医療用電子機器メーカーにとって、流出不良にかかるコストは、単なるスクラップや手直し、保証請求にとどまらず、患者の安全性や法規制上のリスクも含まれます。患者モニター、人工呼吸器の制御基板、診断装置には、不十分なはんだ付け、不完全に浮き上がったリード、あるいは機能試験には合格してしまうものの、製品が実際に使用されるまで発見されない不良接続が生じる可能性があります。高信頼性を要求される医療用 PCBA を扱うメーカーの場合、各検査は単に不良を発見するだけでなく、不良の発生自体を防止しなければなりません。
この必要性から、業界は 2D 検査システムから、より高度なシステムへと移行するようになりました3D SPI（はんだ印刷検査）および3D AOI（自動光学検査）。これらの技術が連携して機能することで、寸法測定、プロセスフィードバック、およびトレーサブルな品質データが提供され、はるかに多くの欠陥の検出とプロセスの管理が可能になります。SMT組立プロセス.
従来型2D検査の限界
従来の2D SPIおよびAOIシステムでは、実装品は主に画像コントラスト、表面外観、およびパターン認識によって判定されます。これらは幅広い用途に有用ですが、PCBアセンブリがより小型の部品、より厳しいプロセスウィンドウ、さらに微細なピッチで製造されるようになるにつれ、適用性は次第に低下しています。
2D目視検査に関連する問題の例として、3種類の欠陥が示されています。
はんだ量の不足
2D SPI システムは、はんだペーストが適切なエリアに存在しているかどうか、そして正しい位置にあるかどうかを検査することができます。しかし、ペーストの高さや塗布量を直接測定することはできません。
これは、2D画像上ではペーストの印刷状態が問題ないように見えても、リフロー時に良好なはんだ接合部を形成するにはサイズ不足である可能性があることを意味します。この欠陥は印刷工程中に発生することがありますが、製造工程の後工程になるまで検出されない場合があり、その時点ではリワークにより多くのコストがかかり、根本原因の解析もより困難になります。
コールドジョイントおよび不完全なぬれ
もう一つの問題は、コールドジョイントやはんだ接合部の濡れ不良によるものかもしれない。多くの場合、これらの接合部は冶金学的な接合要件を満たしていないが、見た目は依然として良好である。
外観は三次元形状ではなく2D AOIで評価されるため、画像上の特徴だけではこのような状態を判別することが難しい場合があります。これらの弱点は、医療製品で一般的な熱サイクル、振動、滅菌ストレスおよびその他の環境ストレスの下で、断続的または恒久的な不具合として現れる可能性があります。
平面度不良とトンブストーニング
三つ目の制約は、Z軸方向の欠陥です。これらのリードは基板から浮いている場合があり、部品のリードが非共面であったり、チップ抵抗の片立ち（トゥームストーン）が上から見ると問題ないように見えても、実際には大きな高さの差が生じていることがあります。
高さを直接測定しない限り、2D 検査システムではこれらの状態を確実に特定できない場合があります。しかし、これらの欠陥ははんだ接合部の健全性および信頼性に悪影響を及ぼす可能性があります。
3D SPI：欠陥を源流で防止する
3D SPI の主な利点は、2D 解析を行うだけでなく、はんだペースト印刷部の体積も測定できることです。
システムは、構造化光プロフィロメトリを用いて、はんだペーストが印刷されるたびに各はんだペースト堆積部の3Dモデルを作成します。測定されるパラメータには、体積、高さ、面積、位置ずれ、および堆積形状が含まれ、定義されたプロセス限界と比較されます。
これにより、プリントの品質に関するはるかに完全な情報が得られます。3D SPI は、パッド上にペーストが存在するかどうかを確認するだけでなく、リフロー後に許容できるはんだ接合部を形成するために、適切な量の材料が印刷されているかどうかも検証します。
この追加情報は、細ピッチパッケージや微小な受動部品、高密度レイアウトを頻繁に用いる医療用アセンブリにとって特に重要です。
クローズドループプロセス制御
現代の製造業者にとって、3D SPI システムは欠陥検出に対して利点を提供します。検査データはステンシルプリンターに直接転送できるため、これにより…閉ループプロセス制御システム.
