JP2010185697A - プリント配線板の検査装置及び検査方法 - Google Patents

プリント配線板の検査装置及び検査方法 Download PDF

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Abstract

【課題】プリント配線板のネットの持つ容量値にかかわりなく、短絡しているネットを容易に発見することができるプリント配線板の検査技術を提供する。
【解決手段】検査対象のプリント配線板の基準面に第1のプローブを接触させ、前記プリント配線板のネットに第2のプローブを接触させ、前記第2のプローブを介して前記ネットに矩形パルス電圧を印加し、前記ネットの電圧の過渡特性を測定し、前記プリント配線板のすべてのネットについて前記測定を行い、その値を記憶手段に記憶し、予め測定した良品の測定値と、前記測定した測定値とを比較し、前記比較の結果、1つでも差がある場合は、短絡ネットの特定を行い、前記特定された短絡ネットのそれぞれに前記第1及び第2のプローブを接触させ、前記短絡ネット間の抵抗値を測定し、前記測定した抵抗値と基準値とを比較し、プリント配線板の回路の絶縁不良を検出する。
【選択図】図7

Description

本発明は、プリント配線板の検査装置及び検査方法に関し、特にプリント配線板中の回路(ネット)の絶縁不良を発見するプリント配線板の検査装置及び検査方法に関する。
一般に、プリント配線板は、スルーホール等を用いて電気的に接続された回路を複数有しており、製造されたプリント配線板の回路が設計通り正しく形成されているかどうか、すなわち、プリント配線板中の回路が断線していて導通不良を生じたり、他の回路と短絡していて絶縁不良を生じたりせずに、設計通りに形成されているかを電気的に検査する必要がある。
絶縁検査(短絡検査)の電気的検査方法として、検査対象となる回路間に電圧を印加し、その時の電圧と測定した電流とにより回路間の絶縁抵抗を求め、絶縁抵抗が基準値以下であった場合、その部分が絶縁不良箇所であると判定する方法が知られている。
しかし、上記検査方法の場合、ネット数がnのプリント配線板では、絶縁検査の組み合わせの数はn(n−1)/2となり、例えば、1000ネットを有するプリント配線板の場合、499,500回の絶縁検査が必要であり、検査時間がかかるといった問題がある。このため、ネット間のすべての組み合わせを絶縁検査するのではなく、短絡する可能性のある近接するネット間のみを絶縁検査する方法が知られている(例えば特許文献1)。
また、上記技術とは別に、プリント配線板上のネットと、GNDネットや電源ネット等のプリント配線板全体をカバーするようなネットもしくはプリント配線板外部の基準面との間の容量を測定し、良品の容量値と比較することで、検査を行う方法が知られている(例えば特許文献2,3)。
しかしながら、上記の容量を測定する検査方法では、ネット間に高電圧を印加することができないため、高抵抗で短絡したネットの発見が困難である。このため、矩形パルスをネットに印加し、電圧の過渡特性を解析することにより絶縁不良を判定する方法が知られている(例えば特許文献4〜6)。
特開昭63−206667号公報 特開昭52−096358号公報 特公平04−017394号公報 特開平06−109796号公報 米国特許第5438272号明細書 米国特許第6573728号明細書
しかし、前記特許文献4〜6に記載されている検査方法では、プリント配線板中の小さな容量を持つ回路(以下、「ネット」という)と大きな容量を持つネットとが短絡している場合、小さな容量を持つネットの測定値は大幅に増加するが、大きな容量を持つネットの測定値の増加量は微少であるため、小さな容量を持つネットが短絡していることは容易に判断できるが、どの回路と短絡しているかを特定することが困難であるという問題点がある。
また、同様に、小さな容量を持つネットと大きな容量を持つネットとが高抵抗で短絡している場合(例えば、回路が短絡しかかっている状態)、小さな容量を持つネットの測定値は増加するが、大きな容量を持つネットの測定値の増加量は微少であるため、小さな容量を持つネットが短絡していることは容易に判断できるが、どのネットと短絡しているかを特定することが困難であるという問題点がある。
