JP5290030B2 - エックス線検査用加熱装置 - Google Patents

Description

本発明はエックス線検査用加熱装置に関し、特に、エックス線検査装置などに内蔵され、試料等の被検査物を目的の温度に加熱もしくは予め設定されたプロファイルに従って加熱し、その状態変化をリアルタイムに観察および記録することが可能なエックス線検査用加熱装置に関する。

エックス線検査では、試料を高温に加熱し、結晶構造の変化や溶解状態の変化等を観察する場合がある。特に実装基板の故障解析においては、はんだ接合部位の不良発生原因を解明するため、加熱装置がはんだの溶融状態を観察する目的で用いられている。
しかし、実装基板の観察においては、はんだを充分に溶解できるように２５０度以上の加熱が必要となる。また近年、実装基板の高密度化、多層化、使用材料の多様化が進んでいることから、様々な温度プロファイル条件の下で、試料の鮮明な観察をリアルタイムに様々な角度から行うことのできる装置が求められている。
このような実装基板以外の分野においても、耐熱材料の多様化により、１０００度以上の高温条件下でのエックス線検査が要求される場合もある。

一方、試料を加熱条件下でエックス線検査する場合、従来は、検査装置外部で加熱した試料を検査装置内部にセッティングして観察することが多かった。
加熱装置を有するエックス線検査装置も提案されているが、加熱装置に必要とされる発熱体や装置の一部には、エックス線を透過しにくい金属が使用されており、測定の妨げとなっていた。

そこで、一部金属を含むヒータをサンプル物体から離した観察装置が提案されている（特許文献１）。
また、加熱装置の構成材料としてセラミックスを用いた加熱装置が提案されている（特許文献２）。
特開２００５−２２７１８８号公報 特開平９−１３８０７３号公報

然しながら、上記の従来技術によれば、検査装置外部で加熱した試料を検査装置内部にセッティングして観察する方法の場合、セッティング中に試料の温度が低下したり、温度のむらが発生するなどして、充分な温度管理を行うことができないという問題があった。
また、はんだ溶融時のボイド発生状況やぬれ状態の変化など、温度変化に伴う試料の状態変化を、要求プロファイルに沿って、正確かつリアルタイムに観察することができないという問題もあった。
更に、加熱装置を有するエックス線検査装置では、加熱装置の発熱体や装置の一部にエックス線を透過しにくい金属が使用されており、これらの金属がエックス線像を観察する視野を遮断してしまうことから充分な観察が行えないという問題もあった。

このような問題の対策として、特許文献１によって知られる観察装置では、試料の観察経路外にヒータとファンを備えた高温室を設置し、ここから熱風を供給することで試料の加熱を行っていた。
しかし、この方法では試料を急速に昇温させることは困難な上、試料全体を均一に加熱することも難しかった。そのため試料の温度制御が困難となり、必要プロファイルに沿ったリアルタイム観察をすることができないという問題が発生した。
更に、発熱体を観察経路から離したことで、熱風の送風経路や送風機構が必要となった。それにより、観察の角度が限定される、装置が大型化・複雑化したり、製作が困難となったり、故障が発生しやすくなるなどの問題が発生していた。

特許文献２によって知られる加熱装置では、発熱体の構成材料としてセラミックスを用いることで、加熱装置の構成材料がエックス線を遮断することを回避した。しかし、セラミックスヒータは昇温が遅い、温度制御が困難である、割れやすく耐久性に難があるという問題が発生していた。

本発明は上述のような従来技術の問題点などに鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、加熱装置、特に試料等の被検査物を目的の温度に加熱もしくは予め設定されたプロファイルに従って加熱し、その状態変化をリアルタイムに観察および記録することが可能なエックス線検査用加熱装置を提供することである。

また、本発明は、試料物体を加熱条件下で様々な角度からエックス線検査装置で鮮明に観察することが可能であり、試料を急速かつ均一に必要温度まで昇温もしくは、必要プロファイルに沿って昇温させることができ、高温加熱が可能であり、試料をリアルタイムに自由な観察角度から検査することが可能で、装置自体の小型化や単純化、高耐久化が可能なエックス線検査用加熱装置を提供することを目的とするものである。

