JP6281352B2 - はんだ検査装置及びはんだ検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、はんだ検査装置及びはんだ検査方法に関し、特に表面実装部品のリードを固着するはんだ検査装置及びはんだ検査方法に関する。

表面実装技術(SMT: Surface mount Technology)におけるリフロー後の外観検査においては、バックフィレット部のはんだ量の計測や計算が重要である。クアッドフラットパッケージ(QFP: Quad Flat Package)のような、フラットガルウィングリード形状の部品については、バックフィレット部のはんだ量がはんだ付け強度に影響する（図１参照）。

ＩＰＣ(Institute for Interconnecting and Packaging Electronics Circuits)規格などの国際的な規格においても、バックフィレットのはんだ濡れ上がり高さが規定されており、バックフィレットのはんだ濡れ上がり高さを計測する必要がある。

表面実装技術に用いられるリフロー後外観検査においては、光学方式の外観検査機(AOI: Automatic Observation Inspection machine)とＸ線検査機が使用される。光学方式の外観検査機１３は図２のように検査対象部品を俯瞰して検査するのでトップフィレット２は検査できるが、バックフィレット３は検査できない。光学方式の外観検査機１３では、バックフィレット３ははんだ付けされたリード部品の影となるためである。このような課題に対処するために、Ｘ線検査機が使用される。

しかしながら、基板裏面の実装状態(部品・はんだの配置)によっては、バックフィレット３を正確に計測できない。また、Ｘ線検査機は高価であり検査速度が遅いため、使用できないこともある。

これらの課題に対して特許文献１では、はんだ印刷検査機(SPI: Solder Paste Inspection machine)及びAOIによりバックフィレット３のはんだ量を予測する手法を提案している。この予測手法は次の手順で行われる。
(1)SPIではんだ量を計測
(2)AOIでトップフィレットのはんだ量を計測
(3)部品高さを計測
(4)上記(1)、(2)及び(3)の結果から、バックフィレットのはんだ量を予測して良否判定
例えば、(1)で計測したはんだ量が小さく、(2)で計測したはんだ量が大きく、(3)で計測した部品高さが大きい場合には、バックフィレットのはんだ量が少ないと予測する。特許文献１はこのように計測結果を用いて、バックフィレットのはんだ量を予測し、良否判定を行っている。

特開２０１３−２２１８６１号公報

しかしながら、上述した特許文献１の関連するはんだ検査装置では以下のような課題がある。特許文献１の検査装置が導き出したバックフィレット３のはんだ量は、予測値である。また、はんだ濡れ上がり高さはバックフィレット３の部分に存在するリード付け根より後方のランド長に影響される。さらに、リード付け根より後方のランド長は搭載精度や部品や基板の精度に左右されるため、一定ではない。特許文献１の検査装置では、リード付け根より後方のランド長について考慮されていないため、はんだ付け部の強度に影響するはんだ濡れ上がり高さが判断できない。

本発明の目的は、上述した課題である、関連するはんだ検査装置においては、はんだ付け部の強度に影響するはんだ濡れ上がり高さを高精度に予測することができないという課題を解決するはんだ検査装置及びはんだ検査方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係るはんだ検査装置は、印刷されたはんだ体積を計測するはんだ印刷検査機と、リードのトップフィレットのはんだ量、上記リードの付け根より後方のランド長、及び上記リードの部品高さを計測する外観検査機と、リフロー後のはんだ量を計算し、上記計測された上記リードのトップフィレットのはんだ量、上記リードの付け根より後方のランド長、及び上記リードの部品高さからバックフィレットのはんだ濡れ上がり高さを推定する処理手段とを有する。

本発明に係るはんだ検査方法は、はんだ印刷後に、印刷されたはんだ体積を計測し、リフロー後のはんだ量を計算し、リードのトップフィレットのはんだ量を計測し、上記リードの付け根より後方のランド長を計測し、上記リードの部品高さを計測し、これを基に上記リードの下に位置するはんだ量を計算し、上記リフロー後のはんだ量、上記トップフィレットのはんだ量、上記リードの付け根より後方のランド長、及び上記リードの下に位置するはんだ量から、バックフィレットのはんだ濡れ上がり高さを推定する。

