(57)【要約】【課題】基板の絶縁劣化を高精度に検出できる絶縁劣化試験装置および絶縁劣化試験方法を提供すること。【解決手段】基板に設けられた第１パターンと第２パターンとの距離に相関する物理量を測定する測定器と、第１パターンと第２パターンとの間に析出した析出物による基板の絶縁劣化を検出する検出器と、を備え、検出器は、析出物を通じた第１パターンと第２パターンとの間の短絡電流によって析出物が消失する前に、測定された物理量に基づいて絶縁劣化を検出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に設けられた第１パターンと第２パターンとの距離に相関する物理量を測定する測定器と、
前記第１パターンと前記第２パターンとの間に析出した析出物による前記基板の絶縁劣化を検出する検出器と、を備え、
前記検出器は、前記析出物を通じた前記第１パターンと前記第２パターンとの間の短絡電流によって前記析出物が消失する前に、前記測定された物理量に基づいて前記絶縁劣化を検出する、絶縁劣化試験装置。
【請求項２】
前記物理量は、前記第１パターンと前記第２パターンとの間の静電容量であり、
前記測定器は、静電容量式の変位計である請求項１に記載の絶縁劣化試験装置。
【請求項３】
前記測定器は、前記物理量の測定結果を電圧として出力し、
前記検出器は、前記出力された電圧が閾値より大きいことを前記絶縁劣化として検出する請求項１または２に記載の絶縁劣化試験装置。
【請求項４】
第１電源端子が前記第１パターンに接続され、第２電源端子が前記第２パターンに接続され、前記第１パターンと前記第２パターンとの間に直流電圧を印加する電源と、
前記第１電源端子と前記第１パターンとの間または前記第２電源端子と前記第２パターンとの間に接続されたスイッチと、
前記絶縁劣化が検出された場合に前記スイッチをオフする制御を行う制御器と、を備える請求項１〜３のいずれか１項に記載の絶縁劣化試験装置。
【請求項５】
前記第１電源端子と前記第１パターンとの間または前記第２電源端子と前記第２パターンとの間に接続され、前記第１パターンと第２パターンとの間に流れる電流を制限する制限抵抗を備える請求項１〜４のいずれか１項に記載の絶縁劣化試験装置。
【請求項６】
前記制限抵抗は、抵抗値が可変である請求項５に記載の絶縁劣化試験装置。
【請求項７】
前記第１電源端子と前記第１パターンとの間または前記第２電源端子と前記第２パターンとの間に接続され、前記析出物の消失を検出するための検出抵抗を備える請求項１〜６のいずれか１項に記載の絶縁劣化試験装置。
【請求項８】
前記検出抵抗は、抵抗値が可変である請求項７に記載の絶縁劣化試験装置。
【請求項９】
前記第１電源端子と前記第１パターンとの間の第１ノードと、前記第２電源端子と前記第２パターンとの間の第２ノードとの間に接続され、前記第１パターンと前記第２パターンとの間の電圧を測定する電圧計と、
前記測定された電圧に基づいて前記基板の絶縁抵抗を算出する算出器と、を備える請求項１〜８のいずれか１項に記載の絶縁劣化試験装置。
【請求項１０】
前記基板の温度および湿度を制御する恒温恒湿槽を備える請求項１〜９のいずれか１項に記載の絶縁劣化試験装置。
【請求項１１】
基板に設けられた第１パターンと第２パターンとの距離に相関する物理量を測定し、
前記第１パターンと前記第２パターンとの間に析出した析出物による前記基板の絶縁劣化を検出し、
