JP7123663B2 - 製造ライン内の静電気測定方法 - Google Patents

Description

実施形態は、製造ライン内の静電気測定方法に関する。

従来より、半田印刷機、部品実装機及びリフロー炉等の複数の装置が連続して配置され、プリント配線板がこれらの複数の装置を順番に通過することにより、プリント配線板に電子部品が実装される表面実装ラインが実用化されている。このような製造ラインにおいて、プリント配線板へ局所的に静電気が蓄積され、電子部品を破壊してしまうことがある。しかしながら、静電気が蓄積される原因は様々であり、時間的にも変動するため、原因の特定は困難である。

特開平８－２８６１７７号公報

実施形態の目的は、静電気が蓄積される原因の特定が可能な製造ライン内の静電気測定方法を提供することである。

実施形態に係る製造ライン内の静電気測定方法は、基板が複数の装置内を通過することにより電子装置が製造される製造ライン内に、導電部分がケーブルを介してクーロンメーターに接続された基板を通過させながら、前記クーロンメーターにより前記導電部分の電荷量を測定する。

実施形態に係る製造ライン内の静電気測定方法は、基板が複数の装置内を通過することにより電子装置が製造される製造ラインにおいて、クーロンメーターのプローブを前記基板の導電部分に接触させることにより、前記導電部分の電荷量を測定する。

第１の実施形態に係る静電気測定方法の測定対象となる製造ラインを示す図である。 （ａ）はプリント配線板を示す模式的平面図であり、（ｂ）はプリント回路板を示す模式的平面図である。 （ａ）～（ｄ）は、静電容量の測定方法を示す図である。 第１の実施形態において用いる静電気測定装置を示す図である。 第１の実施形態において用いる同軸ケーブルを示す断面図である。 横軸に製造ライン内の位置をとり、縦軸に測定された電荷量をとって、基板の電荷量の変化を示すグラフ図である。 第２の実施形態に係る静電気測定方法を示す図である。 第２の実施形態において用いる静電気測定装置を示す図である。 横軸に時間をとり、縦軸に電荷量をとって、ある静電気測定装置の測定結果を示すグラフ図である。

（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態について説明する。
本実施形態は、製造ライン中においてプリント配線板が静電気を帯びる位置を特定する。

＜製造ライン＞
先ず、本実施形態に係る静電気測定方法の測定対象となる製造ラインについて説明する。
図１は、本実施形態に係る静電気測定方法の測定対象となる製造ラインを示す図である。

図１に示すように、本実施形態において測定対象となる製造ラインは、基板実装される製造ライン１００である。製造ライン１００においては、収納・搬送機１０１、半田印刷機１０２、部品実装機１０３、部品実装機１０４、リフロー炉１０５、及び、収納・搬送機１０６が、この順に配置されている。また、これらの装置内を通過するように、搬送手段１０７が設けられている。なお、製造ライン１００の構成はこれには限定されず、上記以外の装置が設けられていてもよく、上記装置の一部又は全部が設けられていなくてもよい。また、本実施形態において測定対象となる製造ラインは基板実装される製造ラインには限定されない。

収納・搬送機１０１は、プリント配線板１１０（図２（ａ）参照）を収納し、プリント配線板１１０を１枚ずつ搬送手段１０７に対して供給する。半田印刷機１０２は、プリント配線板１１０の上面に半田を印刷する。部品実装機１０３及び１０４は、半田が印刷されたプリント配線板１１０上に電子部品１１５（図２（ｂ）参照）を載置する。リフロー炉１０５は、半田を加熱して一旦溶融させた後、冷却して凝固させることにより、電子部品１１５をプリント配線板１１０に接合する。プリント配線板１１０に電子部品１１５が実装されることにより、プリント回路板１２０（図２（ｂ）参照）が製造される。収納・搬送機１０６は、製造されたプリント回路板１２０を一旦収納し、次工程に向けて搬出する。

搬送手段１０７においては、例えば、複数基のベルトコンベアが設けられており、プリント配線板１１０を、収納・搬送機１０１から、半田印刷機１０２、部品実装機１０３、部品実装機１０４及びリフロー炉１０５の内部を順次通過させて、収納・搬送機１０６まで搬送する。なお、搬送手段１０７には、ロボットアーム等が設けられていてもよい。

