JP2009259937A - 電子回路基板 - Google Patents

Abstract

【課題】湿度又は結露による影響が起こり得る状態にあるか否かを、確実に監視することが可能な電子回路基板を提供する。
【解決手段】電子回路基板１０は、基板上に回路パターンを形成して電子部品を搭載した基板であり、監視手段１２を備える。監視手段１２は、他の回路パターン間より湿度又は結露による影響が起きやすい監視用の２つの回路パターンを基板上に形成し、その２つの回路パターン間の断線状態を監視し、湿度又は結露による影響を検知する手段である。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子回路基板に関し、より詳細には、ガスメータ、水道メータ、集中監視装置などの屋外に設置する電子機器や、携帯電話やノートＰＣなどのモバイル機器など屋内と屋外とのいずれでも使用することが多い電子機器に、搭載するのに適した電子回路基板に関する。

電子回路基板は、電極のパターンが形成され絶縁処理が施されたプリント基板等の基板上に、電子部品が搭載されてなる。屋外設置の製品に搭載されている電子回路基板は、直射日光や雨、雪などの露天環境にさらされるため、寒暖差によって湿度又は結露による影響を受けやすい。また、モバイル機器のように屋内と屋外との間を持ち歩き温度差を生じやすいような使用環境の製品に搭載されている電子回路基板も、湿度又は結露による影響を受けやすい。

湿度又は結露による影響としては、イオンマイグレーションの発生が挙げられる。イオンマイグレーションは、プリント基板などにおいて２つの回路パターン間に直流電圧源による直流電界が印加されているときに発生する金属の析出現象である。すなわち、プリント基板の表面や内部に水分や電解質が存在すると、金属イオンが回路パターンから溶け出し、溶け出した金属イオンが直流電界によって移行することにより、金属若しくはその酸化物などの化合物が析出する現象である。析出した形態としては、デンドライトとＣＡＦ（Conductive Anodic Filament）の２種類がある。デンドライトは、陽極側の回路パターンから溶け出した金属イオンが陰極側の回路パターンに到達して電子を受け取ってプリント基板の表面に析出することにより形成される。一方、ＣＡＦは、陽極側の回路パターンから溶け出した金属イオンがその回路パターンの近傍に析出することにより形成される。これらのデンドライト及びＣＡＦはいずれも成長すると、両回路パターンを短絡させたり、絶縁抵抗を低下させたりする原因となる。

そのため、マイグレーション検査装置（例えば特許文献１を参照）を用いて、高温度及び高湿度の環境条件下で加速試験を行うことにより、イオンマイグレーションの発生時期を把握し、その発生時期に基づいてプリント基板を信頼性が高いように設計される。

従来のプリント基板では、その信頼性を向上させるために、隣り合う回路パターン間の距離を長くしたり、隣り合う回路パターン間の電圧の差を小さくしたりしている。
特開平１１−２１１６８４号公報

しかしながら、製品は常に小型化が要求され、そのため回路パターンも高密度化することが要求されるため、設計時において上述のごとき回路パターン間の距離を長くしたり電圧差を小さくすることにも限界がある。そのため、本来は絶縁状態の回路パターン間に湿度又は結露によりイオンマイグレーションが発生し、ショート状態が起きることもある。勿論、設計に基づく使用環境の範囲を超えた環境でユーザが使用した場合にも、このようなショート状態が起きてしまう。

ショート状態が起きると、その両回路パターンを含む電子回路基板を搭載した製品は、その一機能又は全機能を果たさなくなり、製品の動作・機能停止として発見される。しかし、ショートした箇所は、電流や時間の経過などによって再び絶縁状態に戻り（断線し）、通常の状態（異常のない状態）に戻ることもある。

このように、イオンマイグレーション発生による製品の機能の停止は一時的な現象として発見されることもあり、実際に一時的な機能停止が起こったのか否かを解析することは困難である。

本発明は、上述のごとき実状に鑑みてなされたものであり、基板上で湿度又は結露による影響が起こり得る状態にあるか否かを確実に監視することが可能な電子回路基板を提供することを、その目的とする。

上述のごとき課題を解決するために、本発明の第１の技術手段は、基板上に回路パターンを形成して電子部品を搭載した電子回路基板において、他の回路パターン間より湿度又は結露による影響が起きやすい監視用の２つの回路パターンを基板上に形成し、該２つの回路パターン間の断線状態を監視し、湿度又は結露による影響を検知する監視手段を備えたことを特徴としたものである。

第２の技術手段は、第１の技術手段において、前記監視手段により湿度又は結露による影響が検知されたとき、前記監視手段への電源供給を停止する電源供給停止手段を備えたことを特徴としたものである。

