Title
傾斜型CTを用いた高密度実装基板解析(<特集>実装関連設
備の最先端)( 本文(Fulltext) )
Author(s)
寺本, 篤司; 山田, 宗男; 村越, 貴行; 津坂, 昌利; 藤田, 広志
Citation
[エレクトロニクス実装学会誌] vol.[10] no.[7] p.[528]-[532]
Issue Date
2007-11-01
Rights
The Japan Institute of Electronics Packaging (社団法人エレクト
ロニクス実装学会)
Version
出版社版 (publisher version) postprint
URL
http://hdl.handle.net/20.500.12099/30110
特集/実 装 関連 設備の最 先端
傾斜型CTを 用 いた高 密度実装基板解 析
寺 本 篤 司*,山 田 宗 男*,村 越 貴 行*,津 坂 昌 利**,藤 田 広 志***
The Analysis
of the Substrate
with High-Density
Packaging
Using
the Oblique
Computed
Tomography
Atsushi TERAMOTO*, Muneo YAMADA*, Takayuki MURAKOSHI*, Masatoshi TSUKADA** and Hiroshi FUJITA***
*名 古 屋電 機 工 業 株 式 会 社(〒511-0102三 重 県 桑 名市 多度 町 香取550)**名 古 屋 人 学 医 学 部 保 健 学 科(〒461-8673愛 知 県 名 古 屋 市 東 区 大 幸 南1-1-20)
***岐 阜 人学 人学 院 医学 系 研 究 科 知能 イ メー ジ情 報 分 野(〒501-1194岐 阜 県 岐 阜 市 柳 戸1-1)
*Nagoya Electric Works Co., LTD. (550 Eaton, Tado-cho, Kuwana-shi, Mie 511-0102)
**Department of Radiological Technology, Nagoya University (1-1-20 Daiko minami, Higashi-ku, Nagoya-shi, Aichi 461-8673) *** Department of Intelligent Image Information, Graduate School of Medicine, Gifu University (1-1 Yanagido, Gifu-shi, Gifu 501-1194)
1.は
じめ に
近 年,携 帯 電 話 や デ ィ ジ タ ル カ メ ラ な どの 精 密 電 子 機 器
に お け る軽 薄 短 小 化 お よ び多 機 能 化 の 要 求 に応 え る た め,
BGA・CSP1),2)に代 表 され る高 密 度LSIパ
ッケ ー ジが広 く用 い
られ る よ う に な っ て き た 。 ま た,チ
ッ プ部 品 に 関 して も
0603・0402モ ジ ュー ル の 採 用 や フ ィ レ ッ トレス化 な ど,フ
ァ
イ ン化 が 加 速 して い る。 こ れ らの 実 装 部 品 は高 密 度 実 装 を
実 現 す るが,接 合 部 が 部 品 の下 面 に配 置 され て い るた め外
観 検 査 す る こ とが 不 可 能 とな る。
この よ う な新 し い実 装 を 支 え る検 査 技 術 と して は,実 装
前 段 階 で ペ ー ス ト印刷 状 態 の 良 否 を 検 査 す る方 法 と,実 装
後 にX線
で検 査 す る方 法 が あ る。
ペ ー ス ト印 刷 検 査 は 不 良 要 因 を 排 除 す る に は極 め て 有 効
な 検 査 方 法 の1つ で は あ るが,印
刷 工 程 以 外 で 発 生 した 不
良 要 因 は排 除 で き な い 。 た とえ ば,ボ
イ ドの 発 生 や 部 品 側
の 問 題 に よ り発 生 した 未 接 続 な どが そ れ に あ た る。 ま た,
電 気 的 に 接 続 さ れ て い た と して も,接 合 形 状 が適 切 で な く
強 度 不 足 にな って い た 場 合,フ
ィー ル ドで 接 合 不 良 が 発 生
す る こ と も考 え られ,実 装 後 の 最 終 検 査 が 重 要 に な る。