＜プリント配線板及びプリント回路板＞
次に、製造ライン１００に投入されるプリント配線板と、製造ライン１００によって製造される電子装置であるプリント回路板について説明する。
図２（ａ）はプリント配線板を示す模式的平面図であり、（ｂ）はプリント回路板を示す模式的平面図である。

図２（ａ）に示すように、プリント配線板１１０においては、絶縁基板１１１の上面に、接地配線１１２、並びに、信号配線１１３ａ、１１３ｂ及び１１３ｃが形成されている。接地配線１１２はプリント回路板１２０の完成後に接地電位が印加される配線である。信号配線１１３ａ、１１３ｂ及び１１３ｃ（以下、総称して「信号配線１１３」ともいう）は、プリント回路板１２０の完成後に各種の信号電位が印加される配線である。

図２（ｂ）に示すように、プリント回路板１２０においては、プリント配線板１１０に複数の電子部品１１５が実装されている。各電子部品１１５の端子（図示せず）は、例えば、信号配線１１３ａ、１１３ｂ及び１１３ｃのうちの少なくとも１つと、接地配線１１２に接続されている。

＜プリント回路板の製造方法＞
次に、製造ライン１００によるプリント回路板１２０の製造方法について説明する。
図１、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、製造ライン１００の収納・搬送機１０１にプリント配線板１１０を投入する。これにより、搬送手段１０７がプリント配線板１１０を半田印刷機１０２に搬送する。半田印刷機１０２はプリント配線板１１０の上面における接地配線１１２上の一部、及び、信号配線１１３の一部に半田（図示せず）を印刷する。

次に、搬送手段１０７が、半田が印刷されたプリント配線板１１０を部品実装機１０３に搬送する。部品実装機１０３は、一部の電子部品１１５を半田の直上域を含む領域に載置する。次に、搬送手段１０７がプリント配線板１１０を部品実装機１０４に搬送する。部品実装機１０４は、残りの電子部品１１５を半田の直上域を含む領域に載置する。

次に、搬送手段１０７が、半田が印刷され電子部品１１５が載置されたプリント配線板１１０をリフロー炉１０５に搬送する。リフロー炉１０５は半田を加熱して溶融させた後、冷却して凝固させることにより、電子部品１１５を接地配線１１２及び信号配線１１３に半田接合する。これにより、電子部品１１５がプリント配線板１１０に実装されて、プリント回路板１２０が製造される。次に、搬送手段１０７がプリント回路板１２０を収納・搬送機１０６に搬送する。プリント回路板１２０は収納・搬送機１０６に一旦収納された後、次工程に向けて搬出される。

この一連の工程において、プリント回路板１２０に局所的に静電気が蓄積されることがある。静電気に起因する電圧がその部分の耐圧を超えると放電が発生し、プリント回路板１２０が損傷を受ける。静電気が蓄積される原因は多岐にわたり、例えば、製造ライン１００の一部とプリント配線板１１０との摩擦等が考えられるが、静電気の原因は製造ライン１００毎に異なり、同じ製造ライン１００においても、製造するプリント回路板１２０の構成によっても異なり、プリント回路板１２０の構成が同じでも時期によって異なる場合もある。

＜静電気測定方法＞
次に、本実施形態に係る静電気測定方法について説明する。
本実施形態に係る静電気測定方法には、製造ライン１００の各位置における静電容量を測定する工程と、基板を製造ライン１００内に流し、電荷量の変化を測定する工程がある。

＜静電容量の測定＞
先ず、製造ライン１００の各位置における静電容量の測定方法について説明する。
図３（ａ）～（ｄ）は、静電容量の測定方法を示す図である。

図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、プリント配線板１１０を製造ライン１００の任意の位置に配置する。例えば、図３（ａ）に示すように、製造ライン１００のある位置では、プリント配線板１１０を搬送手段１０７のベルトコンベア１３１上に載置する。又は、図３（ｂ）に示すように、製造ライン１００の他の位置では、プリント配線板１１０を作業台１３２上に載置する。

静電容量Ｃ（Ｆ）は、誘電率をε、電極面積をＳ、電極間距離をｄとするとき、簡易的には下記数式１によって表すことができる。下記数式１に示すように、静電容量Ｃは電極面積Ｓに比例する。
Ｃ＝ε×Ｓ／ｄ （数１）

