現(xiàn)代PCB測(cè)試工程的策略

1、現(xiàn)代PCB測(cè)試的策略隨著自動(dòng)測(cè)試設(shè)備成為電子裝配過程整體的一部分，DFT必須不僅僅包括傳統(tǒng)的硬件使用問題， 而且也包括測(cè)試設(shè)備診斷能力的 知識(shí)。為測(cè)試著想的設(shè)計(jì) (DFT, design for test) 不是單個(gè)人的事 情，而是由設(shè)計(jì)工程部、測(cè)試工程部、制造部和采購部的代表所 組成的一個(gè)小組的工作。 設(shè)計(jì)工程必須規(guī)定功能產(chǎn)品及其誤差要 求。測(cè)試工程必須提供一個(gè)以最低的成本、 最少的返工達(dá)到僅盡 可能高的第一次通過合格率 (FPY, first-pass yield) 的策略。 制造部和品質(zhì)部必須提供生產(chǎn)成本輸入、 在過去類似的產(chǎn)品中什 么已經(jīng)做過、什么沒有做過、以及有關(guān)為產(chǎn)量著想的設(shè)計(jì) (

2、DFV, design for volume) 提高產(chǎn)量的幫助。采購部必須提供可獲得元 件，特別是可靠性的信息。 測(cè)試部和采購部在購買在板 (on-board) 測(cè)試硬件的元件時(shí)， 必須一起工作以保證這些元件是可獲得的和 易于實(shí)施的。 通常把測(cè)試系統(tǒng)當(dāng)作收集有關(guān)歷史數(shù)據(jù)的傳感器使 用，達(dá)到過程的改善，這應(yīng)該是品質(zhì)小組的目標(biāo)。所以這些功能 應(yīng)該在放置 / 拿掉任何節(jié)點(diǎn)選取之前完成。參數(shù)在制訂測(cè)試環(huán)境的政策之前， 準(zhǔn)備和了解是關(guān)鍵的。 影響測(cè) 試策略的參數(shù)包括：可訪問性。完全訪問和大的測(cè)試焊盤總是為制造設(shè)計(jì)電路板 的目標(biāo)。通常不能提供完全訪問有四個(gè)原因：板的尺寸。設(shè)計(jì)更小；問題是測(cè)試焊盤的“額外的

3、”占板空間。 不幸的是，多數(shù)設(shè)計(jì)工程師認(rèn)為測(cè)試焊的可訪問性是印刷電路板 上(PCB)較不重要的事情。當(dāng)由于不能使用在線測(cè)試儀(ICT,in-circuit tester) 的簡(jiǎn)單診斷，產(chǎn)品必須由設(shè)計(jì)工程師來調(diào)試 的時(shí)候，情況就會(huì)是另一回事。如果不能提供完全訪問，測(cè)試選 擇是有限的。功能。在高速設(shè)計(jì)中損失的性能影響板的部分， 但可以逐步縮小 在產(chǎn)品可測(cè)試性上的影響。板的尺寸 / 節(jié)點(diǎn)數(shù)。這是當(dāng)物理板得尺寸在任何現(xiàn)有的設(shè)備上都 不能測(cè)試的時(shí)候。 慶幸的是， 這個(gè)問題可以在新的測(cè)試設(shè)備上或 者使用外部的測(cè)試設(shè)施上增加預(yù)算來得到解決。 當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)大于現(xiàn) 有的ICT,問題更難解決。DFT小組必須了解測(cè)試方