そこで、本発明は上記問題点を解決し、どのネットと、どのネットとが短絡しているかを発見できるようにしたプリント配線板の検査装置及び検査方法を提供することを目的とする。
本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
すなわち、本発明によるプリント配線板の検査装置は、検査対象のプリント配線板のネットに接触するための第1及び第2のプローブと、前記第1又は第2のプローブを介して前記プリント配線板のネットに矩形パルス電圧を印加し、前記ネットの電圧の過渡特性及び前記ネット間の抵抗値を測定する測定手段と、前記測定手段で測定した値を記憶する記憶手段とを有し、前記プリント配線板の基準面に前記第1のプローブを接触させ、前記プリント配線板のネットに前記第2のプローブを接触させ、前記第2のプローブを介して前記ネットに矩形パルス電圧を印加し、前記ネットの電圧の過渡特性を測定し、前記プリント配線板のすべてのネットについて前記測定を行い、その値を前記記憶手段に記憶し、予め測定した良品の測定値と、前記測定した測定値とを比較し、前記比較の結果、1つでも差がある場合は、短絡ネットの特定を行い、前記特定された短絡ネットのそれぞれに前記第1及び第2のプローブを接触させ、前記短絡ネット間の抵抗値を測定し、前記測定した抵抗値と基準値とを比較し、プリント配線板の回路の絶縁不良を検出するものである。
また、本発明によるプリント配線板の検査方法は、検査対象のプリント配線板の基準面に第1のプローブを接触させ、前記プリント配線板のネットに第2のプローブを接触させ、前記第2のプローブを介して前記ネットに矩形パルス電圧を印加し、前記ネットの電圧の過渡特性を測定するステップと、前記プリント配線板のすべてのネットについて前記測定を行い、その値を記憶手段に記憶するステップと、予め測定した良品の測定値と、前記測定した測定値とを比較するステップと、前記比較の結果、1つでも差がある場合は、短絡ネットの特定を行うステップと、前記特定された短絡ネットのそれぞれに前記第1及び第2のプローブを接触させ、前記短絡ネット間の抵抗値を測定するステップと、前記測定した抵抗値と基準値とを比較するステップとを有し、プリント配線板の回路の絶縁不良を検出するものである。
本発明のプリント配線板の検査装置及び検査方法によれば、ネットの持つ容量値にかかわりなく、どのネットと、どのネットとが短絡しているかを容易に発見できる。
本発明の一実施の形態によるプリント配線板検査装置の構成例を示す図である。 本発明の一実施の形態において、プリント配線板の一例を示す平面図である。 本発明の一実施の形態において、プリント配線板上の回路のモデルを示す図である。 図3に示した回路のモデルにおいて、絶縁状態が良好な場合の等価回路を示す回路図である。 図3に示した回路のモデルにおいて、絶縁状態が良好でない場合の等価回路を示す回路図である。 図4及び図5に示した等価回路の電圧と時間の関係を示すグラフである。 本発明の一実施の形態によるプリント配線板検査方法の流れを示すフローチャートである。 本発明の一実施の形態において、良品値が10pFのネットが15MΩで他のネットと短絡した場合の短絡した2つのネットの容量の関係を示すグラフである。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、特にことわらない限り、端子名を表す記号は同時に配線名、信号名も兼ね、電源の場合はその電圧値も兼ねるものとする。
図1に、本発明の一実施形態によるプリント配線板検査装置の全体構成を示す。本実施の形態によるプリント配線板検査装置は、例えば、2本のプローブ1、プローブ支持部2、移動機構部6、測定部7、記憶部8、制御部9などにより構成されている。
移動機構部6は、各種モータ、そのモータを駆動させるモータドライバなどから構成される。移動機構部6には、プローブ支持部2を介してプローブ1が取り付けられており、プローブ1は、プリント配線板3と平行方向(XY方向)及び垂直方向(Z方向)に移動可能である。なお、本実施の形態では、プローブ1が2本の場合を例に説明するが、3本以上であってもよい。