上記した課題を解決するために、第一発明は、薄い板状のジグザグ構造を有し、該ジグザグ構造のスリットのみに絶縁物が挿入されると共にジグザグ構造上に孔が設けられた炭素繊維強化炭素複合材料を上部及び／又は下部に水平に設置し、該炭素繊維強化炭素複合材料に直接通電して発熱させると共に、該炭素繊維強化炭素複合材料のジグザグ構造上に設けた前記孔にガスを通すことによって加熱することを特徴とするエックス線検査用加熱装置である。
第二発明は、前記加熱装置がエックス線検査装置内蔵用加熱装置であることを特徴とする請求項１に記載のエックス線検査用加熱装置である。

本発明の加熱装置によれば、発熱体として炭素繊維強化炭素複合材料を用いることにより、エックス線透過率が高く、加熱条件下でのエックス線検査装置による鮮明な観察を可能にする加熱装置を容易に得ることができる。

また、発熱体の設置位置を選ばないことから、発熱体を試料に接近させることができる。そのため、試料を急速に昇温させることができる上、試料全体を均一に加熱することができることから、試料の温度制御が容易となり、必要プロファイルに沿ったリアルタイム観察をすることが可能となる。また、伝熱機構が不要となるため、観察の角度が限定されず、小型化も可能となる。更に装置の単純化が可能となる上に、炭素繊維強化炭素複合材料自体も高い強度を持つことから、高耐久の加熱装置を容易に得ることができる。
また、炭素繊維強化炭素複合材料は高い耐熱性を持つことから、幅広い温度条件での測定に対応することが可能となる。

ここで、耐熱温度が２５０度以上である炭素繊維強化炭素複合材料を使用することにより、はんだを溶融させることができ、実装基板の故障解析等の分析に用いるエックス線検査用加熱装置を容易に得ることができる。
本発明の加熱装置によれば、炭素繊維強化炭素複合材料を薄い板状のジグザグ構造とすることにより、発熱体に流れる電流値や電圧を自由かつ容易にコントロールすることができる。それにより、加熱装置の性能や仕様、規格などを自由かつ容易に設定することができる。

本発明の加熱装置によれば、炭素繊維強化炭素複合材料に設けた孔に通したガスによって加熱することで、より細かな温度制御が可能となる。また、加熱装置内の雰囲気を制御することが可能となり、燃焼や酸化の防止又はコントロールや、特定気体雰囲気下での観察を行うこともできる。
請求項２に係わる発明の加熱装置によれば、本発明の加熱装置をエックス線検査装置内蔵用加熱装置として用いることにより、エックス線透過率が高く、加熱条件下でのエックス線検査装置による鮮明な観察を可能にする加熱装置を容易に得ることができる。

上記より、以下に本願発明に係る加熱装置の作用効果を列挙する。
第一の効果は、加熱条件下でのエックス線検査装置による、試料の鮮明な観察が可能であることである。
第二の効果は、試料の急速な加熱が可能であることである。
第三の効果は、試料の均一な加熱が可能であることである。
第四の効果は、試料の高温加熱が可能であることである。
第五の効果は、試料のリアルタイム観察が可能であることである。
第六の効果は、試料の観察角度を自由に設定できることである。
第七の効果は、装置の小型化が可能であることである。
第八の効果は、装置の単純化が可能であることである。
第九の効果は、装置が高耐久であることである。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を詳しく説明する。
図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明に係る加熱装置の最良の実施形態を説明するための斜視図である。この図において、１ａは炭素繊維と炭素母材からなる先進複合材料で構成された炭素繊維強化炭素複合材料板、２は銅板電極、３はネジ、４は圧着端子、５は被覆導線、６は耐熱性及び熱伝導性の高い絶縁物、７はプリント配線基板、８は例えば半導体チップなどで成りはんだ付けされる電子部品である。
また、図１（ｂ）は、はんだ付けされる電子部品部の拡大図であり、図中、８は電子部品、９は銅ランド、１０はソルダーペーストを示している。

上述のような構成からなる本発明の実施形態において、加熱装置を作動するには、最初に、被覆導線５に電圧を印加する。この印加電圧は直流電圧であると交流電圧であるとを問わないが、電流は圧着端子４を経由し銅板電極２へと流れる。
また、炭素繊維強化炭素複合材料板１ａはネジ３で銅板電極２と密着していることから、電流は炭素繊維強化炭素複合材料板１ａ内を均一に流れる。この際、炭素繊維強化炭素複合材料板１ａは抵抗が小さく通電しやすいことから容易に電流が流れ、電力に応じた発熱量が発生する。

