(57)【要約】【課題】接合不良を容易に発見でき、かつその原因がリフロー炉の不具合であるか否かを知ることができる実装用トレーサビリティーセンサーを提供する。【解決手段】少なくとも配線基板または電子部品に着脱可能な支持部材、及び支持部材の装着時に該電子部品周縁部上方または側方に相当する領域に設けられ、予め知られた融点を有する標準物質サンプルを含む検知部を有する実装用トレーサビリティーセンサー。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
配線基板上に、はんだボールを介して位置合わせして配置された電子部品と共に、はんだリフロー工程に供することにより、該はんだボールの接合状態を検知するための実装用トレーサビリティーセンサーであって、
少なくとも該配線基板及び該電子部品のうち１つに着脱可能な支持部材、及び
該支持部材の装着時に該電子部品周縁部上方または側方に相当する領域に設けられ、予め知られた融点を有する標準物質サンプルを含む検知部を有することを特徴とする実装用トレーサビリティーセンサー。
【請求項２】
前記検知部は、前記予め知られた互いに異なる融点を有する１以上の標準物質サンプルをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の実装用トレーサビリティーセンサー。
【請求項３】
前記標準物質サンプルに用いられる材料は、インジウム、錫、亜鉛、アルミニウム、ビスマス、及びカドミウムからなる群から選択される少なくとも１種を含む請求項１または２に記載の実装用トレーサビリティーセンサー。
【請求項４】
前記標準物質サンプルに用いられる材料は、前記はんだボールに使用されるはんだ材料を含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の実装用トレーサビリティーセンサー。
【請求項５】
前記はんだ材料は、Ｓｎ−３Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−３．５Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ｚｎ、Ｓｎ−３．５Ａｇ、Ｓｎ−２．５Ａｇ、Ｓｎ−Ｉｎ、Ｉｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｓｂ、及びＳｎ−Ｃｕからなる群から選択される少なくとも１種である請求項４に記載の実装用トレーサビリティーセンサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品、特にＢＧＡ（Ball Grid Array）パッケージを実装したプリント回路板の接合不良を検知するための実装用トレーサビリティーセンサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばパーソナルコンピュータ等のＣＰＵなどの電子部品を実装するために、電子部品パッケージ上に、端子として、格子状に配列して多数形成されたはんだボールを有するＢＧＡパッケージが用いられる。
【０００３】
このＢＧＡパッケージは、配線基板上に端子として設けられた、例えばはんだペースト等が塗布された接合部と、位置合わせして配置し、続いて、リフロー炉に通し、その温度を制御しながら、はんだボールの加熱、及び冷却固化を行うことにより、接合部と一体化してはんだ接合が行われる（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
このようなＢＧＡパッケージは、実装スペースを有効に使えるという利点がある反面、接合不良が外観から発見しにくかった。
【０００５】
また、このような接合不良が発生した場合に、その原因が例えば接合部に塗布されるはんだペーストの問題であるのか、あるいはリフロー炉の不具合によるものなのか、判断することが困難であった。
【０００６】
加熱中の温度をモニターする方法として、例えば原子炉内に、融点が異なるいくつかの温度モニター片を固定し、その後取り出してどれが解けているか観察することにより、炉内の最高温度を計測する方法がある（例えば、特許文献２）。
【０００７】
しかしながら、ＢＧＡパッケージの接合不良は、熱が逃げにくいＢＧＡパッケージの中央部よりも、気流の発生などにより熱の逃げやすい周縁部で起こりやすく、上記方法を用いても、リフロー炉のその部分における加熱温度を知ることは困難であった。
【特許文献１】特開２００４−１７９４６１号公報
【特許文献２】特開平７−３０６０９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、接合不良を容易に発見でき、かつその原因がリフロー炉の不具合であるか否かを知ることができる実装用トレーサビリティーセンサーを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の実装用トレーサビリティーセンサー配線基板上に、はんだボールを介して位置合わせして配置された電子部品と共に、はんだリフロー工程に供することにより、該はんだボールの接合状態を検知するための実装用トレーサビリティーセンサーであって、