測定部7は、電圧源、電流源、計測器などから構成され、プローブ1に接続されており、プローブ間に電流を流したり、電圧を印加したりすることにより、プリント配線板3内の回路の抵抗を測定することが可能である。また、プリント配線板3内のGNDネットや電源ネット等のプリント配線板全体をカバーするようなネットと、被検査回路との間の電位差を測定した後、容量成分に変換することが可能である。なお、前記のプリント配線板全体をカバーするようなネットがない場合にはプリント配線板外に設けられた導電性の基準面5を使用することが可能である。
記憶部8は、例えばRAM、ハードディスク等のメモリにより構成されており、測定した値の演算結果などを一時的に記憶する。
制御部9は、CPU、RAM、ROM等により構成されており、移動機構部6の駆動制御や、測定部7によって測定された抵抗値や容量値などが不良であるかどうかを判定する処理などを行う。なお、制御部9は、一般的なコンピュータに上記機能や下記動作を実現させるプログラムを内蔵することにより実現することも可能であり、当該プログラムはフロッピー(登録商標)ディスクやハードディスク等のコンピュータで読み出し可能な記録媒体に記録することもできる。また、当該プログラムはインターネット等の通信手段から読み出してくるようにすることもできる。
図2は、検査対象であるプリント配線板の一例を示す平面図である。図2に示すように、検査対象のプリント配線板3には、金属等の導電材料で形成された数多くのネット4a〜4eが形成されている。
次に、本実施の形態のプリント配線板検査装置による絶縁検査の動作例を説明する。
まず、プリント配線板固定具(図示せず)を用いてプリント配線板3を固定する。
次いで、制御部9が移動機構部6を制御して、プローブ1の1つ(第1のプローブ)を、プリント配線板内もしくはプリント配線板外の基準面5に接触させる。
その他のプローブ1(第2のプローブ)をネット上の検査点に接触させ、検査対象ネットに矩形パルス電圧Vを印加して、プリント配線板外に設けられた外部コンデンサC0を横切る(通過する)信号(電圧V0)を測定する。これをプリント配線板上のすべてのネットに対して行う。各ネットの測定値と、あらかじめ測定・登録されているそれぞれのネットの良品値と比較する。ここで、測定した電圧V0と良品値が全てのネットに対して同じ値であれば良品と判定し、同じ値でないものが1つでも存在する場合には、不良品と判断する。ただし、プリント配線板上のどのネットと、どのネットとが短絡しているかの断定ができない場合があるため、短絡している可能性があるネット上の検査点に1つのプローブを接触させ、もう一方のプローブを他のネットに接触させた後、前記プローブ間の抵抗値を測定し、あらかじめ設定されている基準値(閾値)より小さな抵抗値を示すネット間を、短絡しているネットとして特定する。
次に、絶縁検査について図3〜図7を参照しながら詳細に説明する。
図3に示すように、プリント配線板3上のネットで、基準面5に対する容量がC1のネットA(NetA)と、基準面5に対する容量がC2のネットB(NetB)があり、ネットAとネットB間の抵抗値がR12である場合のモデルを考える。
プリント配線板3上のネットAとネットBの絶縁状態が良好な場合、抵抗値R12は非常に大きな値になる(理想的には無限大)。また、基板外の外部抵抗R0は非常に大きな値を使用するため、ネットAとネットBの絶縁状態が良好な場合、図3のモデルの等価回路は図4となる。
ネットAとネットB間の容量をC12とすると、印加電圧Vと、ネットAとネットB間の電圧V12は式(1)で表すことができる。
Figure 2010185697
ここで、C12はC1、C2に比べ小さいため、式(1)は近似的に式(2)となる。
Figure 2010185697
また、C0はC1、C2に比べ非常に大きいため、V12にほぼ印加電圧Vがかかることになるため、印加電圧Vが高電圧であればネットAとネットB間の電圧V12にも高電圧がかかることになる。
また、プリント配線板上のネットAとネットBの絶縁状態が良好でない場合の図3のモデルの等価回路は図5となり、C12はC1、C2に比べ小さいため、印加電圧Vと、ネットAとネットB間の電圧V12は近似的に式(3)で表すことができる。
Figure 2010185697
