JP5466043B2 - 電子機器に用いられるプリント基板の検査方法及びこれに用いる検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子機器に用いられるプリント基板の電気的接続状態を検査する検査方法及びこれに用いる検査装置に関するものである。

プリント基板の温度変化に対する耐性を短期間に評価する加速試験として、環境試験がある。これは温度、湿度を上昇させたり、降下させたり、あるいは上昇・下降を繰り返すものである。例えば特許文献１には、プリント基板を試験室内に定置し、試験室内を冷風、熱風の空気によって−６５℃から１５０℃までの温度範囲にさらす冷熱衝撃試験装置が開示されている。

この冷熱衝撃試験装置は、この試験は、熱ストレスにより基板構成材料の構造や強度を劣化させ、又は亀裂を発生させ、或いは電気的品質を劣化させて、耐性を確認し評価するものである。

一方、半導体ウェハ上に形成されている半導体集積回路素子の外部電極に検査用基板のプローブ端子を接続し、半導体ウェハを加熱するとともに検査用基板に備えられたヒーターを加熱し８０℃以上の温度として、電気的特性をウェハレベルで一括して検査するものが、例えば特許文献２に開示されている。

特許３９７３２２４号公報 特開２００１−２０３２４４号公報

完成品或いは完成品に近づいた状態で動作不良が発見されると、不良箇所の特定や原因の調査に工数を要することになる。このため、上記背景技術のように部品レベル、基板レベルの検査が行われている。

プリント基板は、半田ペーストを利用した面実装、或いは半田浴によるスルーホール実装、又は半田こてにより部品が半田付けされる。この際に、半田付けする金属表面の酸化物、油汚れ等を除去するためにフラックスが用いられることがよく知られている。基板実装用のフラックスはロジン系が用いられており、これは、松ヤニを精製・加工したものを主成分とし、１７０℃で活性化して金属表面の酸化物を除去する。半田付け後の残渣は、半田の表面を薄く残り、非吸湿性でかつ絶縁性であるので、通常は洗浄により取り除かれることはない。従って、プリント基板に対する電気的試験は、プリント基板上に部品として取り付けられたコネクタ或いは、金メッキされたプリント基板自体の接線を通して行う。

本発明は、フラックスで被覆されたプリント基板に対してプリント基板のパッド上の半田にプローブを接触して、プリント基板を検査することを可能とした検査方法及びこれに使用する検査装置を提供することを目的とする。

本発明の各層の回路を導通する貫通孔と、当該貫通孔と接続した表層のパッドを複数個有するプリント基板の検査装置において、パット上をフラックスで覆われたプリント基板を冷却する冷却室と、前記冷却室内に配置され、フラックスで覆われた前記パッドの金属部の夫々に対して押し当てられる複数のプローブと、前記プローブの前記プリント基板への押当て離反を制御する制御部と、前記パッド間の電気特性値を測定し、基準特性値との比較によりプリント基板の異常を検出するテスタと、前記冷却室外に配置される加熱基板であって、絶縁層を介してヒータが設けられ、当該配線パターンを通して各プローブを前記テスタに接続する加熱基板と、前記テスタは、前記冷却室により基準となる実装プリント基板が加熱された際に、予め指定されたパッド間における電気特性値を前記基準特性値として取得することを特徴とする。

プローブへの加熱はプローブ先端からピンポイント的に行われるため、冷却されたプリント基板の温度を変動させることが少ない。また、加熱基板は冷却室外に配置されているので、ヒータによる加熱の影響は受けない。

また、上記の検査装置において、前記制御部は、基準となるプリント基板とは異なる他のプリント基板が前記冷却室に設置され、前記予め定められたパッド間をプローブにより電気特性値を測定した際に、前記テスタが基準特性値とは異なる電気特性値を検出した場合に前記プローブをパットから離して、再度押し当てることを特徴とする。

プリント基板の断面図である。 検査装置全体を示す一部断面図である。 加熱基板を示す図である。 検査装置の機能ブロック図である。 検査装置のフローを示す図である。 接触検査データを示す図である。 他の実施例による検査装置を示す図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に従って説明する。

図1において、電子部品を実装した実装プリント基板の一例として、電子部品の面実装と、スルーホール実装との両方が行われたプリント基板１００を示している。面実装は、半田ペーストと呼ばれるフラックス入りのペースト状半田をプリント基板１００に塗布した後に電子部品１３０、１３１を搭載し、加熱処理することにより半田を溶融させて固定する。またスルーホール実装は、プリント基板の裏側に予めフラックスを塗布し、スルーホール１０９に電子部品のリードを挿入した後、半田浴に浸けて固定される。このようにしてプリント基板の表裏面には、スラックスの残渣が広がっており、半田表面の絶縁膜として、或いはその非吸湿性によりプリント基板を保護している。