前記絶縁劣化の検出は、前記析出物を通じた前記第１パターンと前記第２パターンとの間の短絡電流によって前記析出物が消失する前に、前記測定された物理量に基づいて行う、絶縁劣化試験方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明による実施形態は、絶縁劣化試験装置および絶縁劣化試験方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水分が付着した状態でプリント基板に電圧を印加すると、プリント基板の電極材料が溶出して電極間を移動した後に析出するイオンマイグレーション（以下、単にマイグレーションという）が生じることが知られている。マイグレーションによる析出物には、デンドライトとＣＡＦ(Conductive Anodic Filament)との２種類がある。デンドライトは、陽極から溶出して陰極に到達した電極材料が、陰極から電子を受け取って析出することで形成される。ＣＡＦは、陽極から溶出した電極材料が陽極の近傍に析出することで形成される。
【０００３】
マイグレーションは、プリント基板の絶縁性能の劣化（以下、絶縁劣化ともいう）を引き起こす。マイグレーションが進行すると、デンドライトまたはＣＡＦによって電極間が短絡し、プリント基板は耐用寿命を迎える。
【０００４】
実使用環境におけるプリント基板の耐用寿命を推定するため、従来から、プリント基板の絶縁性能を試験する試験装置が採用されていた。試験装置は、プリント基板に設けられた２つの回路パターン間に直流電圧を印加する電源と、回路パターン間の電圧を測定する電圧計と、回路パターン間を導通する電流を測定する電流計とを備える。試験装置では、電圧計で測定された電圧と電流計で測定された電流とに基づいて、所定のサンプリング周期で回路パターン間の絶縁抵抗を算出し、絶縁抵抗が閾値を下回ることを、マイグレーションとして検出していた。
【０００５】
しかしながら、マイグレーションが発生した後、マイグレーションによるデンドライトまたはＣＡＦがこれらを通じた電極間の短絡電流で消失するリークタッチ現象が生じた場合、絶縁抵抗は、ある程度大きな値まで回復する。このようなマイグレーションの発生とリークタッチ現象とが、絶縁抵抗のサンプリングタイミングを跨がない短い期間内で生じた場合、マイグレーションを検出できなかった。
【０００６】
したがって、従来は、基板の絶縁劣化を高精度に検出することが困難であるといった問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平７‐５５８７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、基板の絶縁劣化を高精度に検出できる絶縁劣化試験装置および絶縁劣化試験方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本実施形態による絶縁劣化試験装置は、基板に設けられた第１パターンと第２パターンとの距離に相関する物理量を測定する測定器と、第１パターンと第２パターンとの間に析出した析出物による基板の絶縁劣化を検出する検出器と、を備え、検出器は、析出物を通じた第１パターンと第２パターンとの間の短絡電流によって析出物が消失する前に、測定された物理量に基づいて絶縁劣化を検出する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態の絶縁劣化試験装置を示すブロック図である。
【図２】本実施形態の絶縁劣化試験方法において、変位計の測定原理を説明するための説明図である。
【図３】本実施形態の絶縁劣化試験方法において、変位計の測定結果の推移を示す図である。
【図４】本実施形態の絶縁劣化試験方法において、デンドライトおよびＣＡＦの一例を示す図である。
【図５】図１の絶縁劣化試験装置で実行可能な図３と異なる態様の絶縁劣化試験方法を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。
【００１２】
図１は、本実施形態の絶縁劣化試験装置１を示すブロック図である。本実施形態の絶縁劣化試験装置１は、例えば、プリント基板の絶縁性能の試験に用いることができる。
【００１３】