本発明のはんだ検査装置及びはんだ検査方法によれば、バックフィレットのはんだ濡れ上がり高さをより高精度に予測することができる。

搭載部品のフラットガルウィングリードがはんだ付けされた状態を示す側面図である。 光学方式の外観検査機による外観検査を説明するための概念図である。 本発明の第１実施形態による検査装置などの構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態による検査方法を説明するためのフローチャートである。 （ａ）は印刷時のはんだの状態を示す外観図であり、（ｂ）はリフロー後のはんだを示す外観図である。 図４のステップＳ４をより詳細に示すフローチャートである。 リード付け根より後方のランド長の求め方を説明するための外観図である。 （ａ）はリード付け根より後方のランド長が長い場合のフィレット濡れ広がりを示す外観図であり、（ｂ）はリード付け根より後方のランド長が短い場合のフィレット濡れ広がりを示す外観図である。

本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
初めに、本発明の第１実施形態によるはんだ検査装置及びはんだ検査方法について、説明する。図３は、本発明の第１実施形態による検査装置などの構成を示すブロック図である。本実施形態によるはんだ検査装置１０は図３に示すように、印刷されたはんだ体積を計測するはんだ印刷検査機１２を備える。さらに、本実施形態によるはんだ検査装置１０は、搭載部品のリードのトップフィレットのはんだ量、上記リードの付け根より後方のランド長、及び上記リードの高さを計測する外観検査機１３を備える。

さらに、本実施形態によるはんだ検査装置１０は、バックフィレットのはんだ量を計算する処理手段の一例としての情報処理装置１１を備える。この処理手段は、リフロー後のはんだ量を計算し、上記計測されたリードのトップフィレットのはんだ量、上記リードの付け根より後方のランド長、上記リードの角度、及び上記リードの高さからバックフィレットのはんだ濡れ上がり高さを推定する。

はんだ印刷検査機１２は、プリント基板１７上に印刷されたはんだ体積を３次元的に計測する。外観検査機１３は、３次元的に光学方式で外観を検査する３次元光学外観検査機(Three Dimensional AOI machine)である。情報処理装置１１、はんだ印刷検査機１２、及び外観検査機１３の各装置間は、ローカルエリアネットワーク(LAN: Local Area Network)等の通信回線により相互に接続され、データの送受信を行うことができる。

次に、プリント基板への部品搭載処理及びはんだ付け処理と共に、このはんだ検査装置を用いたはんだ検査方法について、説明する。図４は、本発明の第１実施形態によるはんだ検査方法を示すフローチャートである。

初めにプリント基板１７のランドなどに対して、印刷機１４によりはんだ印刷処理を施す。プリント基板１７に対するはんだ印刷処理が完了すると、プリント基板１７は印刷機１４から搬送方向に搬出されて、搭載機１５に送られる。

次に、本実施形態のはんだ検査装置１０のはんだ印刷検査機１２が、プリント基板１７上のはんだ量に関する光学的な３次元外観検査を実施する。はんだ印刷検査機１２は、プリント基板１７上のはんだ量に関する３次元データを収集する（ステップＳ１）。そして、図３に示すように、収集した検査対象部品に関する３次元データｖｄ１を、3D SPIの検査結果１８として、情報処理装置１１に対して出力する。

次に、情報処理装置１１は、はんだ印刷検査機１２からのプリント基板１７上にはんだに関する３次元データｖｄ１(3D SPIの検査結果１８)を基にして、リフロー後のはんだ量を計算する（ステップＳ２）。

ここで、リフロー後のはんだ量を計算する方法としては、例えば、図５に示すような手段を用いても良い。図５（ａ）は印刷時のはんだの状態を示し、図５（ｂ）はリフロー後のはんだの状態を示している。予め、一定量のはんだに対してSPIで体積を計測し、これをリフローする。リフロー後のはんだに対して、3D AOIではんだ体積を計測し、リフロー前のはんだ量とリフロー後のはんだ量に関して、以下の対応式におけるα（係数）を求める。リフロー後のはんだ量(S_r)は、フラックス体積分を差し引いたものとなる。

