JP3795071B2 - プリント回路板テスタ - Google Patents

Description

背景
発明の分野
この出願は、広くは電子テスト装置に関し、更に詳しくは、稠密な（ｐｏｐｕｌａｔｅｄ）プリント回路板に製造上の欠陥がないかを試験する装置に関する。
従来技術の説明
プリント回路板の製造とそれに続く処理の間に、望ましくないオープン回路や短絡回路などの欠陥が、回路経路や電子素子又はそれらの間に生じ得る。製造上の品質管理と維持管理との両方の目的で、プリント回路板の自動化された試験を行うことが必要である。
表面搭載技術の使用が増加し、集積回路とプリント回路板とが更に複雑になりより高い周波数で動作するようになっているために、プリント回路板の試験は、ますます困難になっている。プリント回路板の自動試験のための従来の技術は、信号をテスト・ピンの組を介して印加し、他のテスト・ピン上で出力信号を測定することを含む。「機能試験」は、プリント回路板を付勢し、入力信号の予め選択した組を印加し、試験対象となっているプリント回路板上の回路が適切な出力信号を発生するかどうかを判断することによって行われ得る。これとは別に、プリント回路板は、金属製のトレースを試験対象であるプリント回路板上に接触させるピンを有し、選択された入力信号がプリント回路板上の種々のノードに印加され、対応する出力信号をプリント回路板の他のノードにおいて測定する、というネイル・ベッド型（ｂｅｄ−ｏｆ−ｎａｉｌ）のテスタでも試験できる。従来のネイル・ベッド型の試験は、試験対象であるプリント回路板上に設置された回路の機能が既知であり、それにより、テスト・ルーチンが、対象となる回路を分離し、適切なノードに入力信号を印加し、他のノードから受け取られるべき信号を発生するように書き込まれ得ることが要求される。
１つの別のプリント回路板試験方法が、１９９３年６月８日にＳｏｉｆｅｒｍａｎに発行された米国特許第５２１８２９４号に記載されている。このＳｏｉｆｅｒｍａｎ特許には、プリント回路板を、そのプリント回路板の電力線及び接地線を介して交流信号を用いて駆動し、次に、試験対象であるプリント回路板に近接する付近の電磁界分布を非接触的に測定することが開示されている。試験対象であるプリント回路板の電磁気的な「指標」（ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）が、既知の正常な回路の電磁気的な指標と比較されて、試験しているプリント回路板に欠陥があるかどうかが判断される。
プリント回路板試験への別のアプローチが、１９９２年６月２３日にＣｉｌｉｎｇｉｒｏｇｌｕに発行された米国特許第５１２４６６０号に開示されている。この特許には、半導体素子の入力及び出力リード線がプリント回路板に適切に接続されているかどうかを判断するシステムが開示されている。このシステムは、プリント回路板上に設置されている集積回路パッケージの頂部に置かれた金属製電極に接続された振動子を含む。ネイル・ベッド型のプローブ・ピンが電流測定装置に接続され、このピンは、また、試験している素子のリード線にハンダ付けされていると考えられるプリント回路板の配線トレースにも接続される。振動子信号は、集積回路パッケージの頂部の金属製電極から集積回路パッケージを介して試験しているリード線に、容量的に結合される。試験しているリード線がプリント回路板に適切に接続されていれば、電流が、プリント回路板上の適切なトレースで測定され得る。
Ｃｉｌｉｎｇｉｒｏｇｌｕ特許に記載されているアプローチには、複数の欠点がある。第１に、試験信号は導体の間にある小さいが性能を失わせるようなギャップを亘って容量的に結合してしまうので、このアプローチでは、素子または接続における毛髪ほどのひび割れを検出できない。第２に、このアプローチでは、素子のピンとＰＣボードのトレースとの間の接続を試験するだけであって、ボンディング・ワイヤ接続が欠けている又は欠陥があることによって生じ得る集積回路自体とパッケージから延長するピンとの間などの素子内部的な接続はいずれも試験しない。第３に、このアプローチでは、素子の任意のピンがＰＣボード上のノードに接続されているかどうかだけを試験するのであり、素子がＰＣボードに正しい方向に挿入されているかどうかに関しては全く指示を与えない。最後に、このアプローチは、集積回路のリード・フレームと金属電極との間の容量性の結合に依存しているので、集積回路の内部又はその上の接地面又は金属製の放熱器の存在により、信頼できる結果が得られない可能性がある。
Ｃｒｏｏｋ他への米国特許第５２５４９５３号は、同じ被譲渡人が有しており、同様に、容量性結合を用いてオープン回路を検出する技術に関する。Ｃｒｏｏｋ特許では、信号は、プリント回路板上のトレースに接触するプローブを介して、試験対象のピンに導かれる。導電性の電極が、試験されている素子の上に配置され、電流測定デバイスに接続される。その部分がプリント回路板に適切に接続されている場合には、信号は、電流測定デバイスに容量的に結合される。結合された信号の検出によって、ピンとプリント回路板との間の正しい接続が指示される。
Ｇｏｕｌｅｔｔｅ他に１９８９年５月９日に発行された米国特許第４８２９２３８号は、プリント回路板からの電磁気的な放出をその回路板を電磁気的放射測定プローブのアレーに隣接するように配置されている間に付勢することによって、モニタすることを開示している。この米国特許出願からの分割出願が、１９９１年４月９日に、Ｇｏｕｌｅｔｔｅ他に対して発行されている。これらのＧｏｕｌｅｔｔｅ特許は、回路板からの放射する電磁気的な放出を測定することに関するものであり、これは、第一義的には、回路板又はその上に設置された素子が発生する電磁気的な干渉を除去又はモニタするためものである。Ｇｏｕｌｅｔｔｅのアプローチは、電磁気的な放射のレベルに結果的に干渉しない製造上の欠陥に関してプリント回路板を試験することには関するものではない。Ｇｏｕｌｅｔｔｅにおいて引用されているように、望ましくない放射性放出（ｒａｄｉａｔｉｎｇ ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ）に関してプリント回路板を試験することに関する特許は、他にも多数がある。