式(1)は、時間が経過しても電圧V12は変化しないが、式(3)は、指数部が1になった後、時間の経過とともに電圧V12が徐々に減少する。式(1)及び式(3)は図6のグラフとして表すことができる。なお、図6において、横軸は経過時間t、縦軸はネットAとネットB間の電圧V12を示し、良品は式(1)、短絡は式(3)の場合を示す。
例えば、Vを250V、C1が1000pF、C2が1000pF、C0が0.1μF、R12が1GΩであった場合、式(3)において、1マイクロ秒後のV12は250Vであるが、50ミリ秒後のV12は236V、100ミリ秒後にはV12が224Vに減少することになる。
よって、ネット間には高電圧がかかり、ネット間の絶縁状態によってその特性は異なる。
なお、ネットAとネットB間の電圧を説明してきたが、実際の検査ではネット間の電位差を測定しているのではなく、コンデンサC0を横切る(通過する)信号から得ているため、コンデンサC0を横切る信号の電圧V0について考える。
図3に示すように、プリント配線板上の容量がC1のネットAと、プリント配線板上の容量がC2のネットBがあり、ネットAとネットB間の抵抗値がR12の場合のモデルを考える。ここで、R0は非常に大きな値であるから、図3のモデルの等価回路は図4のように表すことができる。
ここで、ネットAとネットBが完全に短絡している場合、ネットAとネットB間の抵抗R12は、0Ωまたは0Ωに近い値になる。一方、ネットAとネットBが良品の場合、R12は数十〜百MΩ以上、理想的には無限大の抵抗値になる。R12の抵抗値を無限大とした場合、すなわち、ネットAとネットBが良品の状態では、電位差V0は式(4)で、ネットAの容量C1は式(5)で表すことができる。
Figure 2010185697

Figure 2010185697
図7に、本実施の形態のプリント配線板検査装置による絶縁検査の動作例を示す。
図7に示すように、まず、ステップ101において、良品のプリント配線板を検査し、全てのネットの測定値を取得する。各ネットの測定値は容量値に換算され、良品値として登録される(ステップ102)。
次いで、ステップ103において、検査対象のプリント配線板の全てのネットを測定し、測定した値は容量値に換算される。
次いで、ステップ104において、ステップ102で登録されている各ネットの良品値(容量値)と、ステップ103において測定された各ネットの容量値とをネット毎に比較する。
ここで、短絡していないネットの測定値は良品値と同じになる。また、短絡している場合には、測定値(容量値)は増加し、短絡しているネット同士は同じ容量となる。
また、高抵抗でネット間が短絡している場合、図3のモデルの等価回路は式(6)で表すことができる。
Figure 2010185697
ここで、ネットAとネットBが抵抗値15MΩで高抵抗短絡し、ネットAの良品値が10pFであった場合を考えると、ネットA及びネットBの測定値の関係は式(6)から求めることができ、前記関係を表したものが図6のグラフである。図6からは、高抵抗で短絡している2つのネットが同じ容量にならないことがあることがわかる。
また、短絡しているネットでは、少なくとも1つのネットの容量値は増加する。例えば、良品値が1pFの容量のネットAと、良品値が1pFのネットBとが短絡した場合、ネットA、ネットBの容量C1及びC2はともに2pFとなり、ネットA、ネットBともに100%増加することになる(2つのネットの測定値が増加)。しかしながら、良品値が100pFの容量のネットAと、良品値が1pFのネットBとが短絡した場合、ネットA、ネットBの容量C1及びC2はともに101pFとなる。C2の増加率は10000%と大幅に増加する反面、C1の増加率は1%に過ぎない。製造上のばらつきで容量自体の誤差が数%程度あることもあり、1%程度の増加では増加したと判定することはできない(1つのネットのみ測定値が増加)。
上記の内容をもとに、測定値と良品値が全てのネットに対して同じあればプリント配線板を良品と判定し、検査を終了する(ステップ105)。
一方、測定値と良品値とが異なるネットが1つでもある場合は、ネット間に短絡があると判定して、ステップ106へ進む。