図１に示すように、絶縁劣化試験装置１は、測定器の一例である静電容量方式の変位計２と、検出器、制御器および算出器の一例であるＣＰＵ３と、電源４とを備える。また、絶縁劣化試験装置１は、スイッチ５と、制限抵抗６と、検出抵抗７と、第１〜第３電圧計８Ａ〜８Ｃと、電流計９と、恒温恒湿槽１０とを備える。また、絶縁劣化試験装置１は、タイマ１１と、表示部１２と、メモリ１４と、操作部１５とを備える。
【００１４】
変位計２は、プリント基板Ｓに設けられた第１回路パターンＰ１と第２回路パターンＰ２との間に接続される。変位計２は、回路パターンＰ１、Ｐ２間の距離に相関する物理量の一例として、回路パターンＰ１、Ｐ２間の静電容量を測定する。変位計２は、回路パターンＰ１、Ｐ２間の静電容量の測定結果を、電圧（以下、出力電圧ともいう）としてＣＰＵ３に出力する。絶縁劣化の原因であるマイグレーションが生じると、デンドライトまたはＣＡＦによって回路パターンＰ１、Ｐ２間の距離が短縮する。変位計２によれば、回路パターンＰ１、Ｐ２間の距離に相関する静電容量を検出することで、検出対象であるマイグレーションを反映したパラメータを測定できる。
【００１５】
検出器としてのＣＰＵ３は、変位計２の出力電圧に基づいて、回路パターンＰ１、Ｐ２間に析出したデンドライトまたはＣＡＦによる基板Ｓの絶縁劣化として、マイグレーションを検出する。ＣＰＵ３は、回路パターンＰ１、Ｐ２間のデンドライトまたはＣＡＦがこれらを通じた回路パターンＰ１、Ｐ２間の短絡電流によるジュール熱で消失するリークタッチ現象が生じる前に、マイグレーションを検出する。ＣＰＵ３は、変位計２の出力電圧が閾値より大きいことをマイグレーションとして検出する。
【００１６】
後述するように、変位計２の出力電圧は、回路パターンＰ１、Ｐ２間の絶縁抵抗と比較して、マイグレーションの進行に応じた変化量が大きい。したがって、変位計２の出力電圧によれば、絶縁抵抗に基づくことでは検出できないマイグレーションを、リークタッチ現象の発生前に確実に検出できる。
【００１７】
電源４は、第１電源端子４１が第１回路パターンＰ１に接続され、第２電源端子４２が第２回路パターンＰ２に接続されている。例えば、第１電源端子４１は正極端子であり、第２電源端子４２は負極端子である。電源４は、第１回路パターンＰ１と第２回路パターンＰ２との間に直流電圧を印加する。回路パターンＰ１、Ｐ２間に直流電圧を印加することで、マイグレーションを発生および進行させることができる。
【００１８】
スイッチ５は、第１電源端子４１と第１回路パターンＰ１との間に接続されている。スイッチ５は、オンオフ動作によって電源４と回路パターンＰ１、Ｐ２とを接続または切断する。スイッチ５は、第２電源端子４２と第２回路パターンＰ２との間に接続されていてもよい。
【００１９】
制御器としてのＣＰＵ３は、マイグレーションが検出された場合に、スイッチ５をオフする制御を行う。スイッチ５をオフすることで、回路パターンＰ１、Ｐ２間への直流電圧の印加を停止できる。直流電圧の印加を停止することで、リークタッチ現象の発生前にマイグレーションの進行を停止させることができる。これにより、デンドライトおよびＣＡＦを消失させずにプリント基板Ｓ上に残存させることができるので、デンドライトおよびＣＡＦの発生箇所や成長状態を確認することができる。なお、デンドライトおよびＣＡＦは、顕微鏡等の絶縁劣化試験装置１以外の装置で確認してもよい。
【００２０】
第１電圧計８Ａは、第１電源端子４１と第１回路パターンＰ１との間の第１ノードＮ１と、第２電源端子４２と第２回路パターンＰ２との間の第２ノードＮ２との間に接続されている。なお、第１ノードＮ１は、スイッチ５と第１回路パターンＰ１との間に位置する。第１電圧計８Ａは、回路パターンＰ１、Ｐ２間の電圧を測定し、測定された電圧をＣＰＵ３に出力する。
【００２１】
電流計９は、第１電源端子４１と第１回路パターンＰ１との間においてスイッチ５と直列接続されている。より具体的には、電流計９は、第１電源端子４１と、第１ノードＮ１と反対側のスイッチ５の一端との間に接続されている。電流計９は、回路パターンＰ１、Ｐ２間に流れる電流を測定し、測定された電流をＣＰＵ３に出力する。電流計９は、第２電源端子４２と第２回路パターンＰ２との間に接続されていてもよい。