リフロー後のはんだ量S_r ＝ 印刷時のはんだ量S×α（係数）
この対応式は、はんだの種類ごとに求めるようにする。はんだの成分組成が変わると、α（係数）が異なるからである。また、同じ種類のはんだでもロットにより、成分組成が変わる場合がある。このため同じ種類のはんだでも、ロットごとに求めることが望ましい。

さらに、搭載機１５でプリント基板１７のランドに搭載部品のリードが位置合わせされて、搭載部品が搭載される。プリント基板１７は搭載機１５から搬送方向に搬出されて、リフロー炉１６に送られる。プリント基板１７に対してリフロー炉１６においてリフロー処理を施して、はんだ付けを行う。プリント基板１７に搭載される搭載部品に対するはんだ付けが完了すると、プリント基板１７はリフロー炉１６から搬送方向に搬出される。はんだ検査装置１０の光学外観検査機１３において、プリント基板１７上に搭載された検査対象部品に関する光学的な３次元外観検査が実施される（ステップＳ３）。ここで搭載部品のリード長も計測される。

光学外観検査機１３は、リフロー炉１６から搬出されてきたプリント基板１７上に搭載されている検査対象部品に関する３次元データ（トップフィレットのはんだ量(S_r_t)や部品高さを少なくとも含む情報）を収集する。そして、図３に示すように、収集した検査対象部品に関する３次元データｖｄ２を、3D AOIの検査結果１９として、情報処理装置１１に対して出力する。

ここで、トップフィレットのはんだ量(S_r_t)と部品高さを計算する方法として、３次元光学検査を用いる方法がある。３次元光学検査機は、次のようないくつかの計測方式がある。例えば、レーザによる計測・縞パターン投影法による計測レーザによる計測では、ある角度をもったレーザ光を計測対象に当て、その反射光をセンサで受光する。計測対象の高さにより、センサで受光される位置が変わる。この位置情報を元に、計測対象の高さを求める。また、縞パターン投影による計測では、ある角度をもった照明（通常はプロジェクタ）から、縞パターン光を計測対象に当てる。計測対象の高さに応じた縞パターン光のズレ量が発生する。この縞パターン光のズレ量と光の入射角度から、計測対象の高さを求める。どちらの方法も、上方に設置されたカメラにより撮像された画像中の色情報を用いて、計測対象の識別が行われる。

次に、情報処理装置１１はバックフィレット３のはんだ量を計算する（ステップＳ４）。ここで、図６を参照して、バックフィレット３のはんだ量の計算方法をより詳細に説明する。バックフィレット３のはんだ量の計算は、図６に示すように、ステップＳ３で計測した部品高さと部品厚さから、リード下のはんだ４のはんだ量を計算して行う（ステップＳ４−１）。より具体的には、外観検査機１３からの、３次元形状に関する情報ｖｄ２(3D AOIの検査結果１９)を基にして、リード下のはんだ量を計算する。図８（ａ）や図８（ｂ）に示されるリード下のはんだ４のはんだ量(S_r_u)を計算する方法としては、まずAOIで求めた部品高さに対して、部品仕様書に記載されている部品厚を減算する。これによって、リード下のはんだ４の厚さを求め、このはんだ厚さに部品仕様書記載のリード面積を掛け算することで求める。

次に、情報処理装置１１はバックフィレットのはんだ量を計算する（ステップＳ４−２）。リフロー後のはんだ量(S_r)、リード下のはんだ４のはんだ量(S_r_u)、及び計測されたトップフィレット２のはんだ量(S_r_t)から、情報処理装置１１はバックフィレット３のはんだ量(S_r_b)を計算する。バックフィレット３のはんだ量(S_r_b)は、以下の計算式で求められる。