稠密なプリント回路板における欠陥を有する接続を求めて試験を行う別のアプローチは、Ｗｉｌｌｉａｍｓｏｎ，Ｊｒへの米国特許第４７７９０４１号に記載されている。この特許には、２つのプローブが集積回路のリード線に接続されていると考えられるプリント回路板のトレースに接続される試験方法が記載されている。これらのリード線がＰＣボードに適切に接続されている場合には、電流を１つのリード線の中に加え、リード線とグランドとの間のチップの基板において形成される寄生ダイオードを順バイアスする。第２に、更に大きな電流パルスが、次に第２のリード線に加えられる。両方のリード線がプリント回路板に接続されていれば、第２の電流の流れによって、基板の内在的な抵抗の両端で測定可能な電圧降下が生じる。よって、第２の電流パルスに応答する電圧の変化は、その素子がＰＣボードに適切に接続されていることを示す傾向を有する。この技術は、集積回路内の複数のリード線からグランドヘの経路における共通のインピーダンスの存在に依存する。この共通のインピーダンスは常に存在するとは限らない。このようなインピーダンスが存在する場合には、それは通常非常に低く、測定可能な電圧差を生じさせるためには比較的大きな電流を回路に与えなければならない。ある状況下では、そのような大きな電流は感度の高い集積回路チップを損傷する可能性がある。
よって、プリント回路板の上に設置された素子のすべてのリード線が回路板に適切に接続されている（例えば、ハンダ付けされている）かどうかを判断するデバイス及び方法に対する必要性が、この技術分野において存在している。更に、機能的な試験ベクトルの発生を必要とせず、ＰＣボード上で隣接する素子をバックドライブする又はそうでなければ孤立させる必要のないようなデバイスが必要とされている。また更に、デバイスのリード線とグランドとの間の共通のインピーダンスの存在に依存せず、集積回路に対して望ましくない大きな電流を与える必要がなく、試験されている回路板がその試験の最中に機能している又は付勢されていることを要求しないテスタが必要とされている。また更に、頻繁に間違った読み取りを回避するのに十分なＳＮ比で動作し、試験している回路板に隣接してセンサを配置する際に正確で複雑な固定手順を必要としないようなシステムが、この技術分野で必要とされている。また、ＰＣボードの上に設置された素子が電磁気的なシールドを含む場合でも、また、故障が毛髪ほどのひび割れでも故障を検出できるシステムが必要とされている。
発明の概要
本発明は、従来技術における多数の短所に解決を与える。本発明は、稠密なプリント回路板（以下では、ＰＣボードと称する）上の欠陥を有する接続を検出する正確な方法を提供する。本発明は、また、ＰＣボードと電磁界遮蔽（シールド）を有する集積回路チップとの間の誤接続を検出できるテスタを提供する。また、本発明は、ＰＣボード上に設置された集積回路素子内の接続の連続性を試験できるテスタを提供する。
以上の及びその他の利点は、好適実施例においては、集積回路チップで稠密なプリント回路板を受け取るネイル・ベッド型の固定装置を有するテスタによって与えられる。ネイル・ベッド型の固定装置は、直流バイアス源とＲＦ（無線周波数）電圧センサとを試験対象のＰＣボードに接続する。磁界を放射するアンテナがＰＣボードの上に配置される。動作においては、直流バイアス源が、集積回路チップの一部として内在的に形成されるいわゆる「寄生ダイオード」を順方向にバイアスする。正しく組み立てられたボードでは、順方向にバイアスされたダイオードは、集積回路素子の選択されたピンとグランドとの間の導電性のループを完成する。アンテナは、ＲＦ源によって付勢されたときには、チップの近傍に磁界を発生させ、これが、導電性のループ内にＲＦ電圧を誘導する。ネイル・ベッド型の試験固定装置を介して試験対象のボードに接続された電圧センサは、これらのＲＦ電圧を感知・分析して、プリント回路板が正しく組み立てられているかどうかを判断し、特に、集積回路上の選択された端子がＰＣボードに接続されているかどうかを判断する。
本発明のある実施例によれば、アンテナは、試験されているＰＣボードのすべて又は一部を覆うアレー・アンテナである。アレー・アンテナは、任意の与えられた時刻において、試験されている選択された集積回路チップに近接する選択されたアンテナ要素だけが付勢されるように制御される。
ある実施例では、磁界の特性を変更し集積回路チップとプリント回路板との内部へのその浸透を制御するような測度が用いられる。ある実施例では、アンテナ・アレー要素に与えられる信号は位相シフトされている。別の実施例では、アンテナは、接地面によって背面を支えられ（ｂａｃｋｅｄ）るが、この接地面の位置は、アンテナが生じさせる磁界の形状を選択的に制御するように選択され得る。本発明のこれらの及びこれ以外の効果は、図面と以下の詳細な説明とから更に理解されるはずである。
【図面の簡単な説明】
本発明のここで説明された効果及び特徴が、それ以外の後に明らかになるものに加えて詳細に得られ理解されるように、既に上で要約を述べた本発明の更に詳細な説明が、添付の図面において図解される実施例を参照することによって与えられる。これらの図面は、この明細書の一部を構成するものである。