【００２２】
算出器としてのＣＰＵ３は、第１電圧計８Ａから出力された電圧を、電流計９から出力された電流で除することで、プリント基板Ｓの絶縁抵抗を算出可能である。絶縁抵抗を算出することで、変位計２の出力電圧に基づいてマイグレーションを検出する絶縁劣化試験以外にも、絶縁抵抗に基づいてマイグレーションを検出する絶縁劣化試験を行うこともできる。
【００２３】
制限抵抗６は、第２電源端子４２と第２回路パターンＰ２との間、より具体的には、第２電源端子４２と第２ノードＮ２との間に接続されている。制限抵抗６は、回路パターンＰ１、Ｐ２間に流れる電流を制限する。回路パターンＰ１、Ｐ２間の電流を制限することで、リークタッチ現象を発生し難くすることができる。リークタッチ現象を発生し難くすることができるので、変位計２の出力電圧に基づいたリークタッチ現象の発生前のマイグレーションの検出を、更に確実に行うことができる。また、制限抵抗６は、ＣＰＵ３の制御によって抵抗値を可変とされた可変抵抗である。制限抵抗６が可変抵抗であることで、試験条件の自由度を向上できる。制限抵抗６は、第１電源端子４１と第１回路パターンＰ１との間に接続されていてもよい。
【００２４】
第２電圧計８Ｂは、制限抵抗６に並列接続されている。第２電圧計８Ｂは、制限抵抗６の電圧を測定し、測定された電圧をＣＰＵ３に出力する。ＣＰＵ３は、第２電圧計８Ｂから出力された電圧を、制限抵抗６の抵抗値の調整などに用いてもよい。
【００２５】
検出抵抗７は、第２電源端子４２と第２回路パターンＰ２との間、より具体的には、第２電源端子４２と、第２ノードＮ２と反対側の制限抵抗６の一端との間において、制限抵抗６と直列接続されている。検出抵抗７は、リークタッチ現象を検出可能である。検出抵抗７は、ＣＰＵ３の制御によって抵抗値を可変とされた可変抵抗である。検出抵抗７が可変抵抗であることで、試験条件の自由度を向上できる。検出抵抗７は、第１電源端子４１と第１回路パターンＰ１との間に接続されていてもよい。
【００２６】
第３電圧計８Ｃは、検出抵抗７に並列接続されている。第３電圧計８Ｃは、検出抵抗７の電圧を測定し、測定された電圧をＣＰＵ３に出力する。ＣＰＵ３は、第３電圧計８Ｃから出力された電圧に基づいてリークタッチ現象を検出可能である。
【００２７】
恒温恒湿槽１０は、プリント基板Ｓを収容し、プリント基板Ｓの温度および湿度を高温多湿状態に制御する。プリント基板Ｓを高温多湿状態に制御することで、マイグレーションを促進できる。
【００２８】
タイマ１１は、周期クロック信号および現在時刻に相当する時刻信号をＣＰＵ３に出力する。ＣＰＵ３は、各種の計器２、８Ａ〜８Ｃ、９の測定結果を、タイマ１１からのクロック信号に同期した所定周期でサンプリングする。ＣＰＵ３は、サンプリングされた測定結果を逐次メモリ１４に記録する。
【００２９】
表示部１２は、ＣＰＵ３が取得または算出した各種の情報を表示可能である。表示部１２で表示される情報は、例えば、変位計２の出力電圧の推移や、絶縁抵抗の推移などであってもよい。
【００３０】
メモリ１４は、ＣＰＵ３が取得または算出した各種の情報を記憶する。
【００３１】
操作部１５は、ＣＰＵ３に測定の開始や終了を指示するスイッチを有する。
【００３２】
以上述べたように、本実施形態の絶縁劣化試験装置１によれば、変位計２の出力電圧に基づいてリークタッチ現象の発生前にマイグレーションを確実に検出できる。これにより、実使用環境におけるプリント基板Ｓの耐用寿命を正確に推定できる。
【００３３】
（絶縁劣化試験方法）
図２は、本実施形態の絶縁劣化試験方法において、変位計２の測定原理を説明するための説明図である。本実施形態の絶縁劣化試験方法では、変位計２の出力電圧に基づいてマイグレーションを検出する。変位計２の測定原理は、平行平板コンデンサの原理に基づいており、次式の関係式を有する回路パターンＰ１、Ｐ２間の静電容量を測定することである。
