JP2010107365A - 基板接続検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】接触不良であることを検知することができ、そして、そのような場合でも被測定基板の良否の判定が可能な基板接続検査装置を提供する。
【解決手段】基板接続検査装置１は、プローブ８を配設したプローブ部７、インターフェース基板５、電気的特性を測定するＴＤＲ測定器１０、パーソナルコンピュータ１５を備えている。複数のプローブ８は、プリント基板２に設けられた複数のランドに同時に接触する。ＴＤＲ測定器にて発生したパルスをプローブからランドに入力させるとともに、反射された反射波を測定する。反射波の反射波形と基準波形とを比較することにより、プローブが接触不良であるか否か等が判定される。
【選択図】図１

Description

本発明は基板接続検査装置に関し、特に、半導体装置を実装した実装基板と半導体装置との接続部を検査するための基板接続検査装置に関するものである。

半導体装置のパッケージの一形態に、ボールグリッドアレイがある。ボールグリッドアレイでは、パッケージの底面にはんだボールがグリッド状に配設されており、このはんだボールを介してプリント基板等との接続が行われる。そのはんだボールがプリント基板等へ良好に接続されたか否かを、ＴＤＲ（Time Domain Reflectmetry：時間領域反射測定装置）を利用して測定する手法がある。その場合、数百個程度のボールグリッドアレイを測定するために、一度に複数箇所の接触が可能な多点のプローブを被測定基板に接触させて、ＴＤＲ測定器によって測定されることになる。

たとえば、特許文献１では、そのＴＤＲ測定器を利用したはんだ付け検査装置が提案されている。この検査装置によれば、測定用の専用パッドをプリント基板に設けてこれに電気パルスを入力し、その反射特性によってはんだボールの接続信頼性が検査される。
特開平９−６１４８６号公報

一般的なプリント基板の電気特性試験としてＩＣＴ（In Circuit Test）など、プローブを接触させることによって電気特性を測定する試験がある。このような試験においては、プローブの接触不良が問題化している。また、プローブの故障や異物の食い込み等を事前に防ぐために、プローブ等を頻繁にメンテナンスする必要がある。そのメンテナンス時期は、測定回数等の経験則によって決定している場合が多い。

上述したように、ＴＤＲ測定器を利用した測定においても、被測定基板にプローブを接触させている。そのため、ＴＤＲ測定器による被測定基板の良否判定試験においても、プローブの接触不良が問題となるケースが多い。また、一度測定した被測定基板を接触不良を考慮して再試験する頻度が増えてしまい、再試験をしない割合を下げてしまうケースが多くなっている。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、接触不良であることを検知することができ、そして、そのような接触不良の場合でも被測定基板の良否の判定が可能な基板接続検査装置を提供することである。

本発明に係る基板接続検査装置は、複数のプローブと判定部とを有している。複数のプローブは、半導体装置を実装した実装基板上の複数の接続部に同時に接続される。判定部は、複数のプローブの中から所定のプローブを選択し、選択した所定のプローブに対応する接続部へ所定のパルスを出力し、反射して戻ってきた反射波を測定し、反射波の反射波形とあらかじめ設定された基準波形とを比較して、測定に係る実装基板が良品であるか不良品であるかを判定する。その判定部は、反射波形および基準波形のうち、所定のプローブと接続部との接触位置にそれぞれ対応する、反射波形の部分と基準波形の部分とを比較することにより、所定のプローブが接続部に良好に接続されていない場合を検知する機能を備えている。

この基板接続検査装置によれば、判定部によって、所定のプローブと接続部との接触位置にそれぞれ対応する、反射波形の部分と基準波形の部分とを比較することで、所定のプローブが接続部に良好に接続されていない場合を検知でき、反射波形の乖離が、接触不良に起因するものと、実装基板の不良に起因するものとに区別することができる。その結果、検査の直行率の向上を図ることができ、また、プローブのメンテナンス時期をより的確に把握することができる。

本発明の実施の形態に係る基板接続検査装置について説明する。図１に示すように、基板接続検査装置１は、プローブ８を配設したプローブ部７、インターフェース基板５、電気的特性を測定するＴＤＲ測定器１０、波形を解析するパーソナルコンピュータ１５を備えている。基板接続検査装置１のプローブ８は、測定対象の半導体装置５０を実装したプリント基板２に設けられたランド４の部分４ｂに接触することになる。