X線 透 視 に よ る はん だ バ ンプ お よ び そ の 接 合 部 の 検 査 手
法 は,外 観 検 査 が 不 可 能 な 電 子 部 品 実 装 工 程 に て 広 く用 い
られ る よ う に な った が3)∼5),X線 の 透 過 方 向 に情 報 が 積 算
さ れ る た め,特
に近 年,基
板 の高 多 層 化 が進 む 状 況 下 に お
い て は,内 層 パ ター ンやPTH(ス
ル ー ホ ー ル)と
は ん だ と
の 重 な りが 問 題 と な り,正 確 な は ん だ形 状 お よ び接 合 状 態
を 得 る こ とが 難 し くな って き て い る。
こ の 問 題 に対 して は,現 在3つ の有 効 な 手 法 が 提 案 さ れ
て い る。 第1の 手 法 は,CT(コ
ン ピ ュー タ断 層 撮 影)に
よ
る もの で あ る。 この手 法 は,多 方 向 か らのX線 透 視 情 報(2
次 元 情 報)に
基 づ い て3次 元 情 報 を 復 元 し被 検 査 対 象 物 の
断 層 像 を得 る もの で あ る。 第2の 手 法 は ラ ミノ グ ラ フ ィで,
多 方 向 か ら撮 影 した 画 像 を足 し合 わせ,焦
点 面 領 域 以 外 を
ぼ け させ る こ と に よ り,焦 点 面 の 断 層 像 を得 る もので あ る。
第3の 手 法 は,エ
ネ ル ギ サ ブ トラ ク シ ョ ン法 で あ る。 こ の
方 式 は,k吸
収 端†に 代 表 され る物 質 に 固 有 のX線
吸 収 特
性 の 不 連 続 性 を 利 用 し,は ん だ の主 成 分 で あ る錫 成 分 を 選
択 抽 出す る こ とで,は
ん だ 領 域 の み の 透 視 画 像 を 得 る もの
で あ る。
こ れ らの 手 法 の う ちCTお
よ び ラ ミノ グ ラ フ ィは,所
望
とす る箇 所 の 任 意 断 面 を 得 る こ とが 可 能 で あ り,接 合 部 の
状 態 や バ ン プ 内 の ボ イ ドな ど詳 細 な 検 査 ・解 析 を可 能 とす
る が,撮 影 に多 大 な 時 間 を要 す る欠 点 が あ る。 一 方 の エ ネ
ル ギ サ ブ トラ ク シ ョ ン法 は 高 速 な 検 査 を 可 能 とす るが,あ
くま で2次 元 透 視 検 査 で あ るた め,断 層 像 に 基 づ く手 法 に
比 して 検 査 性 能 が 劣 る点 は 否 め な い。
この よ うに各 手 法 に お い て は一 長 一 短 が あ り,検 査 目的,
品 質 管 理 レベ ル お よ び ラ イ ンス ル ー プ ッ トな どを 鑑 み て,
最 適 な 方 式 を 選 択 適 用 す る こ と が 重 要 で あ る。
2.CTに
よ る 検 査 の 必 要 性
前 節 で述 べ た よ うに,BGA・CSPな
どの 高 密 度 パ ッケ ー ジ
に お い て は接 合 部 が 部 品 の下 面 と な る た めX線
に よ る検 査
が 必 要 と な る が,単 純 な2次 元 透 視 手 法 で は,X線
の 透 過
方 向 に情 報 が畳 み 込 ま れ る た め,は
ん だ 接 合 部 の 詳 細 な情
報 を得 る こ とが で きず,確 実 な 検 査 を行 う こ とが で き な い。
そ の た め,近 年 に お い て は,所 望 とす る任 意 断 面 を 取 得 可
能 なCT手
法6),7)の
必 要 性 が高 ま りつ つ あ る。
現 在 実 用 化 さ れ て い る産 業 用CT装
置 の 多 くは,X線
発
生 器 と検 出器 と を結 ぶ 直 線 に直 交 す る軸 に お い て 被 検 査 対
象 を 回 転 さ せ て 投 影 情 報 を 収 集 す る方 式 が と られ て い る
(以 後,垂 直 型CTと
呼 ぶ)。 しか し,垂 直 型CTで
は実 装 基
528エ レ ク ト ロ ニ ク ス 実 装 学 会 誌Vol.10 No.7 (2007)Fig. 1 An example of the oblique CT system
Fig. 2 Photographing geometry of the oblique CT
板 の よ う に薄 く面 積 の 大 き な対 象 を検 査 す る場 合,X線
