JP2006226875A - Ｘ線検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度かつ高速な半田ボール接合不良検査方法を提供する。
【解決手段】ＢＧＡパッケージとプリント基板１０３との接合部の外観検査時に、当該プリント基板に塗布されるクリーム半田部に対して該ＢＧＡパッケージの半田ボール１０４により接合する際のプリント基板１０３との接合部分のＸ線検査方法において、３次元画像データを再構成して生成された３次元画像データよりＸ線透過率を利用して半田ボール部位の画像データを抽出し、その抽出した半田ボール部位における画像データの特徴量を抽出し、当該抽出した特徴量により半田ボール１０４とプリント基板１０３の接合状態の良否を判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｘ線検査方法装置に関し、より詳細には、実装基板検査におけるＢＧＡ部品などの電子部品の基板への実装状態などをＸ線を用いて検査するＸ線検査方法に関する。

従来の半田ボールの接合不良の判定においては、主にラミノグラフィ装置などによる２次元断層面画像が用いられている。水平方向の断層画像を用いる場合、半田ボール下部の接合面における半田ボール断面積を判定基準としている。また、垂直方向の断層画像を用いる場合には、半田ボールの断面形状により接合不良を判定している（たとえば特許文献１）。また、ＣＴによる３次元検査においては、自動検査が行われておらず、目視による検査が必要である。

図８は、水平方向の断層画像を用いた従来の検査を示した図である。図８において、ＢＧＡ部品本体部分８０１と基板８０３が半田ボール８０２で接合されている。ラミノグラフィ装置で水平断層位置８０６における断層画像８０７を取得する。取得した断層画像８０７における半田ボール断面８０４の占める面積を算出し、予め指定した基準面積８０５と比較を行い、基準面積８０５のたとえば９０％以上であれば充分接合されていると判定し、未満であれば接合不充分と判定する。

さらに別の手段として、プローブを用いて通電検査により接合を検査する方法もあるが（たとえば特許文献２）、部品の実装の形態（たとえば両面実装や多層基板で電極が表面に無いなど）により検査が不可能な場合もある。
特開平１０−７４８０２号公報 特開２００１−９１５４３号公報

しかしながら、断層画像による検査においては断層位置の特定が困難あり、また、基板面からの相対位置ではなく、絶対位置による指定であるために基板のゆがみ等による固体差に対応することも不可能であるので、検査結果は断層位置の指定に依存し、高精度な半田ボール接合不良検査を行うことが困難である。また、目視による検査では高速かつ安定的な検査が不可能である。

本発明は、従来の課題を解決するもので、３次元画像データを利用することで基板のゆがみ等の影響を受けず常に一定の領域のデータを取得することにより高精度な半田ボールの接合不良の検査を行うこと、また、自動検査を行うことにより、従来の目視検査に対し高速な検査を行うことを目的とする。

従来の課題を解決するために、本発明のＸ線検査装置は、３次元ＣＴ装置を用いて３次元再構成に必要な透過画像データを計測し、当該透過画像データを元に３次元画像データを再構成してＢＧＡパッケージとプリント基板との接合部の外観検査時に、当該プリント基板に塗布されるクリーム半田部に対して前記ＢＧＡパッケージの半田ボールにより接合する際の前記プリント基板との接合部分のＸ線検査方法において、前記３次元画像データを再構成して生成された３次元画像データよりＸ線透過率を利用して半田ボール部位の画像データを抽出し、前記抽出した半田ボール部位における画像データの特徴量を抽出し、
前記抽出した特徴量により前記半田ボールと前記プリント基板の接合状態の良否を判定することを特徴としたものである。

本発明における半田Ｘ線検査方法を利用してボール接合不良検査を行えば、従来の課題であった高精度かつ高速に半田ボールの接合不良を判定することが可能である。また、基板面だけでなく、部品本体と半田ボールの接合部分の検査も可能である。

