JPH04348276A - はんだ付部検査方法およびその装置 - 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
回路基板において、はんだ付部の接合状態の良否を検査
する方法、および、その装置に関する。

【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。これらのはんだ付部には、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。

【０００３】これらのはんだ付け欠陥の検査方法は、目
視のほか、可視光、Ｘ線、超音波などを用いた各種の検
査方法が従来より知られている。

【０００４】このうち、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は、たとえば、特開
昭６１−９３９５０号公報に記載されている。この方法
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するが、音響インピーダンスの
差が大きいほど反射強度は大きい。従って、はんだ付部
の接合界面で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。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
ためである。このような原理により、超音波の反射強度
を測定すれば、はんだ付部の欠陥が検出できる。

【０００５】超音波で鋼材等の内部に存在する微小な欠
陥を検出する場合には、一般には音響レンズで超音波ビ
ームを集束し、それを機械的に走査して検査する方法が
用いられている。これに対し、開口合成手法を用いて検
出分解能を向上させる開口合成超音波探傷法が、たとえ
ば、非破壊検査、第３４巻第５号第３２６頁から３３２
頁において述べられている。この方法は、超音波送受波
器を対象物に沿って走査し、得られた反射信号の時間情
報あるいは位相情報を利用して、対象物の像を再構成し
、欠陥を検出するものである。開口合成法によると、実
効的な開口径を大きくすることができるため、高い方位
分解能が実現できる。

【０００６】図１は、開口合成法によって対象物の像を
検出する方式の原理図を示したものである。超音波の送
受信を行うトランスジューサ１は、対象物表面に接触し
てパルス状の超音波を発生する。超音波は、対象物内部
を球面波として放射状に伝搬していくが、対象物中のあ
る反射点Ｒで反射した超音波は、時間ｔ後に再びトラン
スジューサ１で検出される。順次、送受信点Ｐを移動さ
せながら、点Ｐ１，Ｐ２，・・・において検出を行い。 受信波の時間遅れｔ１，ｔ２，・・・を得ると、時間遅
れに対応する伝搬距離Ｌ１，Ｌ２，・・・が求められる
。このデータをもとに、図２のように検出点Ｐ１，Ｐ２
，・・・を中心に、伝搬距離Ｌ１，Ｌ２，・・・に対応
する半径で円弧Ｃ１，Ｃ２，・・・を描き、検出された
反射波の強度で重み付けを行う。すると、強い反射波が
生じる反射点Ｒでは、強く重み付けされた円弧Ｃ１，Ｃ
２，・・・が重畳するため反射点の像が形成される。こ
のようにして、最終的に対象物の像が形成される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】開口合成超音波探傷方
式の従来技術は、検査対象物が超音波の伝搬媒質として
半無限に連続していることを前提としたものであり、対
象物の壁面や底面で反射波が生じて影響を与える場合に
ついては考慮されていなかった。

【０００８】しかし、従来技術をセラミック基板等の回
路基板に適用し、基板の表面に存在するはんだ付部の接
合面の欠陥を、基板の裏側より超音波を照射して検出し
ようとした場合、基板の表面は平面であるため、図３に
示したように点Ｑにおける正反射波がトランスジューサ
に到達して検出される。基板の表面に到達した超音波は
、正反射波と、それよりも弱い散乱波を生じると考えら
れるが、点Ｑ以外の点に到達した音波に関しては、トラ
ンスジューサ１で正反射波は検出されず、散乱波のみが
検出される。従って、受信波を検出してそのまま処理を
行った場合、正反射波の強度は散乱波に比べて大幅に強
いため、正反射波に対応する画像だけが強く形成される
。また、発生する散乱波の強度は、散乱方向に大きく依
存し、図４に示すように、正反射方向に近いほど強く、
正反射方向とのなす角が大きくなるほど弱くなる。 そのため、検出される散乱波の強度は、反射面の状態が
同じであっても反射点４の位置により大きく異なる。そ
のため、検出したデータをそのまま利用したのでは、は
んだ付部界面の接合状態を画像として検出することがで
きず、欠陥検出が行えないという課題がある。