【数１】
2017198547.tif 000003
但し、数式（１）において、Ｃは、回路パターンＰ１、Ｐ２間の静電容量、εは、回路パターンＰ１、Ｐ２間の誘電率、Ｓは、回路パターンＰ１、Ｐ２の対向面積、Ｄは回路パターンＰ１、Ｐ２間の平均距離である（以下、同様）。
【００３４】
図２に示すように、数式（１）の静電容量Ｃは、回路パターンＰ１、Ｐ２間の平均距離Ｄに反比例している。変位計２が交流定電源駆動で静電容量Ｃを測定すると、変位計２の出力電圧は次式で表すことができる。
【数２】
2017198547.tif 000004
但し、数式（２）において、Ｖは、変位計２の出力電圧、Ｉは、回路パターンＰ１、Ｐ２間の電流、ωは、変位計２の駆動角周波数である。
【００３５】
本実施形態の絶縁劣化試験方法では、数式（２）に示される変位計２の出力電圧Ｖに基づいてマイグレーションを検出する。
【００３６】
図３は、本実施形態の絶縁劣化試験方法において、変位計２の出力電圧Ｖの推移を示す図である。なお、図３には、比較対照のため、図１の絶縁劣化試験装置１で算出可能なプリント基板Ｓの絶縁抵抗Ωの推移も示されている。なお、本実施形態の絶縁劣化試験方法において、絶縁抵抗Ωの算出は任意である。以下、図３を参照して本実施形態の絶縁劣化試験方法の具体的な手順の一例について説明する。
【００３７】
先ず、操作部１５を操作することで、ＣＰＵ３に測定開始を指示する。測定開始が指示されると、ＣＰＵ３は、スイッチ５をオンすることで、電源４から回路パターンＰ１、Ｐ２間に直流電圧を印加する。なお、図３の例では、回路パターンＰ１、Ｐ２間の平均距離Ｄを１．５ｍｍ、直流電圧を５．５Ｖとしている。また、ＣＰＵ３は、変位計２を交流定電源駆動することで、変位計２に回路パターンＰ１、Ｐ２間の静電容量Ｃを測定させる。
【００３８】
変位計２は、回路パターンＰ１、Ｐ２間の静電容量Ｃの測定結果を、数式（２）に示される出力電圧ＶとしてＣＰＵ３に出力する。ＣＰＵ３は、変位計２の出力電圧Ｖを、タイマ１１から出力されたクロック信号に同期したサンプリング周期でサンプリングして、逐次メモリ１４に記録する。図３の例では、出力電圧Ｖのサンプリング周期を１５秒としている。
【００３９】
ＣＰＵ３は、変位計２の出力電圧Ｖに基づいて、リークタッチ現象の発生前にマイグレーションを検出する。具体的には、ＣＰＵ３は、変位計２の出力電圧Ｖが閾値Ｖｔｈより大きいことをマイグレーションとして検出する。閾値Ｖｔｈとしては、予め行われた実験結果やシミュレーションに基づいた好適な値を設定してよい。
【００４０】
マイグレーションを検出すると、ＣＰＵ３は、スイッチ５をオフすることで、電源４から回路パターンＰ１、Ｐ２間への直流電圧の印加を停止させる。
【００４１】
図４は、本実施形態の絶縁劣化試験方法において、デンドライトおよびＣＡＦの一例を示す図である。マイグレーションを検出したときにスイッチ５をオフすることで、マイグレーションの進行すなわちデンドライトおよびＣＡＦの成長は停止する。このため、マイグレーションの検出後に、リークタッチ現象によってデンドライトおよびＣＡＦが消失することはない。これにより、図４に示すように、陽極Ｐ１のＣＡＦおよび陰極Ｐ２のデンドライトの発生箇所や進行状態を確認でき、確認結果をプリント基板Ｓの改良設計に反映させることができる。
【００４２】
もし、絶縁抵抗Ωに基づいてマイグレーションを検出する場合、図３に示すように、絶縁抵抗Ωは、時間の経過にともなってマイグレーションが十分に進行した後（図３における１分３０秒後）でなければ、マイグレーションに応じた変化即ち低下を殆ど示さない。したがって、絶縁抵抗Ωに基づいてマイグレーションを検出する場合、リークタッチ現象が生じる前の初期のマイグレーションを検出できない。このことは、たとえ、絶縁抵抗Ωのサンプリング周期を短くした場合でも同様である。マイグレーションが十分に進行した後でなければマイグレーションを検出できないので、耐用寿命が実際よりも長く推定されてしまう虞がある。