図７は、本発明のＸ線検査方法を、Ｘ線ＣＴ装置を用いて、ＢＧＡ等の電子部品を撮像する方法を示したものである。Ｘ線源７０１より照射された円錐状のＸ線７０３は、被検体７０２を透過し、検出器７０４にて検出される。これを被検体７０２を中心に３６０度回転させながら、例えば１度刻みで撮像を行う。これにより得られた各方向からの透過画像データ７０５を元に、例えば公知の技術であるＦｅｌｄｋａｍｐ法により再構成を行うことで被検体７０２の３次元画像データ７０６を取得することができる。

以下に、本発明のＸ線検査方法の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１におけるＸ線検査方法を用いて、ＢＧＡパッケージとプリント基板との接合部の半田ボール1個を取り出して半田ボール接合不良判定方法を示すものである。

図１において、３次元画像データ１００は、ＢＧＡ部品本体部分１０２が基板１０３に半田ボール１０４で接合されている部分を３次元Ｘ線ＣＴ装置を用いて計測された透過画像データを公知の技術であるＦｅｌｄｋａｍｐ法などにより３次元再構成することで生成したものである。生成された３次元画像データ１００において、半田ボール１０４および予め基板に塗布されているクリーム半田１０５と基板におけるＸ線の透過率は異なっている。例えば、Ｘ線出力が１００ｋｅＶにおける透過率は、組成が鉛３７％、錫６３％、厚さ０．３ｍｍの半田が約４０％、厚さ１ｍｍのガラス基板では約９３％である。したがって、３次元画像データ１００において、透過率が４０％±許容マージン（例えば５％）の部分のみを抽出することで半田ボール１０４および予め基板に塗布されているクリーム半田１０５の部分の３次元画像データ１０１を得ることができる。

さらに、得られた半田ボール１０４およびクリーム半田１０５の３次元画像データにおいて、半田ボールの画像データの水平位置が最も低い部分１１０を基準とし、鉛直上向きに例えば５０ミクロンの位置１１１までの３次元画像データ１０６を抽出する。この半田ボールの画像データの水平位置が最も低い部分１１０は、基板１０３上に塗布されたクリーム半田面となる。

さらに、抽出された３次元画像データ１０６を鉛直方向から水平面に投影し、半田ボール投影データ１０７を取得する。得られた半田ボール投影データに対し２値化処理を行い、２値化閾値以上の部分をカウントすることにより投影面積を算出する。例えば水平方向解像度が１０μ、カウント数が５０であれば１０×１０×５０＝５０００平方ミクロンとなる。その面積を例えば設計値からわかる予め基板に塗布されているクリーム半田の面積１０７の９０％以上であれば十分接合されていると判定し、以下であれば接合不十分と判定する。

図２は、本発明の実施例２におけるＸ線検査方法を用いて、ＢＧＡパッケージとプリント基板との接合部の半田ボール1個を取り出して半田ボール接合不良判定方法を示すものである。

図２において、３次元画像データ１００はＢＧＡ部品本体部分１０２が基板１０３に、半田ボール１０４で接合されている部分を３次元Ｘ線ＣＴ装置によって計測された透過画像データを公知の技術であるＦｅｌｄｋａｍｐ法などにより３次元再構成することで生成したものである。生成された３次元画像データ１００において、半田ボール１０４および予め基板に塗布されているクリーム半田１０５と基板におけるＸ線の透過率は異なっている。例えば、Ｘ線出力が１００ｋｅＶにおける透過率は、組成が鉛３７％、錫６３％、厚さ０．３ｍｍの半田が約４０％、厚さ１ｍｍのガラス基板では約９３％である。したがって、３次元画像データ１００において、透過率が４０％±許容マージン（例えば５％）の部分のみを抽出することで半田ボール１０４および予め基板に塗布されているクリーム半田１０５の部分の３次元画像データ１０１を得ることができる。