基板接続検査装置１等について、さらに詳しく説明する。図２に示すように、プローブ８はプローブ部７を貫通するように配設されている。プローブ８の一端がランド４の部分４ｂに接触し、プローブ８の他端はインターフェース基板５に接触する。プローブ部７とインターフェース基板５とは、分離可能とされる。

ボールグリッドアレイを採用した半導体装置では、はんだボールのピッチには規則性がある。そのため、はんだボール５１に接続されるブローブ８を配設したプローブ部７には汎用性があり、ボールグリッドアレイ型の種々の半導体装置５０について適用が可能となる。これに対して、インターフェース基板５は半導体装置５０の種類ごとに用意される。

一方、測定対象の半導体装置５０が実装されるプリント基板２にはスルーホール３が設けられ、ランド４はそのスルーホール３に配設されている。ランド４の一方の部分４ａに半導体装置５０のはんだボール５１が接続されている。プローブ８はランド４の他方の部分４ｂに接触することになる。

さらに、図３に示すように、インターフェース基板５には、プローブ８との接続を行うための、たとえば、リレーなどのスイッチ部９が設けられている。スイッチ部９は、パーソナルコンピュータ１５によってオンオフが切り替えられる。また、各スイッチ部９は、配線コネクタ６を介してＴＤＲ測定器１０に接続されている。ＴＤＲ測定器１０には、パルス発信器とオシロスコープ（いずれも図示せず）が内蔵されている。スイッチ部９を切り替えることによって、ＴＤＲ測定器１０と接続されるプローブ８が順次切り替えられて、すべてのはんだボール５１について測定が行われることになる。パーソナルコンピュータ１５には、測定結果が表示される。

図４に示すように、プローブ８として、両端がばねの弾性力によって伸縮する両端可動型プローブが適用されている。プローブ８の一端８ａは、プリント基板２に配設されたランド４の部分４ｂに確実に接触するように、クラウンタイプとされる。プローブ８の他端８ｂはインターフェース基板５とのコンタクト部とされる。インターフェース基板５は取替え可能とするため、プローブ８との接触部分には金のパターンが形成されて、プローブ８とのコンタクトの安定化が図られている。

また、形状的にプローブ８は、一度に多ピンのパッドやランドに接触させることが可能であり、複数の接続部の測定を高速に実行できることが可能である。なお、一般に、高速パルスを印加するプローブとしては、特性インピーダンスを整合したプローブが使用されるが、このプローブ８は、そのような高周波仕様にはなっておらず、特性インピーダンスの整合は必ず図る必要はない。

これは、プローブの特性インピーダンスを整合させようとすると、プローブには形状の精度が要求されることになり、半導体装置を実装したプリント基板に設けられる複数のランド等に接触させる多ピン態様のプローブには適さない場合があるからであり、また、装置自体のコストの上昇に繋がるからである。

次に、上述した基板接続検査装置１による測定について説明する。まず、あらかじめ、半導体装置が実装された良品のプリント基板（基準基板）をＴＤＲ測定器によって測定することによって、その反射波を測定する。通常、ＴＤＲ測定器では、４００ｍｐｐＶ程度のパルス波形が出力される。その出力波形の一例を図５に示す。

ＴＤＲ測定器から出力された出力パルス２０は被測定基板の回路に入力され、そして、被測定基板等において反射されて戻ってきた反射波形がＴＤＲ測定器によって測定される。このとき、回路素子、配線のインピーダンス、配線の長さ等に依存して、複雑な反射波形が測定されることになる。図６に示すように、実際の被測定基板の測定では、基準基板による反射波形（基準波形）と、測定対象の被測定基板の反射波形との比較が行われる。

この基板接続検査装置１では、測定された反射波形２２と基準波形２１との電圧乖離（電圧差Ｖ２）の値が所定の基準値（たとえば約５０ｍＶ程度）を超える場合（条件Ａ）と、電圧乖離の値が基準値に満たなくても、そのような電圧乖離が所定の基準時間Ｔ２（たとえば約２００ｐＳ〜４００ｐＳ）続くような場合（条件Ｂ）に、異常と判断されるよう設定されている。なお、基準値も測定する回路ごとに若干の変動が見込まれるため、量産時における複数の基準基板の反射波形のデータからその偏差を求め、その偏差に基づいて異常であると判断する閾値の基準値を求めるようにすることが望ましい。