従って、図３（ａ）に示すように、ベルトコンベア１３１がプリント配線板１１０の両端部のみを支持するタイプである場合は、ベルトコンベア１３１とプリント配線板１１０との接触面積は比較的小さいため、ベルトコンベア１３１とプリント配線板１１０との間の静電容量Ｃは比較的小さくなる。一方、図３（ｂ）に示すように、プリント配線板１１０の裏面全体が作業台１３２に接触する場合は、作業台１３２とプリント配線板１１０との接触面積は比較的大きいため、作業台１３２とプリント配線板１１０との間の静電容量Ｃは比較的大きくなる。このように、プリント配線板１１０の位置により、プリント配線板１１０と製造ライン１００との間の静電容量Ｃが異なる。

次に、図３（ｃ）に示すように、プリント配線板１１０を製造ライン１００に装着した状態で、例えば、作業台１３２上に載置した状態で、直流電源５０のプローブ５０ａをプリント配線板１１０の導電部分１１０ａに接触させて、一定の電圧を印加する。これにより、プリント配線板１１０に電荷が蓄積される。導電部分１１０ａは、例えば、接地配線１１２である。

次に、図３（ｄ）に示すように、直流電源５０のプローブ５０ａを離した後、クーロンメーター１１のプローブ１１ａをプリント配線板１１０の導電部分１１０ａに接触させて、蓄積された電荷量を測定する。クーロンメーター１１は、プローブ１１ａが接触した物体に蓄積されている電荷量を測定することができる。

このとき、直流電源５０が印加した電圧をＶ（Ｖ）とし、クーロンメーター１１によって測定された電荷量をＱ（Ｃ）とすると、静電容量Ｃは、下記数式２によって算出することができる。このようにして、製造ライン１００の各位置における静電容量Ｃを測定する。
Ｃ＝Ｑ／Ｖ （数２）

＜静電気測定装置＞
次に、基板を製造ライン１００内に流し、電荷量の変化を測定する方法について説明する。

先ず、本実施形態において製造ライン１００内の静電気測定に用いる静電気測定装置について説明する。
図４は、本実施形態において用いる静電気測定装置を示す図である。
図５は、本実施形態において用いる同軸ケーブルを示す断面図である。

図４に示すように、本実施形態の静電気測定装置１０においては、クーロンメーター１１、同軸ケーブル１２、及び、基板１３が設けられている。クーロンメーター１１は、前述の静電容量Ｃの測定に用いた装置と同じ装置を用いてもよく、異なる装置を用いてもよい。基板１３の構成は、プリント配線板１１０の構成と同様である。

図５に示すように、同軸ケーブル１２においては、中心から外表面に向かって、内部導体１２ａ、絶縁膜１２ｂ、外部導体１２ｃ及び絶縁膜１２ｄが、この順に同心円状に設けられている。内部導体１２ａと外部導体１２ｃとは絶縁膜１２ｂによって絶縁されており、外部導体１２ｃは絶縁膜１２ｄによって外部から絶縁されている。

図４に示すように、同軸ケーブル１２の一端１２ｇにおいて、内部導体１２ａがクーロンメーター１１のプローブ１１ａに接続されている。同軸ケーブル１２の他端１２ｈにおいては、内部導体１２ａが基板１３の導電部分１３ａ、例えば、基板１３の端部に配置された接地配線１１２に接続されている。

＜製造ライン内の静電気測定方法＞
次に、上述の静電気測定装置１０を用いて製造ライン１００内の各位置における電荷の蓄積量を測定する。
図６は、横軸に製造ライン内の位置をとり、縦軸に測定された電荷量をとって、基板の電荷量の変化を示すグラフ図である。

図１及び図４に示すように、基板１３を製造ライン１００の収納・搬送機１０１に装入する。基板１３は、例えば、同軸ケーブル１２が接続された導電部分１３ａが、基板１３の搬送方向後端に位置するような向きで装入する。一方、クーロンメーター１１は製造ライン１００の外部に配置する。

この状態で製造ライン１００を作動させる。これにより、搬送手段１０７が基板１３を搬送し、製造ライン１００を構成する各装置を順に通過させる。製造ライン１００の各装置は、通常、プリント配線板１１０に対して施す処理を基板１３に対して施す。このとき、クーロンメーター１１は製造ライン１００の外部に残し、同軸ケーブル１２を連続的に繰り出すことにより、基板１３の動きに追従させる。