第３の技術手段は、第１又は第２の技術手段において、前記監視手段に、当該電子回路基板の他の回路パターンに電圧を印加するための電源とは異なる専用の電源から電圧を印加するか、或いは、前記監視手段に、当該電子回路基板のメインとなる電源以外のサブ電源から電圧を印加することを特徴としたものである。

第４の技術手段は、第１〜第３のいずれかの技術手段において、前記監視手段で湿度又は結露による影響が検知されたことを記憶する検知記憶手段を備えたことを特徴としたものである。

第５の技術手段は、第１〜第４のいずれかの技術手段において、前記監視手段で湿度又は結露による影響が検知されたことを外部に発信する発信手段を備えたことを特徴としたものである。

本発明によれば、電子回路基板において、湿度又は結露による影響が起こり得る状態にあるか否かを確実に監視することができる。

本発明に係る電子回路基板は、基板（基板本体と呼ぶ）上に回路パターンをプリント等により形成してなり、そこに電子部品をはんだ接合等に接続して搭載している。この電子回路基板は、電子機器（電子機器製品）に搭載されるものである。

図１は、本発明の一実施形態に係る電子回路基板の構成例を示す図で、図中、１０は電子回路基板、１１は電源切換手段、１２は監視手段、１３は検知記憶手段、１４は発信手段、１５は電源Ａである。また、図中、矢印は情報の伝達方向を示している。

電子回路基板１０には電源Ａ（１５）を備え、電子回路基板１０全体に電圧を供給している。本発明の主たる特徴として、電子回路基板１０は、図１に示すように、基板本体上に監視手段１２を備える。電源Ａ（１５）はこの監視手段１２にも電圧を供給しているものとする。

監視手段１２は、基板本体上に監視用の２つの回路パターン（以下、監視用パターンという）を形成しておき、その２つの監視用パターン間の断線状態を監視し、湿度又は結露による影響を検知する手段である。この２つの監視用パターンは、この電子回路基板１０を搭載する製品の動作に寄与しないパターンとしてプリント等により形成される。

そして、監視手段１２の一部として形成するこの２つの監視用パターンは、電子回路基板１０上に形成された他の回路パターンより湿度又は結露による影響が起きやすいパターンとする。

２つの監視用パターン間は、正常時には断線状態、すなわち無接続（オープン）の状態にあり、監視手段１２は、この状態が電気的に接続（ショート）した状態になることを、湿度又は結露による影響として検知するとよい。例えば、監視手段１２は、２つの監視用パターン間の電圧又は抵抗を定期的に計測して、電圧値又は抵抗値が急激に小さくなったときに、ショートしたと検知すればよい。代わりに、監視手段１２は、２つの監視用パターン間に電位差を与えておき、電流を定期的に計測し、電流が流れたときにショートしたと検知してもよい。

湿度又は結露による影響が起きやすいか否かは、回路パターン間の距離の短さ及びそこに印加する電圧の大きさによって決定される。従って、単純に決定するためには、２つの監視用パターン間の距離を電子回路基板１０の他の回路パターン間の距離より短く形成し、且つ、２つの監視用パターン間に、他の回路パターン間で印加される電圧より大きい電圧を印加するようにすればよい。

その具体例を図２を参照して説明する。図２は、図１の電子回路基板に搭載された監視手段の一部である２つの回路パターンの構成例と、この回路パターンと比較するための通常の２つの回路パターンの構成例とを示す図で、図２（Ａ）は前者の構成例を、図２（Ｂ）は後者の構成例を示している。図２（Ａ）において２０は２つの監視用パターンを指し、図２（Ｂ）において３０は通常の２つの回路パターンを指す。

湿度又は結露による影響としてイオンマイグレーションが起きやすい回路パターンとしては、図２（Ａ）に示すように、先の尖ったパターン形状を向き合わせ、パターン間距離として他の通常のパターン間距離よりも短い距離とし、電位差として最大電位差を与えるものである。図２（Ａ）で例示する２つの監視用パターン２０は、電子回路基板１０を電源Ａ（１５）の電圧とＧＮＤ間で動作させる場合を例に挙げている。すなわち、図２（Ａ）では、最大電位差を与える場合として、一方の監視用パターンを電源電圧パターン２１とし、他方の監視用パターンをＧＮＤパターン２２としている。図２（Ａ）の例では、ＧＮＤパターン２１には電源電圧パターン２２側に突起部２１ａが形成されており、電源電圧パターン２２にもＧＮＤパターン２１側に突起部２２ａが形成されている。突起部２１ａと突起部２２ａとはその先端同士が近くなるようにパターン形成（プリント）されている。勿論、いずれかの突起部だけ形成してもよい。