発
生 器 や検 出 器 との干 渉 を避 け るた め に,観 察 した い 部 位 の
み を物 理 的 に切 り出 して 撮 影 す る必 要 が あ り,非 破 壊 で の
検 査 は 困難 で あ る。 そ の た め実 装 工 程 で の 基 板 検 査 に は適
用 され ず,研
究 開 発 や 不 良 解 析 の 用 途 で主 に 用 い られ て い
る。
こ の垂 直 型CTの
課 題 を 解 決 す る方 法 と して,被
検 査 対
象 に対 して 斜 め方 向 か らX線 を 照 射 しな が ら,X線
発 生 器
と検 出 器 を 回 転 動 作 させ て3次 元 画 像 を 得 る 傾 斜 型CT方
式8)∼10)が
あ る。 傾 斜 型CTで
は,ス
キ ャ ン時 に検 出器 とX
線 発 生 器 は平 面 的 に移 動 す る た め,薄
く広 い被 検 査 対 象 で
もそ れ らと干 渉 す る こ とが な い。 そ の た め,被 検 査 対 象 と
X線 発 生 器 を 接 近 させ る こ とが で き,BGA・CSP実
装 基 板 を
撮 影 す る場 合 に お い て も非 破 壊 か つ 高 倍 率 でCT撮
影 す る
こ とが 可 能 と な る11)。
3.撮
像 シ ス テ ム
傾 斜 型CTの
撮 像 系 お よ び シ ス テ ム構 成 の一 例 をFig.1に
示 す 。 この 例 で は,撮 像 系 はX線 発 生 器,回
転 ア ー ム に設
置 さ れ たX線 検 出器 お よ び 高 精 度X-Yス
テ ー ジ か ら成 り,
基 板 上 方 に配 置 され た 検 出器 の 回転 と被 検 査 対 象 のX-Y移
動 を 同期 させ な が ら多 方 向 か らのX線 投 影 像 を 得 る。 撮 影
され た 各 投 影 像 は 画 像 取 込 ボ ー ドを 経 由 してPCの
ホ ス ト
メモ リへ 取 り込 み,CT再
構 成 ユ ニ ッ トに て3次 元 再 構 成 演
算 処 理 を行 い3次 元 画 像 を 得 る。
投 影 画 像 は,は ん だ お よ び接 合 状 態 を 詳 細 に 解 析 す る た
め に 幾 何 学 的拡 大 を 行 い な が ら収 集 され る。 幾 何 学 的 拡 大
率 は,焦
点 か ら検 出 器 ま で の 距 離FDD(Focus
to Detector
Distance)を 焦 点 か らサ ンプ ル まで の距 離FOD(Focus
to
Ob-ject
Distance)で 除 した値 で表 され る。 前 節 で述 べ た とお り,
X線 の 発 生 方 向 を 傾 斜 さ せ る こ とに よ りX線 発 生 器 や 検 出
器 と被 検 査 対 象 が物 理 的 に干 渉 しな い た め,被 検 査 対 象 を
X線 発 生 器 に 接 近 させ る こ とが で き,高 拡 大 率 で のCT画
像 を 得 る こ とが で き る。
4.傾
斜 型CTの3次
元 再 構 成
Fig.2にFig.1で
示 した 傾 斜 型CTの
撮 像 ジ オ メ トリを 示
す 。 被 検 査 対 象 をf(〓)とし,回 転 角 φ に お い て検 出 器 で 得
られ る投 影 像 をpφ(m,n),投 影 方 向 を 表 す ベ ク トル を〓 とす
る。 ま た,3次
元 空 間 内 に お け る検 出 器 平 面 の 水 平 ・垂 直
方 向 の単 位 ベ ク トル を〓,〓とす る。X線 源 か ら検 出 器 各 位
置 へ の軌 跡 を〓=l〓+m〓+n〓 とす る と,投 影 像pφ(m,n)は 式
(1)に示 す よ う にf(〓)を〓方 向 に 積 分 す る こ と に よ って 得 ら
れ る。
〓
こ こ で,X線
源 が平 行 ビー ム で あ る と仮 定 す る と,投 影 像
の2次 元 フ ー リエ 変 換 像Pφ(u,v)は式(4)に 示 す よ うに,被 検
査 対 象 の3次 元 フー リエ 変 換F(〓)の〓 に 垂 直 な 断 面 と等 し
い こ と が投 影 断 面 定 理†に よ り与 え られ て い る。