本基板接続検査装置１では、基準波形に対して測定される反射波形の波形乖離位置、波形乖離の傾向に基づいて、プローブ８とプリント基板２との接触不良を検知し、また、そのような接触不良の場合でも、被測定基板の良否を判定し、試験の直行率の向上を図ることが目的である。なお、ここで、直行率とは、一度測定した被測定基板を再試験しない割合をいう。また、図６において、Ｐはプローブの位置を示し、Ｂはボールグリッドの位置を示す。

次に、反射波形の具体的な例を挙げて説明する。まず、良品のプリント基板にプローブが良好に接続されている場合（ケースＡ）には、図７に示すように、反射波形２２は基準波形２１とほぼ一致することになる。

次に、不良品のプリント基板にプローブが良好に接続されている場合（ケースＢ）には、図８に示すように、基準波形２１に対してプリント基板の内部に対応する位置から乖離が始まる反射波形２２が測定されることになり、プリント基板が不良品であると判断することができる。

次に、良品のプリント基板にプローブが良好に接続されていない場合（ケースＣ）には、図９に示すように、プローブに対応する位置から乖離が始まる反射波形２２が測定されることになり、プローブが良好に接続されていない接触不良（プローブ異常）であると判断することができる。

さらに、プローブがプリント基板に完全に接触していない場合（ケースＤ）には、図１０に示すように、反射波形２２が断線状態の測定波形となる。本基板接続検査装置１では、このケースＤのような場合には、プローブの故障、異物の食込み等のメンテナンスが必要な異常な状態であるとして、メンテナンス信号が出力されることになる。

ケースＣとケースＤとの違いは、反射波形２２の基準波形２１に対する乖離の量（電圧）に基づいて判断される。これは、プローブがプリント基板に接触しているが、接触抵抗が大きい場合は波形乖離の量から接触不良と判断できるからである。

また、プローブの接触不良による抵抗によって信号（パルス波形）が減衰する場合は、プリント基板の内部に対応する反射波形にも信号減衰の影響が現れることになる。ただ、この場合には信号が一律に減衰するため、たとえば、図９に示される反射波形のように、反射波形２２が基準波形２１に対して形状的には大きな変化がなく、接触抵抗に基づく電圧値が基準波形に重畳（オフセット）された形状の反射波形になる。

一方、プローブがプリント基板に良好に接触しておらず、しかも、プリント基板が不良品であるような場合（ケースＥ）には、図１１に示すように、反射波形２２には、プローブの接触不良に起因する信号減衰によるオフセットの他に、プリント基板の内部に対応する反射波形２２の部分の形状にも変化が現れることになる。このことにより、本基板接続検査装置１では、プローブがプリント基板に良好に接触していない場合でも、プリント基板が良品であるか不良品であるかを判断することができる。

ここで、プローブがプリント基板に良好に接触している場合と、プローブの接触不良により１０Ω程度の接触抵抗が発生した場合を想定し、その反射波形について説明する。まず、ＴＤＲ測定器によって測定されるパルス電圧（乖離電圧）は、次のように表される。

乖離電圧＝（（Ｚ２+Ｚ３）／（Ｚ１＋Ｚ２＋Ｚ３））×ＶＣＣ
ここで、Ｚ１はＴＤＲ測定器の出力インピーダンス（５０Ω）を表す。Ｚ２はプローブ接触インピーダンスを表し、正常時を０Ω、接触不良時を１０Ωと想定する。Ｚ３は被測定基板内のインピーダンスを表し、短絡時を０Ω、５０Ω線路時を５０Ωと想定する。また、ＶＣＣはＴＤＲパルスの電源電圧を表す（図１２参照）。そして、ＴＤＲ測定器とプローブとの間の配線は５０Ω布乗数回路とする。

簡単なケースとして、プリント基板（被測定基板）がアースされている場合において、プローブの接触が良好な場合の反射波形αと、プローブの接触が不良の場合の反射波形βを図１３に示す。図１３に示すように、反射波形βでは、プローブの位置以降に対応する部分において、反射波形αに対して約１０Ω程度の接触抵抗に基づく電圧値をシフトさせた態様の波形の変化が測定されることになる。