２つの監視用パターン２０に対し、図２（Ｂ）で回路パターン３０として例示したように、通常のＧＮＤパターン３１及び電源電圧パターン３２はこのような突起部２１ａ，２２ａが存在しないことが分かる。

このように、図２（Ａ）で示す２つの監視用パターン２０は、図２（Ｂ）で示す通常に形成した２つの回路パターン３０（電子回路基板１０の他の箇所）より早くイオンマイグレーションが発生するように、故意に作製したものである。そして、監視手段１２にイオンマイグレーションが発生したことを電流、電圧、抵抗値などにより検知することにより、電子回路基板１０の他の箇所にもイオンマイグレーションの発生の恐れがあることが検知できたことになる。一方で、監視手段１２にイオンマイグレーションが発生していないことを検知がなかったこととして確認することにより、電子回路基板１０の他の箇所にもイオンマイグレーションが発生していないことが確認できる。

以上、本発明の電子回路基板１０によれば、電子回路基板１０の回路パターンから電子回路基板１０上で最も湿度又は結露による影響が起こりやすい状態を作った監視手段１２を設けることにより、この箇所で湿度又は結露による影響がなければ、電子回路基板１０上の他の箇所では湿度又は結露による影響が起こっていないと判断することができる。つまり、本発明によれば、湿度又は結露による影響が起こり得る状態にあったか否かを確実に監視することができる。そして、監視対象が監視用に別途設けた影響を受けやすい回路パターンであることから、実際に他の回路パターンが影響を受ける前、すなわち電子回路基板１０が故障する前に対処することができる。

電子回路基板１０を搭載するのに適した電子機器としては、ガスメータ、水道メータ、集中監視装置などの屋外に設置する電子機器や、携帯電話やノートＰＣなどのモバイル機器など屋内と屋外とのいずれでも使用することが多い電子機器などが挙げられる。屋内外のいずれでも使用する機会のある電子機器は、例えば寒い屋外から暖かい部屋に入ってきた時に電子回路基板１０上に結露を生じる可能性が高いため、本発明が有用である。

次に、監視した結果の記憶や報知等について説明する。電子回路基板１０は、監視手段１２により湿度又は結露による影響が検知されたとき、監視手段１２への電源供給（少なくとも２つの監視用パターン２０への電源供給）を停止する電源供給停止手段を備えることが好ましい。図１の電源切換手段１１は、この電源供給停止手段の一例であり、監視手段１２での検知／非検知に基づき、監視手段１２に対して電源（Ａ）１５から電圧を供給する／供給しないを切り換えるヒューズやリレーなどでなる。

監視手段１２では上述のごとく２つの監視用パターン２０を電流、電圧、抵抗のいずれかで監視し、変動があった場合には、監視手段１２へ供給していた電源Ａ（１５）の供給を電源切換手段１１を用いてストップする。このような電源切換手段１１を設けることで節電になるだけでなく、電源切換手段１１としてヒューズ等を用いることにより、イオンマイグレーションによりショートした２つの監視用パターン２０間の状態（ショート状態）を電源切換手段１１の切換状態として保持することが可能となり、発生した湿度又は結露による影響が電流や時間の経過などにより仮に再度断線して湿度又は結露による影響が無くなったとしても、一度ショート状態となったことが確認できる。

また、電子回路基板１０は、図１に示すように、監視手段１２で湿度又は結露による影響が検知されたこと（検知情報）を記憶する検知記憶手段１３を備えることが好ましい。検知記憶手段１３は、監視手段１２に接続された不揮発性メモリ等のメモリ及びその記憶を制御する部位で構成できる。また、検知情報としては、発生時期（発生日時）も含むことが好ましく、その場合、日時は電子回路基板１０に搭載された電子部品から得ることができる。検知記憶手段１３（及び監視手段１２における監視用パターン２０以外の構成要素）は、例えば、電子回路基板１０上に搭載したマイクロプロセッサなどで構成することもできる。

このように検知記憶手段１３を設けることで、検知記憶手段１３から検知情報を読み出すことができるため、検知されてから時間が経過した後であっても、また検知してから再度復帰した場合にも、湿度又は結露による影響が起こったことを認知することができる。また、検知記憶手段１３は、上述の電源切換手段１１と併用する際には、電源切換手段１１の状態も検知情報として記憶すればよい。ここで、電源切換手段は、湿度又は結露による影響が無くなった場合に監視手段１２への電源（Ａ）１５からの電圧供給も復帰できるように構成しておけばよい。