【０００９】本発明の目的は、回路基板の表面に存在す
るはんだ付部の接合状態の良否を、基板の反対側より超
音波を照射して、開口合成方式で高解像度に検査する方
法、およびそのための装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、次のよ
うな手段により達成される。すなわち、まず、トランス
ジューサよりパルス状超音波を発生させて、検査対象の
はんだ付部に対して反対側の基板面より入射させ、基板
内部を放射状に伝搬させる。そして、基板内部で反射し
た超音波を再びトランスジューサで検出して電気信号に
変換し、その時間波形をメモリに記憶しておく。次に、
得られた波形データより、正反射波に相当する部分を除
去し、散乱波成分を抽出する。そして、あらかじめ記憶
しておいた散乱波強度の方向依存性のデータに基づいて
、得られた散乱波成分の強度データを、反射率のデータ
に変換する。その値に基づいて、開口合成法による再構
成処理を行う。超音波の送受信点を移動させて、反射率
データをこの方法により繰り返し検出して再構成処理を
行うことにより、はんだ付部が存在する基板面の超音波
反射率の画像が形成される。得られた画像に基づいて、
はんだ付接合部における超音波反射率の値が正常範囲に
あるかどうかを調べ、接合の良否が判定される。

【００１１】

【作用】上で述べたように、各送受信点でトランスジュ
ーサで受信した波形を、メモリに記憶し、正反射波に相
当する部分を除去すれば、散乱波成分のみを抽出するこ
とができ、開口合成による再構成処理において、正反射
波の不要な像が形成されるのを避けることができる。ま
た、あらかじめ記憶しておいた散乱波強度の方向依存性
データを用いれば、検出された散乱波の強度を補正して
、方向に依存しない値に規格化することができる。この
値は、反射面における反射率に対応するデータとみなす
ことができる。これを開口合成画像の再構成処理に利用
すれば、はんだ付界面の接合状態を画像として検出する
ことができ、これをもとに欠陥が判定できる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明を図に示す実施例により説明す
る。

【００１３】図５は、本実施例で検査対象とするセラミ
ック基板の断面図を示す。セラミック基板２上には微小
な球状のはんだ付部３が格子状に多数配列され、それに
よってＩＣチップ８が実装・接続されている。これらの
はんだ付部では、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２とＩＣチップ８にはさまれ
ているため、外側から目視で確認することはできない。

【００１４】図６は、本発明のはんだ付け検査方法の一
実施例の構成図である。本実施例は、セラミック基板２
の裏側から基板内部へ超音波を入射させ、内部で反射し
た超音波を再び裏側から検出して、その検出波形をもと
に、はんだ付部の欠陥を検出するものである。ＩＣチッ
プ８の上面には、ＩＣチップ８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、上面から超音波を入射
させて欠陥を検出することは困難である。ここでは、図
示のように、セラミック基板２の裏面にトランスジュー
サ１を、直接、接触させる。

【００１５】まず、全体制御部１１の指示により、トラ
ンスジューサ位置決め部９がトランスジューサ１を位置
決めし、パルス源１０がパルスを与えて超音波を発生さ
せる。ここで、全体制御部１１は、制御手順や処理手順
をプログラムしたコンピュータにより構成されている。 超音波は、トランスジューサ１とセラミック基板２の接
触点を中心として、球面波として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７および図８は、こ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実施例を示したもの
である。図７に示すように、凹面形状を持った振動板２
１ａを用いて、回路基板表面に超音波を集束させると、
回路基板内部では、超音波は集束点を中心として放射状
に伝搬する。そのため、この集束点を等価的な点音源と
見なすことができる。図８は、凹面振動子を用いる代わ
りに、音速の異なる二種類の媒質を用いて音響レンズ２
２ａ，ｂを構成し、音波を集束させる。このトランスジ
ューサの場合には、平面形状の振動板２１ｂを用いるこ
とができる。

