JP5060499B2 - プリント配線板の検査装置及び検査方法 - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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。

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８のグラフである。図８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で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Ｂの容量がネットＡの容量より大きいとすると、ネットＡより小さな容量が測定されたネットは、ネットＡに与える容量の変化が小さいため、ネットＡ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Ａ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Ａ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８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Ａ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（６）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Ａの良品値が１０ｐＦ、ネットＡ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 (2)

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、前記ネットの過渡応答特性の電圧値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、前記ネットの過渡応答特性の電圧値を測定し、
   前記プリント配線板のすべてのネットについて前記過渡応答特性の電圧値の測定を行い、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、前記過渡応答特性の電圧値の測定を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、
   前記短絡ネット間を測定した抵抗値と基準値とを比較する、プリント配線板の検査装置であって、
   前記短絡ネットの特定において、予め測定した良品の測定値と比べ、
   前記過渡応答特性の電圧値を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し、
   前記過渡応答特性の電圧値を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、プリント配線板の検査装置。
2. 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、前記ネットの過渡応答特性の電圧値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過渡応答特性の電圧値の測定を行い、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、前記過渡応答特性の電圧値を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、
   前記短絡ネット間を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、
   前記短絡ネットの特定において、予め測定した良品の測定値と比べ、
   前記過渡応答特性の電圧値を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し、
   前記過渡応答特性の電圧値を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、プリント配線板の検査方法。

Images