JP5611023B2

JP5611023B2 - 回路基板検査装置

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Publication number: JP5611023B2
Application number: JP2010284038A
Authority: JP
Inventors: 章弘塩入
Original assignee: Hioki EE Corp
Current assignee: Hioki EE Corp
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2030-12-21
Also published as: JP2012132737A

Description

本発明は、回路基板の検査に用いられるプローブ（導電接触ピン）を所定方向に移動可能な可動アームに支持してなるＸ−Ｙ型（もしくはフライング型等）と呼ばれる回路基板検査装置で４端子対法による測定を行うにあたって、可動アームの動きの自由度を高める技術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（以下、これらを「被測定試料」という。）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３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。

プローブとしては、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つの電流プローブ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つの電圧プローブＰ３，Ｐ４（Ｐ３が高電位Ｈｐ側で、Ｐ２が低電位Ｌｐ側）の４つのプローブが用いられる。

なお、これらの各プローブ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と言い、電圧系統側のものを電圧プローブと言う。

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、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、測定系の電気配線に、同軸ケーブル（シールド被覆線）を使用しても、静電シールドの効果はあるが、上記のような電磁誘導に対しては有効ではない。

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。４端子対法に関する文献としては例えば特許文献１があるが、図４に４端子対法による測定状態を模式的に示し、これについて説明する。

図４を参照して、４端子対法の場合、電流プローブ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４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。

ところで、Ｘ−Ｙ型回路基板装置では、例えば特許文献２に記載されているように、回路基板上を所定方向（Ｘ，ＹおよびＺ方向）に移動し得る少なくとも２つの可動アームを備え、その各可動アームにプローブを支持させ、あらかじめ設定されている検査プログラムにしたがって、各可動アームを移動させて回路基板上の被測定試料の検査を行うようにしている。

Ｘ−Ｙ型回路基板装置で４端子対法による測定を行う場合、例えば、一方の可動アームに高電位側の電流プローブＰ１と電圧プローブＰ３とが設けられ、他方の可動アームに低電位側の電流プローブＰ２と電圧プローブＰ４とが設けられ、これらの各可動アーム間に外部導体接続用のリード線５が掛け渡されることになる。

このため、各可動アームの動き得る範囲がリード線５の配線長に制限され、例えばパターンのピッチが変化し、プロービング箇所間の距離がリード線５の配線長よりも長い場合には対応ができない、等の問題がある。

この問題を解決するには、各可動アーム間に掛け渡される外部導体接続用リード線の配線長を長くすればよいのであるが、そうした場合、極端な例ではあるが、可動アームの間隔が狭められた際に、被検査回路基板上にリード線が垂れ下がって引きずられるおそれがあり、好ましい対策とは言えない。

特開平２−１２２２７４号公報特開２００２−１４１３２号公報

したがって、本発明の課題は、Ｘ−Ｙ型（もしくはフライング型等）と呼ばれる回路基板検査装置で４端子対法による測定を行うにあたって、各可動アームの離間距離をより広げられるようにすることにある。

上記課題を解決するため、本発明は、測定信号源および電圧検出手段を含む測定部と、上記測定信号源と被測定試料との間の測定電流径路に含まれる第１，第２の電流プローブおよび上記電圧検出手段と上記被測定試料との間の電圧検出径路に含まれる第１，第２の電圧プローブと、上記第１，第２の電流プローブおよび上記第１，第２の電圧プローブが取り付けられ、移動機構により任意方向に駆動される第１，第２の可動アームと、上記測定部からの測定信号に基づいて上記被測定試料のパラメータを算出し、かつ、上記移動機構を介して上記各可動アームの動きを制御する制御部とを備えている回路基板検査装置において、
４端子対法による計測を行うため、上記各電流プローブおよび上記各電圧プローブの上記測定部に至る電気配線に同軸ケーブルが用いられ、上記第１の可動アーム側に、上記第１の電流プローブと上記第１の電圧プローブとが、それらの各同軸ケーブルの外部導体間をリード線により電気的に接続した状態で支持されているとともに、上記第２の可動アーム側に、上記第２の電流プローブと上記第２の電圧プローブとが、それらの各同軸ケーブルの外部導体間をリード線により電気的に接続した状態で支持されており、上記第１の可動アーム側のうちの一方の上記同軸ケーブルの外部導体と、上記第２の可動アーム側のうちの一方の上記同軸ケーブルの外部導体とが、金属製のコイルバネを介して互いに電気的に接続されていることを特徴としている。

本発明において、上記第１の可動アーム側に支持される上記第１の電流プローブおよび上記第１の電圧プローブがともに高電位側で、上記第２の可動アーム側に支持される上記第２の電流プローブおよび上記第２の電圧プローブがともに低電位側であり、上記第１の電圧プローブにおける同軸ケーブルの外部導体と、上記第２の電圧プローブにおける同軸ケーブルの外部導体との間に上記コイルバネが介装されていることが好ましい。

