はんだ接続部の検査回路 および方法 · 検査時の等価回路...
TRANSCRIPT
はんだ接続部の検査回路および方法
香川高等専門学校
通信ネットワーク工学科
准教授 小野安季良
2
１．技術分野（その１）
金属をはんだ付けで接続した際の接続状態が、正常・半断線故障・開放故障のいずれであるかを識別するための検査法
本技術は、
電子回路基板
配電盤
コネクタ
プラグ コンセント
3
複数のLEDをはんだ付けで直列接続した際の
接続状態が、正常・半断線故障・開放故障のいずれであるかを識別するための検査法
本技術は、
信号機などLEDを使用した
製品全般
液晶テレビのバックライト
(写真：AQUOS)大型ビジョン
(写真：千葉マリンスタジアム）
１．技術分野（その２）
4
２．技術背景（その１）
CSP
電子機器の小型化や軽量化
機器内部の電子回路基板の小型化
狭ピッチのICを高密度で実装
BGA
QFP
5
２．技術背景（その２）
はんだ付け時に発生する故障
ＱＦＰ ＩＣ ＢＧＡ ＩＣ
開放故障
6
２．技術背景（その３）
短絡故障や開放故障が生じる可能性が大きい
開放故障の性質上、検出が難しい
・画像処理を用いた検査・電気的な検査
・機能検査
従来技術
テスター
R?,C?M
M I?
PCB
・抵抗
・キャパシタンス
・電流
7
２．技術背景（その４）
VDD
C1
C2
ba
R
baH L
OPEN
modeling
開放故障の性質
開放端子の電位は？
・隣接配線の影響を受ける
10
1
1
10?
1
1
→1→0?→1・・・・・・→ 1 ・・・
→1→0→1・・・・・・→ 1 ・・・
Boundary Scan FF
Boundary Scan Test(IEEE 1149.1)
8
３．従来技術の問題点
• 接続箇所の抵抗値は、テスターにより測定可能であるが、その値は、測定箇所から見た回路全体の抵抗値が現れる。
• 半断線故障の検出を目指すものではない。
• 開放故障の性質上、
・画像処理技術を用いた検査
・電気的な検査
・機能検査
で故障を見逃す恐れがある。
9
４．用語説明
正常
リードと端子が接触抵抗ゼロで接続
リード
端子
半断線故障 開放故障はんだ
リードと端子が低抵抗の接触抵抗を伴って接続
リードと端子が完全にオープン
半断線故障は、
・クラック（はんだ割れ）
・気泡を含むはんだ
・不純物
・さび
経年進行で
発生・進行
開放故障をもたらす
・正常動作をしなくなる
・発熱、発火の恐れ
衝撃・振動
10
５．ＬＥＤ半断線故障
表面実装基板
表面実装LED
3216 : 3.2mm*1.6mm 1608 : 1.6mm*0.8mm3216
3.2mm
1.6mm
超小型のLEDを表面実装する際に
半断線故障が生じる
（はんだ接合箇所で抵抗分）
11
接続状態が、正常・半断線故障・開放故障のいずれであるかを識別する
金属１ 金属２
はんだ
金属をはんだで接続した際
６．解決しようとする課題
ある値以上の抵抗成分で接続された半断線故障を検出する
12
７．課題を解決するための手段（その１）
１．金属１をＧＮＤに落とす
２．金属２に検査回路から検査
プローブで信号を印加する
３．検査回路の出力電圧を観測
する
金属１ 金属２
ＧＮＤ
金属１と金属２の接続検査
はんだ
（検査法）
ｒ：半断線故障
検査回路は、方形波信号源、微分回路で構成する
13
正常 半断線故障 開放故障はんだ
半断線抵抗値rとしたときの等価回路
vTEST=vTexp(-t/τ)
τ=Cd・Rd+rRd・r
r=0 r→∞r
vTESTは、指数関数的に減少する
７．課題を解決するための手段（その２）
14
８．測定事例（ＩＣ検査回路）（その１）
ICの接続検査回路
検査回路から、検査対象リードに直接信号を印加したときの、検査リードの電圧波形を観測する
vT:5V-1kHzの方形波信号Cd=0.1μF, Rd=10kΩ
15
開放故障検出実験の測定結果
(a) 完全開放故障 (b) １ｋΩの開放故障
上段：印加方形波信号 下段：検査リードの応答波形
(c) 100Ωの半断線故障 (b) 正常接続