少なくとも該配線基板及び該電子部品のうち１つに着脱可能な支持部材、及び
該支持部材の装着時に該電子部品周縁部上方に相当する領域に設けられ、予め知られた融点を有する標準物質サンプルを含む検知部を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、リフロー前後の標準物質サンプルを観察することにより、はんだ接合不良が発生した可能性があることを容易に検知し得、また、はんだ接合不良の原因がリフロー炉にあるか否かを容易に知ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の実装用トレーサビリティーセンサーは、少なくとも配線基板または電子部品に着脱可能な支持部材と、支持部材上に設けられた、予め知られた融点を有する標準物質サンプルを含む検知部とを有する。
【００１２】
この実装用トレーサビリティーセンサーは、はんだ付け前の実装品すなわち電子部品がはんだボールを介して位置合わせして配置された配線基板上に設けられる。支持部材上に検知部が設けられる位置は、この実装用トレーサビリティーセンサーを設けたときに、電子部品周縁部の上方に相当する領域である。検知部が電子部品周縁部の上方に相当する領域に配置されさえすれば、実装用トレーサビリティーセンサーは、電子部品上のみに着脱可能に設けられても、配線基板上に着脱可能に設けられても、その両方に着脱可能に設けられてもよい。
【００１３】
この実装用トレーサビリティーセンサーは、はんだ付け前の実装品と共に、はんだリフロー工程に供されて、はんだボールの接合状態を検知する。
【００１４】
本発明によれば、はんだリフロー工程前後の標準物質サンプルの形状を比較し、各標準物質サンプルが溶融したか否かを調べることにより、電子部品周縁部における接合状態、及び加熱温度等を検知し得る。また、はんだリフロー工程後の標準物質サンプルの結晶状態を観察することにより、冷却速度を調べることができる。
【００１５】
以下、図面を参照し、本発明をより詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明にかかる実装用トレーサビリティーセンサーの一例に使用される支持体を表す斜視図を示す。
【００１７】
図示するように、この支持体４は、例えば、Ｌ字型の断面を有する一対のフレーム板１，１’を、そのＬ字型の谷側の一表面を対向させて配置し、このフレーム板１，１’の中央部間を、板状の連結部材２で連結した形状を有する。なお、フレーム板１，１’、及び連結部材２は、個々に成形して連結しても、一体的に成形されていてもよい。このフレーム板１，１’の山側の角部には、各々一定の間隔で、標準物質サンプルを載置するための凹部３が複数設けられている。
【００１８】
図２は、本発明にかかる実装用トレーサビリティーセンサーの一例を表す斜視図を示す。
【００１９】
図３は、本発明にかかる実装用トレーサビリティーセンサーを、電子部品としてのボールグリッドアレイ上に装着した様子を表す図を示す。
【００２０】
図示するように、本発明にかかる実装用トレーサビリティーセンサー１０は、図１の支持体４に設けられた複数の凹部３に、例えば、予め知られた、互いに異なる融点を有する標準物質サンプル片５−１，５−２，５−３，５−４，５−５，５−６を載置することにより得られる。標準物質サンプル片の少なくとも１つに、はんだボールと同じ材料を使用することもできる。ここでは、複数の凹部３と標準物質サンプル片５−１，５−２，５−３，５−４，５−５，５−６とが検知部６を構成している。
【００２１】
得られた実装用トレーサビリティーセンサー１０は、例えば、図示するように、ボールグリットアレイ１１周縁部に、フレーム板１，１’を被せるように装着される。これにより、検知部６は、ボールグリットアレイ１１周縁部の上部に相当する領域に配置される。
【００２２】
なお、本発明の実装用トレーサビリティーセンサーは、少なくとも該配線基板及び該電子部品のうち１つに着脱可能な形状であれば、上記図１ないし図３に示す形状に限定するものではない。
【００２３】
図４に、本発明の実装用トレーサビリティーセンサーを装着したはんだ付け前の実装品を適用し得るリフロー炉の構成の一例を表す図を示す。
【００２４】
図示するように、このリフロー炉３０は、加熱部２１と、配線基板を矢印の方向に搬送する搬送路２２と、加熱部２１よりも前段の搬送路２２上に設けられた例えば金属顕微鏡等の第１の画像検知部２３、加熱部２１よりも後段の搬送路２２上に設けられた例えば金属顕微鏡等の第２の画像検知部２４と、第１の画像検知部２３及び第２の画像検知部２４に接続された画像処理ユニット２０とを有する。
【００２５】
画像処理ユニット２０は、制御部２７と、制御部２７に各々接続された、第１の画像処理部２５、第２の画像処理部２６、及び判定部２８とを有する。
【００２６】
第１の画像処理部２５、及び第２の画像処理部２６は、第１の画像検知部２３及び第２の画像検知部２４に各々接続され、第１の画像検知部２３及び第２の画像検知部２４からの画像検知データを各々処理する。判定部２８は、第１の画像処理部２５、及び第２の画像処理部２６から制御部２７を介して各々送られた第１の画像処理データ、第２の画像処理データに基づき、はんだ接合状態、加熱温度、結晶状態、及び冷却速度等の各種判定を行う。判定部２８には、各種判定に用いるデータを蓄積、及び取り出し可能なデータ蓄積部２９がさらに設けられている。