発熱は均一であり、かつ炭素繊維強化炭素複合材料板１ａ自体の熱伝導性が高いことから、炭素繊維強化炭素複合材料板１ａの温度は急速かつ均一に上昇してゆく。
試料は耐熱性及び熱伝導性の高い絶縁物６を介して炭素繊維強化炭素複合材料板１ａに設置される。絶縁物６としては、アルミナセラミックス、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、マイカ、などの板やシートなどが好適であるが、特に限定するものではなく、要求温度に応じて自由に材料を選択することができる。

試料は耐熱性及び熱伝導性の高い絶縁物６を介するのみで、直接炭素繊維強化炭素複合材料板１ａ上に設置することができる。このため、炭素繊維強化炭素複合材料板１ａの急速かつ均一な温度上昇に伴い、試料も急速かつ均一に加熱することができる。
また、発熱量は、熱電対でモニタしながら電圧をコントロールすることで、容易にコントロールできる。これにより、試料を必要なプロファイルに沿って温度制御することができる。

炭素繊維強化炭素複合材料板１ａの温度が上昇するに伴い、絶縁物６上に設置された試料であるプリント配線基板７も、急速かつ面内で均一に温度上昇する。本発明の炭素繊維強化炭素複合材料の耐熱温度は２５０度以上であることを特徴としており、ソルダーペースト１０を充分に溶融させることが可能である。温度上昇に伴い、ソルダーペースト１０は溶融し、電子部品８と銅ランド９とがぬれて接合する。

本発明の加熱装置では、少なくともエックス線の観察範囲内にエックス線透過率の低い金属を全く使用せずに加熱できる。これにより、様々な温度条件下ではんだのぬれ挙動を明瞭に観察することができる。
また、予め設定した温度プロファイル下でのリアルタイム観察を行うことができ、ボイド発生メカニズムの解明などに役立てることができる。
更に、伝熱機構が不要であるため観察の角度が限定されず、装置の小型化、単純化が可能となり、製作も容易である。また、炭素繊維強化炭素複合材料自体が高い強度を持つことから、高耐久の加熱装置を容易に得ることができる。

尚、図１ａ及び図２では炭素繊維強化炭素複合材料板の形状を平らな板状としているが、この板を丸めたり曲げたりすることによって、丸筒型や角筒型の加熱装置とすることも可能である。

本発明の加熱装置では炭素繊維強化炭素複合材料に直接通電して発熱させることを特徴としているが、次の３つの特徴を満足するものは全て炭素繊維強化炭素複合材料に含めるものとする。即ち、第一の特徴は空気中２５０度で加熱しても酸化劣化などの大きな支障が生じないことであり、第二の特徴は電気導電性があることであり、第三の特徴は少なくとも材料の一部に炭素繊維を含むことである。

尚、本発明の加熱装置では、炭素繊維強化炭素複合材料の耐熱温度を２５０度以上としたが、炭素繊維強化炭素複合材料は高い耐熱性を持ち、必要であれば１０００度以上の高温加熱を行うこともできる。温度制御やガス雰囲気制御によって、更なる高温条件下での観察を行うことも十分可能であり、上記した電子部品以外にも様々な材料や部品の加熱挙動を観察することができる。
また、炭素繊維強化炭素複合材料板は本加熱装置の密閉化用壁面材料としても使用することができる。これにより軽量で高耐熱、小型で単純な構造で、高耐久の加熱装置を容易に得ることができる。

本発明の加熱装置では、炭素繊維強化炭素複合材料の構造が薄い板状のジグザグ構造であることを特徴としている。炭素繊維強化炭素複合材料は電気抵抗が非常に低いため、低電圧でも大きな電流が流れる場合がある。しかし、薄い板状のジグザグ構造を採用することにより、電気抵抗や電流値を容易にコントロールすることができ、汎用の電源やケーブルを使用しつつも高い発熱量を示すことができる。

図２にジグザグ構造の一例を示した。１ｂは炭素繊維強化炭素複合材料板、１１はスリットを示している。炭素繊維強化炭素複合材料板１ｂのサイズや形状、ジグザグの構成及びサイズや形状については特に限定するものではない。スリット１１には耐熱性及び熱伝導性の高い絶縁物を挿入する。