図１の例においては、パッド１０１〜１０３が電子部品１３０、１３１を搭載されて表面実装しており、またパッド１０５、１０６が電子部品１４０、１５０を夫々スルーホール実装している。パッド間は、必要に応じてスルーホール１０９及びブラインドホール１０８を介して接続されている。図中、１２０は半田レジスト膜であり、１２１は半田浸け後にプリント基板１００の表面に生じたフラックス或いはその残渣（以下、フラックスと称する）の膜である。

プリント基板１００の表面に広がるフラックスは固形化しており、かつ絶縁性であるので、半田付けが行われたパッドの金属部に対して、プローブ端子３７ａを押し当てても、フラックス膜１２１を貫いて接触することは困難である。一方、フラックスは、３０℃から６０℃の範囲で軟化を開始し、８０℃付近から液状化する。

図２は、本実施例による検査装置１の全体構成図である。検査装置１は、プリント基板１００の生産ライン中のテスト工程中に置かれており、検査室となる冷却室２と冷却装置とテスター５及びプローブの加熱基板６０及び制御部５から構成されている。冷却室２は、周囲を断熱材で囲われており、冷却装置により−２０℃乃至−４０℃の温度に雰囲気温度に保持されている。尚、図中は、後述するコンソールである。

検査部３は、冷却室２内に設置され、上下に配置された４角形状のテーブル３１ａ、ｂと、テーブル３１ａ、ｂの４隅に設けられたガイド３２と、ガイド３２をスライドする上冶具取付板３３ａ及び下冶具取付板３３ｂとを有している。上冶具取付板３３ａと下冶具取付板３３ｂの夫々に対して、ガイド３２に沿って上下動可能とするために、モータ３４ａ、３４ｂと、モータ３４ａ、３４ｂにより回転駆動されるボールネジ３５ａ、３５ｂが設けられている。制御部５の制御によりモータ３４ａ、３４ｂを駆動させると、ボールネジ３５ａ、３５ｂが回転し、これに螺合した上冶具取付板３３ａ及び下冶具取付板３３ｂが上昇・下降する。上冶具取付板３３ａ及び下冶具取付板３３ｂに夫々取り付けられる冶具３６ａ、３６ｂは、検査対象となるプリント基板１００の表裏面に設けられたパッドに対して接触する多数のプローブ３７ａ、３７ｂを有している。プローブの先端は、鋭利に尖っている。冶具３６ａ、３６ｂは、プローブ基板３６ｃ、３６ｄ上にプローブを立設したものであり、プリント基板の種類に応じて、或いは磨耗により交換される交換部品である。

冶具３６ａ、３６ｂは断熱処理のされたケーブル４２により、冷却室２の外側に配置された加熱部６の加熱基板６０に接続されている。さらに加熱基板６０はケーブル４３によりテスタ７へ接続している。図４Ａに示すように加熱基板６０は、金属コアを上に絶縁層を介して複数の平行配線を有する基板であり、実施例では金属コアとしてアルミコア６１を用い、アルミコア６１の上に絶縁層となる銅張プリプレグ６２を接着し、かつエッチングにより、図４Ｂに示す配線パターン６３を設けている。アルミコア６１には、ヒーター６５が取り付けられている。尚、図４Ａは、Ｘ−Ｘ断面を示している。図４Ｂにおいて、加熱基板６０の配線パターン６３は、上下コネクタ６２からの配線間距離を加熱基板６０の横方向に拡大している。金属コアとしたメタルコア基板は、専ら高発熱な電子部品を搭載する基板としてよく知られているが、本実施例の加熱基板６０ではアルミコア６１を介して、ヒータ６５の熱をケーブル４２内の導線に対して熱を供給する。ケーブル４２内の導線から、プローブ基板３６ｃ、３６ｄの配線パターンを通して熱が供給される。そして、プローブ３７ａ（図２）を構成する材質が、プローブ基板３６ｃ、３６ｄ内の配線パターンを通してプローブ根元からプローブ先端へと加熱される。プローブ３７ａには、プリント基板１００に当接しないところに空ピン３７ｂ（図２）が設けられており、温度センサー５１（図２）により温度が測定されている。この測定値により、制御部５はプローブ先端の温度が８０℃となるように、ヒーター６５を制御している。金属コアの代わりに銅張プリプレグ６２の裏側に伝熱性の高い材料で構成されるシートを積層したり、塗布しても良い。