4、法，這些方 法將允許制造部門使用最少的時(shí)間與金錢來輸出好的產(chǎn)品。 嵌入 式自測(cè)、邊界掃描 (BS, boundary scan) 和功能塊測(cè)試可做到這 點(diǎn)。診斷必須支持測(cè)試下的單元 (UUT, unit under test)；這個(gè)只能通過對(duì)使用的測(cè)試方法、 現(xiàn)有測(cè)試設(shè)備與能力、 和制造環(huán)境 的故障頻譜的深入了解才做得到。DFT規(guī)則沒有使用、遵守或理解。歷史上，DFT規(guī)則由理解制造環(huán)境、過程與功能測(cè)試要求和元件技術(shù)的一個(gè)工程師或工程師小 組強(qiáng)制執(zhí)行。在實(shí)際環(huán)境中，過程是漫長(zhǎng)的，要求設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī) 輔助設(shè)計(jì)(CAD)與測(cè)試之間的相互溝通。這個(gè)泛味的重復(fù)性工作 容易產(chǎn)生人為錯(cuò)誤， 經(jīng)常由于到達(dá)市場(chǎng)的

5、時(shí)間 (time-to-market) 壓力而匆匆而過。 現(xiàn)在工業(yè)上已經(jīng)有開始使用自動(dòng)“可生產(chǎn)性分 析儀”，利用DFT規(guī)則來評(píng)估CAD文件。當(dāng)合約制造商(CM, contract manufacturer) 使用時(shí)，可分類出多套規(guī)則。規(guī)則的連 續(xù)性和無差錯(cuò)產(chǎn)品評(píng)估是這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)。測(cè)試設(shè)備的可獲得性DFT小組應(yīng)該清楚現(xiàn)有的測(cè)試策略。隨著OEM專向依靠CM越來越多， 使用的設(shè)備廠與廠之間都不同。 沒有清楚地理解制造 商工藝，可能會(huì)采用太多或太少的測(cè)試?，F(xiàn)存的測(cè)試方法包括： 手工或自動(dòng)視覺測(cè)試，使用視覺與比較來確認(rèn)PCB上的元件貼裝。這個(gè)技術(shù)有幾種實(shí)施方法： 手動(dòng)視覺是最廣泛使用的在線測(cè)試， 但由

6、于制造產(chǎn)量增加和板與 元件的縮小，這個(gè)方法變得不可行。 它的主要優(yōu)點(diǎn)是低的預(yù)先 成本和沒有測(cè)試夾具， 而它的主要缺點(diǎn)是高長(zhǎng)期成本、 不連續(xù)的 缺陷發(fā)覺、數(shù)據(jù)收集困難、無電氣測(cè)試和視覺上的局限。自動(dòng)光學(xué)檢查 (AOI, automated optical inspection) ，通常在 回流前后使用，是較新的確認(rèn)制造缺陷的方法。它是非電氣的、 無夾具的、在線技術(shù)，使用了“學(xué)習(xí)與比較 (learn and compare)”編程來使裝料(ramp-up)時(shí)間最小。自動(dòng)視覺對(duì)極性、 元件存在與不存在的檢查較好， 只要后面的元件與原來所“學(xué)” 的元件類似即可。 它的主要優(yōu)點(diǎn)是易于跟隨診斷、 快速容易

7、程序 開發(fā)、和無夾具。其主要缺點(diǎn)是對(duì)短路識(shí)別較差、高失效率和不 是電氣測(cè)試。自動(dòng) X 光檢查 (AXI, automated X-ray inspection)是現(xiàn)時(shí)測(cè)試球柵陣列 (BGA, ball grid array)焊接質(zhì)量和被遮擋的錫球的唯一方法。它是早期查找過程缺陷的、非電氣、非接觸的技術(shù)，減 少了過程工作 (WIP, work-in-process) 。這個(gè)領(lǐng)域的進(jìn)步包括通 過/失效數(shù)據(jù)和元件級(jí)的診斷?，F(xiàn)在有兩種主要的AXI 方法：兩維(2-D)，看完整的板，三維(3-D)，在不同角度拍攝多個(gè)圖象。 其主要優(yōu)點(diǎn)是唯一的BGA焊接質(zhì)量和嵌入式元件檢查工具、無夾 具成本。其主要缺點(diǎn)是