しかし、添付の図面は単に本発明の例示的な実施例を図解するものであり、従って、その範囲を制限するものであることは意図されていない。その理由は、本発明は、これ以外の等しく有効か実施例をも許容するものであるからである。
図１は、本発明によるテスタの簡略化された回路図である。
図２は、アンテナ・アレーの好適実施例の平面図である。
図３は、本発明による試験方法を示すフローチャートである。
図４は、本発明の動作原理を図解する簡略化された回路図である。
図５は、本発明の別の実施例を図解しており、信号が回路板のトレースに印加され、結果として生じる磁界がセンサ・アレーを用いて測定される。
好適実施例の詳細な説明
図１は、本発明に従って試験されているプリント回路板（ＰＣＢ）１００を示す。ＰＣＢ１００は、多数の集積回路（ＩＣ）チップ１０２が密集している（稠密な状態：ｐｏｐｕｌａｔｅｄ）。それぞれのＩＣチップ１０２は、正しく組み立てられたボード内にありＰＣＢ１００上の導電性トレースにハンダ付けされているリード線（参照番号なし）を含む。集積回路以外の素子の接続は、本明細書において開示される原理を用いて試験され得る。しかし、説明を簡単にするために、これらの素子とＩＣチップとのすべては、ここでは、集合的に、「ＩＣ」又は「ＩＣチップ」と称する。
ＰＣＢ１００は、「ネイル・ベッド」（ｂｅｄ−ｏｆ−ｎａｉｌ）１０６を含む固定装置（ｆｉｘｔｕｒｅ、図示せず）内に保持されている。従来のテスタと同様に、ＰＣＢ１００は、接触ピン（すなわち、ネイル）がＰＣＢ１００上の導電性トレース（図示せず）と電気的に接触するように、ネイル・ベッド１０６と接触して保持される。
関心対象のネイル１０６は、選択装置１０８に接続される。選択装置１０８は、ネイル１０６の中の選択されたものを複数の出力１１０の中の任意のものに接続できるスイッチの集合である。ここでは、出力１１０は、直流バイアス源１１２Ａ、１１２Ｂ、グランド１１０Ｃ、及び受信機１１４に接続される。
直流バイアス源１１２Ａ、１１２Ｂは、好ましくは１ｍＡから１０ｍＡの範囲で動作する直流電流源である。受信機１１４は、その入力端子での電圧差を感知する差動アナログ受信機である。ここでは、受信機１１４は、ＲＦ源１２２が生じる範囲の周波数に対して感度を有するように選択される。ノイズをより良く逃れるために、受信機１１４は、好ましくは、ＲＦ源１２２と同調し同期がとられている。受信機１１４は、好ましくは、少なくとも数マイクロボルトの感度を有し、ＲＦ周波数でおよそ１０ｍＶまでの信号レベルまで扱うことができる。それは、好ましくは、コントローラ１２４が選択装置１０８を設定するのに要する時間である典型的にはおよそ１ｍｓｅｃよりも短い時間で出力値を生じるのに適した帯域幅を有する。標準的なＡＭラジオ技術において典型的に用いられる低ノイズで高い帯域幅の演算増幅器が適切である。
この開示で用いられる「ＲＦ周波数」の語は、特定の周波数範囲を指すことを意図していないが、当業者には周知の概念である。本発明の原理を用いる効果的な実施例は、他の周波数でも動作するように構成され得る。
出力１１０Ｃは、接地されているが、これは、ここではＰＣＢ１００に対する基準電圧であるが、必ずしも、試験に用いられる任意のアナログ信号に対する基準電圧ではない。
受信機１１４は、コンデンサ１１６Ａ、１１６Ｂを介して、選択された出力１１０に結合されている。受信機１１４の入力は、直流バイアス源１１２Ａ、１１２Ｂと同じ出力１１０に結合されている。しかし、コンデンサ１１６Ａ、１１６Ｂは、直流バイアス源１１２Ａ、１１２Ｂからの直流信号が受信機１１４に達することをブロックし、ＲＦ信号が通過するのは許容する。
アンテナ１０４は、ＰＣＢ１００の上に置かれる。アンテナ１０４は、好ましくは、ＰＣＢ１００に平行な磁界成分を有するＲＦ信号を放射するように構成される。アンテナ１０４は、ＰＣＢ１００又はＩＣチップ１０２とは、直接には電気的に接触してはならない。しかし、アンテナ１０４は、ＩＣチップ１０２に接近してもかまわないし、絶縁が提供されるのであれば、その上に載せてもかまわない。
接地面１２６は、アンテナ１０４の背後に設置される。接地面１２６は、アンテナ１０４が発生する遠方界放射パターンを削減する。接地面１２６とアンテナ１０４との間の離間は、十分な信号がチップ１０２の中へ放射する程度には大きく、過剰なエネルギがＰＣＢ１００上のトレースの中に放射することがない程度に小さいように選択される。好適実施例では、接地面１２６とアンテナ１０４との間の離間は、約６０ミル（ｍｉｌｓ）である。
アンテナ１０４は、ＲＦ源１２２によって駆動される。好適実施例では、アンテナ１０４は、要素（素子）の二次元アレーから構成されるアレー・アンテナである（図２）。アナログ源１２２は、アンテナ選択装置１１８を介して個々のアンテナ要素に接続される。アンテナ選択装置１１８は、アナログ・スイッチの列（バンク）であり、アナログ源１２２が種々のアンテナ要素に接続されることを許容する。特定のＩＣ１０２のリード線に関するオープン回路の故障を試験する際には、そのＩＣの上に位置するアンテナ要素がＲＦアナログ源１２２によって電力を供給されることが必要なだけである。他のＩＣの上に位置するアンテナ要素には電力が供給されておらずＰＣＢ１００上の漂遊（ｓｔｒａｙ）信号を削減することが通常は好ましい。従って、アンテナ選択装置１１８は、好ましくは、ＲＦアナログ源１２２を、試験されているＩＣの上のアンテナ要素の選択されたグループに接続する。
アンテナ１０４は、ＰＣＢ１００の全面積を完全にカバーするアンテナ要素のアレーである。このようなアンテナは、任意のプリント回路板を試験するのに使用できるが、多くのアンテナ要素に接続するには、アンテナ選択装置１１８を必要とする。また、アンテナ１０４は、特定のプリント回路板を試験するように配置されたクラスタから構成される。ここで、各クラスタは、１つのＩＣ１０２の上に配置される。各クラスタにおけるすべての要素は同時にＲＦ源１２２によって電力を供給されるので、アンテナ選択装置１１８は単純化されるが、アンテナ要素のクラスタは、異なるプリント回路板が試験される際には、異なって配置されなければならない。