プリント基板１００は上下の冶具３６ａ、３６ｂの間に移動され、上冶具取付板３３ａと下冶具取付板３３ｂにより上冶具取付板３３ａ及び下冶具取付板３３ｂが上昇・下降して、プローブ３７ａが半田が付着したプリント基板１００のパッドに押し付けられる。このとき、加熱されたプローブ３７ａの先端が、フラックスを軟化させて、パッド上の半田に突き刺さる。

プローブ３７ａへの加熱はプローブ先端からピンポイント的に行われるため、冷却されたプリント基板１００の温度を変動させることが少ない。また、加熱基板６０は冷却室２外に配置されているので、ヒーター６５による加熱の影響は受けない。

冷却室２内には、さらにプリント基板１００の位置を検出するカメラ３９と、プリント基板１００の温度を検出する温度検出器４１が設けられている。カメラ３９はプリント基板１００が正しい位置に設置されたかを検出し、また温度検出器４１は冷却室２内の温度を検出して、目的の冷却温度になるように冷却装置４を制御するために利用される。

図４は、検査装置３とコンソール８の機能ブロックを示す図である。コンソール８は、ＣＰＵ８２、メモリ８３、外部記憶８４、及びヒューマンインターフェース８５を有する計算機である。外部記憶８４には、検査対象となるプリント基板１００の構成データ８１が登録されている。構成データ８１は、プリント基板１００のＣＡＤデータを利用したもので、プリント基板内の配線及び搭載部品がどのパッドに接続されているかを特定している。プリント基板１００のテストの前に行うプローブの接触試験に用いられる接触試験データ８７が、この構成データ８１を利用して作られる。接触試験データ８７は、どのパット間を接触試験において通電するかを指示するものである。接触試験データ８７をテーブル形式として図５に示す。パッド名、プリント基板上の座標位置、パッド間に介される電子部品、通電の仕方、基準特性値を記録している。図中「通電の仕方」は、直流の定電圧或いは直流の定電流を用いるかの別である。どのパットを接触試験に利用するかについて、本実施例では、電子部品として抵抗部品をパッド間に実装しているパターンを選んでいる。プリント基板のパターンやスルーホール等で短絡されているパッドを接触試験に利用しても良いが、プリント基板のパターンやスルーホール等の抵抗値よりも、抵抗部品を介したパッド間の方が抵抗値が大きく、許容される誤差の範囲が狭くなる。図１のプリント基板においては、電子部品１３０（チップ抵抗）を介して接続されるパッド１０１とパッド１０３とが選択される。

図５のフローを参照しながら、図４の各機能ブロックの動作を説明する。
ステップＳ１からＳ２は、検査開始前の事前の設定動作である。設定動作は、基準となる異常の無い実装プリント基板（以下、ゴールデンボードと称する）を用いて、プリント基板の基準抵抗値を測定する動作である。冷却室２に設置されたゴールデンボードは所定の温度まで冷却されたとき、冶具３６ａ、ｂのプローブ３７ａが半田で覆われたゴールデンボードのパッドに押し当てられる。

ステップＳ１において、コンソール８は、接触試験データ８７をテスタ７に設定して、指定された位置に対応するパッド間の抵抗値を測定するよう制御部５を介してテスタ７に対して指示する。

ステップＳ２において、テスタ７は、接触試験データ８７から指定された位置のパッドに対応するプローブを用いて、電気特性値を測定する。この電気特性値は、テスタ７内に設定された接触試験データ８７の基準特性値として記録される。例えば、通電の仕方として、直流の定電圧を利用した場合は電流値であり、定電流を利用した場合は電圧値である。これらは、パッド間の抵抗値に対応する値である。

テスタ７へのデータの設定が終了すると、図７Ｂに示す運転モードを行う。冷却室２には、プリント基板１００が連続的に投入され、冷却が終了したプリント基板１００に対して、冶具３６ａ、３６ｂにより表裏のパッドに対してプローブ３７ａが押し当てられる。

プローブは、熱によりフラックスを柔らかくして半田表面に達し、或いは、半田表面が酸化膜で覆われていれば、これを突き破って半田と接続する。

ステップＳ３において、テスタ７は、プリント基板１００に対して接触試験データ８７によるテストを行い、基準特性値との比較を行う。基準特性値との差が許容範囲内であれば（ステップＳ４）、プリント基板とプローブの接続が良好であるとして、プリント基板１００に対して検査を開始する（ステップＳ５）。ここにおいて、ステップＳ5におけるプリント基板１００の検査とは、プリント基板１００に実装された電子部品の回路動作を試験する動的検査や、回路の銅通を試験する静的検査を含む。

