JP5538107B2

JP5538107B2 - 回路基板検査用プローブユニットおよび回路基板検査装置

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Publication number: JP5538107B2
Application number: JP2010156534A
Authority: JP
Inventors: 章弘塩入; 林太郎村山; 秀彦満木
Original assignee: Hioki EE Corp
Current assignee: Hioki EE Corp
Priority date: 2010-07-09
Filing date: 2010-07-09
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2030-07-09
Also published as: KR101731000B1; KR20120005941A; JP2012018116A

Description

本発明は、回路基板の検査に用いられる複数本のプローブピン（導電接触ピン）を有するプローブユニットに関し、さらに詳しく言えば、ファインピッチ（狭ピッチ）に対応可能でありながら、必要に応じて４端子対法による測定をも可能とする回路基板検査用プローブユニットおよび回路基板検査装置に関するものである。

回路基板に存在する導体パターン，実装部品や素子等の被測定試料のインピーダンスを測定する方法の一つとして４端子法がある。

４端子法においては、図４の模式図に示すように、基本的な構成として、測定信号を発生する測定信号源１と、電圧検出手段としての電圧計２と、電流検出手段としての電流計３とを備える。

プローブピンには、測定信号源１から被測定試料ＤＵＴに流れる測定電流径路に内に含まれる２本の電流プローブピンＰ１，Ｐ２（Ｐ１が高電位Ｈｃ側で、Ｐ２が低電位Ｌｃ側）と、被測定試料ＤＵＴの電圧検出径路内に含まれる２本の電圧プローブピンＰ３，Ｐ４（Ｐ３が高電位Ｈｐ側で、Ｐ２が低電位Ｌｐ側）の４本のプローブピンが用いられる。

なお、これらの各プローブピンは構造的には変わらないが、本明細書では、説明の便宜上、電流系統側のものを電流プローブピンと言い、電圧系統側のものを電圧プローブピンと言う。

測定にあたっては、測定信号源１から電流プローブピンＰ１，Ｐ２を介して被測定試料ＤＵＴに例えば定電流を流し、これによって被測定試料ＤＵＴの両端に発生する電圧を電圧プローブピンＰ３，Ｐ４を介して電圧計２で測定し、電流計３による電流値と電圧計２による電圧値とに基づいて、被測定試料ＤＵＴのインピーダンスＺを測定する。

この４端子法によれば、測定系の電気配線（リード線）の配線抵抗や被測定試料との接触抵抗の影響をほとんど排除することができるが、測定電流径路に流れる電流によって発生する磁束が電圧検出径路をよぎると、検出電圧に誤差が生じ、この誤差がインピーダンス測定値に含まれることになる。

この現象は、例えば特許文献１に記載されているように、ＬＳＩ等の半導体集積回路のファィンピッチに対応して多数本のプローブピンが密集しているプローブユニットで、特に高い周波数の測定電流で測定を行う高周波測定時に問題となる。なお、特許文献１に記載された発明では、中央部分に座屈部を有する座屈プローブピンを用いることにより、プローブピンの密集配置を可能としている。

この電磁誘導による問題は、４端子対法によって解決することができる。図５に、４端子対法の接続状態を模式的に示す。

図５を参照して、４端子対法の場合、電流プローブピンＰ１，Ｐ２の電気配線として同軸ケーブルＣ１，Ｃ２を用い、同様に、電圧プローブピンＰ３，Ｐ４の電気配線にも同軸ケーブルＣ３，Ｃ４を用いる。そして、各同軸ケーブルＣ１〜Ｃ４の各外部導体（シールド被覆線）Ｓのすべてを各プローブピンの基端付近でリード線５にて接続し短絡する。

動作について、測定信号源１よりＨｃラインを介して被測定試料ＤＵＴに測定電圧Ｖを印加すると（この印加電圧はＨｐラインと同じ）、被測定試料ＤＵＴにはＶ／Ｚなる測定電流が流れる。この測定電流は電流計３を通り、そのまま逆向きに外部導体を流れて測定信号源１に戻る（図５の電流の流れ方向を示す矢印参照）。

このとき、被測定試料ＤＵＴの反対側では、ＬｐがＬｃ（＝ＧＮＤ）となるように帰還制御回路ＦＣが動作する。したがって、被測定試料ＤＵＴには、電圧計２の両端と同じ電圧がかかるため、電圧計２の示す値は、被測定試料ＤＵＴの両端電圧と同じとなる。

このように、４端子対法によれば、測定電流径路内において、測定電流の往路と復路とが重ね合わされるため、上記４端子法の利点を維持しながら、測定電流により生ずる磁束の影響（電磁誘導）を軽減することができる。