アンテナ１０４は、任意の従来の態様で設置される。ボード・テスタにおける固定装置では、「オーバ・クランプ（ｏｖｅｒ ｃｌａｍｐ）」（図示せず）と呼ばれるデバイスがよく用いられる。オーバ・クランプは、試験されているＰＣＢの上に置かれ、アンテナ１０４に対して便利な設置点を与える。オプションで、アンテナ１０４とオーバ・クランプとの間に、コンプライアント・スペーサ（ｃｏｍｐｌｉａｎｔ ｓｐａｃｅｒ）（図示せず）を挿入し、厳格な製造上の公差を課することなくアンテナ１０４をＰＣＢ１００に近接して設置することを容易にすることができる。コンプライアント・スペーサには、フォーム・ラバーやそれ以外のコンプライアント材料を用いることができる。アンテナ１０４がアンテナ要素のクラスタとして実現されている場合には、各クラスタは、コンプライアント・スペーサを用いて、別々にオーバ・クランプの上に設置し得る。
ＲＦアナログ周波数源１２２は、ＡＭラジオシステムにおいて用いられるような従来のハードウェアを用いて実現される。ＲＦアナログ源は、好ましくは、少なくとも１００ｍＷを５０Ωの中に運ぶ。ＲＦ源１２２によって提供される信号は、好ましくは、１から２ＭＨｚの範囲の周波数を有するが、この実施例では、１．６ＭＨｚが最も好適である。この周波数範囲は、ほとんどのＰＣＢに対して適切であるために見いだされる妥協を表す。好適な範囲よりも低い周波数に対しては、ＰＣＢ上のすべてのトレースに対して多くの信号が結合され過ぎて、特定のリード線によって提供される信号の正確な測定を困難にする。選択装置１０８は、チャンネルの間のクロストークのために、２ＭＨｚより上の信号は、正確に扱うことができない。しかし、周波数と信号レベルとの選択は、本発明にとって重要性をもたず、設計上の選択事項として解決され得る実際上の実現での詳細によって決定される。より低い周波数は、シールドされているＰＣＢの試験に関してより良い結果を与え得る。他方で、より高い周波数の信号は、選択装置１０８がより高い帯域幅を有する場合には、又は、ＲＦ信号が選択装置を通過することなくＰＣＢ１００上で検出される実施例においては、より良い結果を与える。
アンテナ選択装置１１８は、従来のＲＦスイッチング回路を用いて実現され得る。単純な実現は、ダイオードの列（バンク）から成る。それぞれのダイオードは、一方の端部がＲＦ源１２２に結合される。それぞれのダイオードの出力は、別のアンテナ要素、又は、選択されるアンテナ・クラスタに至る。ＲＦ源１２２と選択されたアンテナ要素との間は、ＲＦ源１２２をその要素に接続しているダイオードを順方向にバイアスすることによって、接続される。よって、アンテナ選択装置１１８への制御入力は、選択されたダイオードを順方向にバイアスする信号である。ダイオードを順方向にバイアスするのに必要な直流信号は、ブロッキング・コンデンサによって、濾波され除かれ得る。
受信機１１４の出力と、選択装置１０８への制御入力と、アンテナ選択装置１１８への制御入力とは、コントローラ１２４に接続される。コントローラ１２４は、好ましくは、ここで説明されるように試験シーケンスを実行するようにプログラムされたマイクロプロセッサ、又は、それ以外の計算素子を含む。
本発明のプリント回路板テスタは、この技術分野で知られているネイル・ベッド型の回路板テスタと共に用いられることが意図されている。ネイル・ベッド１０６、選択装置１０８、直流バイアス源１１２Ａ、１１２Ｂ、及びコントローラ１２４は、すべてが、ネイル・ベッド型の回路板テスタにおいて普通に見られる部品である。更に、ネイル・ベッド型のテスタは、従来は、コンピュータ制御の下に直流バイアス信号を発生できるチャンネルであってアンテナ選択装置１１８への制御接続が容易に実現できて受信機１１４の出力がテスタ内のコントローラに容易に接続可能であるように信号を受信できるチャンネルを含む。１つの適切なプリント回路板テスタの例としては、テラダイン（Ｔｅｒａｄｙｎｅ）社のモデルＺ１８００のボード試験システムがある。
ノイズに対する防護性を向上させるには、ＲＦ源１２２や受信機１１４などのＲＦ素子がボード試験システムにおける他の素子からシールドされた別個の電気的エンクロージャ内に位置することが好ましい。接続の複雑性を削減するには、アンテナ選択装置１１８は、ＰＣＢ１００とアンテナ１０４とを保持する固定装置の中に組み入れることができる。ＲＦ源１２２とアンテナ選択装置１１８との間の接続は、クイック・ディスコネクト・プラグを有しシールドされた５０Ωのケーブルによってなされ得る。標準的な設計慣行を用いて、他のＲＦ接続のためにケーブルを選択できる。
次に図２を参照すると、アンテナ１０４におけるアンテナ要素のクラスタ２００が更に詳細に示されている。ここでは、スパイラル・アンテナ要素２０２、２０４のアレーが用いられている。アンテナ要素２０２、２０４は、プリント回路板上でトレースが製造されるのと同じ方法で、誘電性のボード上に導電性のトレースを印刷することによって製造される。
現在の好適実施例では、４層のプリント回路板が用いられる。頂部の層（図示せず）の上には、アンテナヘの信号接続がなされるように、接続パッドが印刷される。以下で説明するように、あるアンテナに印加される信号は、位相シフトされ得る。位相シフトを生じさせるために用いられる容量性の要素もまた、頂部の層に接続される。第２の層（図示せず）は、接地され接地面１２６（図１）として機能する仮想的にソリッドな導体を含む。第３の層（図示せず）は、スパイラル・アンテナ要素２０２、２０４を相互接続するのに用いられるトレースを含む。第４の層は、図解されているアンテナ要素を含む。４つの層全体は、バイア・ホール２０６によって相互に接続されており、これは、プリント回路板技術では、広く知られている。