バックフィレット３のはんだ量S_r_b ＝ リフロー後のはんだ量S_r −（トップフィレット２のはんだ量S_r_t ＋ リード下のはんだ４のはんだ量S_r_u）
次に、図４のフローチャートに戻り、バックフィレット３のはんだ量、リード付け根より後方のランド長、及びリードの角度から、情報処理装置１１はバックフィレット３のはんだ濡れ上がり高さを推定する（ステップＳ５）。はんだ濡れ上がり高さの推定には、バックフィレット３のはんだ量と、リード長さ・位置と基板仕様書記載のランド位置・長さから求めたリード付け根より後方のランド長(l_b)を用いる。さらに、はんだ濡れ上がり高さの推定には、部品仕様書に記載のリード角度を用いる。

図７は、搭載部品のリード１が、プリント基板のランド５にはんだで固着されている状態を示している。リード１の先にはトップフィレット２が存在しており、リード１の下にはバックフィレット３が存在している。ランド長(l_b)は図７のように、ランド５全体の長さからリード長とリード先端からランド端までの距離を減算することで求める。ここで、ステップＳ３で求めたリード長は、AOIによる計測が上方からのため、リード上部の長さとなる。リード下部の長さは、以下の計算式で求める。

リード下部の長さ ＝ リード上部の長さ×リード上部の長さとリード下部の長さの比
このとき、リード上部の長さとリード下部の長さの比は、情報部品仕様書に記載されたものを用いればよい。

リード先端からランド端までの距離は、トップフィレット２の長さとして求めても良い。或いは、AOIによる検査結果から、位置決めマークを原点とした基板上でのリードの先端位置は求められているので、ランド端の位置からリード先端の位置を減算して求めても良い。こうして、バックフィレット３のはんだ濡れ上がり高さが推定される。

図８（ａ）のように、リード付け根より後方のランド長(l_b)が長いと、ランド部分にはんだが濡れ広がってしまうために、バックフィレット３があまり濡れ上らない。図８（ｂ）のように、バックフィレット３のはんだ量(S_r_b)が同じでもリード付け根より後方のランド長(l_b)が短いと、バックフィレット３の濡れ上がりが高くなる。また、リードの角度が急な場合、はんだが濡れ上がりにくく、リードの角度が緩やかな場合、はんだが濡れ上がり易い。推定したバックフィレット３のはんだ濡れ上がり高さから、情報処理装置１１は検査対象部品のはんだ付けの良否を判定する。（ステップＳ６）
上述のような構成とすることで、SPI及びAOIのみで、低コストかつ高速にリードのバックフィレットのはんだ濡れ上がり高さを検査することができる。言い換えると、高価なＸ線検査機を用意しなくても、バックフィレット３のはんだ量をより正確に求めることができる。クアッドフラットパッケージのような、フラットガルウィング形態の搭載部品のバックフィレットのはんだ濡れ上がり高さを検査することができる。

実施例として、上述した本発明の実施形態の、バックフィレットの濡れ上がり高さの推定と、これに基づく良否判定とについて、より具体的に説明する。例えば、あらかじめリード付け根より後方のランド長(l_b)、リードの角度、及びバックフィレット３のはんだ量(S_r_b)をいくつかの水準に振り、それに対するバックフィレット３の濡れ上がり高さを求める実験を行う。実験結果から、リード付け根より後方のランド長(l_b)、リードの角度、及びバックフィレット３のはんだ量(S_r_b)に対する、バックフィレット３の濡れ上がり高さの表を作成する。表１はリード付け根より後方のランド長(l_b)とバックフィレット３のはんだ量(S_r_b)に対する、バックフィレット３の濡れ上がり高さを示している。

良否判定ではこの表を参照する。求めたバックフィレット３のはんだ濡れ上がり高さが閾値以上になっていた場合には、バックフィレット３の濡れ上がりが十分であり、当該はんだによるはんだ付け（リフロー処理）が良好であったと判定する。逆に、濡れ上がり高さの閾値までに達していない場合には、当該はんだによるはんだ付け（リフロー処理）が不良であったと判定する。