次に、図６を用いて基板近似平面取得の説明をする。基準点６０３ａ、６０３ｂ、６０３ｃは予めレーザー反射光が安定している回路パターン上に指定してある。基準点６０３ａ、６０３ｂ、６０３ｃ全てを通る平面を算出し、基準平面６０４として決定する。３点を通る平面は、式（１）により平面の法線ベクトルを決定し、式（２）の平面をあらわす方程式を用いて決定する。

Ｖ＝（ｐ１―ｐ２）×（ｐ３−ｐ２） ・・・（１）
Ａｘ＋Ｂｙ＋Ｃｚ＋Ｄ＝０ ・・・（２）
但し、Ｖは法線ベクトル、ｐ１は基準点６０３ａの座標（ｐ１ｘ，ｐ１ｙ、ｐ１ｚ）、ｐ２は基準点６０３ｂの座標（ｐ２ｘ，ｐ２ｙ、ｐ２ｚ）、ｐ３は基準点６０３ｃの座標（ｐ３ｘ，ｐ３ｙ、ｐ３ｚ）、×演算子は外積を表す。

得られた半田ボール１０４およびクリーム半田１０５の３次元画像データにおいて、上記手段で求めた基板近似平面を基準平面２１０とし、鉛直上向きに例えば５０ミクロンの位置１１１までの３次元画像データ１０６を抽出する。

実施例１で述べた方法とは異なり、基板位置を基準としている。これは、例えば半田の形状的には問題ないが、半田が基板と物理的に離れている状態においては、実施例１で述べたように抽出した半田最下部を基準とした場合には接合十分と判定されてしまうため、検査精度に問題が出る可能性があるからである。

さらに、抽出された３次元画像データ１０６を鉛直方向から水平面に投影し、半田ボール投影データ１０７を取得する。得られた半田ボール投影データに対し２値化処理を行い、２値化閾値以上の部分をカウントすることにより投影面積を算出する。例えば水平方向解像度が１０μ、カウント数が５０であれば１０×１０×５０＝５０００平方ミクロンとなる。その面積を例えば設計値からわかる予め基板に塗布されているクリーム半田の面積１０７の９０％以上であれば十分接合されていると判定し、以下であれば接合不十分と判定する。

図３は、本発明の実施例３におけるＸ線検査方法を用いて、ＢＧＡパッケージとプリント基板との接合部の半田ボール1個を取り出して半田ボール接合不良判定方法を示すものである。

図３において、３次元画像データ１００はＢＧＡ部品本体部分１０２が基板１０３に半田ボール１０４で接合されている部分を３次元Ｘ線ＣＴ装置によって計測された透過画像データを公知の技術であるＦｅｌｄｋａｍｐ法などにより３次元再構成することで生成したものである。生成された３次元画像データ１００において、半田ボール１０４および予め基板に塗布されているクリーム半田１０５と基板におけるＸ線の透過率は異なっている。例えば、Ｘ線出力が１００ｋｅＶにおける透過率は、組成が鉛３７％、錫６３％、厚さ０．３ｍｍの半田が約４０％、厚さ１ｍｍのガラス基板では約９３％である。したがって、３次元画像データ１００において、透過率が４０％±許容マージン（例えば５％）の部分のみを抽出することで半田ボール１０４および予め基板に塗布されているクリーム半田１０５の部分の３次元画像データ１０１を得ることができる。

さらに、クリーム半田が予め塗布されていた鉛直方向延長空間のうち、得られた３次元画像データにおいて、半田ボール１０４およびクリーム半田３０１の水平位置が最も低い部分３２０から水平位置が最も高い部分３２１までの間を検査対象空間３０２として決定する。即ち、基板１０３のクリーム半田塗布面から半田ボール部全体を検査対象空間３０２とする。

指定された検査対象空間において２値化処理による輪郭抽出や形状認識を行い、認識された物体が１つであれば、半田ボール１０４および予め基板に塗布されているクリーム半田１０５が充分に溶接している状態であり、十分接合されていると判定する。また、複数であれば半田ボール１０４および予め基板に塗布されているクリーム半田１０５が充分に溶接されていない分離した状態であり、接合不十分と判定する。