本発明の加熱装置では、炭素繊維強化炭素複合材料を上部及び／又は下部に設置し、該炭素繊維強化炭素複合材料に設けた孔にガスを通すことによって加熱することを特徴としている。
図３にガス吹出し孔１２を設けた炭素繊維強化炭素複合材料板の一例を、図４及び図５に試料の加熱方法の一例を示した。１ｃは炭素繊維強化炭素複合材料板、１３は封止材、１４は断熱材、１５はガス導入管、２０はエックス線発生部、２１はエックス線照射範囲、１６は絶縁スペーサである。

炭素繊維強化炭素複合材料に設けた孔にガスを通して加熱することにより、接触や放射による加熱に雰囲気加熱が加わり、更に細かな温度制御が可能となる。ガスの流量によって昇温スピードがコントロールできるのみならず、昇温と冷却のサイクル運転をすることも可能となる。また、不活性ガスなどの注入により酸化や燃焼を防止又はコントロールできる、特定ガス雰囲気下での観察を行うことができる、試料から発生する有毒ガスなどを外部に排出することができ、試料や装置への悪影響を防止することができるという利点もある。更に観察終了後は、外気や冷気を送風することで試料や装置の急速冷却を可能にする。

本発明の加熱装置は、エックス線検査装置内蔵用加熱装置として用いることを特長としている。これにより、エックス線透過率が高く、必要な温度プロファイル条件下でのリアルタイムのエックス線検査装置による鮮明な観察を可能にする加熱装置を容易に得ることができる。

（参考例１）
炭素繊維強化炭素複合材料板を用いて図１（ａ）に示す形状とし、炭素繊維強化炭素複合材料板および絶縁体を壁面材料として密閉し、加熱装置を作成した。

（参考例２）
炭素繊維強化炭素複合材料板にスリットを入れて図２に示すジグザグ形状とし、これを用いて加熱装置を作成した。

炭素繊維強化炭素複合材料板にスリット及びガス噴出し孔を設け図３に示す形状とし、これを用いて加熱装置を作成した。

図１に示した炭素繊維強化炭素複合材料板を下部に、図３に示した炭素繊維強化炭素複合材料板を上部に設置して図４に示す形状とし、これを用いて加熱装置を作成した。

図３に示した炭素繊維強化炭素複合材料板を上下に設置して図５に示す形状とし、これを用いて加熱装置を作成した。
（比較例１）
セラミックスヒータを用いて加熱装置を作成した。
（比較例２）
ニクロム線を熱源とするシーズヒータ及び送風ファンを用いて加熱装置を作成した。

実施例１〜３のいずれの加熱装置も、設定プロファイルに従って迅速かつ均一に昇温し、かつエックス線を阻害しないことが確認された。比較例１の加熱装置は昇温が遅く、設定プロファイルに従った昇温ができなかった。比較例２の加熱装置も昇温が遅く、設定プロファイルに従った昇温ができない上、試料を必要温度まで加熱することができなかった。

は、本発明に係る加熱装置の参考形態を説明するための斜視図であり、（ａ）は一参考例を示す斜視図であり、（ｂ）は電子部品の一例を示す斜視図である。 は、他の参考例を示す斜視図である。 は、この発明の一実施例を示す斜視図である。 は、この発明の一実施例を示す側面図である。 は、この発明の一実施例を示す側面図である。

１ 炭素繊維強化炭素複合材料板
２ 銅板電極
３ ネジ
４ 圧着端子
５ 被覆導線
６ 絶縁板
７ プリント配線基板
８ 電子部品
９ 銅ランド
１０ ソルダーペースト
１１ スリット
１２ ガス吹出し孔
１３ 封止材
１４ 断熱材
１５ ガス導入管
１６ 絶縁スペーサ
２０ エックス線発生部
２１ エックス線照射範囲

Claims (2)

1. 薄い板状のジグザグ構造を有し、該ジグザグ構造のスリットのみに絶縁物が挿入されると共にジグザグ構造上に孔が設けられた炭素繊維強化炭素複合材料を上部及び／又は下部に水平に設置し、
   該炭素繊維強化炭素複合材料に直接通電して発熱させると共に、
   該炭素繊維強化炭素複合材料のジグザグ構造上に設けた前記孔にガスを通すことによって加熱することを特徴とするエックス線検査用加熱装置。
2. 前記加熱装置がエックス線検査装置内蔵用加熱装置であることを特徴とする請求項１に記載のエックス線検査用加熱装置。

Images