JP2005156212A - 回路基板検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】異なる周波数の信号が流れる回路に対して精度良く一度に検査を行うこと。
【解決手段】本発明は、所定の部品１１や配線１２が形成されてなる回路基板１の検査を行う回路基板検査装置において、回路基板１と略平行に配置される支持基板４と、支持基板４が回路基板１と略平行に配置された状態で支持基板４上に配置され、信号変化を検出して誘導起電力を発生するコイル２と、コイル２における巻線の各々異なる位置に接続される複数の取り出し配線２１ａ、２１ｂとを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子回路の異常、故障状態の検出、診断に関し、特にPWBAと称する回路基板で実現されている電子回路において、その回路の動作、性能の異常、故障を予測、検出しあるいは予防するために用いる回路基板検査装置に関する。

パーソナルコンピュータ、複写機等の電子機器には、近年、性能、機能の向上に伴い、益々それらを実現するための様々な用途のアナログ、およびデジタルの電子回路がプリント基板の形で格納されてきている。

また、自動車や航空、ロボットや半導体設計装置等、他の産業機器においても動作制御等の手段として、信頼性が高く、高速・高精度での動作が可能な電子回路基板が数多く搭載されている。

これらの電子回路基板は、一連の機能を実現するために様々な形でケーブルを介して接続されることにより、所望のスペックが実現されている。このような基板が搭載される機器が使用される環境は、通常はオフィス内であったり、家屋内であったりするが、それ以外の過酷な環境下で使用される場合もあり、非常に多岐にわたっている。したがって、検出することが困難な様々な状態の異常、故障が発生し、その修復には多大な労力を要することになる。

また、通常の使用環境下で使用している場合でも、電子回路の異常、故障は発生し、その頻度は必ずしも低いとは言えず、検出箇所を特定できないこともしばしば生じている。さらに、電子回路基板に異常が発生した場合には、安全性やコストなどの面から早急な対応が求められる。また、これらの異常、故障に関する対応は、製品出荷時や、トラブル発生によって市場で回収されたPWBAの故障検査においても必要であり、いくつかの対応がなされている。

上述した対応の一例として、例えば、図９に示すような非特許文献１に開示される「渦電流探傷技術によるプリント配線の欠陥検出」では、ターゲットとする配線１１２を流れる電流から発生する磁場を検出する超小型でかつ独自の形状を有する磁界検出プローブ１１３を用いた非接触方法により、基板１の配線１１２を非接触スキャンする方式によって、現状の高密度配線プリント基板における配線の断線、線幅異常を主に、ＩＣの故障等も含めた基板１で発生する異常を検出する手法を、高速かつ機械的なストレスのない状態で実現しようとしている。

また、特許文献１では、複数の配線の中から特定の配線の磁界を検出してその配線のオープン／ショートの状態を知ろうとする場合に、隣接配線の磁界の影響を極力低減し、高分解能で測定することが可能となっている（図１０参照）。

これらの技術において、電気回路から発生する磁界は別途作製されたコイルを近傍に近づけるようにして読み取られ、磁界が通過することによりコイル両端に発生する誘導起電力として抽出される。そして抽出された電圧を解析することによりセンシング対象の状態を知ろうとするものである。

藤城 久、他２名、"渦電流探傷技術によるプリント配線の欠陥検出"、[online]、平成１４年、金沢大学工学部、[平成１５年９月２４日検索]、インターネット＜URL:http://magmac1.ec.t.kanazawa-u.ac.jp/magcap-j/research-j/ecta-j.html＞ 特開平１１−３８１１１号公報

しかしながら、このような従来の技術においては次のような問題がある。すなわち、従来例に示したような構成を含む回路基板検出装置は、複雑多岐にわたる様々な種類の回路基板の異常、故障を検査するため、安価にして小型かつ汎用的なものとなっており、混在する複数のセンシング信号周波数のそれぞれに対して、最大のS/Nを有する構成がなされておらず、特に磁界の強度が小さい場合などには信号がノイズに埋もれるなどして読み出すことができないという問題が生じている。

本発明はこのような課題を解決するために成されたものである。すなわち、本発明は、所定の部品や配線が形成されてなる回路基板の検査を行う回路基板検査装置において、回路基板と略平行に配置される支持基板と、支持基板が回路基板と略平行に配置された状態で支持基板上に配置され、信号変化を検出して誘導起電力を発生するコイルと、コイルにおける巻線の各々異なる位置に接続される複数の取り出し配線とを備えている。