図４、図５は、本発明の実施例４におけるＢＧＡパッケージとプリント基板との接合部の半田ボール1個を取り出して半田ボール接合不良判定方法を示すものである。

図４において、３次元画像データ１００はＢＧＡ部品本体部分１０２が基板１０３に半田ボール１０４で接合されている部分を３次元Ｘ線ＣＴ装置によって計測された透過画像データを公知の技術であるＦｅｌｄｋａｍｐ法などにより３次元再構成することで生成したものである。生成された３次元画像データ１００において、半田ボール１０４および予め基板に塗布されているクリーム半田１０５と基板におけるＸ線の透過率は異なっている。例えば、Ｘ線出力が１００ｋｅＶにおける透過率は、組成が鉛３７％、錫６３％、厚さ０．３ｍｍの半田が約４０％、厚さ１ｍｍのガラス基板では約９３％である。したがって、３次元画像データ１００において、透過率が４０％±許容マージン（例えば５％）の部分のみを抽出することで半田ボール１０４および予め基板に塗布されているクリーム半田１０５の部分の３次元画像データ１０１を得ることができる。

さらに、クリーム半田が予め塗布されていた鉛直方向延長空間のうち、得られた３次元画像データにおいて、半田ボール１０４およびクリーム半田３０１の水平位置が最も低い部分３２０から水平位置が最も高い部分３２１までの間を検査対象空間３０２として指定する。検査対象空間をさらに、上端４４０から鉛直下向きに例えば５０ミクロンの範囲４２０、および下端４４１から鉛直上向きに例えば５０ミクロンの範囲４２１を決定する。

各部分において、夫々の指定領域の上端４４０、下端４４１を基準位置とし、指定範囲４２０および４２１において、半田表面全域における鉛直方向の基準位置との差を取得する。

図５に、下部、すなわち基板とはんだボールの接合部分を用いて平坦度の算出方法および算出された平坦度と接合状態の関係を示している。平坦度基準位置４４１は、抽出された半田部分の鉛直方向最低位置である。即ち、クリーム半田部との接合部、或いは接合不良の場合は、クリーム半田部側の半田ボール１０４の最下端部を測定することにより、半田ボールの最下端部の平坦度を判定することにより、接合状態の良否を判定するものである。接合不良の場合は、水平基準位置４４１から半田ボール部の下部表面の平坦度を測定し、特に半田ボールの浮き上がり不良を明確に検出することができる。

予め基板１０３に塗布されているクリーム半田部側の半田ボール部位の切り出し領域４３１の底面矩形領域５０１内における半田部分の水平面への投影領域５０２において、例えば縦断面図５２１は、縦断面位置５２０における断面を示している。縦断面図５２１における半田部分の鉛直方向最高位置（ｚ座標）の値５１０および５１１を取得する。同様の操作を縦断面開始位置５３０から縦断面終了位置５３１まで、例えば１ミクロン刻みで行うことにより、切り出し領域４３１における半田部分の鉛直方向最高位置（ｚ座標）を得ることができる。ここで得た半田部分の鉛直方向位置（ｚ座標）の最大値５１０および５１１が半田下部表面の平坦度となる。接合が充分なされている場合には、平坦度は小さく、接合が充分なされていない場合には、平坦度は大きくなる。したがって、得られた平坦度が上下部分とも例えば±５ミクロン以内であれば接合面はほぼ平坦であるので接合充分と判定し、いずれか、あるいは上下部分とも平坦度が±５ミクロンより大きければ接合部分が平坦でないので、接合不充分と判定する。

以上のように、基板１０３に塗布されているクリーム半田と半田ボール１０４との接合状態を測定するため、クリーム半田と半田ボール部との接合部の平坦度を測定して接合状態の良否、特に、半田ボールの浮き上がり不良を判定するものである。