ステップ106において、ネット間に短絡がある場合には測定値が大きく増加しているネットが少なくとも1つはあるため、測定値が増加しているネットを短絡ネットと判定する。また、短絡しているネット同士は同じ容量になるため、測定値が増加したネットと同じ容量を持つネットを短絡候補として抽出する(イ)。高抵抗短絡がある場合でも同じ容量値を持つ場合があるので、測定値が増加したネットと同じ容量を持つネットを高抵抗短絡の候補として抽出する(ロ)。
また、容量が大きく増加したネットがあるにも関わらず、同じ容量のネットが存在しない場合、高抵抗短絡があるということは判断できるが、どのネットとどのネットが高抵抗短絡しているかが不明なので、高抵抗短絡しているネットの候補の絞り込みを行う(ステップ107)(ハ)。高抵抗短絡しているネットの候補の絞り込みは、次のように行う。
図3のモデルを考えるが、説明の都合上、ネットAの容量がネットBの容量より大きいとすると、ネットBより小さな容量が測定されたネットは、ネットBに与える容量の変化が小さいため、ネットBの容量より小さな容量が測定されたネットは高抵抗短絡している候補から除外することできる(A)。また、ネットBの良品値と同等の値を持つネットであればそのネットの容量も大きく変化するため、ネットBの良品値と同じ値を持つネットは高抵抗短絡している候補から除外することができる(B)。さらに、図6から、高抵抗短絡しているネットの容量が大きければ、大きいほどネットBの変化率は大きくなるので、あらかじめ設定しておいた閾値及び式(3)を用いて候補を絞り込む(C)。
例えば、絶縁不良の閾値を15MΩ、すなわちR12=15MΩに設定し、ネットBの良品値が10pF、ネットBの測定値が22.5pFであった場合、条件(A)から測定値が10pFより小さな容量のネットは高抵抗短絡している候補から除外することができる。また、条件(B)から測定値が10pFの容量のネットは高抵抗短絡している候補から除外することができる。さらに条件(C)から約150pF未満のネットは高抵抗短絡している候補から除外することができる。図8からも、C1=22.5pFの時のC2の値は約150pFであることが読み取ることができる。なお、図8は、良品値が10pFのネットが15MΩで他のネットと短絡した場合の短絡した2つのネットの容量の関係を示すグラフである。
よって、条件(A)または、条件(B)または、条件(C)に当てはまるネットは高抵抗短絡している候補から除外することができるので、150pF以上の容量を持つネットを高抵抗短絡しているネットの候補とすることができる。
よって、最終的に、(イ)または(ロ)または(ハ)の条件に当てはまるネットを短絡もしくは高抵抗短絡しているネットの候補として抽出することができる。短絡もしくは高抵抗短絡しているネットの候補の抽出が完了したら、短絡している可能性があるネット上の検査点に1つのプローブを接触させ、もう一方のプローブを他のネットに接触させた後、前記プローブ間の抵抗値を測定する(ステップ108)。あらかじめ設定された閾値より小さな抵抗値を示すネット間を、短絡しているネットとして全て特定後、不良品と判定し(ステップ109)、検査を終了する。
なお、上記の各ステップは、図1に示す本実施の形態によるプリント配線板検査装置により、自動的に実施することが可能である。すなわち、CPU、RAMなどを含む制御部9が、上記各ステップを実行するソフトウェア又はハードウェアを備え、移動機構部6、測定部7等を制御して、上記各ステップを実行する。各ステップにおける、良品値、測定値、閾値、設定値などのデータは、記憶部8に記憶される。なお、制御部9が実行するソフトウェアは、記憶部8に記憶するようにしてもよい。
したがって、本実施の形態によるプリント配線板の検査装置及び検査方法によれば、ネットの容量の大小に関係なく、短絡ネットの発見・特定をすることが可能である。また、ネット間の高抵抗短絡についても、発見・特定が可能である。
以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
本発明は、プリント配線板の検査に利用することができる。
1 プローブ
2 プローブ支持部
3 プリント配線板
4a、4b、4c、4d、4e、4f、4g プリント配線板上の回路(ネット)
5 基準面
6 移動機構部
7 測定部