〓 投 影 断 面 定 理 を 用 い て2次 元 の 投 影 像 か ら3次 元 情 報 を 算 出 す る 代 表 的 な 手 法 に,フ ー リ エ 変 換 法+(Fourier Trans-form Method)と フ ィ ル タ 補 正 逆 投 影 法(Filtered Back Projec-tion method:FBP)が あ る が,本 稿 で は 後 者 のFBPに つ い て 述 べ る 。FBPは フ ィル タ 処 理 と逆 投 影 処 理 か ら成 り,ま ず, 式(3)に 示 す よ う に 周 波 数 空 間 に て 投 影 画 像Pφ(u,v)に 対 し て 周 波 数 フ ィ ル タH(u,v)を 施 し,得 ら れ たgφ(m ,n)を 式(4) に 示 す よ う に3次 元 空 間 へ 逆 投 影 す る こ と に よ っ て 被 検 査 対 象 の3次 元 情 報f(★)を 得 る 。〓 5.解
析 例
5.1BGA実
装 基 板
BGA実
装 基 板 の は ん だ接 合 部 の検 査 を例 に と り,傾 斜 型
CTに
よ る実 装 基 板 検 査 の有 効 性 につ い て示 す 。 撮 影 対 象
と して は,バ
ンプ径0.6mm,バ
ンプ ピ ッチ1.0mmの
プ ラ ス
Fig. 3 X-ray fluoroscopic image of BGA mounted board
Fig. 4 Horizontal slice image
Fig. 5 Volume-rendering image
Fig. 6 An example of soldering defect
Fig. 7 An example of solder joint with crack
チ ッ クBGAが 実 装 さ れ た150(x)×150(y)×2.5(t)mmの テ ス ト基 板 を 使 用 し た 。 ま ず,CTに よ る 接 合 部 検 査 の 有 用 性 を 明 確 化 す る た め に,BGA実 装 基 板 をX線 透 視 に て 観 察 し た 結 果 をFig.3に 示 す 。 図 中 矢 印 で 示 し た 箇 所 に 接 合 不 良 が 発 生 し て い る が,単 純 な 透 視 画 像 で は 良 否 を 明 瞭 に 識 別 す る こ と が で き な い こ と が わ か る 。 次 に,傾 斜 型CTで 同 基 板 を 撮 影 し,水平 方 向 に ス ラ イ ス し た 画 像 をFig.4に 示 す 。 ま た,3次 元 画 像 を 用 い て ボ リ ュ ー ム レ ン ダ リ ン グ に よ り3次 元 表 示 し た 結 果 をFig.5 に 示 す 。Fig.4(b)の 接 合 部 付 近 の ス ラ イ ス 像(Slice-1)で は, 不 良 箇 所(矢 印)は 良 品 箇 所 に 比 ベ バ ン プ の 輪 郭 が 不 明 瞭 で あ り,接 合 がIEし く行 わ れ て い な い 様 子 が 明 確 に 確 認 で き る 。 ま た,Fig.5の ボ リ ュ ー ム レ ン ダ リ ン グ 結 果 に お い て も 同 様 に,接 合 不 良 の バ ン プ は 接 合 部 付 近 で 不 連 続 な 形 状 と な っ て お り,接 合 不 良 の 様子 が 明 確 に 確 認 で き る 。 ま た,Fig.6は 実 際 の 接 合 不 良 の 様/とCT像 と の 比 較 結 果 を 示 し た も の で あ る 。Fig,6(a)は,BGA実 装 基 板 の 最 外 周 の 一部 位 を マ イ ク ロ ス コ ー プ で 撮 影 した 結 果 で あ り,一 方Fig.6(b)は,そ の 同 一 部 位 をCT撮 影 し た 結 果 を 示 して い る 。 Fig.6(a)の 右 側2つ の バ ン プ に お い て,ド 部 の 接 合 部 位 に は ん だ ペ ー ス トが 溶 け ず に 粒子 状 の ま ま 残 っ て い る 様 子 が 確 認 で き る が,こ の 様子 は 同Fig.(b)で も明 確 に と ら え ら れ て お り,CT画 像 が 実 際 の 状 態 を 正 確 に 反 映 す る も の で あ る こ と が わ か る 。 5.2チ ッ プ 抵 抗 部 品 の ク ラ ッ ク 解 析 は ん だ 接 合 部 の 熱 疲 労 や 機 械 的 衝 撃 に よ る ク ラ ッ ク の 発 生 は,電 子 機 器 の 信 頼 性 を 低Fさ せ る 大 き な 要 因 と な っ て お り,そ の メ カ ニ ズ ム や 発 生 の 抑 制 に つ い て さ ま ざ ま な 研 究 が 行 わ れ て い る12),13)。Fig.7は,チ ッ プ 抵 抗 実 装 基 板 の 熱 衝 撃 試 験 後 に ク ラ ッ ク が 生 じ た 基 板 をCT撮 影 し た 結果を 示 し て い る 。Fig.7(b)は チ ッ プ 抵 抗 部 品 の は ん だ 付 け 部 530エ レ ク ト ロ ニ ク ス 実 装 学 会 誌Vol.10 No.7 (2007)