このような本発明では、支持基板における、回路基板の部品もしくは配線と対応する位置にコイルが配置されていることから、このコイルによって回路基板の駆動時の信号変化を誘導起電力として捉えることができる。また、コイルにおける巻線の各々異なる位置に複数の取り出し配線が接続されているため、各取り出し配線の接続位置に応じた巻線数によって特定周波数の信号を効率良く検出できるようになる。

したがって、本発明によれば、回路基板における異常、故障の有無、そして、故障箇所について、簡単かつ容易に、しかも確実に検出することが可能となり、また、１つのコイルによって複数の信号周波数を精度よく観測することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づき説明する。図１は、本実施形態に係る回路基板検査装置を説明する模式図で、（ａ）は第１の形態、（ｂ）は第２の形態、（ｃ）はコイルの構成を示す図である。

すなわち、図１（ａ）に示す第１の形態に係る回路基板検査装置は、所定の部品１１や配線１２が形成されてなる回路基板１の検査を行うために用いるものであり、回路基板１と略平行に配置される支持基板４と、支持基板４が回路基板１と略平行に配置された状態で支持基板４上に配置されるコイル２と、コイル２における巻線の各々異なる位置に接続される複数の取り出し配線２１とを備えている。

また、図１（ｂ）に示す第２の形態に係る回路基板検査装置は、上記第１の形態における支持基板４が回路基板１と一体的に形成されたもので、この回路基板１（支持基板４）にコイル２が形成されている。

各形態において、コイル２は検査対象となる部品１１や配線１２に対応した位置に配置され、これらの検査対象から発生される信号の変化を検出して誘導起電力を発生することになる。

支持基板１（もしくは回路基板１）に形成されるコイル２は、図１（ｃ）に示すように複数回の巻線によって構成され、その一端２０が端子Ａに接続されている。また、コイル２の巻線における他端と途中とから各々取り出し配線２１ａ、２１ｂが接続され、切り換え部３によって端子Ｂへの接続切り換えが行えるようになっている。

つまり、切り換え部３によって取り出し配線２１ａを選択すると、端子Ａ、Ｂ間はコイル２の全ての巻線を用いた構成となる。また、切り換え部３によって取り出し配線２１ｂを選択すると、端子Ａ、Ｂ間はコイル２の約半分の巻線を用いた構成となる。

図２（ａ）は、回路基板上の配線１２を流れる電流とその電流から発生する磁界をコイル２によってセンシングする状況を説明する模式図で、上が断面図、下が平面図である。紙面下方より上方に向けて流れる電流Ｉより発生する磁界Ｈが、近傍に設置されたコイル２の内部を通過することによりコイル２の両端Ａ、Ａ’間に誘導起電力が発生する。

ここで、電流Ｉが図２（ｂ）に示すように変化し、電流Ｉより発生する磁界Ｈが図２（ｃ）に示すように変化した場合、コイル２の両端Ａ、Ａ’間に発生する誘導起電力は図２（ｄ）に示すように、電流量の変動にあわせて変化する磁界の変動にあわせて発生する。

図３は、図２（ｄ）に示した誘導起電力のピーク値Ｖ_CAとコイル２でセンシングする信号の周波数fとの関係を示す図である。一般的にセンシングする信号の周波数が増加することにより、誘導で起電力Ｖ_CAの値を決定する単位時間あたりの電流変動量dI/dtも増加する。

従ってＶ_CAもまた、周波数の増加に伴い、ある周波数(カットオフ周波数ｆc、以降はｆcと記載)までは増加傾向を示す。そして、コイルを構成する伝送路が有するインピーダンスの影響により、ｆc以降は逆に周波数の増加に伴い減少する傾向を示す。

ここで、信号をセンシングするコイルについて、インダクタンスＬが増大するような構成(同一面積で巻き数の増加など)と、インダクタンスＬが減少するような構成とを考える。この場合、図３の点線で示すように、誘導起電力Ｖ_CAのピークを有する周波数特性を示す波形はその形状に多少の変動があるにしても、インダクタンスＬが増大するような構成ではインダクタンスＬの増加に伴い低周波側に、インダクタンスＬが減少するような構成ではインダクタンスＬの減少に伴い高周波側へシフトする。

次に、図４に示すような２本の並行する配線５１、５２に異なる周波数で同じ種類の信号(例えばLVTTL、ECLなど)が流れていて、それを一つのコイル２でセンシングする場合を考える。２本の配線５１、５２に流れる２種類の信号を、図５（ａ）、（ｂ）に示す。配線５１には周期２Ｔ０、配線５２には周期２Ｔ１(Ｔ１＜＜Ｔ０)のロジック信号が流れているものとする。