クーロンメーター１１は、同軸ケーブル１２を介して、接地配線１１２に蓄積された電荷量をリアルタイムで測定する。この結果、図６に示すように、電荷量の変化を測定することにより、製造ライン１００内のどの場所で基板１３に電荷が発生しているのかを判定することができる。例えば、図６に示す例では、半田印刷機１０２内、及び、部品実装機１０４内で、基板１３に電荷が発生している。従って、この部分を集中的に調べることにより、電荷発生の原因を特定することが容易になり、対策を立てることができる。

また、予め測定しておいた静電容量Ｃとクーロンメーター１１により測定した電荷量Ｑに基づいて、下記数式３により、電荷量Ｑに起因して局所的に発生する電圧Ｖを推定する。そして、推定した電圧Ｖをプリント配線板１１０の各部及び各電子部品１１５の耐圧と比較することにより、静電気放電破壊の有無を予測する。
Ｖ＝Ｑ／Ｃ （数３）

＜効果＞
本実施形態の効果について説明する。
本実施形態によれば、製造ライン１００のどの位置で基板１３が帯電するのかを検出できるため、静電気帯電の原因を速やかに特定し、対策を立てることができる。この結果、製造ライン１００によって製造されるプリント回路板１２０において、静電気放電による不良の発生を抑制することができる。

また、本実施形態によれば、静電気の測定にクーロンメーターを使用しているため、表面電位計を使用する場合と比較して、微少な電荷を測定することができる。また、プリント配線板１１０の一部、例えば、接地配線１１２をピンポイントで測定することができる。更に、上記数式３により、電荷量を電圧に変換して各部の耐圧と比較することにより、放電破壊の可能性を予測することができる。

更に、本実施形態においては、静電気の測定対象位置として、接地配線１１２を選択している。一般に、接地配線１１２は信号配線１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃ等よりも総面積が大きいため、静電気の影響を受けやすい。従って、接地配線１１２の電荷量を測定することにより、静電気の影響を効率的に推定することができる。

更にまた、本実施形態においては、クーロンメーター１１と基板１３とを同軸ケーブル１２の内部導体１２ａによって接続している。これにより、製造ライン１００の駆動に起因する電磁的ノイズの影響を受けにくく、高精度な測定が可能となる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。
本実施形態は、製造ラインの特定の位置において、電荷量の時間的変化を測定する。
図７は、本実施形態に係る静電気測定方法を示す図である。
図８は、本実施形態において用いる静電気測定装置を示す図である。

＜静電気測定装置＞
図７に示すように、本実施形態においては、プリント配線板１１０が帯電すると予想される工程の前後に、静電気測定装置２０を設ける。例えば、前述の第１の実施形態に係る静電気測定方法を実施した結果、半田印刷機１０２内、及び、部品実装機１０４内で、基板１３が帯電していることが判明した場合、半田印刷機１０２の前後、すなわち、収納・搬送機１０１と半田印刷機１０２の間、及び、半田印刷機１０２と部品実装機１０３の間に、それぞれ、静電気測定装置２０を配置する。また、部品実装機１０４の前後、すなわち、部品実装機１０３と部品実装機１０４の間、及び、部品実装機１０４とリフロー炉１０５の間に、それぞれ、静電気測定装置２０を配置する。

製造ライン１００における静電気測定装置２０を配置する各位置においては、前述の第１の実施形態において説明した方法により、予め、製造ライン１００とプリント配線板１１０との間の静電容量Ｃを測定しておく。これにより、電荷量Ｑの測定値から、電圧Ｖを算出することができる。

なお、本実施形態においては、第１の実施形態に係る測定方法を実施することなく、静電気の発生が疑われる装置の前後に静電気測定装置２０を配置してもよく、隣り合う装置間の全てに静電気測定装置２０を配置してもよい。また、静電気の発生が疑われる装置の後段側のみに、静電気測定装置２０を配置してもよい。

図８に示すように、静電気測定装置２０においては、アクチュエータ２１が設けられており、搬送手段１０７の動作と連動して、プローブ２２を上下動させる。プローブ２２は、ケーブル、例えば、同軸ケーブル１２を介してクーロンメーター１１に接続されている。これにより、静電気測定装置２０は、搬送手段１０７によって搬送されてくるプリント配線板１１０について、１枚ずつ順番に、プローブ２２の先端を接地配線１１２に接触させて、接地配線１１２の電荷量を測定する。