また、プリント基板が５０Ωのインピーダンスの線路に接続されている場合において、プローブの接触が良好な場合の反射波形γと、プローブの接触が不良の場合の反射波形δを図１４に示す。図１４に示すように、反射波形δでは、プローブの位置以降に対応する部分において、反射波形γに対して約１０Ω程度の接触抵抗に基づく電圧値をシフトさせた態様の波形の変化が測定されることになる。

実際の測定では、図９に示される最終点付近の反射波形の基準波形に対する乖離の量３１から、プローブの接触不良によるオフセット分のインピーダンスが算出される。そして、反射波形からそのオフセット分を差し引いた反射波形と基準波形とを比較することによって、プローブが接触不良の場合に、プリント基板が良品であるか不良品であるかを判定することができることになる。

次に、プローブが接触不良の場合も含めて、プリント基板が良品であるか不良品であるかを判断する一連のフローチャートについて説明する。図１５に示すように、まず、ＴＤＲ測定器により種々のプリント基板に対してパルスを入力して、各プリント基板の反射波形を測定する（ステップＳ１，Ｓ２）。このとき、上述した５つのケースＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅに対応する反射波形が測定されたと想定する。

次に、測定された反射波形と基準波形とが比較されて（ステップＳ３）、反射波形が基準波形に対して乖離しているか否かが判断される（ステップＳ４）。このとき、ケースＡに対応する反射波形は、基準波形に対して乖離していないことから、プリント基板が良品であり、プローブの接触も良好であると判定されて（ステップＳ１２）、検査が終了することになる（ステップＳ１３）。

一方、ケースＢ，Ｃ，Ｄ，Ｅにそれぞれ対応する反射波形は、基準波形に対して乖離していると判断され、その乖離が始まる位置が確認される（ステップＳ５）。まず、反射波形の乖離の始まる位置がプローブの接触部分に対応する位置であるか否かが判断される（ステップＳ６）。

ここで、ケースＢに対応する反射波形は、乖離が始まる位置がプローブの接触部分に対応する位置に該当しないので、次に、乖離の幅が良品のプリント基板の場合の範囲内（正常範囲内）であるか否かが判断される（ステップＳ１４）。このとき、乖離の幅が正常範囲内であるときは、プリント基板は良品であると判断されて（ステップＳ１８）、検査が終了する（ステップＳ１８）。一方、乖離の幅が正常範囲内にない場合には、プリント基板は不良品であると判定されて（ステップＳ１５）、検査が終了する（ステップＳ１６）。

次に、ケースＣ，Ｄ，Ｅにそれぞれ対応する反射波形は、乖離が始まる位置がプローブの接触部分に対応する位置に該当し、次に、その乖離幅が求められる（ステップＳ７）。求められた乖離幅に基づいて、プローブの接触部分において完全に断線しているか否かが判断される（ステップＳ８）。

ここで、ケースＤに対応する反射波形は、乖離の幅が大きく完全に断線していると判断される。この場合には、プローブの故障、異物の食込み等の何らかのメンテナンスが必要な状態であると判断されて、メンテナンス信号が出力され（ステップＳ１９）、検査が終了する（ステップＳ２０）。

一方、ケースＣ，Ｅに対応する反射波形は、完全に断線しているとは判断されず、次に、その乖離幅が所定の範囲内であるか否か、あるいは、反射波形が基準波形と交差していないか否かが判断される（ステップＳ９）。

ここで、ケースＥに対応する反射波形は、プリント基板の内部に対応する反射波形の部分の乖離幅が所定の範囲を超える部分があるか、あるいは、反射波形が基準波形と交差していると判断されて、プリント基板が不良であると判定され（ステップＳ２１）、検査が終了する（ステップＳ２２）。

一方、ケースＣに対応する反射波形は、プリント基板の内部に対応する反射波形の部分の乖離幅が所定の範囲内にあり、かつ、反射波形が基準波形と交差していないと判断されて、次に、反射波形の乖離の幅が、接触不良による抵抗分が重畳されたと考えられる範囲内でほぼ一定か否かが判断される（ステップＳ１０）。ここで、乖離の幅がほぼ一定であると判断される場合には、プリント基板は良品であると判定されて、検査が終了する（ステップＳ１１）。一方、乖離の幅がほぼ一定でないと判断される場合には、プリント基板は不良品であると判定されて、検査が終了する（ステップＳ２２）。

