JP5865021B2 - 回路基板検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、４端子対法による計測が行える回路基板検査装置に関し、さらに詳しく言えば、４端子対法での計測時におけるプローブ（導電接触ピン）のコンタクトチェックの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５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６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６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。

動作について説明すると、４端子対法には、低電位側の電圧プローブＰ４を仮想接地（０電位）とする自動平衡ブリッジ法が適用され、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Ｃ２，Ｃ１を流れて測定信号源１に戻る（図６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、ＬｃがＬｐ（＝仮想接地の０電位）となるようにヌルループ方式による帰還制御回路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、測定周波数が高くなると、測定経路長と信号波長との関係から、ある条件下では測定経路内に定在波が発生し、ブリッジ回路のバランスがくずれることがある。この場合には、完全な４端子測定ではなくなるため、４端子測定時には無視できたプローブの接触抵抗の影響を受けることがある。

この点に関し、特許文献２には、コンタクトチェックを行うため、低圧電圧端子Ｌｐに判定電流を注入して低圧電流端子Ｌｃの電位を測定することにより、被測定試料ＤＵＴと低圧電圧端子Ｌｐおよび低圧電流端子Ｌｃとの接触を判定する接触判定回路を備えるインピーダンス測定装置が提案されている。

これによれば、接触判定回路の構成が簡単で、コンタクトチェックを短時間で判定でき、被測定試料ＤＵＴの電気的特異による制約が少なく、また、被測定試料ＤＵＴとのエネルギー授受が小さい等の利点がある。

しかしながら、接触判定回路は、基本的に反転増幅器，判定電流注入手段およびＡ／Ｄコンバータよりなり、その構成が簡単ではあるものの、測定器本体であるインピーダンス測定装置にコンタクトチェックのための専用回路を付加しているため、その分、コストアップは否めない。また、測定中にコンタクトチェックを行うことができない、という問題がある。

特開平２−１２２２７４号公報 特許第３２６２８１９号公報

したがって、本発明の課題は、４端子対法による計測が行える回路基板検査装置において、プローブのコンタクトチェックのための専用回路が不要であり、また、測定中においても適宜コンタクトチェックが行え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する制御部とを備え、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るとともに、上記各同軸ケーブルの外部導体同士が所定の導通手段を介して相互に接続されている回路基板検査装置において、
少なくとも上記第１，第２の電圧プローブに用いられる各同軸ケーブルには、その内部導体と外部導体との間に、インピーダンスマッチング用の抵抗素子とスイッチとを含む直列回路が接続されており、上記制御部は、上記スイッチがオフであるときの上記内部導体と上記外部導体間の電圧値を第１の電圧値とし、上記スイッチがオンであるときの上記内部導体と上記外部導体間の電圧値を第２の電圧値として、上記第１の電圧値と上記第２の電圧値とが実質的に等しい場合には、上記被測定試料に対する上記第１，第２の電圧プローブの接触状態が良好であると判定し、上記第１の電圧値と上記第２の電圧値とが異なる場合には、上記被測定試料に対する上記第１，第２の電圧プローブの接触状態が不良であると判定することを特徴としている。

また、上記制御部は、上記測定信号源から出力される測定信号の特定周波数を境として、上記スイッチをオンからオフもしくはオフからオンに切り替える。

本発明によれば、高周波領域においても、測定経路に定在波が発生しないようにするため、少なくとも第１，第２の電圧プローブに用いられる各同軸ケーブルには、その内部導体と外部導体との間に、インピーダンスマッチング用の抵抗素子とスイッチとを含む直列回路が接続され、このスイッチは、高周波領域における特定の周波数を境にしてオンからオフもしくはオフからオンに切り替えられるが、その際、スイッチがオフであるときに得られる内部導体と外部導体間の第１の電圧値と、スイッチがオンであるときに得られる内部導体と外部導体間の第２の電圧値とに基づいて、各電圧プローブのコンタクトチェックを行うことができる。したがって、コンタクトチェックを行うための専用回路が不要であり、また、測定中においてもコンタクトチェックを行うことができる。