８．測定事例（ＩＣ検査回路）（その２）
故障識別用パルスＰＴ
16
９．故障識別法（その１）
故障識別回路
ＧＮＤ
TQ
Q
ＶＴの１周期間でカウンタ回路入力のトリガＴのパルス数を計測することにより故障の程度を判定する
T
カウンタ回路
Q0 Q1 Q2
表示器
TQ
Q
Q
Q
17
正常 半断線故障 開放故障
出力波形例
VTEST
PT
Q0
T
Q1
９．故障識別法（その２）
Q2
0 0 1 2 0 1 2 3 4 5 6 7
0
0
0
1
0
0
0
1
0
0
0
0
1
0
0
0
1
0
1
1
0
0
0
1
1
0
1
0
1
1
1
1
1
18
故障識別回路
（具体的な回路例）
９．故障識別法（その３）
19
１０．ＬＥＤ半断線故障識別（その１）
完全開放故障
正常
半断線故障 故障として、検出できない可能性がある
20
ランド
はんだ
LED
+ -
r1 r2
rLED
明るさが低下する
正常回路
等価回路a b
a br1r2
半断線回路（100Ω挿入）
しかし、
（輝度が低下しても、LEDが点灯するので故障を見逃すことがある）
はんだ箇所に抵抗分を持つことによって、
・発熱
・電流の低下 LED輝度の低下
故障としては、検出できない
１０．ＬＥＤ半断線故障識別（その２）
21
ランド
LED
+ -
リード1
r1 r2
rLED
ランド1
LED
+ -
r1 r2
rLED
ランド1 ランド２
LEDの両端（ランド１とランド２）で、LEDの接続
状態が正常・半断線故障・開放故障のいずれであるか判定する
１０．ＬＥＤ半断線故障識別（その３）
22
ランド
はんだ
LED
+ -
ＧＮＤ
検査時の等価回路
ｒは、はんだ箇所の半断線故障の抵抗値の和とLED内部抵抗値の直列合成抵抗
r1 r2
rLED
ｒ=r1+r2+rLED
上の例では
1個のLEDの接続検査回路
整流用ダイオード追加（LEDに負の電圧が印加されるのを防ぐため）
１０．ＬＥＤ半断線故障識別（その４）
23
LED ｎ個直列接続された回路の検査では、
ランド１とランドｎで、その中にあるLEDの接続状態を判定する
１０．ＬＥＤ半断線故障識別（その５）
・・・ランド1 ランドｎ
ＧＮＤ
１．直列接続された最端LEDのマイナスリードをＧＮＤに落とす
２．もう一方の端に検査回路から方形波信号を印加する
３．検査回路の出力電圧を観測する
24
１１．半断線検出テスター開発
故障回路 赤LED 点滅 正常回路 青LED 点灯
ある値以上の半断線故障発生時に・ＬＥＤ点灯・ブザー音
25
新技術の特徴・従来技術との比較
• 完全開放故障に至る前段階の半断線故障を検出できるテスター回路を提案した。
• 本技術は、製造時のはんだ付け箇所の接続状態を識別できるだけでなく、経年劣化による接続状態も識別できる。
26
• 自動車に組み込まれる電子回路や医療機器など故障が生命に関わるような電子機器における半断線故障検出
• 電源コンセントやコネクタ部の接続検査
• 配電盤の接続検査
• ＬＥＤ信号機、液晶テレビなどＬＥＤを用いた製品のＬＥＤ接続箇所の接続検査
想定される用途
27
実用化に向けた課題
• 現在、半断線故障検出のテスター開発において、基本機構を開発済み。しかし、検出すべき半断線故障の抵抗値が未解決である。
• 今後、用途に応じた電子回路基板の検出すべき半断線故障値を調べる。
• 実用化に向けて、数十Ωの半断線故障を検出できるよう技術を確立する必要もあり。
• 接触方式なので、電子回路基板などの検査では、プロービング技術が課題
28
本技術に関する知的財産権
• 発明の名称 ：はんだ接続部の検査回路
および方法
• 出願番号 ：特願2013-155561• 出願人 ：独立行政法人
国立高等専門学校機構
• 発明者 ：小野安季良、高木正夫
29
お問い合わせ先
香川高等専門学校
四国地区産学官連携コ-ディネータ
関 丈夫
ＴＥＬ ０８７－８６９－３９６５
ＦＡＸ ０８７－８６９－３９６７
e-mail [email protected]
30
ご清聴ありがとうございました