バックフィレット３のはんだ濡れ上がり高さの推定については、次のように行うことも考えられる。まず、リードの付け根より後方のランド長、リードの角度、及びバックフィレットのはんだ量をいくつかの水準に振り、それに対するバックフィレット３の濡れ上がり高さを求める。次に、リフロー後に計測されたバックフィレット３の濡れの結果を用い、リードの付け根より後方のランド長、リードの角度、及びバックフィレットのはんだ量から、バックフィレット３の濡れ上がり高さを推定する計算式を作成する。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。情報処理装置１１は、上述した計算処理、推定処理や良否判定処理を実行できる専用ハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアによって実現されてもよい。情報処理装置１１が実行する計算処理、推定処理や良否判定処理は、このような処理を情報処理装置１１などに実行させるプログラムによっても、実現されうる。また、このようなプログラムは記録媒体に記録されて、情報処理装置１１に読み取り可能な情報記録媒体の形態にて流通されうる。

上述した実施形態の図４に示される各工程は、この順番に限られない。例えば、リフロー後のはんだ量計算（ステップＳ２）は、3D AOIによる計測（ステップＳ３）の後に行われても問題ない。図４のステップＳ１でプリント基板１７上のはんだ量に関する３次元データは収集され、情報処理装置１１に対して出力されるので、リフロー後のはんだ量計算（ステップＳ２）は、搭載機１５による部品搭載の前に行われても後に行われても構わない。特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲に含まれることはいうまでもない。

上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
（付記１）印刷されたはんだ体積を計測するはんだ印刷検査機と、
リードのトップフィレットのはんだ量、前記リードの付け根より後方のランド長、及び前記リードの部品高さを計測する外観検査機と、
リフロー後のはんだ量を計算し、前記計測された前記リードのトップフィレットのはんだ量、前記リードの付け根より後方のランド長、及び前記リードの部品高さからバックフィレットのはんだ量を計算する処理手段とを有する、はんだ検査装置。
（付記２）前記処理手段は、前記はんだの組成式から前記リフロー後のはんだ量を計算する、付記１に記載のはんだ検査装置。
（付記３）前記処理手段は、前記リードの付け根より後方のランド長、前記リードの角度、及び前記計算されたバックフィレットのはんだ量から、前記バックフィレットの濡れ上がり高さを推定する、付記１又は付記２に記載のはんだ検査装置。
（付記４）前記処理手段は、前記推定した前記バックフィレットの濡れ上がり高さから、はんだ付けの良否判定を行う、付記３に記載のはんだ検査装置。
（付記５）前記はんだ印刷検査機は、リフロー後のはんだ体積を、前記はんだの組成式からフラックス含有量を差分として引いて計算する、付記１乃至付記４のいずれか一つに記載のはんだ検査装置。
（付記６）前記処理手段は、印刷されたはんだの体積を予め計測し、そのはんだのリフロー後のはんだ体積を計測し、リフロー前のはんだ量とリフロー後のはんだ量の対応式を求め、この対応式とリフロー前のはんだ体積により計算する、付記１乃至付記４のいずれか一つに記載のはんだ検査装置。
（付記７）はんだ印刷後に、印刷されたはんだ体積を計測し、
リフロー後のはんだ量を計算し、
リードのトップフィレットのはんだ量を計測し、
前記リードの付け根より後方のランド長を計測し、
前記リードの部品高さを計測し、これを基に前記リードの下に位置するはんだ量を計算し、
前記リフロー後のはんだ量、前記トップフィレットのはんだ量、前記リードの付け根より後方のランド長、及び前記リードの下に位置するはんだ量から、バックフィレットのはんだ量を計算する、はんだ検査方法。
（付記８）前記リフロー後のはんだ量の計算は、前記はんだの組成式から計算される、付記７に記載のはんだ検査方法。
（付記９）前記リードの付け根より後方のランド長、前記リードの角度、及び前記計算されたバックフィレットのはんだ量から、前記バックフィレットの濡れ上がり高さを推定する、付記７に記載のはんだ検査方法。
（付記１０）前記推定した前記バックフィレットの濡れ上がり高さから、はんだ付けの良否判定を行う、付記９に記載のはんだ検査方法。
（付記１１）リフロー後のはんだ体積を、前記はんだの組成式からフラックス含有量を差分として引いて計算する、付記７乃至付記１０のいずれか一つに記載のはんだ検査方法。
（付記１２）印刷されたはんだの体積を予め計測し、そのはんだのリフロー後のはんだ体積を計測し、リフロー前のはんだ量とリフロー後のはんだ量の対応式を求め、この対応式とリフロー前のはんだ体積により計算する、付記７乃至付記１１のいずれか一つに記載のはんだ検査方法。
（付記１３）はんだ印刷後に、印刷されたはんだ体積を計測し、
リフロー後のはんだ量を計算し、
リードのトップフィレットのはんだ量を計測し、
前記リードの付け根より後方のランド長を計測し、
前記リードの部品高さを計測し、これを基に前記リードの下に位置するはんだ量を計算し、
前記リフロー後のはんだ量、前記トップフィレットのはんだ量、前記リードの付け根より後方のランド長、及び前記リードの下に位置するはんだ量から、バックフィレットのはんだ量を計算することを、コンピュータに実行させるプログラム。
（付記１４）コンピュータに読み取り可能な情報記録媒体であって、付記１３に記載のプログラムを記録している記録媒体。