8、速度慢、高失效率、檢測(cè)返工焊點(diǎn)困難、 高的每塊板成本、和長(zhǎng)的程序開發(fā)時(shí)間。制造缺陷分析儀 (MDA, manufacturing defect analyzer) 是一個(gè) 用于高產(chǎn)量 / 低混合環(huán)境的好工具，這里測(cè)試只用于診斷制造缺 陷。當(dāng)沒有使用殘留降低技術(shù)時(shí)， 測(cè)試機(jī)之間的可重復(fù)性是一個(gè) 問題。還有，MDA沒有數(shù)字驅(qū)動(dòng)器，因此不能功能上測(cè)試元件或者編程板上的固件 (firmware) 。測(cè)試時(shí)間比視覺測(cè)試少，因此MDA能夠趕上生產(chǎn)線的節(jié)拍速度。這個(gè)方法使用一個(gè)針床，因此 可以接著診斷輸出。其主要優(yōu)點(diǎn)較低的前期成本、較低WIP低的編程與程序維護(hù)成本、高輸出、容易跟隨診斷、和快速完全的短路與開

9、路測(cè)試。 其主要缺點(diǎn)是不能確認(rèn)材料清單 (BOM, bill of material) 是否 符合在測(cè)單元 (UUT, unit under test) 、沒有數(shù)字式確認(rèn)、沒有 功能測(cè)試能力、 不能調(diào)用固件 (firmware) 、通常沒有測(cè)試覆蓋指 示、板與板線與線之間的可重復(fù)性、夾具成本、以及使用問題。ICT 將找出制造缺陷以及測(cè)試模擬、數(shù)字合混合信號(hào)的元件，以 保證它們符合規(guī)格。 許多設(shè)備具有編程在板 (on-board) 內(nèi)存的能 力，包括系列號(hào)、通過 / 失效和系統(tǒng)數(shù)據(jù) (genealogy data) 。有 些設(shè)備使得程序產(chǎn)生較容易， 它是通過把工具嵌入到易于使用的 圖形用戶接口

10、(GUI, graphical user interfaces)，和存儲(chǔ)代碼到一個(gè)專門文件來使得可以實(shí)現(xiàn)多版本測(cè)試和固件(firmware)變換容易的。有些設(shè)備具有復(fù)雜的儀器裝備，它將確認(rèn)UUT的功能方面， 以及與商業(yè)可購買的儀器的接口。 現(xiàn)在的測(cè)試設(shè)備具有 嵌入的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)接口和一個(gè)非多元環(huán)境來縮短開發(fā) 時(shí)間。最后，有些測(cè)試機(jī)提供深入的UUTS蓋分析，它祥述正在測(cè)試或沒有測(cè)試的元件。ICT 的主要優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)板的測(cè)試成本低、 數(shù)字與功能測(cè)試能力、 高輸出、良好的診斷、 快速和徹底的短路與開路測(cè)試、 編程固件、 缺陷覆蓋報(bào)考和易于編程。其主要缺點(diǎn)是，夾具、編程與調(diào)試時(shí) 間、夾具成本

11、、預(yù)期開支和使用問題。飛針測(cè)試機(jī) (flying-probe tester) 在過去幾年已經(jīng)受到歡迎， 由于在機(jī)械精度、速度和可靠性方面的進(jìn)步。另外，現(xiàn)在對(duì)于原 型 (prototype) 制造、低產(chǎn)量制造所要求的快速轉(zhuǎn)換、無夾具測(cè) 試系統(tǒng)的市場(chǎng)要求，已經(jīng)使得飛針測(cè)試成為所希望的測(cè)試選擇。最好的探針方案提供學(xué)習(xí)的能力(learn capability) 以及BOM測(cè) 試，它在測(cè)試過程中自動(dòng)增加監(jiān)測(cè)。探針的軟件應(yīng)該提供裝載 CAD數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)便方法，因?yàn)?X-Y和BOM數(shù)據(jù)在編程時(shí)必須用到。 因?yàn)楣?jié)點(diǎn)可訪問性可能在板的一面不完整， 所以測(cè)試生成軟件應(yīng) 該自動(dòng)生成不重復(fù)的分割程序。探針使用無向量 (v