なお、各同軸ケーブルＣ１〜Ｃ４の各外部導体Ｓのすべてをリード線５にて接続しているのは、上記電圧を測定する際に、それに関与するＨｐ，Ｌｐの各外部導体Ｓの電位が確定していない状態は好ましくない、等の理由による。

特開２０００−２９２４３９号公報

しかしながら、４端子対法とするには、その電気配線として同軸ケーブルを使用するため、各プローブピン間の間隔が広くなりファインピッチに対応することができない。

ちなみに、この種のプローブユニットにおいて、通常では直径が０．１４ｍｍ程度の単線リードワイヤが用いられ、プローブピン間のピッチは約０．１２ｍｍ位にまで狭くすることができるが、同軸ケーブルの場合、その直径が約３ｍｍ程度あるため、これではファインピッチに対応できない。

したがって、本発明の課題は、一つのプローブユニットで、ファインピッチ（狭ピッチ）に対応可能でありながら、必要に応じて４端子対法による測定をも可能とするプローブユニットを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、被検査回路基板の所定の検査部位に接触可能な複数本のプローブピンを有するピンブロックと、上記ピンブロック上に配置され、内部に上記各プローブピンを回路基板検査装置の検査部に接続するための電気配線を有するテストヘッド部とを備えている回路基板検査用プローブユニットにおいて、
上記複数本のプローブピンのうち、上記検査部内の測定信号源と上記被検査回路基板との間の測定電流径路に含まれる特定された２本の電流プローブピンと、上記検査部内の電圧検出手段と上記被検査回路基板との間の電圧検出径路に含まれる特定された２本の電圧プローブピンとが４端子対法用のプローブピンに選択され、
上記テストヘッド部内には、上記電気配線として、上記４端子対法用の上記各電流プローブピンおよび上記各電圧プローブピン用の４本の同軸ケーブルと、上記４端子対法用以外の各プローブピン用のリードワイヤとが引き込まれており、
上記各同軸ケーブルの内部導体が対応する上記電流プローブピンと上記電圧プローブピンとにそれぞれ接続されているとともに、４端子対法により上記各同軸ケーブルの外部導体のすべてが上記テストヘッド部内で所定の導通手段により電気的に接続されているとともに、上記４端子対法用以外の各プローブピンが上記リードワイヤに接続されていることを特徴としている。

本発明の好ましい態様によれば、上記導通手段が、上記テストヘッド部の上記ピンブロックと対向する底部基板の内面に形成された導体パターンよりなり、上記各同軸ケーブルの外部導体が、それぞれ上記導体パターンに接続される。

これとは別の態様として、本発明には、上記導通手段が上記各同軸ケーブルの外部導体間に配線されたリード線からなる態様も含まれてよい。

また、本発明において、上記各電流プローブピンおよび上記各電圧プローブピン以外の各プローブピンは、４端子法による計測に適用されてもよい。

より好ましくは、プローブピンの密集配置を可能とするため、上記各電流プローブピンおよび上記各電圧プローブピンを含めて上記各プローブピンが弾性限界内で軸方向と直交する方向に変形する座屈部を備えている座屈プローブピンであるとよい。

本発明には、上記各態様による回路基板検査用プローブユニットを有する回路基板検査装置も含まれる。

本発明のプローブユニット内には、電気配線として同軸ケーブルを使用した４端子対法によるプローブピンが含まれているため、高周波計測が必要な検査時には、配線間の電磁誘導の影響が少ない同軸ケーブルを使用する計測を行い、高周波計測の必要がない検査時には、通常のリードワイヤを使用するファインピッチに対応可能な計測を行うことができる。

本発明の回路基板検査装置の基本的な構成を示す模式図。上記回路基板検査装置に含まれているプローブユニットを示す模式図。上記プローブユニットの要部を示す分解断面図。４端子法の接続状態を示す模式図。４端子対法の接続状態を示す模式図。

次に、図１ないし図３により、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

まず、図１を参照して、本発明の回路基板検査装置の構成を概略的に説明すると、この回路基板検査装置は、プローブユニット１０と、移動機構２０と、検査部３０と、制御部４０とを備える。

移動機構２０は、制御部４０からの指示にしたがってプローブユニット１０を基板支持部５１上に載置されている被検査回路基板５０に接触・離反させる。被検査回路基板５０は、ベアボードや部品が実装されている実装基板等であってよい。

なお、プローブユニット１０を固定配置とし、移動機構２０により基板支持部５１側を駆動して被検査回路基板５０をプローブユニット１０に対して接触・離反させるようにしてもよい。

この実施形態において、検査部３０には、先の図４，図５で説明した４端子計測や４端子対計測を行うための測定信号源１，電圧検出手段としての電圧計２および電流検出手段としての電流計３等が設けられており、プローブユニット１０を介して被検査回路基板５０の所定部位のインピーダンス等を測定する。