このときこの２本の配線５１、５２の信号から発生する磁界をセンシングするために適用するコイル２を図１（ｃ）に示すような構成、すなわち誘導起電力を取り出すコイル２両端の片側をＡ、もう片側を２１ａおよび２１ｂの２箇所設ける構成にする。

図１（ｃ）に示すコイル２では６巻きの構成に対して、２１ｂは片方の端子Ａから３巻きのところに接続した取り出し配線であり、２１ａは６巻きのところに接続した取り出し配線である。２つの取り出し配線２１ａ、２１ｂを切り換え部３によって切り換えるか、あるいは双方から個別に信号を取り出すなどして、異なったコイル２のインダクタンスＬ(ここでは巻き数)で信号をセンシングすることが可能な構成とする。このような構成のコイル２で、配線５１、５２に流れる信号を読み取った結果得られた誘導起電力波形を図６に示している。

図６（ａ）はコイル２の３巻き分、すなわちコイル２のＡ−２１ｂ間に生じる誘導起電力波形を示している。配線５１を流れる駆動周期Ｔ０の信号と、配線５２を流れる駆動周期Ｔ１の信号と同一周期でそれぞれに起因する誘導起電力波形が発生している。

一方、図６（ｂ）はコイル２の取り出し口を変えて、６巻き分、すなわちＡ−２１ａ間に生じる誘導起電力波形を示している。配線５１を流れる駆動周期Ｔ０の信号に起因する誘導起電力が生じている。配線５１の信号周期Ｔ０よりはるかに駆動周波数が大きい信号周期Ｔ１で配線５２を流れる信号が発生する磁界に起因する誘導起電力波形は、コイル２を伝送路と考えた場合における波形のなまりによって観測することはできないものの、Ｔ０の周期で観測できる信号の出力Ｖ_LH2は、Ａ−２１ｂ間に生じる誘導起電力の配線５１に起因する出力Ｖ_LH1の約２倍程度である。

このように周波数の異なる複数の信号を１箇所に設置したコイル２で観測する場合に、コイル２のインダクタンスＬを可変にして、各周波数に適したインピーダンスを有するコイル２の構成でセンシングすることにより、多巻き数コイルでの高周波磁界のセンシング時に発生する誘導起電力波形の出力低下(波形のなまり)と、少巻き数コイルでの低周波磁界のセンシング時に発生する誘導起電力の出力不足というトレードオフを解決する構成を提供することが可能となる。

コイル２で得られる誘導起電力を用いて異常の検出を行うには、予め正常時の誘導起電力信号を得ておき、検査を行った際の誘導起電力信号が予め得てある正常時の誘導起電力信号と異なっているか否かによって判定を行う。この判定は波形をモニタに出力してオペレータが目視で行っても、また両波形を比較器によって比較して判定を行ってもよい。

本実施形態では、切り換え部３によってコイル２の巻線を変えられるため、目的となる信号の周波数に適したインピーダンスを有するコイル構成でセンシングできることから、対象外の回路から発生する信号をセンシングすることなく、高精度で正常／異常の比較判定を行うことが可能となる。

図７は、本発明の他の実施形態を説明する模式図で、（ａ）はコイルの構成図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は断面図である。この実施形態に係る回路基板検査装置は、支持基板４に設けられるコイル２の巻線から３箇所以上の取り出し配線（この例では２１２〜２１４の３箇所）が接続されているとともに、各配線の切り換えを行う切り換え手段であるマルチプレクサ３１が設けられている。

コイル２は支持基板４の信号層４２に所定回数巻線されており、この巻線のうち端部に１つの取り出し配線２１１、途中の３箇所に３つの取り出し配線２１２〜２１４が接続され、マルチプレクサ３１へ引き回されている。接続された取り出し配線２１１〜２１４は、支持基板４の信号層４２から絶縁層４１を介して反対側の信号層４２’へスルーホール等によって接続され、コイル２の巻線部分と干渉しないよう引き回され、再び信号層４２へ導かれている。

信号層４２側にはマルチプレクサ３１が配置されており、コイル２の信号抽出箇所から引き回された各引き出し配線２１１〜２１４が接続されている。マルチプレクサ３１には制御信号入力部からの配線Ｓ１、Ｓ２が接続されており、この配線Ｓ１、Ｓ２からマルチプレクサ３１へ与えられる制御信号によってコイル２のどの信号抽出箇所の取り出し配線２１１〜２１４が信号取り出し部の端子Ｂへ接続されるかの切り換えを行うことができる。