（ａ）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、（ｂ）本発明に適用される４端子対計測法によるプローブの構成例を示す模式図。 上記４端子対計測法によるプローブを含む自動平衡ブリッジを示す回路図。 高電位側の電圧プローブを例にして、その接触抵抗とインピーダンスマッチング用抵抗素子との関係を説明するための模式図。 測定周波数と被測定試料のインピーダンスとの関係を示すグラフで、（ａ）接触良好時における波形を示すグラフ、（ｂ）接触不良時における波形を示すグラフ。 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ないし図４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。

図２に示すように、測定部２０は、先の図６で説明したのと同じく、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およびヌルループ方式による帰還制御回路ＦＣ等を備え、この測定には、低電位Ｌｐ側の電圧プローブＰ４を仮想接地とする自動平衡ブリッジ法が適用される。

可動アーム３１，３２は、それらの移動機構４１，４２によりＸ−Ｙ−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。

なお、Ｘ−Ｙ方向とは、可動アーム３１，３２が図１に示す被検査回路基板Ａの基板面と平行な面に沿って動く方向（図１の紙面左右方向を例えばＸ方向とすれば、図１の紙面と直交する方向がＹ方向）であり、Ｚ方向とは、被検査回路基板Ａの基板面と直交する垂直方向（図１において上下方向）である。

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６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を区別する必要がない場合には、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。

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）側として電流検出系の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、その各一端がプローブＰ１〜Ｐ４の基端ｂ側に接続され、各他端が測定部２０に接続されるが、各同軸ケーブルＣ１〜Ｃ４の外部導体（シールド被覆線）Ｓ同士は、プローブＰ１〜Ｐ４の基端ｂ側付近において例えばリード線５により相互に接続される。

プローブＰ１〜Ｐ４のうち、好ましくは、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が一方の可動アーム３２側のプローブ保持部３２ａに支持され、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が他方の可動アーム３１側のプローブ保持部３１ａに支持される。この場合、可動アーム３１，３２は、電圧プローブＰ３，Ｐ４間に架け渡されているリード線５の長さ以下の間隔を保って移動する。

ところで、測定周波数が例えば数１０ＭＨｚ帯と高くなると、測定経路長と信号波長との関係から、ある条件下では測定経路内に定在波が発生し、ブリッジ回路のバランスがくずれ、完全な４端子測定ではなくなるため、４端子測定時には無視できたプローブの接触抵抗の影響を受けることがある。

そこで、本発明では、図２に示すように、電流プローブＰ１のＨｃ端子および電流プローブＰ２のＬｃ端子の各々に、インピーダンスマッチング用の抵抗素子Ｒ０とスイッチＳＷ１の並列回路２１を接続する。

また、電圧プローブＰ３のＨｐ端子および電圧プローブＰ４のＬｐ端子については、その内部導体ＩＬと外部導体Ｓとの間に、インピーダンスマッチング用の抵抗素子Ｒ０とスイッチＳＷ２の直列回路２２を接続するようにしている。

これによれば、測定周波数や測定経路長にかかわらず、信号の反射による定在波の発生が抑えられ、測定信号を送電端から受電端に正確に伝えることが可能となり、高周波領域においても、高確度な測定を行うことができる。

この種の測定装置としては、アジレントテクノロジー社の１１０ＭＨｚプレシジョン・インピーダンスアナライザ４２９４Ａが知られている。

その説明書によれば、各抵抗素子Ｒ０の抵抗値は５０Ωであり、ケーブル延長なしの場合で１５ＭＨｚ，１ｍ／２ｍケーブル延長時には５ＭＨｚ以上でスイッチＳＷ１をオフ、スイッチＳＷ２をオンとし、それ以下の周波数では、スイッチＳＷ１をオン、スイッチＳＷ２をオフとすることが記載されている。

本発明では、電圧プローブＰ３，Ｐ４のコンタクトチェックをインピーダンスマッチング用の直列回路２２に含まれているスイッチＳＷ２を利用して行う。これについて、図３に示されている高電位Ｈｐ側の電圧プローブＰ３により説明する。同図において、Ｒ１は電圧プローブＰ３の接触抵抗で、Ｖ０は被測定試料ＤＵＴに印加される検査電圧である。

