音
波パルスを発生して回路基板中に放射する。放射された
超音波は、先に説明した原理により、検査対象となるは
んだ付部２に集束され、欠陥の状態に応じて反射波が発
生する。反射された超音波は再びトランスジューサ６に
到達して電気信号に変換される。これらの電気信号はト
ランスジューサ選択部１４ｂを通り、増幅回路９に供給
されて増幅される。増幅回路９の出力信号は全体制御部
１１の指示に基づいて送信時と同じ遅延時間だけ遅延回
路７ｂで遅延され、加算部１０で加算される。ゲート部
１５は、全体制御部１１の制御により、加算部１０の出
力信号を一定の時間幅で選択し、所定のはんだ付部２で
生じた反射波による信号だけを抽出する。ピーク検出部
１６はゲート部１５の出力信号のピーク値を検出する。 このピーク値がはんだ付部２における反射強度を表わし
ており、欠陥判定部１７は、このピーク値が一定値以上
のとき欠陥と判定する。

【００２７】以上の手順、処理を各はんだ付部２につい
て順次行なうことにより、各はんだ付部２について欠陥
の検査がなされる。

【００２８】なお、この実施例では、トリガーパルスの
遅延時間をはんだ付部１点毎に計算しながら検査するよ
うに説明したが、各はんだ付部に対して設定する遅延時
間を予め計算してすべて求めておき、これらを全体制御
部１１に記憶しておくことにより、検査時の処理時間を
短縮できる。

【００２９】この実施例では、電子集束を行なうと同時
に、はんだ付部に応じて集束点の位置を電子的に変更し
て検査を行なっている。このように機械的なビーム走査
を行わないため、高速な検査が可能である。

【００３０】図９は本発明によるはんだ付部検査方法及
びその装置の他の実施例を示す構成図であつて、１８は
参照信号算出部、１９は参照信号記憶部、２０は比較部
であり、図１に対応する部分には同一符号をつけて重複
する説明を省略する。

【００３１】同図において、反射波による信号の検出の
際、各トランスジューサ６の出力信号が予め記憶されて
いる参照信号と直接比較され、その差に基づいて図１と
同様の処理が行なわれる。この点が図１の実施例と異な
っている。かかる参照信号は、はんだ付部２に欠陥が存
在しない場合に検出されるべきトランスジユーサ６の出
力波形であり、予めメモリ１２の基板構造モデルに基づ
いて参照信号算出部１８で計算されて参照信号記憶部１
９に記憶されている。比較部２０はかかる参照信号を参
照信号記憶部１９から読み出してトランスジユーサ６の
出力信号と直接比較する。

【００３２】なお、参照信号記憶部１９に記憶される参
照信号として、欠陥が存在しないサンプルを検出して得
られた波形を与えておくことも可能である。この実施例
によると、欠陥が存在する場合にのみ大きな差信号が現
われるので、欠陥判定の精度を向上させることができる
という利点がある。

【００３３】図１０は本発明によるはんだ付部検査方法
及びその装置の他の実施例を示す構成図であつて、２１
は画像記憶部であり、図１に対応する部分には同一符号
をつけて重複する説明を省略する。

【００３４】この実施例は、反射強度の２次元的な分布
を画像として検出し、それを解析することによって欠陥
を検出するものであり、画像記憶部２１が設けられてい
ること以外は図１の実施例と同様である。

【００３５】図１０において、超音波の集束位置を電子
走査方式により２次元的に走査して、反射強度の分布を
画像として検出し、これを画像記憶部２１に記憶する。 欠陥判定部１７はその画像の特徴を解析し、それに基づ
いて欠陥を判定する。たとえば、はんだ付部２の接合面
積を計測すれば、その大きさによって接合不良を判定す
ることができる。この実施例によると、欠陥の大きさや
種類などに関して、より詳細な分類が可能になるという
利点がある。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
回路基板が複数の材質から成り、超音波の媒質として一
様と考えられない場合においても、はんだ付部の接合状
態の良否を超音波を用いて電子集束・電子走査方式で検
査することができる。したがって、従来、検査が困難で
あった回路基板の裏側のはんだ付部についても、欠陥検
査が行えるという優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるはんだ付部検査方法及びその装置
の一実施例を示す構成図である。