また、上記コイルバネを保護するうえで、上記第１の可動アームと上記第２の可動アームとの間には、上記コイルバネの伸び量を所定範囲内に制限する上記コイルバネよりも強靱なワイヤが掛け渡されていることが好ましい。

本発明によれば、各同軸ケーブルの外部導体の相互を電気的に接続するため、可動アーム間に配線されるリード線に代えて、金属製のコイルバネを採用したことにより、各可動アームの離間距離をコイルバネの最大伸び量の範囲まで広げることができる。

（ａ）Ｘ−Ｙ型回路基板検査装置の基本的な構成を示す模式図、（ｂ）本発明に適用される４端子対法によるプローブの構成例を示す模式図。本発明の実施形態を示す模式図。４端子法による測定状態を示す模式図。４端子対法による測定状態を示す模式図。

次に、図１および図２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（ａ）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、Ｘ−Ｙ型もしくはフライング型と呼ばれる検査装置で、基本的な構成として、制御部１０と、測定部２０と、一対の可動アーム３１，３２と、可動アームの移動機構４１，４２とを備える。

制御部１０には、例えばマイクロコンピュータが用いられ、その記憶部には、被検査回路基板Ａ上に存在する被測定試料ＤＵＴについての検査プログラムや、良否判定用の基準データ等が設定される。また、制御部１０は、測定部２０からの測定信号に基づいて、被測定試料ＤＵＴのパラメータ（例えば、インピーダンス）を算出し、好ましくは、その良否判定等を行う。

測定部２０は、先の図４で説明したように、４端子対法による測定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、電流検出手段としての電流計３および帰還制御回路ＦＣ等を備える。

可動アーム３１，３２は、それらの移動機構４１，４２によりＸ，ＹおよびＺ方向に駆動される。可動アーム３１，３２の移動制御信号は、制御部１０から移動機構４１，４２に与えられる。図示しないが、可動アーム３１，３２のほかに、別の可動アーム（例えば、ガードプローブ用の可動アーム等）が設けられてもよい。

検査プローブには、図１（ｂ）に示す４端子対法による４本のプローブＰ１〜Ｐ４が用いられる。このうち、先の図４で説明したのと同じく、Ｐ１，Ｐ２が被測定試料ＤＵＴに対する測定電流径路に含まれる電流プローブで、Ｐ３，Ｐ４が被測定試料ＤＵＴの電圧検出径路に含まれる電圧プローブである。

電流プローブＰ１，Ｐ２，電圧プローブＰ３，Ｐ４には、同じ構造のプローブが用いられてよい。なお、説明するうえで、これらの各プローブの区別を必要としない場合には、単にプローブということがある。

プローブＰ１，Ｐ２，Ｐ３およびＰ４は、それぞれ同軸ケーブルＣ１，Ｃ２，Ｃ３およびＣ４の各内部導体ＩＬを介して測定部２０に接続される。

先の図４を参照して、電流プローブＰ１，Ｐ２のうち、電流プローブＰ１が高電位（Ｈｉ）側で測定信号源１のＨｃ端子に接続され、電流プローブＰ２は低電位（Ｌｏｗ）側として電流計３のＬｃ端子側に接続される。

同様に、電圧プローブＰ３，Ｐ４のうち、電圧プローブＰ３が高電位側で電圧計２のＨｐ端子に接続され、電圧プローブＰ４は低電位側として電圧検出系のＬｐ端子側に接続される。

同軸ケーブルＣ１〜Ｃ４の各内部導体ＩＬは、その各一端が測定部２０に接続され、各他端がプローブＰ１〜Ｐ４の基端ｂ側に接続されるが、この実施形態においては、高電位側の同軸ケーブルＣ１，Ｃ３の各外部導体（シールド被覆線）Ｓ同士は、プローブＰ１，Ｐ３の基端ｂ側付近においてリード線５により相互に接続されている。

同様に、低電位側の同軸ケーブルＣ２，Ｃ４の各外部導体Ｓ同士も、プローブＰ２，Ｐ４の基端ｂ側付近においてリード線５により相互に接続されている。

本発明では、高電位側の同軸ケーブルＣ１，Ｃ３の各外部導体Ｓと、低電位側の同軸ケーブルＣ２，Ｃ４の各外部導体Ｓとを相互に電気的に接続するため、リード線ではなく金属製のコイルバネ５ａを用いる。

この実施形態では、高電位側の電圧プローブＰ３における同軸ケーブルＣ３の外部導体Ｓと、低電位側の電圧プローブＰ４における同軸ケーブルＣ４の外部導体Ｓとの間にコイルバネ５ａが介装され、これにより、高電位側の同軸ケーブルＣ１，Ｃ３の各外部導体Ｓと、低電位側の同軸ケーブルＣ２，Ｃ４の各外部導体Ｓとがコイルバネ５ａを介して相互に電気的に接続される。

本発明では、この４端子対法による測定用のプローブＰ１〜Ｐ４を所定方向に移動可能な可動アーム３１，３２に支持させて、Ｘ−Ｙ型の回路基板検査装置で被測定試料ＤＵＴのインピーダンス測定を行う。