12、ectorless) 技術(shù)測(cè)試數(shù)字、 模擬和混合信號(hào) 元件的連接；這個(gè)應(yīng)該通過使用者可用于UUT兩面的電容板(capacitive plate) 來完成。飛針測(cè)試機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是，它是最快速的到達(dá)市場(chǎng)時(shí)間 (time-to-market) 的工具、自動(dòng)測(cè)試生成、無夾具成本、良好的 診斷和易于編程。主要缺點(diǎn)是低產(chǎn)量、局限的數(shù)字覆蓋、固定資 產(chǎn)開支和使用問題。功能測(cè)試 (functional test) ，可以說是最早的自動(dòng)測(cè)試原理， 在重要性上已經(jīng)看到恢復(fù)活力。 它是特定板或特定單元的， 可用 各種設(shè)備來完成。幾個(gè)例子：最終產(chǎn)品測(cè)試 (final product test) 是最常見的功能測(cè)試方

13、法。測(cè)試裝配后的最后單元是開支不大的，減少操作的錯(cuò)誤。可 是，診斷是不存在的或者困難， 這樣增加成本。 只測(cè)試最終產(chǎn)品， 有機(jī)會(huì)損壞產(chǎn)品，如果沒有自動(dòng)測(cè)試所提供的軟件或硬件的保 護(hù)。最終產(chǎn)品的測(cè)試也是慢的，通常占用較大的空間。當(dāng)必須滿 足標(biāo)準(zhǔn)時(shí)通常不使用該方法，因?yàn)樗ǔ２恢С謪?shù)測(cè)量。最終產(chǎn)品測(cè)試的主要優(yōu)點(diǎn)是最低的初始成本、 一次裝配、 和產(chǎn) 品與品質(zhì)的保證。其主要缺點(diǎn)包括低診斷分辨、缺乏速度、高長(zhǎng) 期成本、FPY由于不發(fā)覺的短路引起的板或機(jī)器的損壞、返修 成本高、以及無參數(shù)測(cè)試能力。最新實(shí)體模型 (hot mock-up) 通常放在不同的裝配階段，而不 是只在最終測(cè)試。在診斷上，它好過最終

14、產(chǎn)品測(cè)試，但由于必須 建立專門測(cè)試單元而成本較高。 實(shí)體模型可能比最終產(chǎn)品測(cè)試更 快，如果程序調(diào)試只測(cè)試一個(gè)特定的板。不幸的是，由于缺少保 護(hù)，如果短路在前面的過程中沒有診斷處理則可能損壞測(cè)試床。其主要優(yōu)點(diǎn)是低初始成本。 主要缺點(diǎn)是空間使用效率低、 維護(hù) 測(cè)試設(shè)備的成本、由于短路而損壞 UUT和無參數(shù)測(cè)試能力。軟件控制、可商業(yè)購買的儀器 (software-controlled, commercial available instrument) 通常叫做“堆砌式”測(cè)試 ("rack and stack" test) ，因?yàn)閮x器是分別購買，然后連接起 來的。同步設(shè)備的軟件通常

15、完全用戶化。 商業(yè)可購買的儀器比較 集成方案是不貴的，如果正確完成，允許獨(dú)立的UUT有效性。但這個(gè)“自制的”系統(tǒng)通常較慢，工程更改與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)支持困難， 因?yàn)檫@些應(yīng)用是內(nèi)部存檔的 (under-documented) 。其主要優(yōu)點(diǎn)是保護(hù)UUT勺損壞、較快的輸出、要求占地空間小、 和獨(dú)立的 / 工業(yè)可接受的校驗(yàn)。主要缺點(diǎn)是費(fèi)時(shí)、支持困難、在 遠(yuǎn)距離設(shè)施上更新與使用。商業(yè)、用戶集成系統(tǒng) (commercial, custom integrated system) 在一個(gè)測(cè)試平臺(tái)上耦合軟件與硬件，例如，IEEE、 VXI、 CompactPCI 或 PXI 。文件存檔、 軟件支持和標(biāo)準(zhǔn)制造概念使得這些