【００２７】
また、必要に応じて、例えば第２の画像検知部２４の後段に、第３の画像検知部、及びこれ接続した第３の画像処理部をさらに設け、この第３の画像処理部を判定部２８に接続することができる。これにより、加熱部後段に設ける画像検知部を、単に標準物質サンプル片の溶融状態を見るための画像検知部例えばＣＣＤカメラ等と、標準物質サンプル片の結晶状態を見るためのより解像度の高い画像検知部例えばマイクロスコープ（顕微鏡）等とに分けることができる。
【００２８】
図５に、本発明の実装用トレーサビリティーセンサーを装着したはんだ付け前の実装品を、図４に示すリフロー炉に通して、接合不良を検知する方法の一例を表すフロー図を示す。
【００２９】
図示するように、この接合不良検知方法では、判定部２８にて、第１の画像処理データ、第２の画像処理データを比較し、標準物質サンプル片５−１，５−２，５−３，５−４，５−５，５−６のうち、どのサンプルが溶融したか特定する（ＳＴ１）。溶融したサンプルの情報に基づき、判定部２８にて、加熱温度を判定する（ＳＴ２）。判定された加熱温度が、はんだボールの融点以上であるか確認し（ＳＴ３）、融点以上であれば、正常と判定し（ＳＴ４）、処理を終了する。判定された加熱温度が、はんだボールの融点未満である場合、第２の画像データ、もしくは別途設けられた装置例えばＸ線回折装置等により、溶融したサンプルの結晶状態を調べる（ＳＴ５）。結晶状態に関する情報を、結晶状態から冷却速度を特定するための情報例えばデータ蓄積部２９から取り出された冷却速度決定情報と照合し、冷却速度を決定する（ＳＴ６）。これにより、リフロー炉において接合不良を起こしたボールグリッドアレイの温度プロファイルがわかり、リフロー炉における加熱不良の改善が可能となる。
【００３０】
ここで、正常と判定されたにもかかわらず、はんだ接合後に通常行われる配線基板の導通試験等で接合不良が認められた場合には、その原因が、リフロー炉ではなく、接合部に塗布されるはんだペーストなどにある可能性が高いことがわかる。
【００３１】
上記方法では、配線基板上に複数設けられるボールグリッドアレイの一つ以上に実装用トレーサビリティーセンサーを各々装着して、標準物質サンプル片５−１，５−２，５−３，５−４，５−５，５−６として、異なる融点を有するサンプルを使用して、加熱温度を調べることにより、どのボールグリッドアレイに接合不良が起こったか調べることができる。なお、サンプルは必要に応じて適宜選択可能であり、異なる融点を有するサンプルのみならず、例えば全てのサンプルが同じ融点を有する標準物質サンプル例えばはんだボールと同じ材料を用いることも可能である。このような標準物質サンプルを用いると、１つのボールグリットアレイ周縁部のどの箇所で接合不良が起こったかをさらに調べることができる。
【００３２】
画像検知部としては、例えば金属顕微鏡、及び走査型電子顕微鏡等が用いられる。この他、標準物質サンプルの溶融状態や結晶状態は、Ｘ線マイクロアナライザー，及びＸ線回折法等を用いてさらに分析を行うことができる。
【００３３】
本発明に用いられる標準物質サンプルとしては、例えば以下のような金属をあげることができる。また、各金属は、おおよそ以下のような融点を有している。
【００３４】
金属                     融点（℃）
Ｉｎ（インジウム）       １５６．６
Ｓｎ（錫）              ２３２
Ｚｎ（亜鉛）            ４１９．６
Ａｌ（アルミニウム）     ６６０．４
Ｂｉ（ビスマス）         ２７１
Ｃｄ（カドミウム）       ３２１
また、本発明に用いられる標準物質サンプルとしては、例えば以下のような有機材料を使用することもできる。
【００３５】
有機材料                融点（℃）
安息香酸                約１２５
没食子酸メチル          約１４８


また、本発明に用いられる標準物質サンプルとしては、ボールグリッドアレイに好適に使用されるはんだ材料を用いることができる。
【００３６】
このようなはんだ材料は次の通りである。また、各はんだ材料は、おおよそ以下のような融点を有している。
【００３７】
標準物質サンプルとして使用されるはんだ材料
はんだ材料                            融点（℃）
半田１（Ｓｎ−３Ａｇ−Ｃｕ）       ２１７〜２２０
半田２（Ｓｎ−３．５Ａｇ−Ｃｕ）   ２２１
半田３（Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ）  ２１９
半田４（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ）   １９７
半田５（Ｓｎ−Ｂｉ）               ２２３〜２３１
半田６（Ｓｎ−Ｚｎ）               １９８
半田７（Ｓｎ−３．５Ａｇ）          ２２１
