プリント配線の電気的導通検査技術の開発
渦電流探傷法を応用した配線検査技術の開発
古賀 文隆
*1Development of New Inspection Technique for Printed Wires
Development of Wire Inspection Technique Using Eddy Current Testing Method Fumitaka Koga
プリント配線基板の導通検査を非接触で行える新たな方法として，金属の表面，表層部の検査に適した渦電流探 傷法の応用が考えられる。その中で直交コイル方式の渦電流探傷プローブの高性能化のために，有限要素法による 磁界数値解析を利用して磁心形状の最適化設計を行い，プローブを試作・評価した。その結果，幅 0.2 mm の配線に ついて配線の方向（縦，横，斜め，曲部）に関わらず断線の検出ができ，また幅 0.1 mm の直線状配線について断線 検出が可能であることが確認できた。
１ はじめに
現在の電子機器のほとんど全てにはプリント配線基 板が使われており，この不良は機器そのものの不良に 直結している。そのため，プリント配線基板自体の検 査が重要視されているが，近年，電子機器の高機能化，
小形化に伴い，プリント配線基板の配線パターンは細 密化，複雑化しているため検査が困難になってきてい る。現在プリント配線基板の検査は，外観検査やX線に よる検査，接触による電気的導通検査の方法が用いら れている。しかし，外観検査では不透明な膜に覆われ た部分の検査ができないという問題があり，X線による 検査では装置が大がかりで取扱いに注意を要するとい う問題がある。また，接触による電気的導通検査では，
コンタクト用のピンを接触させるためのパッドが必要，
絶縁膜に覆われた部分の検査ができない，配線を傷つ け二次不良を招くおそれがある，断線箇所の特定がで きない等の問題がある。そこで，これらに代わり非接 触で検査が行え，断線箇所の特定も可能な新たな方法 に対する要求が高まっており，非接触での金属の表面，
表層部の検査が可能な渦電流探傷法の応用が検討され ている
1-3)。
そこで本稿では，高空間分解能化に有利であると考 えられる励磁コイルと検出コイルを立体的に直交させ た構造を持つ渦電流探傷用プローブ
4)について，高性 能化のために付加する磁心の形状の最適化設計を有限
要素法による磁界数値解析を利用して行い，その結果 に基づいてプローブを試作し，評価を行った。その結 果，幅 0.2 mmの配線について配線の方向（縦，横，斜 め，曲部）に関わらず断線の検出ができ，また幅 0.1 mm の直線状配線について断線検出が可能であることが確 認できた。
２ 動作原理
図−1 に直交コイルによるプローブを示す。２個の 矩形コイルを立体的に 90゜回転させて重ねたもので あり，一方を励磁コイル，他方を検出コイルとして使 用し，２個のコイルの直交点近傍で欠陥検出を行う。
実際には，プローブの高性能化のために，コイルは例 えば図−1 に示したような形状の磁心に埋め込んで使 用する
3,5)。このプローブは，動作原理としては直交８ の字コイルを用いた渦流探傷用検出素子
6,7)と同じで あるが，コイルが立体的に巻かれた構造であるため，
平面コイルである８の字コイルと比較して高性能化の ためのコイルの多数巻き及び小形化が容易である。ま
図−１ 直交コイルによるプローブ
*1 機械電子研究所
た，８の字コイルに見られるコイル外周部の影響がな く，アレイ化
3,6,7)する場合に検出コイルを高密度に配 置することができる利点がある。図−２に欠陥検出原 理を示す。ここでは検査対象を非磁性導体とし，欠陥 として非磁性導体に穴があいている場合を考える。励 磁コイルに交流電流を流すことによって生じる磁束は，
非磁性導体に欠陥がなければ図−２(b)の矢印のよう になり，検出コイルに鎖交する磁束の成分はないので 検出コイルに誘導電圧は生じない。非磁性導体に図−
２(c)のような位置に穴があった場合は，渦電流の作用 によって磁束が穴の部分に集中しようとする。そのた め検出コイルに鎖交する磁束の成分が生じ，それによ って検出コイルに誘導電圧が発生し，欠陥の検出が可 能となる。