また、電子回路基板１０は、図１に示すように、監視手段１２で湿度又は結露による影響が検知されたことを外部に発信する発信手段１４を備えることが好ましい。発信手段１４は、電子回路基板１０上で湿度又は結露による影響が起きたことを、ユーザに知らせるための手段である。発信手段１４は、例えば、電話回線のモデムや無線通信インターフェースといった通信手段で構成してもよいし、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）点灯により警報信号として外部に発信させる手段、或いは警告音として外部に報知させる手段であってもよい。またＬＥＤは監視手段１２の一部として搭載すれば発信手段１４としての役割も兼ねることができる。

このような発信手段１４を備えることで、湿度又は結露による影響が電子回路基板１０を観察することなく確認できるだけでなく、電子回路基板１０上の他の箇所でも湿度又は結露による影響が起こり得る可能性がある状態であることを確認することもできる。

また、発信手段１４は検知記憶手段１３と併設する方が好ましい。これにより、検知記憶手段１３に１又は複数蓄積された検知情報を、必要な分だけ一度に得ることができる。

また、図１の電源Ａ（１５）のように、監視手段１２への電源とマイクロプロセッサなど製品の動作で使用している電源とを同じとしていると、監視手段１２で発生したイオンマイグレーションの一時的なショート状態により製品の動作に異常が起きる場合も考えられる。図３を参照して、この対策を施した電子回路基板を例示する。

図３は、本発明の他の実施形態に係る電子回路基板の構成例を示す図で、図中、１６は電源Ｂであり、その他の符号は図１と同じ構成要素を指している。また、図３においても、矢印は情報の伝達方向を示している。

図３で例示する電子回路基板１０は、監視手段１２に、電子回路基板１０の他の回路パターンに電圧を印加するための電源Ａ（１５）とは異なる専用の電源Ｂ（１６）から電圧を印加している。このように、メイン電源の電源Ａ（１５）は別に監視手段１２専用の電源Ｂ（１６）を搭載させることにより、一時的なショートにより製品が誤動作すること無しに製品の動作・機能は正常のまま、湿度又は結露による影響が起こったことを検知することができる。つまり、専用の電源Ｂ（１６）を設けることで、監視手段１２のショートによっても製品の動作に異常を来すことなく、湿度又は結露による影響を監視することができる。

また、専用の電源Ｂ（１６）を設けなくても、監視手段１２に電子回路基板１０のメイン電源Ａ（１５）以外のサブ電源から電圧を印加してもよい。サブ電源としては、電子回路基板１０で常時使用している電源Ａ（１５）とは異なる電源であればよい。実際、製品内に独立に使用している電源（電池等）を２個以上搭載している電子機器もあり、その電子機器では、普段は使用しない側のサブ電源で監視手段１２へ電圧を供給してもよい。

以上、本発明に係る電子回路基板について様々な例を挙げて説明したが、回路パターン間の距離や電圧差を決める設計時にも、このような監視用パターンを設けておき、この監視用パターンのみに対して湿度又は結露による影響を検知してもよい。これにより、設計時の負担を減らすことができる。

本発明の一実施形態に係る電子回路基板の構成例を示す図である。 図１の電子回路基板に搭載された監視手段の一部である２つの回路パターン及び通常の２つの回路パターンの構成例を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る電子回路基板の構成例を示す図である。

符号の説明

１０…電子回路基板、１１…電源切換手段、１２…監視手段、１３…検知記憶手段、１４…発信手段、１５…電源Ａ、１６…電源Ｂ、２０…２つの監視用の回路パターン、２１…監視用のＧＮＤパターン、２１ａ…監視用のＧＮＤパターンの突起部、２２…監視用の電源電圧パターン、２２ａ…監視用の電源電圧パターンの突起部。

Claims (5)

1. 基板上に回路パターンを形成して電子部品を搭載した電子回路基板において、他の回路パターン間より湿度又は結露による影響が起きやすい監視用の２つの回路パターンを基板上に形成し、該２つの回路パターン間の断線状態を監視し、湿度又は結露による影響を検知する監視手段を備えたことを特徴とする電子回路基板。
2. 前記監視手段により湿度又は結露による影響が検知されたとき、前記監視手段への電源供給を停止する電源供給停止手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電子回路基板。
3. 前記監視手段に、当該電子回路基板の他の回路パターンに電圧を印加するための電源とは異なる専用の電源から電圧を印加するか、或いは、前記監視手段に、当該電子回路基板のメインとなる電源以外のサブ電源から電圧を印加することを特徴とする請求項１又は２に記載の電子回路基板。
4. 前記監視手段で湿度又は結露による影響が検知されたことを記憶する検知記憶手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電子回路基板。
5. 前記監視手段で湿度又は結露による影響が検知されたことを外部に発信する発信手段を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電子回路基板。

Images