第４の層は、スパイラル・アンテナ要素２０２、２０４を含むが、これらは、寸法Ｗ×Ｌを有するパターンで配置されている。これらの寸法は、クラスタ２００がその上に設置されているＩＣ１０２（図１）の寸法にほぼ一致するように選択されている。それぞれのスパイラル・アンテナ要素２０２、２０４は、およそ４分の１インチの直径Ｄを有している。この寸法は、放射される磁界がＰＣＢ１００の中に浸透する深度を制御するように選択され得る。寸法をこれより小さくすれば、その結果として、浸透は小さくなる。
好適実施例では、隣接するアンテナ要素が９０度進んだ位相を有し、各クラスタ２００が４の倍数である数のアンテナ要素を含むことが望ましい。図２に示されたクラスタは、１２のアンテナ要素を含む。このようにして、ＰＣＢ１００（図１）に平行な近くの磁界は最大化され、遠くの放射は最小化されるが、これは、それぞれが９０度位相のずれた４つの要素が、遠くの磁界では打ち消しあうからである。説明された構造によって生じる近くの磁界の放射は、ＰＣＢ１００上に測定可能な電圧を誘導するのに十分であり、他方で、スプリアスな信号又はノイズを生じ得る遠方界放射は最小化される。
アンテナ要素の間に所望の位相差を提供するには、アンテナ要素は、１つおきのアンテナ要素が同じグループになるように、２つのグループに分割される。第１のグループはアンテナ要素２０２を含み、第２のグループはアンテナ要素２０４を含む。アンテナ要素２０２の第１のグループは、信号源（図１）１２２からの信号に直接に接続される。アンテナ要素２０４の第２のグループは、９０度の位相シフトを導く容量性の位相シフト・ネットワークを介して信号源に接続される。
それぞれのスパイラル・アンテナ要素の位相が９０度進むことを保証するために、それぞれのグループ内の隣接するスパイラル要素は、１８０度だけ位相がずれていなければならない。隣接する要素の間の１８０度の位相シフトは、それぞれのグループにおいてアンテナ要素を適切に相互接続することによって提供される。
電流が適切な位相関係を有することを保証するのに用いられる技術には２つある。隣接する要素は、その最も外側のトレースが、要素２０２Ａ、２０２Ｂの態様で相互接続され得る。この相互接続によって、電流は、スパイラル２０２Ａ、２０２Ｂでは、反対の方向に（すなわち、１８０度の位相のずれで）流れる。また、隣接するスパイラル・アンテナ要素は、反対の方向に巻かれている場合には、１８０度の位相差を有する。例えば、スパイラル・アンテナ要素２０２Ｃは、反対時計回りのスパイラルであり、他方で、その隣接のスパイラル・アンテナ要素２０２Ｄは時計回りのスパイラルである。
第２のグループのアンテナ要素２０４は、第１のグループのアンテナ要素と同じ位相関係を有するが、第１のグループのアンテナ要素に与えるのに用いられる信号とは９０度位相のずれた信号が与えられる。第２のグループでも、隣接する要素２０４の間で１８０度の位相差を与えるのには、同じ技術が用いられる。９０度の位相シフトを有する信号が、信号源１２２（図１）からの信号をこの技術分野で広く知られている容量性のネットワーク（図示せず）を通過させることにより提供される。
図３は、好適実施例において、コントローラ１２４によって実現される試験プログラムのフローチャートを示す。ステップ３０２では、ＩＣチップ１０２の１つのリード線が、試験のために選択される。ネイル・ベッド型のテスタにおいて通常であるように、試験技術者は試験しているプリント回路板の設計とＰＣＢ１００上の集積回路のリード線と関係のあるネイル・ベッド型の接触ピンの配置とを知っている。選択を実現するために、コントローラ１２４は、制御信号を選択装置１０８に送り、選択されたピン１０６を受信機１１４の正の入力に接続する。選択されたピンは、試験対象のリード線が接続されることが意図されている回路板のトレースに接触するものである。
ステップ３０４では、コントローラ１２４は、基準信号を与えるピン１０６の中から１つを選択する。プリント回路板は、通常は、別個のネットワークの中に相互接続される多数のトレースを含む。基準に対して選択されたピン１０６は、ステップ３０２で選択されたリード線とは別のネットワークに接続された任意のピンであり得る。
ステップ３０６では、コントローラ１２４は、制御信号をアンテナ選択装置１１８に送る。これらの制御信号に応答して、アンテナ選択装置１１８は、ＲＦアナログ源１２２をアンテナ１０４の要素のサブアレーに接続する。サブアレーは、試験のために選択されたＩＣチップ１０２の上のクラスタとして選択される。サブアレーは、好ましくは、４の倍数個の隣接するアンテナ要素を含む。上述のように、隣接するアンテナ要素は、それぞれの隣接する要素に対して９０度だけ位相シフトされた信号によって駆動される。信号の重畳によって遠方界ではゼロまで低下する磁界が生じる。しかし、近傍界では、磁界は、好ましくは、サブアレーの下では、「デッド・スポット」をもたない。
ステップ３０８では、受信機１１４の出力は、コントローラ１２４によって感知される。試験されているＩＣにおいて誘導されるＲＦ信号を測定するには、ＲＦアナログ源１２２と直流バイアス源１１２Ａ、１１２Ｂとがオンされることが必要である。また、回路板のグランドを確立する出力１１０Ｃが、好ましくはネイル・ベッド型の固定装置のピンを介して、接地されたＰＣＢ１００上のネットワークに接続されることが必要である。このＲＦ信号の測定は、素子のリード線とＰＣＢ１００との間の接続を含む２つの導電性ループにおいて誘導された電圧の差を反映する。