【図２】電子集中方式の原理説明図である。

【図３】セラミツク基板の一例を示す断面図である。

【図４】点音源トランスジューサの一具体例を示す構成
図である。

【図５】点音源トランスジューサの他の具体例を示す構
成図である。

【図６】回路基板に配線層が存在する場合の電子集束方
式の説明図である。

【図７】超音波伝搬モデルの説明図である。

【図８】図７のモデルでの計算式を示す図である。

【図９】本発明によるはんだ付部検査方法及びその装置
の他の実施例を示す構成図である。

【図１０】本発明によるはんだ付部検査方法及びその装
置のさらに他の実施例を示す構成図である。

【符号の説明】

１　　セラミック基板 ２　　はんだ付部 ３　　ＩＣチップ ４　　配線層 ５　　ＩＯピン ６　　トランスジューサ ７ａ，７ｂ　　遅延回路 ８　　パルス源 ９　　増幅回路 １０　　加算部 １１　　全体制御部 １２　　基板構造モデル １３　　トリガ−パルス発生部 １４ａ，１４ｂ　　トランスジューサ選択部１５　　ゲ
ート部 １６　　ピーク検出部 １７　　欠陥判定部 １８　　参照信号算出部 １９　　参照信号記憶部 ２０　　比較部 ２１　　画像記憶部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　回路基板に超音波を照射し、該回路基
   板上のはんだ付部の接合状態の良否を検査するはんだ付
   部検査方法において、該回路基板の構造をその設計情報
   に基づいてモデル化して予め記憶しておき、該モデルに
   基づいて該回路基板中における超音波の伝搬状態を計算
   し、その結果から該はんだ付部に超音波を集束させるた
   めに必要なトランスジューサの駆動条件を求め、その条
   件に基づいて該トランスジューサを制御することにより
   超音波を発生させて特定の該はんだ付部に集束させ、該
   はんだ付部で反射した超音波を該トランスジューサで検
   出して電気信号に変換し、前記モデルに基づいて計算し
   た超音波の伝搬状態より、該はんだ付部で反射した超音
   波が該トランスジューサで検出されるべき時刻を予測し
   、該トランスジューサの出力信号から該はんだ付部から
   の反射波による信号を抽出し、該信号の強度に基づいて
   欠陥を判定することを特徴とするはんだ付部検査方法。
2. 【請求項２】　　請求項１において、前記モデルに基づ
   いて前記はんだ付部に欠陥が存在しない場合の前記トラ
   ンスジューサから出力される信号を予め計算により求め
   て記憶しておき、前記トランスジューサの検出信号と記
   憶されている該信号とを直接比較して差信号を抽出し、
   該差信号の強度に基づいて欠陥を判定するすることを特
   徴とするはんだ付部検査方法。
3. 【請求項３】　　回路基板に超音波を照射し、該回路基
   板上のはんだ付部の接合状態の良否を検査するはんだ付
   部検査装置において、該基板の構造をその設計情報に基
   づいたモデルを記憶する記憶手段と、該モデルに基づい
   て該回路基板中における超音波の伝搬状態を計算し、そ
   の結果から該はんだ付部に超音波を集束させるために必
   要なトランスジューサの駆動条件を求める演算手段と、
   その条件に基づいて該トランスジューサを制御して超音
   波の発生と検出を行なうようにする制御手段と、該モデ
   ルに基づいて計算した超音波の伝搬状態より、該はんだ
   付部で反射した超音波が該トランスジューサで検出され
   るべき時刻を予測する演算手段と、該演算手段の出力を
   もとに該トランスジューサの出力信号から該はんだ付部
   からの反射波による信号を抽出する手段と、該信号の強
   度に基づいて欠陥を判定する欠陥判定手段とを備えたこ
   とを特徴とするはんだ付部検査装置。
4. 【請求項４】　　請求項３において、前記モデルに基づ
   いて計算した超音波の伝搬状態より、前記はんだ付部に
   欠陥が存在しない場合に前記トランスジューサで検出さ
   れるべき信号を予測する演算手段と、該演算手段による
   予測結果を記憶する記憶手段と、前記トランスジユーサ
   が検出した信号と記憶手段に記憶されている信号とを直
   接比較して差信号を抽出する比較手段とを設け、前記欠
   陥判定手段が該比較手段からの該差信号の強度に基づい
   て欠陥を判定することを特徴とするはんだ付部検査装置
   。