制御部４０には、Ａ／Ｄ変換器を有する入力部や、演算・判定機能を有するＣＰＵ（中央演算処理ユニット）等が含まれており、検査部３０にて測定されたインピーダンス値等を基準値と比較して、被検査回路基板５０の良否判定を行う。制御部４０には、表示手段としてのディスプレイや、外部機器とのインターフェイス等が設けられてよい。

図２を参照して、プローブユニット１０は、テストヘッド部１１０と、ピンブロック１２０とを備えている。この実施形態において、テストヘッド部１１０は、フラットケーブルＦＣと、同軸ケーブルＣＣとを介して検査部３０に接続される。

この実施形態において、フラットケーブルＦＣは通常の４端子計測用で、同軸ケーブルＣＣは４端子対計測用である。用いるフラットケーブルＦＣのケーブル本数は、その内部の配線数と、この回路基板検査装置で使用するプローブピンの本数による。フラットケーブルＦＣに代えて、通常のリード配線が用いられてもよい。

同軸ケーブルＣＣには、先の図５で説明したように、４本の同軸ケーブルＣ１〜Ｃ４が含まれている。この実施形態においても、同軸ケーブルＣ１，Ｃ２は、測定信号源１から被検査回路基板５０に流れる測定電流径路に内に含まれ、Ｃ１が高電位Ｈｃ側で、Ｃ２が低電位Ｌｃ側である。

これに対して、同軸ケーブルＣ３，Ｃ４は、被検査回路基板５０の電圧検出径路内に含まれ、Ｃ３が高電位Ｈｐ側で、Ｃ４が低電位Ｌｐ側であり、これらの各同軸ケーブルＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４は、図５に示す態様で４端子対法の測定信号源１，電圧計２，電流計３および帰還制御回路ＦＣに接続される。なお、各同軸ケーブルＣ１〜Ｃ４を区別する必要がない場合には、総称として同軸ケーブルＣＣとする。

図３を参照して、テストヘッド部１１０は、箱形の筐体１１１を有し、筐体１１１内には、フラットケーブルＦＣの内部配線と接続される複数本（例えば１００〜１０００本程度）のリードワイヤ１１２が配線されているとともに、４本の同軸ケーブルＣ１〜Ｃ４が引き込まれている。

リードワイヤ１１２には、例えば直径が０．１２ｍｍ程度のマグネットワイヤが好ましく採用される。この実施形態において、各リードワイヤ１１２は、図示しないスキャナ（マルチプレクサ）を介して検査部３０内の４端子計測部に接続される。

筐体１１１の底部基板１１１ａがピンブロック１２０に対するコネクタ部分で、各リードワイヤ１１２の下端部および同軸ケーブルＣＣの各内部導体ＩＬは、底部基板１１１ａに形成されている孔を通ってテストヘッド部１１０の底面に露出されている。

各同軸ケーブルＣＣの外部導体Ｓは、筐体１１１内において底部基板１１１ａの近くで露出され、４端子対法により、その各々が相互に電気的に接続（短絡）される。

この実施形態では、各外部導体Ｓ間の電気的接続（短絡）を容易とするため、底部基板１１１ａの内面に導体パターン１１３を形成し、各外部導体Ｓを導体パターン１１３に接触させるようにしている。なお、この実施形態とは異なり、先の図５で説明したように、各外部導体Ｓをリード線５にて接続し短絡するようにしてもよい。

次に、同じく図３を参照して、ピンブロック１２０について説明する。ピンブロック１２０は、上部基板１２１ａ，底部基板１２１ｂおよびこれらの周囲を囲む側板１２１ｃよりなる筐体１２１を備え、この筐体１２１内に複数本のプローブピン１２２が収納されている。

この実施形態において、各プローブピン１２２には、中央部分に弾性限界内で軸方向と直交する方向に変形（湾曲）する座屈部１２２ａを有するタングステン等からなる座屈プローブピンが用いられている。

この座屈プローブピンによれば、ピン径が細くて済むため、被検査回路基板５０のファインピッチに対応して、プローブピンを密集的に配置することができるが、密集配置する必要がない場合には、例えばバレル内にコイルバネを備えたバネ付勢による通常のプローブピンが用いられてもよい。

各プローブピン（座屈プローブピン）１２２は、その上端面が各リードワイヤ１１２および同軸ケーブルＣＣの各内部導体ＩＬと接触し得るように露出された状態で上部基板１２１ａに固定され、下端側の接触端子は底部基板１２１ｂに穿設されている孔１２３を通ってピンブロック１２０の底面側に突出しており、被検査回路基板５０に対する接触圧に応じて座屈部１２２ａが弾性的に湾曲する。