そのため、この実施形態では、図２に示すように、高電位側の電流プローブＰ１および高電位側の電圧プローブＰ３を一方の可動アーム３２側に取り付け、低電位側の電流プローブＰ２および低電位側の電圧プローブＰ４を他方の可動アーム３１側に取り付ける。

そして、各プローブＰ１〜Ｐ４を同軸ケーブルＣ１〜Ｃ４を介して測定部２０に接続したのち、同軸ケーブルＣ１〜Ｃ４のプローブ側の端部の外皮をはぎ取って露出された各外部導体Ｓのうち、図１（ｂ）に示すように、同軸ケーブルＣ１，Ｃ３の各外部導体Ｓ間をリード線５により接続し、また、同軸ケーブルＣ２，Ｃ４の各外部導体Ｓ間をリード線５により接続するとともに、同軸ケーブルＣ３の外部導体Ｓと同軸ケーブルＣ４の外部導体Ｓとの間をコイルバネ５ａにより接続する。

これによれば、可動アーム３１，３２の離間距離が、コイルバネ５ａの最大伸び量の範囲まで広げられるため、その範囲内において、被測定試料ＤＵＴのプロービング箇所である端子部間のピッチの変化に対応することができる。

なお、本明細書において、コイルバネ５ａの最大伸び量とは、そのバネ弾性が損なわれることなく（バネ弾性がいわゆる「へたる」ことなく）伸ばすことが可能なもっとも大きな伸び量である。

また、コイルバネ５ａは、その軸線方向長さが、無負荷状態（自然状態）から縮められたときには圧縮バネ（押しバネ）として作用し、無負荷状態から伸ばされたときには引張バネ（引きバネ）として作用するコイルバネであることが好ましいが、圧縮バネもしくは引張バネが用いられてもよい。

また、コイルバネ５ａを保護する（伸ばした際に上記の「へたり」が生じないようにする）ため、可動アーム３１，３２との間に、図示しないが、コイルバネ５ａの伸び量を所定範囲内に制限するコイルバネ５ａよりも強靱なワイヤを掛け渡すことが好ましい。

また、一方の可動アームと他方の可動アームとに、それぞれ電流プローブと電圧プローブとを支持させることを前提として、場合によっては、それらの高電位側と低電位側とを入れ替えてもよく、このような態様も本発明に含まれる。

１測定信号源
２電圧検出手段（電圧計）
３電流検出手段（電流計）
５リード線
５ａコイルバネ
１０制御部
２０測定部
３１，３２可動アーム
４１，４２移動機構
Ａ被検査回路基板
Ｐ１，Ｐ２電流プローブ
Ｐ３，Ｐ４電圧プローブ
Ｃ１〜Ｃ４同軸ケーブル
ＩＬ内部導体
Ｓ外部導体（シールド被覆線）
ＦＣ帰還制御回路
ＤＵＴ被測定試料

Claims

測定信号源および電圧検出手段を含む測定部と、上記測定信号源と被測定試料との間の測定電流径路に含まれる第１，第２の電流プローブおよび上記電圧検出手段と上記被測定試料との間の電圧検出径路に含まれる第１，第２の電圧プローブと、上記第１，第２の電流プローブおよび上記第１，第２の電圧プローブが取り付けられ、移動機構により任意方向に駆動される第１，第２の可動アームと、上記測定部からの測定信号に基づいて上記被測定試料のパラメータを算出し、かつ、上記移動機構を介して上記各可動アームの動きを制御する制御部とを備えている回路基板検査装置において、
４端子対法による計測を行うため、上記各電流プローブおよび上記各電圧プローブの上記測定部に至る電気配線に同軸ケーブルが用いられ、
上記第１の可動アーム側に、上記第１の電流プローブと上記第１の電圧プローブとが、それらの各同軸ケーブルの外部導体間をリード線により電気的に接続した状態で支持されているとともに、
上記第２の可動アーム側に、上記第２の電流プローブと上記第２の電圧プローブとが、それらの各同軸ケーブルの外部導体間をリード線により電気的に接続した状態で支持されており、
上記第１の可動アーム側のうちの一方の上記同軸ケーブルの外部導体と、上記第２の可動アーム側のうちの一方の上記同軸ケーブルの外部導体とが、金属製のコイルバネを介して互いに電気的に接続されていることを特徴とする回路基板検査装置。
上記第１の可動アーム側に支持される上記第１の電流プローブおよび上記第１の電圧プローブがともに高電位側で、上記第２の可動アーム側に支持される上記第２の電流プローブおよび上記第２の電圧プローブがともに低電位側であり、上記第１の電圧プローブにおける同軸ケーブルの外部導体と、上記第２の電圧プローブにおける同軸ケーブルの外部導体との間に上記コイルバネが介装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装置。
上記第１の可動アームと上記第２の可動アームとの間には、上記コイルバネの伸び量を所定範囲内に制限する上記コイルバネよりも強靱なワイヤが掛け渡されていることを特徴とする請求項１または２に記載の回路基板検査装置。