本発明の動作原理は、図４において更に明瞭に図解されており、ここでは、寄生ダイオードを順方向にバイアスすることによって形成される導電性のループが示されている。選択装置１０８とピン１０６とによって作られる接続を通って、ループＬ２は、テスタのグランドに接続された直流バイアス源１１２Ｂを含む。ループＬ２は、ＰＣＢ１００上に位置する構造によって完成する。ＰＣＢ１００上のループの部分は、ピン１０６Ｂの中の１つと、試験されているチップ１０２Ｂのリード線４０８Ｂと、チップ１０２Ｂの基板４０４Ｂ内に内在的に形成されチップ１０２Ｂのすべてのリード線をチップ１０２Ｂ上のグランド・リード線４１２Ｂを介してＰＣＢ１００上のグランド・トレース４０６Ｃに接続する寄生ダイオード４１０Ｂと、に接続された導電性ループ４０６Ｂから構成される。グランド・トレースはピン１０６Ｃを介してテスタのグランドに接続されているので、ループは完成する。
しかし、電圧は、それが導電性ループである場合にだけ、このループ内に誘導される。導通するためには、ループ内のすべての要素は、電気的に接続されている、すなわち、オープン回路が存在してはならない。更に、寄生ダイオード４１０Ｂは、順方向にバイアスされなければならない。直流バイアス源１１２Ｂは、寄生ダイオード４１０Ｂを順バイアスする。従って、ループＬ２内のすべての要素が接続されれば、アンテナ１０４によって放射された磁界は、導電性ループを横切る。広く知られているように、導電性ループを横切るＲＦ磁界は、そのループにおいて電圧を誘導する。他方で、リード線４０８Ｂがトレース４０６Ｂに接続されていない場合には、ループＬ２は、２つの理由で導電性にならない。第１に、誤接続自体が、ループを切断する。第２に、オープン回路のために、直流バイアス電流が流れることができず、寄生ダイオード４１０Ｂは、順バイアスされず、導通しない。
ループが導通しない理由が２つあり得るという事実は、あるタイプの故障を検出する際に、非常に有益である。例えば、導電性経路における小さな切断は、小さなコンデンサとして機能し、ＲＦ信号に対しては導体に見える。ＲＦ信号はコンデンサを通過できるから、ループＬ２は、小さな切断が存在する場合でも、ＲＦ周波数では依然として導通する。結果として、容量性カップリング又はＲＦ刺激だけに依存するアプローチでは、検出され得ない故障がある。しかし、本発明は、寄生ダイオードを通る導電性ループの形成を要求し、ループが導通するにはループを流れる直流バイアス電流がなければならないので、たとえ小さな欠陥でも、導電性ループの形成を妨げ、誘導される電圧に大きな変化を生じさせる。
ループＬ１は、ループＬ２に非常に類似しており、基準ループとして機能する。ループＬ１は、リード線４０８Ａを介してＰＣＢ１００上のトレースに接続されているチップ１０２Ａ上の寄生ダイオード４１０Ａを順バイアスする直流バイアス源１１２Ａを含む。チップ１０２Ａは、試験されているチップ１０２Ｂから、従って、放射しているアンテナ１０４の部分から離間するように選択される。ループＬ１に誘導される電圧は、漂遊電磁気信号の結果として、導通するループに誘導される電圧のレベルを反映する。このように、それは、基準信号として受信機１１４に提供され、漂遊信号によって誘導されるループＬ２における任意の電圧の効果を少なくとも部分的に打ち消し合う。
図４においては、ＰＣＢ１００上の２つだけのチップとトレースの部分だけが説明を単純化するために示されている。本発明によれば、典型的には更に多くの素子を有する市販のプリント回路板の試験が可能である。素子とトレースとが少数であるのは、動作原理の図解を助けるためのものであり、本発明の範囲を制限することを意図してはいない。
図３に戻ると、試験方法の次のステップは、比較のステップ３１０である。このステップでは、コントローラ１２４（図１）が、受信機１１４によって測定された誘導電圧をスレショルドと比較する。電圧がスレショルドよりも高い場合には、高い信頼性をもって、ステップ３０２で試験のために選択されたリード線は、ＰＣＢ１００に適切に接続されているといえる。従って、プログラムの実行は、ステップ３１４に進む。逆に、測定された電圧がスレショルドよりも低い場合には、故障が存在し、プログラムの実行は、ステップ３１２に進む。
スレショルドとして選択された実際の電圧レベルは、源１２２の電圧レベル、ＰＣＢ１００からのアンテナの距離、源１２２の周波数、受信機１１４の感度、及び試験されているプリント回路板の特定の設計などの多くのファクタに依存する。従って、所望のスレショルドは、正しく組み立てられていることが分かっているプリント回路板上の電圧レベルを測定することによって設計上の選択事項として決定される。この好適実施例では、およそ５０μＶのスレショルドが用いられる。
ステップ３１２では、故障が生じたという情報が処理される。受信された電圧がスレショルドよりも低いときには、最も蓋然性の高い原因は、試験のために選択されたリード線がＰＣＢ１００に適切に接続されていないことである。その最も単純な形態では、ステップ３１２は、単に、どのリード線に故障があるかを指示する情報を、コンピュータのファイルの中に記憶する。このファイルは、人間であるオペレータによって読み出され、故障を含むボードを直すのに用いられる。故障処理の更に複雑な形態も、これとは別に、行われ得る。例えば、ＰＣＢ１００のピクチャをコンピュータの画面上に表示して、故障箇所をハイライト（強調）することもできる。故障情報の処理及び表示方法は、本発明にとって重要ではなく、任意の便利な方法を用いてよい。