8 記憶部
9 制御部

Claims (10)

  1. 検査対象のプリント配線板のネットに接触するための第1及び第2のプローブと、
    前記第1又は第2のプローブを介して前記プリント配線板のネットに矩形パルス電圧を印加し、前記ネットの電圧の過渡特性及び前記ネット間の抵抗値を測定する測定手段と、
    前記測定手段で測定した値を記憶する記憶手段とを有し、
    前記プリント配線板の基準面に前記第1のプローブを接触させ、前記プリント配線板のネットに前記第2のプローブを接触させ、前記第2のプローブを介して前記ネットに矩形パルス電圧を印加し、前記ネットの電圧の過渡特性を測定し、
    前記プリント配線板のすべてのネットについて前記測定を行い、その値を前記記憶手段に記憶し、
    予め測定した良品の測定値と、前記測定した測定値とを比較し、
    前記比較の結果、1つでも差がある場合は、短絡ネットの特定を行い、
    前記特定された短絡ネットのそれぞれに前記第1及び第2のプローブを接触させ、前記短絡ネット間の抵抗値を測定し、
    前記測定した抵抗値と基準値とを比較することを特徴とするプリント配線板の検査装置。
  2. 前記短絡ネットの特定において、
    前記測定した測定値が増加しているネットを短絡ネットと判定することを特徴とする請求項1記載のプリント配線板の検査装置。
  3. 前記短絡ネットの特定において、
    前記測定した測定値が増加しているネットと同じ容量を持つネットを短絡候補として抽出することを特徴とする請求項2記載のプリント配線板の検査装置。
  4. 前記短絡ネットの特定において、
    前記測定した測定値が増加しているネットと同じ測定値を持つネットを高抵抗短絡の候補として抽出することを特徴とする請求項2記載のプリント配線板の検査装置。
  5. 前記短絡ネットの特定において、
    前記測定した測定値が増加しているネットと同じ測定値を持つネットが存在しない場合、前記ネットの測定値より小さな測定値が測定されたネットと、前記ネットの良品の測定値と同じ値を持つネットとを除外して、高抵抗短絡ネットの候補の絞込みを行うことを特徴とする請求項2記載のプリント配線板の検査装置。
  6. 検査対象のプリント配線板の基準面に第1のプローブを接触させ、前記プリント配線板のネットに第2のプローブを接触させ、前記第2のプローブを介して前記ネットに矩形パルス電圧を印加し、前記ネットの電圧の過渡特性を測定するステップと、
    前記プリント配線板のすべてのネットについて前記測定を行い、その値を記憶手段に記憶するステップと、
    予め測定した良品の測定値と、前記測定した測定値とを比較するステップと、
    前記比較の結果、1つでも差がある場合は、短絡ネットの特定を行うステップと、
    前記特定された短絡ネットのそれぞれに前記第1及び第2のプローブを接触させ、前記短絡ネット間の抵抗値を測定するステップと、
    前記測定した抵抗値と基準値とを比較するステップとを有することを特徴とするプリント配線板の検査方法。
  7. 前記短絡ネットの特定において、
    前記測定した測定値が増加しているネットを短絡ネットと判定することを特徴とする請求項6記載のプリント配線板の検査方法。
  8. 前記短絡ネットの特定において、
    前記測定した測定値が増加しているネットと同じ測定値を持つネットを短絡候補として抽出することを特徴とする請求項7記載のプリント配線板の検査方法。
  9. 前記短絡ネットの特定において、
    前記測定した測定値が増加しているネットと同じ測定値を持つネットを高抵抗短絡の候補として抽出することを特徴とする請求項7記載のプリント配線板の検査方法。
  10. 前記短絡ネットの特定において、
    前記測定した測定値が増加しているネットと同じ測定値を持つネットが存在しない場合、前記ネットの測定値より小さな測定値が測定されたネットと、前記ネットの良品の測定値と同じ値を持つネットとを除外して、高抵抗短絡ネットの候補の絞込みを行うことを特徴とする請求項7記載のプリント配線板の検査方法。
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