本発明では、複数本のプローブピン１２２のうちから、４本のプローブピンＰ１〜Ｐ４が４端子対法用として選択され、他のプローブピン１２２は、プローブピン群ＰＧとしてリードワイヤ１１２と接続される。

先の図５を参照して、プローブピンＰ１は、高電位Ｈｃ側の電流プローブピンとして同軸ケーブルＣ１の内部導体ＩＬと接続され、プローブピンＰ２は、低電位Ｌｃ側の電流プローブピンとして同軸ケーブルＣ２の内部導体ＩＬと接続される。

一方、プローブピンＰ３は、高電位Ｈｐ側の電圧プローブピンとして同軸ケーブルＣ３の内部導体ＩＬと接続され、プローブピンＰ４は、低電位Ｌｐ側の電圧プローブピンとして同軸ケーブルＣ４の内部導体ＩＬと接続される。

このように、この実施形態によるプローブユニット１０には、電気配線として同軸ケーブルを使用した４端子対計測用のプローブピンＰ１〜Ｐ４と、通常の４端子計測用のプローブピン群ＰＧとが含まれているため、必要に応じて、４端子対計測および／または４端子計測を行うことができる。

なお、図３では作図の都合上、４端子対計測用のプローブピンＰ１〜Ｐ４と、通常の４端子計測用のプローブピン群ＰＧとを分けて配置しているが、被検査回路基板５０の回路パターンの形状に応じて、プローブピンＰ１〜Ｐ４の間に他のプローブピンが配置されてもよい。

これに関連して、各同軸ケーブルＣＣの外部導体Ｓ同士を電気的に接続する導体パターン１１３を、リードワイヤ１１２とは接触しないことを条件として、テストヘッド１１０の底部基板１１１ａの内面全面にわたって形成してもよい。

また、他のプローブピン群ＰＧについても、その用途は４端子計測に限られるものではなく、例えば２端子法による回路パターンの断線検査や、回路パターン間のショート，オープン検査、その他に回路パターンの静電容量測定等に用いられてもよい。

１０プローブユニット
１１０テストヘッド部
１１１ａ底部基板
１１２リードワイヤ
１１３導体パターン
１２０ピンブロック
１２２プローブピン
１２２ａ座屈部
２０移動機構
３０検査部
４０制御部
ＣＣ（Ｃ１〜Ｃ４）同軸ケーブル
Ｓ外部導体
ＩＬ内部導体

Claims

被検査回路基板の所定の検査部位に接触可能な複数本のプローブピンを有するピンブロックと、上記ピンブロック上に配置され、内部に上記各プローブピンを回路基板検査装置の検査部に接続するための電気配線を有するテストヘッド部とを備えている回路基板検査用プローブユニットにおいて、
上記複数本のプローブピンのうち、上記検査部内の測定信号源と上記被検査回路基板との間の測定電流径路に含まれる特定された２本の電流プローブピンと、上記検査部内の電圧検出手段と上記被検査回路基板との間の電圧検出径路に含まれる特定された２本の電圧プローブピンとが４端子対法用のプローブピンに選択され、
上記テストヘッド部内には、上記電気配線として、上記４端子対法用の上記各電流プローブピンおよび上記各電圧プローブピン用の４本の同軸ケーブルと、上記４端子対法用以外の各プローブピン用のリードワイヤとが引き込まれており、
上記各同軸ケーブルの内部導体が対応する上記電流プローブピンと上記電圧プローブピンとにそれぞれ接続されているとともに、４端子対法により上記各同軸ケーブルの外部導体のすべてが上記テストヘッド部内で所定の導通手段により電気的に接続されているとともに、上記４端子対法用以外の各プローブピンが上記リードワイヤに接続されていることを特徴とする回路基板検査用プローブユニット。
上記導通手段が、上記テストヘッド部の上記ピンブロックと対向する底部基板の内面に形成された導体パターンよりなり、上記各同軸ケーブルの外部導体が、それぞれ上記導体パターンに接続されていることを特徴とする請求項１に記載の回路基板検査用プローブユニット。
上記導通手段が、上記各同軸ケーブルの外部導体間に配線されたリード線からなることを特徴とする請求項１に記載の回路基板検査用プローブユニット。
上記４端子対法用以外の各プローブピンは、４端子法による計測に適用されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の回路基板検査用プローブユニット。
上記４端子対法用の上記各電流プローブピンおよび上記各電圧プローブピンを含めて上記各プローブピンが弾性限界内で軸方向と直交する方向に変形する座屈部を備えていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の回路基板検査用プローブユニット。
請求項１ないし５のいずれか１項に記載された回路基板検査用プローブユニットを有する回路基板検査装置。