プログラムの実行はステップ３１４に進む。ステップ３１４では、試験されるべきリード線が更に残っているかどうかが判断される。すべてのリード線が試験されてしまったときには、プログラムは終了する。試験すべきリード線がまだある場合には、プログラムは、ステップ３０２に戻り、そこで別のリード線が試験される。リード線が試験される順序は本発明にとって重要ではない。しかし、アンテナ選択装置１１８は、おそらく、選択装置１０８よりも高速で切り換えられる。選択装置１０８がＰＣＢ１００上の導電性のトレースの１つのネットに接続するように構成され、そのネットワークに接続されたすべてのＩＣリード線がアンテナ選択装置１１８への制御入力を変更することによって試験される場合には、結果的に、より高速な試験時間が生じる。
以上で本発明の現在の好適実施例を説明したが、当業者であれば、本発明の範囲内で種々の別の実施例を構成し得ることを認識するはずである。例えば、受信された信号の強さは、直流バイアス電流のレベルに依存することが分かっている。電流源１１２Ａ、１１２Ｂは、試験プロセスに亘って更に制御を提供するために可変にし得る。
また、ＲＦアナログ源１２２は、固定された周波数源として説明された。しかし、ＩＣチップ１０２の内部への信号のより大きな浸透は、より低い周波数源によって得られる。ＩＣチップ１０２は、チップ上の接地面やシールド又は厚いパッケージを含む場合には、より低い周波数源を用いることが望ましい。オプションで、ＲＦアナログ源１２２は、試験しているボードや素子のタイプに依存して、コントローラ１２４により調節され得る可変の周波数源であり得る。
アンテナ１０４は静止しており信号はＰＣＢ１００上の種々の位置のＩＣチップにこれらの種々の位置でサブアレーを選択することによって印加されると説明された。同じ効果は、小型のアンテナ・アレーを有しそれをＰＣＢ１００の上で物理的に移動させることによっても達成し得る。また、アンテナ・アレーのすべての部分を同時に付勢することもできる。しかし、そのような構成では、より多くの電力を消費し、潜在的に干渉する信号を更に生じ、受信機１１４によって誤信号が検出される蓋然性が大きくなる。
図２は、アンテナ１０４の要素がＰＣＢの１つの層の上に配置されていることを示している。アンテナは、複数の層の上に配置することもでき、ある場合にはそのような構成が望ましい。アンテナ要素が複数の層の上に配置される場合には、アンテナ要素の間の距離は、隣接するアンテナ要素が実際に重なる地点まで、減少できる。アンテナ要素の非常に近接した距離によれば、より均一な磁界が生じ、また、アンテナが発生する遠方界放射の大きさも削減できる。
更に、試験されているプリント回路板への接触はネイル・ベッド型のテスタを介してなされると説明された。誘導された信号を感知する手段は、任意のものを用いることができる。例えば、２ＭＨｚよりも高いＲＦ信号は望ましくないと説明した。そのような高い周波数の信号に対しては、ＰＣＢ上の誘導された電流は、特に、選択装置１０８とネイル・ベッド１０６とにおいて、再放射の原因となる。しかし、誘導された信号の再放射は、ＰＣＢ上に誘導された信号の指示として測定され得る。再放射された信号を測定するには、受信アンテナがＰＣＢ１００の近くに配置される。そのような構成によれば、ＰＣＢ上により大きな電圧を誘導し得る周波数のより高い信号の使用が可能になる。受信アンテナは、ＰＣＢ１００の上又は下に配置し得る。受信アンテナは、ＰＣＢ１００のアンテナ１０４と同じ側に置かれる場合には、物理的又は電気的にそれから分離されなければならない。受信アンテナは、物理的に分離される場合には、試験されているチップ１０２から離間したＰＣＢ上のループの一部において誘導される再放射を測定する。受信アンテナは、異なる極性を有する信号を検出できるようにすることによって、送信アンテナから電気的に分離できる。電気的分離の技術を用いて、送信及び受信アンテナを分離することができる。例えば、送信アンテナと受信アンテナとの間の結合を判断することができるし、結合された信号を受信された信号から減算し、再放射された信号を表す信号を発生し得る。もちろん、送信アンテナと受信アンテナとの間に電気的な分離を用いる場合には、両方のアンテナを非常に近接させて配置することができるし、又は、同じアンテナを用いて送信及び受信の両方を行うことさえできる。
プリント回路板上に確立されたループにおいて電圧が誘導されたかどうかを検出する他の手段を用いることもできる。受信アンテナの代わりに、電界又は磁界を検出する他のタイプのセンサを用いることもできる。
本明細書で説明した実施例においては、本発明は、プリント回路板上の接続における故障を検出するのに用いられている。本発明は、また、マルチワイヤ・ボード、マルチチップ・モジュール、又はハイブリッド素子を含む相互接続を伴う任意の種類の電気的素子を試験するのに用いることができる。更に、ループはＩＣチップ内の寄生ダイオードを順バイアスすることによってＰＣＢ上で確立し得ると説明された。ループを確立する他の手段も用いることができる。例えば、素子をダイオードを含むように修正し、試験を容易にすることも可能である。また、ループは寄生トランジスタ又は他の回路の特徴を利用することによって完成し得る。
本発明の別の実施例が図５に示されている。この実施例では、信号発生器２８がネイル・ベッド型の固定装置２０に接続されており、そのピンは、信号をプリント回路板１１上のノードに結合するのに用いられる。上述したようにアンテナを含み得るセンサ・アレー３２は、プリント回路板１１上の選択された位置に配置され、プリント回路板１１に印加された信号に起因する放射エネルギを測定する。信号発生器２８は、選択装置３０によって固定装置のピン２４に接続され、この選択装置３０は、信号発生器２８の出力を選択されたピンに接続するのに用いられる。センサ・アレー３２は、プリント回路板１１に近接する電磁界の大きさを測定する１又は複数のセンサを含む。センサ・アレー３２の出力は、アナログ・デジタル変換器３８に結合され、中央処理装置４０への入力として提供されるデジタル信号を与える。センサ・アレー３２からの出力は、予測される値と比較され、プリント回路板に欠陥があるかどうかを判断する。予測される値は、欠陥のないことが分かっているプリント回路板に近接する電磁界の大きさを測定することによって得られる。中央処理装置４０は、また、信号発生器２８の出力と選択装置３０の動作とを制御し、結果的に完全に自動化された試験システムを生じる。