本発明のＸ線検査方法を用いて、半田ボール接合不良を判定すると、３次元データを用いることにより高精度かつ高速な検査の自動化が図れ、実装基板検査装置として有用である。

本発明の実施例１におけるＸ線検査方法による半田ボール接合不良判定を説明するための図 本発明の実施例２におけるＸ線検査方法による半田ボール接合不良判定を説明するための図 本発明の実施例３におけるＸ線検査方法による半田ボール接合不良判定を説明するための図 本発明の実施例４におけるＸ線検査方法による半田ボール接合不良判定を説明するための図 本発明の実施例４におけるＸ線検査方法による半田ボール接合不良判定における、基板とはんだボール接合部の平坦度と接合状態の関係を説明するための図 ３点の基準点から近似平面の算出を説明するための図 ３次元Ｘ線ＣＴ装置における３次元画像データの撮像を説明するための図 従来の実施形態における半田ボール接合不良判定（水平方向断面）を説明するための図

符号の説明

１００ ３次元再構成により生成された３次元画像データ
１０１ 抽出された半田ボール部位
１０２ ＢＧＡ部品本体部分
１０３ 基板
１０４ 半田ボール
１０５ 予め基板に塗布されたクリーム半田
１０６ 抽出した半田ボール部位の３次元画像データ
１０７ 抽出した半田ボール部位の投影像
１０８ 予め基板に塗布されたクリーム半田部面積
１１０ 半田ボールの水平方向最低位置
１１１ 指定された抽出範囲上限
２１０ 基準平面
３０１ 基板に予め塗布されている半田
３０２ 判定に用いる空間領域
３１０ 接合十分な半田ボールの３次元形状データ
３１１ 接合不十分な半田ボールの３次元形状データ
３１２ 接合十分な基板に予め塗布されている半田の形状データ
３２０ 抽出した３次元画像データにおける水平最低位置
３２１ 抽出した３次元画像データにおける水平最高位置
４１０ 接合十分な半田ボールの３次元形状データ
４１１ 接合不十分な半田ボールの３次元形状データ
４２０ 上部切り出し領域指定位置
４２１ 下部切り出し領域指定位置
４３０ 上部３次元形状データ
４３１ 下部３次元形状データ
４４０ 上部３次元形状データにおける上端位置
４４１ 下部３次元形状データにおける下端位置
５０１ 切り出し領域４２１の底面矩形
５０２ 水平面へのはんだ部分投影領域
５１０ 接合充分な場合のはんだ部分の鉛直方向位置（ｚ座標）最大値
５１１ 接合不充分な場合のはんだ部分の鉛直方向位置（ｚ座標）最大値
５２１ 縦断面位置
５２２ 縦断面位置５２１におけるはんだ下部表面ｚ座標
５３０ 縦断面開始位置
５３１ 縦断面終了位置
６０１ 回路パターン
６０２ ＢＧＡ部品
６０３ａ グランドａ
６０３ｂ グランドｂ
６０３ｃ グランドｃ
６０４ 基準平面
７０１ Ｘ線源
７０２ 被検体
７０３ 円錐状に照射されたＸ線
７０４ Ｘ線検出器
７０５ Ｘ線検出器７０４によって得られた透過画像
７０６ 透過画像７０５を元にＦｅｌｄｋａｍｐ法により再構成された３次元画像データ
８０１ ＢＧＡ部品本体部分
８０２ 半田ボール
８０３ 基板
８０４ 断層位置における半田ボール断面
８０５ 判定基準を示す円
８０６ 断層位置
８０７ 断層位置８０６における断層画像

Claims (5)