こうして、本基板接続検査装置では、プローブが接触不良の場合であっても、プリント基板が良品であるか不良品であるかを判定することができる。これにより、一度測定したプリント基板をプローブの接触不良を考慮して再測定する頻度が減少し、再測定をしない割合（直行率）を高めることができる。

また、プローブが接触不良の場合でも、反射波形が、基準波形に対してほぼ同じ乖離幅をもってシフトしているような場合には、測定に係るプリント基板は良品であると判定することができて、再測定を行う必要がなくなる。さらに、プローブの接触不良がわかることで、プローブの異常、プローブへのごみ等の食込みを検知することができ、メンテナンス時期をより明確に把握することができる。

今回開示された実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本発明は上記で説明した範囲ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態に係る基板接続検査装置の構成を示す、一部断面を含む図である。 同実施の形態において、図１に示す基板接続検査装置の部分拡大断面図である。 同実施の形態において、図１に示す基板接続検査装置の回路構成を示す図である。 同実施の形態において、プローブとその近傍の構造を示す部分拡大断面図である。 同実施の形態において、基板接続検査装置の動作を説明するためのパルスの波形を示すグラフである。 同実施の形態において、基板接続検査装置を説明するための基準波形と反射波形を示すグラフである。 同実施の形態において、基板接続検査装置を説明するための基準波形と反射波形の第１例を示すグラフである。 同実施の形態において、基板接続検査装置を説明するための基準波形と反射波形の第２例を示すグラフである。 同実施の形態において、基板接続検査装置を説明するための基準波形と反射波形の第３例を示すグラフである。 同実施の形態において、基板接続検査装置を説明するための基準波形と反射波形の第４例を示すグラフである。 同実施の形態において、基板接続検査装置を説明するための基準波形と反射波形の第５例を示すグラフである。 同実施の形態において、基板接続検査装置を説明するための測定系を示す模式図である。 同実施の形態において、基板接続検査装置を説明するためのプローブの接触不良の場合の反射波形を示す第１の模式図である。 同実施の形態において、基板接続検査装置を説明するためのプローブの接触不良の場合の反射波形を示す第２の模式図である。 同実施の形態において、基板接続検査装置によるプリント基板の測定の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１ 基板接続検査装置、２ プリント基板、３ スルーホール、４ ランド、４ａ ランドの部分、４ｂ ランドの部分、５ インターフェース基板、６ 配線コネクタ、７ プローブ部、８ プローブ、９ スイッチ部、１０ ＴＤＲ測定器、１５ パーソナルコンピュータ、２０ 出力パルス、２１ 基準波形、２２ 反射波形、３１ 乖離、５０ 半導体装置、５１ はんだボール。

Claims (3)

1. 半導体装置を実装した実装基板上の複数の接続部に同時に接続される複数のプローブと、
   複数の前記プローブの中から所定のプローブを選択し、選択した前記所定のプローブに対応する接続部へ所定のパルスを出力し、反射して戻ってきた反射波を測定し、前記反射波の反射波形とあらかじめ設定された基準波形とを比較して、測定に係る実装基板が良品であるか不良品であるかを判定する判定部と
   を有し、
   前記判定部は、前記反射波形および前記基準波形のうち、前記所定のプローブと前記接続部との接触位置にそれぞれ対応する、前記反射波形の部分と前記基準波形の部分とを比較することにより、前記所定のプローブが前記接続部に良好に接続されていない場合を検知する機能を備えた、基板接続検査装置。
2. 前記判定部は、前記所定のプローブが前記接続部に良好に接続されていない場合を検知した場合において、前記反射波形と前記基準波形とを比較することにより、前記反射波形が所定の乖離幅をもって前記基準波形をスライドさせた態様で乖離している場合には、測定に係る実装基板は良品であると判定する機能を備えた、請求項１記載の基板接続検査装置。
3. 前記判定部は、前記所定のプローブが前記接続部に良好に接続されていない場合を検知した場合において、複数の前記プローブのメンテナンスを行なう旨の信号を出力する機能を備えた、請求項１または２に記載の基板接続検査装置。

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