３ 磁心形状の解析
図−１に示した磁心の形状を基本として，有限要素 法による磁界数値解析を用いて磁心の最適な形状の導 出を行った。この磁心の基本形状は，高空間分解能化 と，検査時間短縮のための広領域走査を両立できるよ うに選択したものである。図−３に解析を行ったモデ
ルを示す。ここでは，磁心先端部の形状及び角度の違 いによる磁束密度分布の相対的な関係を見ることを目 的としたので，検出コイルを含む面と平行な面での２ 次元解析を行った。抵抗率 1×10
-8Ω
m，厚さ 0.03 mm の導体板（銅板）に 0.05 mmのギャップを設けて比透 磁率 2300 の強磁性（フェライト）磁心を配置し，励磁 コイルには 500 kHz，起磁力 1 ATとなる電流を流した。
まず，プローブの高感度化のために磁心先端部によ り多くの磁束を集中させる形状を選定するため，図−
４に示すような先端部が尖鋭な type1 と先端部に面取 りを施した type2 の，形状が異なる２種類の磁心につ いて角度
αを 25゜から 90゜まで変化させて解析を行 った。
導体板表面における磁束密度分布の一例を，type2 の
α=35゜の場合について図−５に示す。また，図−６ に導体板表面における磁束密度の最大値（x=0 での磁 束密度値）B(x=0)と磁束密度分布の半値幅（FWHM）の 角度
αに対する依存性を示す。図−５，図−６の磁束 密度は，
α=90゜のときの最大値 B(x=0)を基準として正 規化している。ここで，
α=90゜のときは type1 と type2
図−２ 直交コイル形プローブによる 欠陥検出原理
励磁コイル 検出コイル (c) 欠陥がある場合 励磁コイル 検出コイル
(b) 欠陥がある場合 (a) 欠陥検出面
図−３ 磁界数値解析用のプローブのモデル
図−４ 解析モデルのプローブ先端拡大図
単位：mmtype 2
type 1
はまったく同じ形状となる。最大値 B(x=0)に関しては，
type1 については角度
αが大きいほど大きな値となっ たが，type2 については角度
αによらずほぼ一定の値 となっていた。磁束の広がり具合を示す半値幅に関し ては，いずれの条件についてもほとんど差は見られな かった。したがって，磁心先端の狭領域により多くの 磁束を集中させるには，type 1 について角度
αを大 きくするか，type 2 を採用すればよいことがわかる。
次に，本プローブは導体の傷によって生じる磁束の ゆがみを検出するものであるから，導体に傷があると きの磁束分布のゆがみ（変化）を調べた。図−７に示 す導体板に傷（欠損箇所）を設けた２種類のモデル case 1，case 2 に関して，type1，type2 それぞれと の組み合わせについて角度
αを変化させて解析を行っ た。
傷がないときの磁束密度を基準とした磁束密度の変 化の一例を type2 の
α=35゜の場合について図−８に示 す。この図に関しても，磁束密度は導体板に傷がない 図−５ type 2，
α=35゜における銅板表面の磁
束密度分布
図−６ 磁束密度の最大値 B(x=0)と半値幅 の角度
α依存性
(1) type 1
(2) type 2
図−７ 銅板に傷を付加した解析モデル
case 2 case 1図−８ type 2，
α=35゜における，銅板に付加 した傷の影響による磁束密度の変化
(1) case 1
単位：mm
(2) case 2
場合における
α=90゜のときの最大値 B(x=0)を基準と して正規化した値で示している。プローブが高感度で あるためには，導体の傷がプローブの先端部に近い図
−７ case1 のような場合は磁束密度の変化が大きく なければならない。一方空間分解能を考慮すると，図
−７ case2 のようにプローブ先端から離れたところ にある傷によって生じる磁束密度分布の変化は小さい 方が望ましい。そこで，case1，case2 のそれぞれの磁 束密度変化のピーク値 Vp
1，Vp
2（図−８参照）の比
（Vp
2/Vp
1）をとって角度