16、系統(tǒng) 易于使用和支持。 前期成本比內(nèi)部建立方案較高， 但這個(gè)成本是 可調(diào)節(jié)的，因?yàn)檩^高的性能、輸出和可重復(fù)性。它也易于生產(chǎn)現(xiàn) 場(chǎng)和新產(chǎn)品開發(fā)期間的支持。主要優(yōu)點(diǎn)是快速輸出、 要求較少地面空間、 最容易支持和重新 設(shè)定、最好的可重復(fù)性、和提供獨(dú)立的工業(yè)可接受較驗(yàn)。主要缺 點(diǎn)是高初始成本。諸如激光系統(tǒng)這樣的非接觸測(cè)試方法是 PCB測(cè)試技術(shù)的最新發(fā) 展。該技術(shù)已經(jīng)在空板 (bare-board) 區(qū)域得到證實(shí)， 正考慮用于 裝配板 (populated board) 的測(cè)試。該技術(shù)只用視線 (line-of-sight) 、非遮蓋訪問 (non-masked access) 來發(fā)現(xiàn)缺 陷。每個(gè)測(cè)試至

17、少 10 毫秒，速度足夠用于批量生產(chǎn)線?？焖佥敵?、不要求夾具、和視線 / 非遮蓋訪問是其主要優(yōu)點(diǎn)； 未經(jīng)生產(chǎn)試用、高初始成本、高維護(hù)和使用問題是其主要缺點(diǎn)。表一總結(jié)了所描述的測(cè)試方法。表一、PCB測(cè)試設(shè)備測(cè)試設(shè)備 要求板的可訪問性 夾具NRE成本 維護(hù)成本 輸出能 力程序成本 夾具成本MDA全部1針床低高中高ICT 全部 2 針床 中 高 中 高手工視覺 視線 無 低 無 低 低AOI 無 無 低 無 低 中 飛針系統(tǒng) 全部 1 無 中 無 中 低X 光 無 無 高 無 高 低 最終產(chǎn)品測(cè)試 只有產(chǎn)品使用 無 低 無 低 低實(shí)體模型 只有產(chǎn)品使用 無 低/中 中 中/ 高 低集成方案 只有產(chǎn)品

18、使用 最小或針床 高 高 高 中/ 高堆砌式 只有產(chǎn)品使用 最小或用戶 高 高 極高 低激光系統(tǒng) 視線，非覆蓋 無 低 低 高 高需要用于 100%測(cè)試覆蓋需要用于 100%測(cè)試覆蓋，除非使用在機(jī) (on-device) 硬件。測(cè)試方法與缺陷覆蓋重要的是在制訂測(cè)試策略之前要理解現(xiàn)有的測(cè)試方法和缺 陷覆蓋。有許多缺陷覆蓋范圍不同的電氣測(cè)試方法。短路與開路。MDA和ICT善長(zhǎng)找出短路-它們有針床達(dá)到 每個(gè)電氣節(jié)點(diǎn)， 可測(cè)量網(wǎng)點(diǎn)之間的電阻以確認(rèn)短路。 空板測(cè)試機(jī) 使用對(duì)地電容 (capacitance-to-ground) 技術(shù)，如果只限于空板 的話，其效率和速度是高的。飛針測(cè)試使用了電容技術(shù) (c

19、apacitor technique) 和近似短路技術(shù) (proximity shorts technique) ；前者對(duì)多數(shù)制造設(shè)施的可重復(fù)性不夠， 缺乏良好的 診斷。最好的近似測(cè)試使用原始的CAD數(shù)據(jù)來確認(rèn)跡線位置，允 許編程者選擇測(cè)試點(diǎn)之間最大的距離。 這提供對(duì)測(cè)試速度的一定 程度的控制；可是，應(yīng)該推薦的是，功能測(cè)試設(shè)備具有鉗流 (current-clamping) 或雙折電纜 (fold-back) 電源來防止板或測(cè) 試機(jī)的損壞， 因?yàn)橥ㄟ^元件的低阻抗短路只在短路測(cè)試期間可能 不能發(fā)覺。無源模擬(passive analog)通過確認(rèn)UUT已焊接于板上和安 裝正確參數(shù)的元件來保證可接受