Fig. 8 An example of analysis of the bump with voids をCT撮 影 し た 後 に,は ん だ 形 状 全 体 を ボ リ ュ ー ム レ ン ダ リ ン グ 表 示 し た も の で あ り,Fig.7(c)∼(e)は,は ん だ 頂 上 付 近 か ら順 番 に ス ラ イ ス し た 状 態 を 表 し て い る 。 ク ラ ッ ク の 幅 は お よ そ10∼20μmで あ る が,は ん だ 付 け 部 の 表 面 か ら 内 側 に 向 か っ て ク ラ ッ ク が 進 展 し て い る こ とが 観 察 で き る。 5.3バ ン プ 中 の ボ イ ド解 析 前 節 の ク ラ ッ ク と 同 様 に,は ん だ バ ン プ 中 の ボ イ ド(気 泡)は 接 合 部 の 信 頼 性 を 低 ドさ せ る 大 き な 要 因 と な る 。 特 に,バ ン プ の 表 面 付 近 に 大 き な ボ イ ドが 存 在 す る 場 合,接 合 面 の 面 積 が 減 少 し接 合 不 良 を 引 き 起 こ し や す く な る こ と か ら,近 年 に お い て は 必 要 不 可 欠 な 検 査 項 目 と な っ て い る。 Fig.8はBGAバ ン プ の ボ イ ド解 析 例 を 示 し て い る 。Fig. 8(a)は 単 純 なX線 透 視 画 像 で あ り,Fig.8(b)はCTに よ る ス ラ イ ス 画 像 を 示 し て い る 。Fig.8(a)の 透 視 画 像 で は,ボ イ ドの 存 在 は 確 認 で き る も の の,そ の ほ と ん ど が 基 板 の 内 層 パ タ ー ンや ス ル ー ホ ー ル と の 重 な り の 影 響 で コ ン トラ ス ト が 低 く,大 き さ や 形 状 を 詳 細 に 解 析 す る こ と が 困 難 で あ る こ と が わ か る 。 一 方,Fig.8(b)のCTス ラ イ ス 画 像 で は,ボ イ ドの 大 き さ お よ び 形 状 を 明 確 に 映 し 出 し て お り,詳 細 か つ 正 確 な 検 査 ・解 析 が 可 能 で あ る と と も に,パ タ ー ンや ス ル ー ホ ー ル と の 重 な り の 影 響 が な い た め,視 野 内 す べ て の バ ン プ を 検 査 対 象 と す る こ と が で き る 。 以 上 の よ う に,X線 に よ る 検 査 は,BGA・CSPの よ う な 外 観 検 査 が 不 可 能 な 対 象 の 検 査 を 可 能 と し,さ ら にCT検 査 は,所 望 と す る 検 査 対 象 箇 所 を よ り正 確 に 解 析 ・検 査 す る こ と を 可 能 と す る 。 6.お わ り に 実 装 基 板 検 査 に お け るX線 検 査 の 技 術 動 向 に つ い て 概 観 し,CTに よ る 新 し い 検 査 技 術 に つ い て 紹 介 し た 。 年 々 加 速 す る 高 密 度 基 板 実 装 技 術 の 進 歩 お よ び 検 査 性 能 の 高 度 化 を 背 景 に,CT検 査 の 必 要 性 は 今 後 ま す ま す 高 ま る も の と 考 え ら れ る 。 ま た,量 産 の 立 場 か ら は,撮 影 時 間 の 短 縮 化 検 討 お よ び 不 良 状 態 の 自 動 認 識 技 術 の 開 発 が 不 可 欠 で あ る 。 特 に,撮 影 時 間 の 短 縮 化 はCT検 査 が 抱 え る 最 重 要 課 題 で あ り,ハ ー ドウ エ ア お よ び ソ フ トウ エ ア の 両 側 面 か ら の 今 後 の 検 討 が 期 待 さ れ る。(2007 .7.27-受理)
文
献
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