半田８（Ｓｎ−２．５Ａｇ）          ２２１
半田９（Ｓｎ−Ｉｎ）               １１７
半田１０（Ｉｎ−Ａｇ）              １４３
半田１１（Ｓｎ−Ａｇ−Ｓｂ）         ２３３
半田１２（Ｓｎ−Ｃｕ）              ２２７
これらの標準物質サンプルは、実装品の冷却速度に応じて異なる結晶状態をとって、固化する。この結晶状態を調べることにより、冷却速度を特定することができる。
【００３８】
樹枝状結晶（デンドライト）を形成するはんだ材料例えばＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ等を用いた場合、その結晶の隣接する二次枝間の距離が長いほど冷却速度が遅いことが知られている（日本フィラーメタルズ  生産技術部  ”Ｓｎ／３Ａｇ／０．５Ｃｕの凝固組織から冷却速度を推定する方法について”、平成１７年１月２２日  株式会社日本フィラーメタルズ、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎ−ｆｉｌｌｅｒｍｅｔａｌｓ．ｃｏ．ｊｐ／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ＞）。
【００３９】
図６に、上記Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ樹枝状結晶のモデル図を示す。
【００４０】
図示するように、樹枝状結晶は、一次枝１０１と一次枝１０１からさらに分枝した二次枝１０２を有する。１０３は、隣接する二次枝１０２間の距離を表している。
【００４１】
また、図７に、上記Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ樹枝状結晶の隣接する二次枝間の距離と冷却速度との関係を表すグラフを示す。
【００４２】
図示するように、隣接する二次枝間の距離の長さと、冷却速度に一定の関係があるので、隣接する二次枝間の距離を測定することにより、冷却速度の特定が可能である。
【００４３】
また、金属材料は、通常、冷却速度が速いと非晶質になり、遅いと結晶質になる傾向がある。
【００４４】
以下、実施例を示し、本発明をより具体的に説明する。
【００４５】
実施例１
図１と同様の構成を有するＡｌ金属製支持体を用意し、その凹部３に、標準物質サンプル片５−１，５−２，５−３，５−４，５−５，５−６として、各々、融点の異なるインジウム（約１５０℃），すず（約２３２℃），鉛（約３２７℃），亜鉛（約４１９℃），安息香酸（約１２５℃），Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ（約２１９℃）を、ならべて固定し、図２と同様の構成を有する実装用トレーサビリティーセンサーを得た。この実装用トレーサビリティーセンサーを、図３に示すように、配線基板上に載置されたボールグリッドアレイ上に装着した。
【００４６】
このようにして、実装用トレーサビリティーセンサーが装着された実装品を、図４と同様の構成を有するリフロー炉に通し、加熱後、放冷した。
【００４７】
この実装用トレーサビリティーセンサーの標準物質サンプル片のうち、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ片，インジウムサンプル片，及びすずサンプル片が溶融していた。このことからボールグリッドアレイ周縁部は２３２℃までは上昇していることが分かった。
【００４８】
一方、鉛が溶融していないことから３２７℃までは上昇していないことが分かった。
【００４９】
また、溶融したサンプルを取り出してＸ線回折法により調べたところ、インジウム，すずがアモルファス状態であること，Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕの結晶状態より，急冷工程を受けたことがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明にかかる実装用トレーサビリティーセンサーの一例に使用される支持体を表す斜視図
【図２】本発明にかかる実装用トレーサビリティーセンサーの一例を表す斜視図
【図３】本発明にかかる実装用トレーサビリティーセンサーを、ボールグリッドアレイ上に装着した様子を表す図
【図４】本発明の実装用トレーサビリティーセンサーを装着したはんだ付け前の実装品を適用し得るリフロー炉の構成の一例を表す図
【図５】本発明を用いて接合不良を検知する方法の一例を表すフロー図
【図６】樹枝状結晶のモデル図
【図７】樹枝状結晶の隣接する二次枝間の距離と冷却速度との関係を表すグラフ
【符号の説明】
【００５１】
１，１…フレーム板、２…連結部材、３…凹部、４…支持体、５−１，５−２，５−３，５−４，５−５，５−６…標準物質サンプル片、６…検知部、１０…実装用トレーサビリティーセンサー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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