20、的過程品質(zhì)。 這個(gè)測(cè)試經(jīng)常在只 有很少數(shù)量的 WIP時(shí)進(jìn)行的，因此在大量問題產(chǎn)品出現(xiàn)之前可以 更正問題。不給板供電，用選擇性的無源或有源保護(hù) (guard) 來 使并聯(lián)電流通路的電流為零。對(duì)UUT與周圍的保護(hù)(guard)位置，需要有針床的入口。視覺系統(tǒng)提供設(shè)備級(jí)的 (device-level) 診斷。它們使用一個(gè) 樣板(golden board)，將其與沒有電氣測(cè)試的 UUT進(jìn)行比較。MDA 提供電氣測(cè)試和元件級(jí) (component-level) 診斷，再一次與已知 好的板比較。ICT進(jìn)行電氣測(cè)試，提供設(shè)備級(jí)診斷，與BOM比較值和誤差。功能測(cè)試機(jī)按照設(shè)計(jì)者的規(guī)格 (通常叫做樣板 golde

21、n board) 進(jìn)行測(cè)試。 如果功能測(cè)試徹底的話， 它保證產(chǎn)品可以發(fā)運(yùn) 出去?？墒牵绻鸉PY不是特別咼，制造者的代價(jià)將是不良產(chǎn)品、 浪費(fèi)和昂貴的手工診斷與返修費(fèi)用。有源模擬(active analog)。給板供電的ICT、功能測(cè)試機(jī) 和非針測(cè)試擅長(zhǎng)查找壞的有源模擬元件。ICT和飛針測(cè)試，雖然 提供引腳級(jí)的 (pin-level) 診斷，但是不能測(cè)量一些關(guān)鍵的制造 商規(guī)格 (如，帶寬、輸入偏置電流等 ) 。功能測(cè)試機(jī)測(cè)量輸出特性， 而不提供引腳級(jí)診斷。MDA昔助無向量技術(shù)的幫助，視覺系統(tǒng)只 確認(rèn)元件的存在。 X 光提供焊接質(zhì)量的診斷。數(shù)字與混合信號(hào)元件的測(cè)試。視覺、X光和MDA只診斷開路和短

22、路。 ICT 使用各種方法，決定于元件、電路和可訪問性。它 只能對(duì)連續(xù)性使用無向量技術(shù)， 當(dāng)有全部的入口時(shí)， 對(duì)連續(xù)性和 元件確認(rèn)使用BS通過手工向量生成來為一個(gè)特定元件建立模 型可能是費(fèi)時(shí)的， 并且可能不夠覆蓋缺陷來判斷效果。 對(duì)連續(xù)性 的無向量技術(shù)和保證元件運(yùn)行的有限向量測(cè)試相結(jié)合的策略可 用來使覆蓋范圍最大，而限制開發(fā)時(shí)間。功能系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)規(guī)格測(cè)試電路 /模塊，但缺乏將降低引返 修費(fèi)用的腳級(jí) / 元件級(jí)診斷。在大多數(shù)情況下，功能測(cè)試不提供 需要用于過程改進(jìn)的深層數(shù)據(jù)。功能與 ICT 兩者都編程在板 (on-board) 閃存 (flash) 、在系統(tǒng) (in-system) 可編程和在板內(nèi)存 元件 (表二 )。表一、測(cè)試設(shè)備與所期望的覆蓋范圍測(cè)試設(shè)備 短路/ 開路 焊接 存在/ 丟失 無源模擬 有源模擬 數(shù) 字/ 混合 在板元件編程 功能的MDA 是 1 無 電氣 是 是 可能 無 無ICT 是 1 無 電氣 是 是 是 是 看產(chǎn)品 手工視覺 只可見 無 是 存在 存在 存在 無 無AOI 只可見 部分 2 是 存在 存在 存在 無 無 飛針系統(tǒng) 近似 3 無 電氣 / 有限視覺 是 是 是 可能 4