本発明の更なる修正と改変とは、この説明を参照することにより、当業者には明らかであろう。従って、この説明は、単に例示的なものとして解釈されるべきであり、当業者に本発明を実現する態様を教示する目的を有する。ここで示し説明した本発明の形態は、現在好適な実施例として理解されるべきである。形状、サイズ、及び部品の配置においては、種々の変更が可能である。例えば、均等な要素や物質をここで図解し説明したものと代えることができるし、本発明のある特徴は、他の特徴の使用とは独立に用いることができるが、これらはすべて、本発明のこの説明を読んだ後であれば、当業者には、明らかなことである。

Claims (14)

1. 密なプリント回路板の故障を試験する装置であって、
   プリント回路板上の導電性トレースと電気的に接触する複数の導電性部材を有する固定装置と、
   前記固定装置の近くに位置する放射アンテナと、
   前記導電性部材の１つに接続され、そこにＤＣバイアスを加える第１のバイアス源と、
   前記導電性部材に接続され、前記放射アンテナが生じる磁界によって前記プリント回路板上の前記導電性トレースにおいて誘導された信号を測定する測定手段と、
   を備えている装置。
2. 請求項１記載の装置であって、前記測定手段は、前記プリント回路板の近くの受信アンテナと、前記受信アンテナに結合された受信機と、を備えている装置。
3. 請求項２記載の装置であって、前記放射アンテナが前記受信アンテナでもある装置。
4. 請求項１記載の装置であって、前記固定装置は、ネイル・ベッド型固定装置を備えている装置。
5. 請求項１記載の装置であって、前記放射アンテナは、複数のアンテナ要素を備えている装置。
6. 請求項５記載の装置であって、
   ＲＦ信号を発生する信号源と、
   前記信号源を前記アンテナ要素に切り換え可能に接続するスイッチング・ネットワークと、
   を備えている装置。
7. 請求項６記載の装置であって、隣接するアンテナに印加された前記ＲＦ信号の位相を、９０度だけシフトさせる手段を更に備えている装置。
8. 請求項１記載の装置において、前記アンテナの上方に位置する接地面を更に備えている装置。
9. 請求項１記載の装置であって、前記アンテナに結合された可変周波数信号源を更に備えている装置。
10. 請求項１記載の装置であって、前記測定手段は前記第１のバイアス源に接続された受信機を備えており、更に、
    前記複数の導電性部材の１つに接続された第２のバイアス源を更に備えており、前記受信機は、２つの入力を有する差動受信機であり、その第２の入力は、前記第２のバイアス源に接続されている、装置。
11. 請求項１記載の装置であって、前記測定手段は、前記第１のバイアス源に接続された受信機を備えている装置。
12. 密なプリント回路板の故障を試験する方法であって、
    前記プリント回路板上にＤＣバイアス源を含む導電性のループを確立するステップであって、前記ループは、前記プリント回路板上に設置された選択された集積回路チップの素子を含む、ステップと、
    前記選択された集積回路チップに向けて、交番磁界を放射するステップと、
    前記ループにおいて誘導される電圧を検出するステップと、
    前記検出された電圧が選択されたスレショルド電圧よりも低いときには、前記選択された集積回路チップが前記プリント回路板に適切に接続されていないことを指示するステップと、
    を含む方法。
13. プリント回路板の欠陥を試験するシステムであって、
    電気的接点に前記プリント回路板上の選択されたノードを提供するネイル・ベッド型の試験固定装置と、
    前記試験固定装置に結合されており、前記プリント回路板上の選択されたノードに印加されるべき信号を提供する信号発生器と、
    前記プリント回路板に近接する選択された位置に配置され、前記信号が前記試験固定装置を介して前記プリント回路板に印加されるとき磁界を検出するセンサと、
    前記センサに結合されており、前記センサによって検出される前記選択された位置における磁界の大きさを測定する電流測定デバイスと、
    を備えているシステム。
14. プリント回路板の欠陥を評価する方法であって、
    前記プリント回路板のノードに対応するように位置する複数のピンを有するネイル・ベッド型の試験固定装置と、信号発生器と、前記固定装置の選択されたピンを前記信号発生器に選択的に結合する選択装置と、前記プリント回路板に近接する磁界を測定するセンサと、を提供するステップと、
    前記プリント回路板を前記固定装置の前記ピンに接触させて配置するステップと、
    前記信号発生器からの信号を前記ノードの選択された１つと接触している前記固定装置ピンの中の１つを介して印加することによって、前記プリント回路板のノードの中の選択された１つを刺激するステップと、
    前記プリント回路板に近接する選択された位置に、前記センサを置くステップと、
    前記センサを用いて、前記選択された位置における磁界の大きさを測定するステップと、
    を含む方法。

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