コイル２の他方端は出力線となって直接端子Ａに接続され、マルチプレクサ３１からの出力線が端子Ｂに接続されている。これによってマルチプレクサ３１で選択された所望の信号抽出箇所からの信号を信号取り出し部の端子Ａ−Ｂ間で得ることが可能となる。つまり、コイル２で検出した信号のうち所定の周波数に対応した信号を得るための切り換えをマルチプレクサ３１で行うことができ、１つの回路基板検査装置であっても複数の周波数の信号を効率よく検知できるようになる。

なお、本実施形態では、コイル２のインダクタンスを可変として誘導起電力を取り出す構成をコイル２の巻き数をスイッチで切り換えるようにしたが、これは１箇所に構成するコイルのインピーダンスを固有の周波数特性に対して変化させるような手段、例えばコイル配線の太さや面積を変化させるような構成であってもよい。

図８は、コイルの面積を変化させる形態を説明する模式図で、（ａ）は配線とコイルとの配置関係を示す平面図、（ｂ）はコイルの構成図、（ｃ）は平面図、（ｄ）は断面図である。この例では、２種類の面積の３巻きコイル２、２’を作成して、配線５１、５２を異なった周波数の信号が流れている場合に対応させたものである。

すなわち、コイル２、２’の両端における片側が共通の端子Ａと導通し、コイル２は大きな外周に沿って巻線され、コイル２’はコイル２の途中から分岐して小さな外周に沿って巻線されている。そして、大きなコイル２の端部は端子Ｌｓ１と導通し、小さなコイル２’の端部は端子Ｌｓ２と導通するようになっている。各端子Ｌｓ１、Ｌｓ２は信号選択部で切り換えられ、一方が端子Ｂと接続される。この信号選択部としてはマルチプレクサ３１が用いられる。

図８（ｃ）、（ｄ）に示すように、コイル２、２’は支持基板４の信号層４２に各々所定回数巻線されており、この巻線のうち途中から分岐してコイル２’の巻線が行われる。コイル２およびコイル２’の端部は支持基板４の信号層４２から絶縁層４１を介して反対側の信号層４２’へスルーホール等によって接続され、コイル２、２’の巻線部分と干渉しないよう引き回され、再び信号層４２へ導かれている。

信号層４２側にはマルチプレクサ３１が配置されており、コイル２、２’の端部が各々入力されている。マルチプレクサ３１には制御信号入力部からの配線Ｓ１、Ｓ２が接続されており、この配線Ｓ１、Ｓ２からマルチプレクサ３１へ与えられる制御信号によってどのコイル２、２’の端部が端子Ｂへ接続されるかの切り換えを行うことができる。

ここで、マルチプレクサ３１により小さな面積から成るコイル２’の端部を端子Ｂに接続するよう選択すると、配線５１、５２のうち高周波信号が流れる方のセンシングを効率よく行うことができる。一方、マルチプレクサ３１により大きな面積から成るコイル２の端部を端子Ｂに接続するよう選択すると、配線５１、５２のうち低周波信号が流れる方のセンシングを効率よく行うことができる。

なお、図８に示す例では大小２つのコイル２、２’を切り換える構成を示したが、３つ以上の大きさから成るコイルの切り換えを行う場合であっても同様である。

本実施形態に係る回路基板検査装置を説明する模式図である。 コイルによるセンシング状況を説明する図である。 誘導起電力のピーク値と周波数との関係を示す図である。 ２本の配線に流れる信号のセンシングを説明する模式図である。 ２本の配線に流れる２種類の信号を示す図である。 コイルに生じる誘導起電力波形を示す図である。 他の実施形態を説明する模式図である。 コイルの面積を変化させる場合の実施形態を説明する模式図である。 従来例（その１）を説明する図である。 従来例（その２）を説明する図である。

符号の説明

１…回路基板、２…コイル、３…切り換え部、４…支持基板、３１…マルチプレクサ

Claims (3)

1. 所定の部品や配線が形成されてなる回路基板の検査を行う回路基板検査装置において、
   前記回路基板と略平行に配置される支持基板と、
   前記支持基板が前記回路基板と略平行に配置された状態で前記支持基板上に配置され、信号変化を検出して誘導起電力を発生するコイルと、
   前記コイルにおける巻線の各々異なる位置に接続される複数の取り出し配線と
   を備えることを特徴とする回路基板検査装置。
2. 前記複数の取り出し配線のうちいずれかとの接続を切り換える切り換え手段を備えている
   ことを特徴とする請求項１記載の回路基板検査装置。
3. 前記支持基板は前記回路基板と一体的に形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の回路基板検査装置。
   

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