ステップＳ４において、許容範囲を超える場合には、テスタ７は、制御部５にリトライを要求し、これに応答して制御部５は、上冶具取付板３３ａと下冶具取付板３３ｂにより上冶具取付板３３ａ及び下冶具取付板３３ｂを上昇・下降して、プローブ一旦離反させて再度パッドに押し当ててテスタ６によるテストを行う。以降、他のプリント基板が検査装置１に設定されれば、これを繰り返す。尚、本実施例においては、許容範囲とは、基準抵抗値を中心として、＋／−１０％と固定的に定めている。

この実施例においては、一回の上冶具取付板３３ａ及び下冶具取付板３３ｂを上昇・下降動作で基準抵抗値が得られなかった場合、上昇・下降を繰り返すが、これに代えて或いはこれに加えて、ヒータ６５を制御してプローブ先端の温度を上昇させても良い。

次に常温の検査に利用した場合の検査装置１’について、図７を用いて説明する。先の実施例との相違は、冷却室２と冷却装置４を有さない代わりに、検査室９と予熱室を設けた点と、プリント基板１００に温風を吹きかける熱源９０を有することである。フラックスは、常温（２０℃ ＋/−１５℃付近）においては固形であるので、プリント基板１００の雰囲気温度を上げることにより固形のフラックスを軟化させて、プローブの接触を確保することができる。一方、フラックスは、８０℃付近で液状化するため、加熱源による加熱は溶融温度を超えないように常温（２０℃ ＋/−１５℃）にさらに３０℃加熱（５０度 ＋／−１５℃）する程度とする必要がある（先の実施例では、冷却室によりプリント基板を冷却していたために、フラックスは溶融することがない）。本実施例においては、上限は７０℃である。尚、液状化すると、プリント基板を被っているフラックスが失われる箇所が出てくる可能性があり、そもそもフラックスが有している絶縁性、耐吸水性が発揮されなくなるからである。この温度制御は、予熱室に設けられた温度検出器および制御部を用いて行う。

熱源９０は、外気を取り込み検査室9へ配管９４を介して暖めた検査室9へ空気を供給する予熱室９５により形成されている。予熱室９５は、ファン９１を介して外気を予熱室９５内に取り込み、ヒータ９２によりこれを加熱し、蓄熱板９３を通して、温度を均一化したのち、配管９４を通して検査室９に配置されたプリント基板１００の表裏面に供給する。温度検出器４１は、予熱室９５内に設置されており、ヒータ９２のオンオフにより温度制御を行う。熱源９０により、プリント基板の温度が予め高められているため、フラックスは軟化しており、これよりも高い温度に設定されたプローブ３６ａが接触することにより、パッド上のフラックスの膜を突き抜けることが可能となる。

なお、図中、図２と同一の符号が付されている構成要素は、図２のものと同一のものであり、テスタ７やコンソール８の機能は、先の実施例と同様であるので説明を繰り返さない。

１：検査装置
２：冷却室
３：検査部
５：制御部
６：加熱部
７：テスタ
８：コンソール
３６ａ、ｂ：冶具
６０：加熱基板
１００：プリント基板

Claims (2)

1. 各層の回路を導通する貫通孔と、当該貫通孔と接続した表層のパッドを複数個有するプリント基板の検査装置において、
   パット上をフラックスで覆われたプリント基板を冷却する冷却室と、
   前記冷却室内に配置され、フラックスで覆われた前記パッドの金属部に対して夫々が押し当てられる複数のプローブと、
   前記プローブの前記プリント基板への押当て離反を制御する制御部と、
   前記パッド間の電気特性値を測定し、基準特性値との比較によりプリント基板の異常を検出するテスタと、
   前記冷却室外に配置される加熱基板であって、絶縁層を介してヒータが設けられ、当該配線パターンを通して各プローブを前記テスタに接続する加熱基板と、
   前記テスタは、前記冷却室により基準となる実装プリント基板が加熱された際に、予め指定されたパッド間における電気特性値を前記基準特性値として取得することを特徴としたプリント基板の検査装置。
   
2. 請求項１の検査装置において、前記制御部は、基準となるプリント基板とは異なる他のプリント基板が前記冷却室に設置され、前記予め定められたパッド間をプローブにより電気特性値を測定した際に、前記テスタが基準特性値とは異なる電気特性値を検出した場合に前記プローブをパットから離して、再度押し当てることを特徴とする検査装置。