【００４３】
これに対して、図３に示すように、変位計２の出力電圧Ｖは、マイグレーションに応じた変化量が絶縁抵抗Ωに比べて大きい。例えば、静電容量式の変位計は、マイグレーションの発生を静電容量式変位計の抵抗値の変化により迅速に検出することができる。したがって、変位計２の出力電圧Ｖに基づいてマイグレーションを検出することで、例えば図３の時間１分における初期のマイグレーションを、閾値Ｖｔｈを上回る出力電圧Ｖとして確実に検出できる。なお、図３の例に示すように、変位計２の出力電圧Ｖのサンプリング周期を１秒以内とすることで、初期のマイグレーションをより確実に検出できる。
【００４４】
なお、ＣＰＵ３は、変位計２の出力電圧Ｖに基づいてマイグレーションを検出したときに、第３電圧計８Ｃで測定された検出抵抗７の電圧に基づいて、リークタッチ現象が検出されていないことを確認してもよい。そして、リークタッチ現象が検出されていない場合に、ＣＰＵ３は、リークタッチ現象の発生前の初期のマイグレーションの検出が成功であると判定してもよい。一方、リークタッチ現象が検出されている場合、ＣＰＵ３は、初期のマイグレーションの検出が失敗であると判定してもよい。この判定の結果は、表示部１２に表示してもよい。これにより、初期のマイグレーションをより確実に検出できる。
【００４５】
図５は、図１の絶縁劣化試験装置１で実行可能な図３と異なる態様の絶縁劣化試験方法を示すタイムチャートである。初期のマイグレーションは検出できないが、リークタッチ現象後のマイグレーションを検出したい場合には、絶縁抵抗に基づいたマイグレーションの検出を行ってもよい。絶縁抵抗に基づいてマイグレーションを検出する場合には、図５に示すように、第１電圧計８Ａによって回路パターンＰ１、Ｐ２間の電圧ＶＰ１を検出し、また、電流計９によって回路パターンＰ１、Ｐ２間の電流ＩＰ１を検出する。そして、ＣＰＵ３は、例えば、ＶＰとＩＰとの比ＶＰ／ＩＰを算出することで、絶縁抵抗ＲＰを算出する。なお、ＣＰＵ３は、電源電圧Ｖ０、制限抵抗６の抵抗値ＲＬおよび検出抵抗７の抵抗値ＲＳを用いて、絶縁抵抗ＲＰを（ＲＬ＋ＲＳ）×ＶＰ／（Ｖ０‐ＶＰ）として算出してもよい。なお、図５のＴｓは、絶縁抵抗のサンプリング周期である。ＣＰＵ３は、絶縁抵抗ＲＰが閾値ＲＰＴＨより小さいことを、マイグレーションとして検出する。図５では、時刻ｔ１において生じ始めたマイグレーションが、絶縁抵抗ＲＰが閾値ＲＰＴＨに達する時刻ｔ２の直後のサンプリングタイミングである時刻ｔ３において検出される。ＣＰＵ３は、電流ＩＰが閾値より大きいこと、または、電圧ＶＰが閾値より小さいことを、マイグレーションとして検出してもよい。
【００４６】
以上述べたように、本実施形態によれば、変位計２の出力電圧Ｖに基づいて初期のマイグレーションを確実に検出できるので、耐用寿命を正確に推定できる。また、デンドライトおよびＣＡＦを残存させることができるので、デンドライトおよびＣＡＦの発生箇所や進行状態を確認し、プリント基板Ｓの改良設計に役立てることができる。
【００４７】
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同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４８】
１  絶縁劣化試験装置、２  変位計、３  ＣＰＵ
【図１】
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【図２】
2017198547.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
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