本システムは、ペースト量、その位置合わせおよび印刷品質におけるプロセスドリフトを、多数の不良が発生し始める前に検出することができます。是正措置は、プラットフォーム構成に応じて、印刷位置の補正、印刷パラメータ、および／またはプリンタ設定の調整など、多岐にわたります。
このクローズドループプロセスにより、SPI は単なる品質検査ではなく、プロセス制御ツールとなります。システムは、不具合が発生した後にそれらを特定するのではなく、不具合の発生自体を防止します。
印刷工程におけるはんだペーストのはんだ付けを適切に管理することは、その後工程のはんだ付け品質に大きく影響し、ひいてはSMTの歩留まりと信頼性にも大きな影響を与える要因の一つである。
3D AOI：リフロー後の組立品質検証
3D SPIはリフロー前に欠陥を防止するために使用され、3D AOIははんだ付け後の完成した実装品の品質を保証するために使用されます。
従来の2D AOIが画像の明るさや外観を測定するのに対し、3D AOIはレーザーを用いて画像の高さ（または z 値）を測定し、実装基板の地形マップを作成します。検査対象となる各特徴には測定可能な z 軸の値があり、単なる目視ではなく寸法検査を行うことができます。
これにより、システムは実際のジョイント形状と部品配置を、はるかに高い精度で評価できるようになります。
はんだ不足の検出
3D AOI の機能により、2D 画像では許容と見なされるはずの不適切なはんだ状態を検出することができます。はんだ接合部の高さと形状を測定することで、3D AOI は、従来の 2D 画像では許容と判断されてしまう可能性のある、はんだ不足の状態を検出することができます。
本システムははんだ接合部の表面外観を識別するだけでなく、はんだ接合部の形状および定義された合否判定基準も用いることで、はんだ不足や不適切な形状の接続の検出精度も向上させます。
リフトされたリード検出
3D AOI は、ガルウィングパッケージおよびその他の部品において、部品リードと対応する PCB パッド間の高さの差を直接測定します。
従来の検査では検出されない可能性のある浮きリードも、測定が画像の解釈ではなく実際の形状に基づいて行われるため、より容易に特定することができます。
墓石検出
このシステムは、チップ部品の端子間に生じる高さの差を比較します。これにより、「真上」からの見た目では問題がないように見える場合でも、完全および部分的なツームストーン不良を検出することができます。
はんだブリッジ検出
三次元高さマッピングは、隣接する導体間のはんだブリッジを検出するのにも役立ちます。これは、照明条件や表面反射の影響により、従来の2D検査の実施が困難になり得るファインピッチ実装において、特に有用です。
3D AOI は欠陥検出の幾何学的な面で大きな利点を提供しますが、金属には光学検査だけでは完全に評価できない特性がいくつか存在し、高い重要度が求められる用途では他の検証手法が必要となる場合があります。
トレーサブルな品質証拠としての検査データ
FDA、ISO 13485 およびその他の医療用品質システム要件が整備されている場合、検査結果は製品が良好な品質であることを示す、客観的で追跡可能な証拠でなければなりません。
最新の3D検査システムは、寸法データや検査データなど、各基板に対する詳細な測定データを提供し、トレーサビリティデータ一意のシリアル番号に関連付けられています。
これらの記録は、MESプラットフォームに接続されることで、規制遵守、根本原因分析、是正措置、および製品の長期追跡を容易にする、完全な製造履歴を提供します。
統合された欠陥防止システムの構築
最良の結果は、3D SPI と 3D AOI を個別の検査ステーションとしてではなく、1つの検査システムとして統合した場合に得られます。
SPIデータは、リフロー前のプロセスばらつきを監視するために使用され、AOIデータははんだ付け工程後の最終組立品質を検証するために使用されます。両方のデータセットが共通のMES環境を通じてメーカーに提供されれば、メーカーはSMTプロセス全体を可視化できるようになります。
ペースト検査中に確認された傾向と、繰り返し発生するAOI結果の両方は、後工程の組立不良に関連している可能性があり、また、繰り返し発生するAOI結果は、印刷、ステンシルの状態、実装精度、あるいはリフロー性能に関する根本原因の問題を特定するのに役立ちます。
この継続的なフィードバックプロセスにより、プロセスの理解が深まり、より迅速な是正措置が可能になり、不良の見逃しや（不必要な）誤報を最小限に抑えることができます。
プロセスの規律は依然として不可欠である
どれほど高度な検査装置を用いても、それだけでは品質を保証することはできません。検査技術は、医療用電子機器の製造において、体系的な品質フレームワークの中で機能しなければなりません。
重要なのは次の三点です：
PFMEA（プロセス故障モード影響解析）製品リスクおよび重要な故障モードに合わせて検査戦略を調整するため。
SPC（統計的プロセス管理）不具合が発生する前に傾向を追跡・検出するために。
FAI（初品検査）本格的な量産を開始する前に、検証済みのプロセスベースラインを確立するために。
これらの取り組みにより、検査結果は単なる合否記録ではなく、工程管理として活用されます。
医療用PCBAにおいて検査は、最終品質ゲート以上の意味を持ちます。それは製造品質システムの重要な構成要素です。3D SPI（クローズドループプリンター・フィードバック付き）やリフロー後3D AOI などの PCBCart の検査製品は、任意の追加製品やプログラムレベルのオプションではなく、すべての PCBA プログラムに組み込まれたインフラストラクチャです。これらは当社のスマート MES プラットフォームに統合されており、ロット全体の検査トレーサビリティと、レーザーマーキングによるシリアル番号のアーカイブを提供します。
当社のエンジニアリングチームは、DFM レビューから量産認定に至るまで、医療用ハードウェアの研究開発および品質チームと連携して協働しています。各プログラムにおいて、部品構成の違い、接合部の種類、最終用途におけるリスクプロファイルに基づき、SPI の合格ウインドウおよび AOI の欠陥モデルを設定しています。はんだ接合部のエビデンス、基板レベルのクローズドループなプロセスデータ、および各アセンブリごとに MES に保存された検査記録をご提供できる EMS パートナーをお探しであり、かつそれを支えるプロセス規律をお持ちであれば、お客様のプログラムについてぜひお話しさせていただきたいと考えています。
役立つリソース
•表面実装技術（SMT）とは何ですか？
•SMT実装工程で実施される検査と試験
•はんだの濡れ不良を防ぐ方法
•SMTプリント基板の設計要件 第三部 コンポーネント配置設計