1. ３次元ＣＴ装置を用いて３次元再構成に必要な透過画像データを計測し、当該透過画像データを元に３次元画像データを再構成してＢＧＡパッケージとプリント基板との接合部の外観検査時に、当該プリント基板に塗布されるクリーム半田部に対して前記ＢＧＡパッケージの半田ボールにより接合する際の前記プリント基板との接合部分のＸ線検査方法において、
   前記３次元画像データを再構成して生成された３次元画像データよりＸ線透過率を利用して半田ボール部位の画像データを抽出し、
   前記抽出した半田ボール部位における画像データの特徴量を抽出し、
   前記抽出した特徴量により前記半田ボールと前記プリント基板の接合状態の良否を判定することを特徴とする半田ボールの接合部分のＸ線検査方法。
2. ３次元ＣＴ装置を用いて３次元再構成に必要な透過画像データを計測し、当該透過画像データを元に３次元画像データを再構成してＢＧＡパッケージとプリント基板との接合部の外観検査時に、当該プリント基板に塗布されるクリーム半田部に対して前記ＢＧＡパッケージの半田ボールにより接合する際の前記プリント基板との接合部分のＸ線検査方法において、
   Ｘ線透過率を利用して半田ボール部位を抽出し、該抽出した半田ボール部位における水平位置が最も低い部分を基準としてその基準位置から所定の高さまでの部位の画像データを抽出し、
   前記抽出した部位の画像データを水平面に対し鉛直方向から投影し、
   前記投影された部分の面積を算出し、
   前記算出された面積を所定の判定値と比較し、該比較結果に基づいて前記半田ボールと前記プリント基板の接合状態の良否を判定することを特徴とする半田ボールの接合部分のＸ線検査方法。
3. ３次元ＣＴ装置を用いて３次元再構成に必要な透過画像データを計測し、当該透過画像データを元に３次元画像データを再構成してＢＧＡパッケージとプリント基板との接合部の外観検査時に、当該プリント基板に塗布されるクリーム半田部に対して前記ＢＧＡパッケージの半田ボールにより接合する際の前記プリント基板との接合部分のＸ線検査方法において、
   Ｘ線透過率を利用して半田ボール部位を抽出し、
   前記プリント基板上に予め基板近似平面を算出するための基準位置を指定して基板基準平面を決定し、
   当該基板近似平面を基準として前記抽出された半田ボール部位の指定された高さまでの部位の画像データを抽出し、
   前記抽出した部位の画像データを水平面に対し鉛直方向から投影し、
   前記投影された部分の面積を算出し、
   前記算出された面積を所定の判定値と比較し、該比較結果に基づいて前記半田ボールと前記プリント基板の接合状態の良否を判定することを特徴とする半田ボールの接合部分のＸ線検査方法。
4. ３次元ＣＴ装置を用いて３次元再構成に必要な透過画像データを計測し、当該透過画像データを元に３次元画像データを再構成してＢＧＡパッケージとプリント基板との接合部の外観検査時に、当該プリント基板に塗布されるクリーム半田部に対して前記ＢＧＡパッケージの半田ボールにより接合する際の前記プリント基板との接合部分のＸ線検査方法において、
   前記基板のクリーム半田塗布面から半田ボール部位を検査対象空間としてＸ線透過率を利用して前記半田ボール部を抽出し、
   前記抽出された半田ボール部の数により半田ボールと基板と前記プリント基板の接合状態を判定することを特徴とする半田ボールの接合部分のＸ線検査方法。
5. ３次元ＣＴ装置を用いて３次元再構成に必要な透過画像データを計測し、当該透過画像データを元に３次元画像データを再構成してＢＧＡパッケージとプリント基板との接合部の外観検査時に、当該プリント基板に塗布されるクリーム半田部に対して前記ＢＧＡパッケージの半田ボールにより接合する際の前記プリント基板との接合部分のＸ線検査方法において、
   Ｘ線透過率を利用して半田ボール部位を抽出し、
   前記プリント基板のクリーム半田塗布面から所定の水平高さ位置間の半田ボール部位を検査対象空間として抽出し、
   前記半田ボール下端部の平坦度基準位置から前記抽出した半田ボール部位の最下端部の平坦度を測定し、
   当該平坦度に応じて半田ボールと前記プリント基板の接合状態の良否を判定することを特徴とする半田ボールの接合部分のＸ線検査方法。
   
   

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