αに対してプロットしたも のが図−９である。Vp
2/Vp
1は小さい方が良く，type2 において角度
αを小さくすれば良いことがわかる。
以上のことから，先端部にわずかな面取りを施した type 2 の角度
αの小さな磁心を採用すれば，磁心先 端部に磁束を有効に集中させることができ，かつ空間 分解能の高いプローブが実現できると考えられる。
４ 実験
４−１ 実験システム
前章の結果を基に磁心の機械的強度も考慮して，図
− １ ０ に 示 す よ う な 形 状 の type2 ，
α=35 ゜ の 磁 心 を Mn-Znフェライトにより作製し，溝部に励磁コイルを 10 ターン，検出コイルを 80 ターン巻いてプローブを 作製した。図−１１に実験システム，図−１２に検出 回路構成を示す。実験は，XYステージを用いて試料を 移動させることによりプローブを相対的に試料上で２ 次元走査し，検出コイルに誘導される電圧をロックイ ンアンプで検出し，出力電圧をグレースケールで表し 画像として表示するという方法で行った
6-9)。
４−２ 実験結果
厚さ 30
µm の銅箔に直径 0.5 mm の穴をあけた試料 をプローブで走査して得られたイメージングパターン を図−１３に示す。励磁周波数は予備実験で良好な SN 比を示した 800 kHz とし，励磁電流は 100 mA，リフト オフ（試料とプローブとの距離）は 50
µm とした。走 査領域は 6 mm×6 mm である。ロックインアンプの同期 位相は，出力電圧の変化が最も大きく現れるように設 定した。図−１３からわかるように，本プローブは点 状傷に対して直交 2 方向に正負の出力を生じる空間微 分特性を有している。
配線の断線検出性能を評価するために，図−１４に 示した 0.4 mm ピッチ（配線幅 0.2 mm，配線間隔 0.2 mm）
図−９ case 1 と case 2 における磁束密度 変化の比（Vp
2/Vp
1）の角度
α依存性
図−１１ 実験システム
図−１２ 検出回路構成
図−１０ 作製したプローブの磁心の形状
単位：mmの QFP ピッチ変換基板を試料として，白線で囲まれた 20 mm×20 mm の領域を対象に，励磁周波数 800 kHz，
励磁電流 100 mA，リフトオフ 50
µm という条件で走査 を行った。この白線の領域内には６箇所にカッターナ イフにより断線部を設けている。得られたイメージン グパターンを図−１５に示す。この図では，配線の端 部や斜めの配線パターンの影響が大きく出ており，断 線部のパターンを認識することは難しい。そこで，断 線箇所のない正常な基板から得られた参照用イメージ ングパターンである図−１６との差をとったものが図
−１７である。配線の端部や斜めの配線パターンの影 響を良好にキャンセルできていることがわかる。図−
１７中の６箇所の円で囲まれた部分に断線部があり，a，
b は縦方向配線の断線部，c，d は斜め方向配線の断線 部，e は横方向配線の断線部，f は横方向から斜め方向 に屈曲する点にある断線部であるが，配線の方向に関 わらず全ての断線箇所を明瞭に検出することができた。
更に，図−１８に示した 0.25 mm ピッチ（配線幅約 0.1 mm，配線間隔約 0.15 mm）の直線状配線を試料と して，4 mm×5 mm の領域を対象に，励磁周波数 800 kHz，
励磁電流 100 mA，リフトオフ 30
µm という条件で走査 図−１３ 穴を空けた銅箔に対するイメー
ジングパターン
図−１４ 配線幅 0.2 mm の QFP ピッチ変換 基板
図−１６ 断線のない QFP ピッチ変換基板 から得られた参照用イメージングパターン 図−１５ 断線部を付加した QFP ピッチ変 換基板から得られたイメージングパターン
図−１７ 参照用パターンとの差をとるこ
とにより得られたイメージングパターン
を行った。得られたイメージングパターンを図−１９ に示す。走査領域内には配線１本のみにカッターナイ フにより断線部を設けているが，図−１９にはその断 線部に断線パターンが生じており，0.1 mm 幅配線の断 線の検出が可能であることが確認できた。
５ まとめ