【００１７】セラミック基板中を球面波として伝搬する
超音波は、基板表面に到達すると、界面で反射波を生じ
、反射波は基板内部を再び伝搬していく。そして、一定
時間後に再びトランスジューサで検出される。図９は、
送信波と、トランスジューサで検出された受信波の波形
の様子を示したものである。ここでは、基板内部におけ
る超音波の反射や散乱は、無視できるものと考えている
。時刻ｔ＝０において、図９（ａ）のようなパルス波を
発生させたとすると、Ｄをセラミック基板の厚さ、ｖを
セラミック基板中における音速としたとき、時刻ｔ１は ｔ１＝Ｄ／ｖ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　…（１）において波面は、送信点から基板の
反対側の面に垂線を下した点Ａに到達する。点Ａで生じ
た正反射波は、時刻２ｔ１に、再び、トランスジューサ
で検出される。一方、点Ａ以外の点、たとえば、点Ａか
らの距離がｘである点Ｂには、時刻ｔ２

【００１８】

【数１】

【００１９】に音波が到達するが、正反射波はトランス
ジューサには入射せず、散乱波のみが時刻２ｔ２に検出
される。しかし、散乱波の強度は、正反射波に比べて一
般に大幅に小さい。トランスジューサでは、点Ａにおけ
る正反射波と、それ以外の点で発生した散乱波が重畳し
て、図９（ｂ）に示すような波形が観測される。検出さ
れた信号は増幅器１２で増幅された後、波形メモリ１３
ａに記憶される。次に全体制御部１１は、正反射波除去
部１４を動作させ、波形メモリ１３ａに記憶されたデー
タより、正反射波に相当する部分を除去し、散乱波を抽
出した波形のみを波形メモリ１３ｂに記憶する。正反射
波の検出強度は散乱波に比べて数十ないし数百倍大きい
ので、あらかじめ適当なしきい値正負両側にそれぞれ設
けておき、そのしきい値を超えた部分を０とすることに
よって、正反射成分が除去できる。正反射波除去後の波
形を図９（ｃ）に示す。次に全体制御部１１は、波形メ
モリ１３ｂに記憶されたデータを用いて画像再構成処理
を行う。まず、送信パルスの発生時刻をｔ＝０としたと
き、時刻２ｔに検出された音波に対応する伝搬距離Ｌを
、距離算出部で計算する。伝搬距離Ｌは、音速をｖとし
たとき Ｌ＝ｖ・ｔ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　…（３）で与えられる。これは、基板表面の
はんだ付部の位置で考えると、図６のように点Ａからの
距離をｘとしたとき、

【００２０】

【数２】

【００２１】に相当する。

【００２２】次に、時刻２ｔにおいて波形メモリ１３ｂ
に記憶された値について、散乱波強度の方向依存性を補
正する。これは、あらかじめ散乱データ記憶部２０に記
憶しておいた散乱強度の方向依存性データに基づいて行
う。たとえば、図１０（ａ）のように、反射率がＲであ
る平面に入射角θで強度Ｉ０の音波が入射し、角度θ方
向に強度Ｉの散乱波を与える場合を考え、図１０（ｂ）
のような関係が得られているとする。このとき、

【００
２３】

【数３】

【００２４】より、時刻２ｔにおける散乱波の検出角度
θがわかるので、図１０（ｂ）のグラフよりＩ／Ｉ０Ｒ
の値がわかる。Ｉは時刻２ｔにおいて波形メモリに記憶
された測定値なので、結局、Ｉ０Ｒの値を得ることがで
き、反射率Ｒが求められる。

【００２５】以上のデータを用いて再構成画像を得るた
めには、図２で説明したように、画像メモリ１８上でト
ランスジューサ１を設置した送受信点を中心として伝搬
距離Ｌと等しい半径で円弧Ｃを描いていけばよい。しか
し、今ここでは、基板内部での反射や散乱は無視して考
えるため、はんだ付接合界面の状態を検出するためには
、基板表面に沿って二次元的に画像を再構成すればよい
。そこで、式（４）で求めた距離ｘを半径として、基板
表面に対応させた画像メモリ１８上に、送信点Ａを中心
として円弧Ｃを描き、反射率Ｒで重み付けを行う。以上
の処理を全体制御部１１の指示に基づいてトランスジュ
ーサ１による送受信点を移動させながら繰り返して行い
、画像メモリ１８上に円弧を重ね描きしていくことによ
り、基板表面における超音波の反射率を表す画像が形成
できる。