スイッチＳＷ２がオフでインピーダンスマッチングが行われないとき、実質的にＲ０＝∞であるから、電圧計２の指示値ＶはＶ０を示す。

これに対して、スイッチＳＷ２がオンでインピーダンスマッチングが行われたとき、電圧計２の指示値Ｖは、Ｖ＝｛Ｒ０／（Ｒ０＋Ｒ１）}×Ｖ０となる。

ここで、接触抵抗Ｒ１＝０Ω（もしくはＲ１≒０Ω）であれば、電圧計２の指示値Ｖは、Ｖ＝Ｖ０（もしくはＶ≒Ｖ０）となるが、接触抵抗Ｒ１≫０Ωのときには、電圧計２の指示値Ｖは、Ｖ≠Ｖ０となり、指示値Ｖに誤差が生ずる。

したがって、測定信号が低周波領域から高周波領域に入って、例えば１５ＭＨｚもしくは５ＭＨｚ以上の時点でインピーダンスマッチングが行われ、スイッチＳＷ２がオフからオンに転じられた際、接触抵抗Ｒ１がほぼ０Ωで、電圧計２の指示値ＶがＶ＝Ｖ０（もしくはＶ≒Ｖ０）あれば、図４（ａ）に示すように、被測定試料ＤＵＴのインピーダンスＺは、インピーダンスマッチングの前後において連続した波形となる。

これに対して、接触抵抗Ｒ１がＲ１≫０Ωの場合には、電圧計２の指示値ＶがＶ≠Ｖ０となることから、図４（ｂ）に示すように、被測定試料ＤＵＴのインピーダンスＺは、インピーダンスマッチングの前後において不連続の波形となる。なお、図４（ａ），（ｂ）に示す波形は、被測定試料ＤＵＴをコンデンサとした場合のものである。

ちなみに、被測定試料ＤＵＴのインピーダンスＺは、電流計３により測定される電流をＩとして、Ｚ＝Ｖ／Ｉにより求められることから、スイッチＳＷ２がオンされた時点でＶが変化すると、それに応じてＺも変化する。

電圧プローブＰ４のＬｐ端子側も同様に、その内部導体ＩＬと外部導体Ｓとの間における電圧を図示しない電圧測定手段にて測定し、スイッチＳＷ２がオフからオン（もしくはオンからオフ）に転じた時点での電圧を監視することにより、コンタクトチェックを行うことができる。

インピーダンスマッチングを行う周波数はあらかじめ分かっているため、被測定試料ＤＵＴのインピーダンスＺの波形を監視し、インピーダンスマッチング周波数において、その波形が不連続である場合には、接触不良の可能性が高いため、コンタクトエラー（接触不良）と判定する。なお、Ｈｐ端子およびＬｐ端子の内部導体ＩＬと外部導体Ｓ間の電圧を監視するようにしてもよい。

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（導通手段）
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
ＤＵＴ 被測定試料
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
Ｒ０ インピーダンスマッチング用の抵抗素子
ＳＷ１，ＳＷ２ スイッチ

Claims (2)

1. 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する制御部とを備え、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るとともに、上記各同軸ケーブルの外部導体同士が所定の導通手段を介して相互に接続されている回路基板検査装置において、
   少なくとも上記第１，第２の電圧プローブに用いられる各同軸ケーブルには、その内部導体と外部導体との間に、インピーダンスマッチング用の抵抗素子とスイッチとを含む直列回路が接続されており、
   上記制御部は、上記スイッチがオフであるときの上記内部導体と上記外部導体間の電圧値を第１の電圧値とし、上記スイッチがオンであるときの上記内部導体と上記外部導体間の電圧値を第２の電圧値として、上記第１の電圧値と上記第２の電圧値とが実質的に等しい場合には、上記被測定試料に対する上記第１，第２の電圧プローブの接触状態が良好であると判定し、上記第１の電圧値と上記第２の電圧値とが異なる場合には、上記被測定試料に対する上記第１，第２の電圧プローブの接触状態が不良であると判定することを特徴とする回路基板検査装置。
2. 上記制御部は、上記測定信号源から出力される測定信号の特定周波数を境として、上記スイッチをオンからオフもしくはオフからオンに切り替え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。

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