＜測定結果の一例＞
次に、測定結果の一例を模式的に示す。
図９は、横軸に時間をとり、縦軸に電荷量をとって、ある静電気測定装置の測定結果を示すグラフ図である。

なお、静電気測定装置２０のプローブ２２がプリント配線板１１０に接触すると、接触した部分に蓄積されていた電荷はクーロンメーター１１を介して放電されるため、１台の静電気測定装置２０は１枚のプリント配線板１１０の電荷量を１回のみ測定する。従って、図９に示す複数のプロットは、相互に異なるプリント配線板１１０の電荷量を示している。

図９に示す例では、例えば、搬送手段１０７のベルトコンベアが摩耗することにより、ベルトコンベアとプリント配線板１１０との間で摺動が生じるようになり、時刻ｔａから徐々に電荷量が増加している。その後、時刻ｔｂにおいてベルトコンベアのベルトを新品と交換したところ、静電気の発生が抑制された。また、時刻ｔｃにおいて製造ライン１００の動作条件を変えたところ、静電気が発生するようになり、時刻ｔｄにおいて動作条件を元に戻したところ、静電気の発生が抑えられた。

また、このとき、例えば、半田印刷機１０２の後段に配置した静電気測定装置２０において図９に示すような電荷量の変化が測定され、半田印刷機１０２の前段に配置した静電気測定装置２０においてはこのような変化が測定されなかったとすると、半田印刷機１０２内に静電気の原因がある可能性が高い。一方、半田印刷機１０２の前段に配置した静電気測定装置２０において図９に示すような電荷量の変化が測定されたとすると、半田印刷機１０２よりも前段の装置において、静電気が発生している可能性が高い。

＜効果＞
このように、本実施形態によれば、製造ライン１００によってプリント配線板１１０に蓄積される電荷量の時間的な変化をモニターすることができる。これにより、製造ライン１００における部品の消耗等の構造的な変化や、製造条件の変化、及び、季節要因等を抽出することができ、製造ライン１００の安定的な運用を支援することができる。
本実施形態における上記以外の方法、測定装置及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。

以上説明した実施形態によれば、静電気が蓄積される原因の特定が可能な製造ライン内の静電気測定方法を実現することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明及びその等価物の範囲に含まれる。また、前述の実施形態は、相互に組み合わせて実施することもできる。

１０：静電気測定装置
１１：クーロンメーター
１１ａ：プローブ
１２：同軸ケーブル
１２ａ：内部導体
１２ｂ：絶縁膜
１２ｃ：外部導体
１２ｄ：絶縁膜
１２ｇ：一端
１２ｈ：他端
１３：基板
１３ａ：導電部分
２０：静電気測定装置
２１：アクチュエータ
２２：プローブ
５０：直流電源
５０ａ：プローブ
１００：製造ライン
１０１：収納・搬送機
１０２：半田印刷機
１０３：部品実装機
１０４：部品実装機
１０５：リフロー炉
１０６：収納・搬送機
１０７：搬送手段
１１０：プリント配線板
１１０ａ：導電部分
１１１：絶縁基板
１１２：接地配線
１１３ａ、１１３ａ、１１３ｃ：信号配線
１１５：電子部品
１２０：プリント回路板
１３１：ベルトコンベア
１３２：作業台

Claims (5)

1. 基板が複数の装置内を通過することにより電子装置が製造される製造ライン内に、導電部分がケーブルを介してクーロンメーターに接続された基板を通過させながら、前記クーロンメーターにより前記導電部分の電荷量を測定し、
   前記導電部分は、前記電子装置の完成後に接地配線となる部分である製造ライン内の静電気測定方法。
2. 前記ケーブルとして、同軸ケーブルの内部導体を使用する請求項１に記載の製造ライン内の静電気測定方法。
3. 前記製造ライン内の複数の位置において前記基板と前記製造ラインの間の静電容量を予め測定しておき、前記静電容量及び前記電荷量に基づいて静電電圧を算出する請求項１または２に記載の製造ライン内の静電気測定方法。
4. 基板が複数の装置内を通過することにより電子装置が製造される製造ラインにおいて、クーロンメーターのプローブを前記基板の導電部分に接触させることにより、前記導電部分の電荷量を測定し、
   前記導電部分は、前記電子装置の完成後に接地配線となる部分である製造ライン内の静電気測定方法。
5. 前記基板に前記プローブを接触させる位置における前記基板と前記製造ラインの間の静電容量を予め測定しておき、前記静電容量及び前記電荷量に基づいて静電電圧を算出する請求項４に記載の製造ライン内の静電気測定方法。
   

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