【００２６】欠陥判定部１９では、この画像をもとに個
々のはんだ付部界面における反射率を評価し、その値が
あらかじめ設定された正常範囲を超えているときは、そ
のはんだ付部に接合不良が発生していると判定する。

【００２７】本実施例では、トランスジューサ１を機械
的に移動して検出を行うため、検出点の位置や間隔を連
続的に自由に設定できる点が有利である。

【００２８】次に、本発明の第二の実施例を、図１１に
示す。本実施例は、トランスジューサ１の機械的な移動
を行わず。あらかじめ格子状に多数のトランスジューサ
１を配置しておき、それを電気的に一個ずつ切り換える
ことによって、検出位置を変更しようとするものである
。全体制御部１１の指示によりトランスジューサ選択部
２３ａ，ｂがトランスジューサを選択するようになって
いる以外は、第一の実施例と同一である。本実施例によ
ると、トランスジューサの機械的な移動を行わなくてよ
いため、検出が高速化できる。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、回路基板の裏面に存在
するはんだ付部の接続状態の良否を、基板の反対側より
超音波を照射して、開口合成方式で高解像度に検査する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】開口合成法の原理図、

【図２】開口合成法による画像形成の原理図、

【図３】
正反射波が検出される状態を示す説明図、

【図４】散乱
波強度の方向依存性の説明図、

【図５】セラミック基板
の断面図、

【図６】はんだ付部検査方法の第一の実施例の構成図、

【図７】トランスジューサの一実施例の説明図、

【図８
】トランスジューサの他の実施例の説明図、

【図９】送
信波および受信波の説明図、

【図１０】散乱波強度の方
向依存性の説明図、

【図１１】はんだ付部検査方法の第
二の実施例のブロック図。

【符号の説明】

１…トランスジューサ、２…セラミック基板、３…はん
だ付部、８…ＩＣチップ、９…トランスジューサ位置決
め部、１０…パルス源、１１…全体制御部、１２…増幅
器、１３ａ，ｂ…波形メモリ、１４…正反射波除去部、
１５…反射率算出部、１６…距離算出部、１７…画像再
構成部、１８…画像メモリ、１９…欠陥判定部、２０…
散乱データ記憶部。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】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、トランスジュ
   ーサよりパルス状の超音波を発生させ、前記はんだ付部
   に対して反対側の基板面より入射させて基板内部を放射
   状に伝搬させ、前記はんだ付部が存在する前記基板面で
   反射した前記超音波を再び前記トランスジューサで検出
   して電気信号に変換し、前記電気信号の時間波形をメモ
   リに記憶し、記憶された波形データより正反射波に相当
   する部分を除去して散乱波成分を抽出し、あらかじめ記
   憶しておいた散乱波強度の方向依存性データに基づいて
   、散乱波成分の強度データを反射率のデータに変換し、
   その値に基づいて開口合成法による再構成処理を行って
   前記はんだ付部の接合界面の超音波反射率を検出し、そ
   れに基づいて接合部の良否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】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、超音波の発生
   と検出を行うトランスジューサと、前記トランスジュー
   サで検出された信号の時間波形を記憶する第一の記憶手
   段と、該第一の記憶手段に記憶された波形データより正
   反射波に相当する部分を除去して散乱波成分を抽出する
   正反射波除去手段と、散乱波強度の方向依存性データを
   記憶しておく第二の記憶手段と、前記第二の記憶手段に
   記憶された方向依存性データを用いて、前記正反射波除
   去手段で抽出された散乱波成分の強度を反射率のデータ
   に変換する反射率算出手段と、該反射率算出手段により
   求められた反射率のデータに基づいて開口合成法による
   再構成処理を行って前記はんだ付部の接合界面の超音波
   反射率を検出する再構成手段と、反射率の再構成結果に
   基づいて前記はんだ付部の接合の良否を判定する欠陥判
   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
   。