本発明の活用例として、電子機器の実装検査が考えられる。特に、QFP等のフラットガルウィングリード形状の搭載部品について、バックフィレットのはんだ検査に関し有用である。

１０ はんだ検査装置
１１ 情報処理装置
１２ はんだ印刷検査機
１３ 外観検査機
１４ 印刷機
１５ 搭載機
１６ リフロー炉
１７ プリント基板

Claims (10)

1. 印刷されたはんだ体積を計測するはんだ印刷検査機と、
   リードのトップフィレットのはんだ量、前記リードの付け根より後方のランド長、及び前記リードの部品高さを計測する外観検査機と、
   リフロー後のはんだ量を計算し、前記計測された前記リードのトップフィレットのはんだ量、前記リードの付け根より後方のランド長、及び前記リードの部品高さからバックフィレットのはんだ量を計算する処理手段とを有する、
   はんだ検査装置。
2. 前記処理手段は、前記はんだの組成式から前記リフロー後のはんだ量を計算する、請求項１に記載のはんだ検査装置。
3. 前記処理手段は、前記リードの付け根より後方のランド長、前記リードの角度、及び前記計算されたバックフィレットのはんだ量から、前記バックフィレットの濡れ上がり高さを推定する、請求項１又は請求項２に記載のはんだ検査装置。
4. 前記処理手段は、前記推定した前記バックフィレットの濡れ上がり高さから、はんだ付けの良否判定を行う、請求項３に記載のはんだ検査装置。
5. 前記はんだ印刷検査機は、リフロー後のはんだ体積を、前記はんだの組成式からフラックス含有量を差分として引いて計算する、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のはんだ検査装置。
6. 前記処理手段は、印刷されたはんだの体積を予め計測し、そのはんだのリフロー後のはんだ体積を計測し、リフロー前のはんだ量とリフロー後のはんだ量の対応式を求め、この対応式とリフロー前のはんだ体積により計算する、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のはんだ検査装置。
7. はんだ印刷後に、印刷されたはんだ体積を計測し、
   リフロー後のはんだ量を計算し、
   リードのトップフィレットのはんだ量を計測し、
   前記リードの付け根より後方のランド長を計測し、
   前記リードの部品高さを計測し、これを基に前記リードの下に位置するはんだ量を計算し、
   前記リフロー後のはんだ量、前記トップフィレットのはんだ量、前記リードの付け根より後方のランド長、及び前記リードの下に位置するはんだ量から、バックフィレットのはんだ量を計算する、
   はんだ検査方法。
8. 前記リフロー後のはんだ量の計算は、前記はんだの組成式から計算される、請求項７に記載のはんだ検査方法。
9. 前記リードの付け根より後方のランド長、前記リードの角度、及び前記計算されたバックフィレットのはんだ量から、前記バックフィレットの濡れ上がり高さを推定する、請求項７に記載のはんだ検査方法。
10. 前記推定した前記バックフィレットの濡れ上がり高さから、はんだ付けの良否判定を行う、請求項９に記載のはんだ検査方法。

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