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现代PCB测试的策略

  随着自动测试设备成为电子装配过程整体的一部分,DFT必须不仅仅包括传统的硬件使用问题,而且也包括测试设备诊断能力的知识。

  为测试着想的设计(DFT,designfortest)不是单个人的事情,而是由设计工程部、测试工程部、制造部和采购部的代表所组成的一个小组的工作。设计工程必须规定功能产品及其误差要求。测试工程必须提供一个以最低的成本、最少的返工达到仅尽可能高的第一次通过合格率(FPY,first-passyield)的策略。制造部和品质部必须提供生产成本输入、在过去类似的产品中什么已经做过、什么没有做过、以及有关为产量着想的设计(DFV,designforvolume)提高产量的帮助。采购部必须提供可获得元件,特别是可靠性的信息。测试部和采购部在购买在板(on-board)测试硬件的元件时,必须一起工作以保证这些元件是可获得的和易于实施的。通常把测试系统当作收集有关历史数据的传感器使用,达到过程的改善,这应该是品质小组的目标。所以这些功能应该在放置/拿掉任何节点选取之前完成。

  参数

  在制订测试环境的政策之前,准备和了解是关键的。影响测试策略的参数包括:

  可访问性。完全访问和大的测试焊盘总是为制造设计电路板的目标。通常不能提供完全访问有四个原因:

  板的尺寸。设计更小;问题是测试焊盘的“额外的”占板空间。不幸的是,多数设计工程师认为测试焊的可访问性是印刷电路板上(PCB)较不重要的事情。当由于不能使用在线测试仪(ICT,in-circuittester)的简单诊断,产品必须由设计工程师来调试的时候,情况就会是另一回事。如果不能提供完全访问,测试选择是有限的。

  功能。在高速设计中损失的性能影响板的部分,但可以逐步缩小在产品可测试性上的影响。

  板的尺寸/节点数。这是当物理板得尺寸在任何现有的设备上都不能测试的时候。庆幸的是,这个问题可以在新的测试设备上或者使用外部的测试设施上增加预算来得到解决。当节点数大于现有的ICT,问题更难解决。DFT小组必须了解测试方法,这些方法将允许制造部门使用最少的时间与金钱来输出好的产品。嵌入式自测、边界扫描(BS,boundaryscan)和功能块测试可做到这点。诊断必须支持测试下的单元(UUT,unitundertest);这个只能通过对使用的测试方法、现有测试设备与能力、和制造环境的故障频谱的深入了解才做得到。

  DFT规则没有使用、遵守或理解。历史上,DFT规则由理解制造环境、过程与功能测试要求和元件技术的一个工程师或工程师小组强制执行。在实际环境中,过程是漫长的,要求设计、计算机辅助设计(CAD)与测试之间的相互沟通。这个泛味的重复性工作容易产生人为错误,经常由于到达市场的时间(time-to-market)压力而匆匆而过。现在工业上已经有开始使用自动“可生产性分析仪”,利用DFT规则来评估CAD文件。当合约制造商(CM,contractmanufacturer)使用时,可分类出多套规则。规则的连续性和无差错产品评估是这个方法的优点。

  测试设备的可获得性

  DFT小组应该清楚现有的测试策略。随着OEM转向依靠CM越来越多,使用的设备厂与厂之间都不同。没有清楚地理解制造商工艺,可能会采用太多或太少的测试。现存的测试方法包括:

  手工或自动视觉测试,使用视觉与比较来确认PCB上的元件贴装。这个技术有几种实施方法:

  手动视觉是最广泛使用的在线测试,但由于制造产量增加和板与元件的缩小,这个方法变得不可行。它的主要优点是低的预先成本和没有测试夹具,而它的主要缺点是高长期成本、不连续的缺陷发觉、数据收集困难、无电气测试和视觉上的局限。

  自动光学检查(AOI,automatedopticalinspection),通常在回流前后使用,是较新的确认制造缺陷的方法。它是非电气的、无夹具的、在线技术,使用了“学习与比较(learnandcompare)”编程来使装料(ramp-up)时间最小。自动视觉对极性、元件存在与不存在的检查较好,只要后面的元件与原来所“学”的元件类似即可。它的主要优点是易于跟随诊断、快速容易程序开发、和无夹具。其主要缺点是对短路识别较差、高失效率和不是电气测试。

  自动X光检查(AXI,automatedX-rayinspection)是现时测试球栅阵列(BGA,ballgridarray)焊接质量和被遮挡的锡球的唯一方法。它是早期查找过程缺陷的、非电气、非接触的技术,减少了过程工作(WIP,work-in-process)。这个领域的进步包括通过/失效数据和元件级的诊断。现在有两种主要的AXI方法:两维(2-D),看完整的板,三维(3-D),在不同角度拍摄多个图象。其主要优点是唯一的BGA焊接质量和嵌入式元件检查工具、无夹具成本。其主要缺点是速度慢、高失效率、检测返工焊点困难、高的每块板成本、和长的程序开发时间。

  制造缺陷分析仪(MDA,manufacturingdefectanalyzer)是一个用于高产量/低混合环境的好工具,这里测试只用于诊断制造缺陷。当没有使用残留降低技术时,测试机之间的可重复性是一个问题。还有,MDA没有数字驱动器,因此不能功能上测试元件或者编程板上的固件(firmware)。测试时间比视觉测试少,因此MDA能够赶上生产线的节拍速度。这个方法使用一个针床,因此可以接着诊断输出。

  其主要优点较低的前期成本、较低WIP、低的编程与程序维护成本、高输出、容易跟随诊断、和快速完全的短路与开路测试。其主要缺点是不能确认材料清单(BOM,billofmaterial)是否符合在测单元(UUT,unitundertest)、没有数字式确认、没有功能测试能力、不能调用固件(firmware)、通常没有测试覆盖指示、板与板线与线之间的可重复性、夹具成本、以及使用问题。

  ICT将找出制造缺陷以及测试模拟、数字合混合信号的元件,以保证它们符合规格。许多设备具有编程在板(on-board)内存的能力,包括系列号、通过/失效和系统数据(genealogydata)。有些设备使得程序产生较容易,它是通过把工具嵌入到易于使用的图形用户接口(GUI,graphicaluserinterfaces),和存储代码到一个专门文件来使得可以实现多版本测试和固件(firmware)变换容易的。有些设备具有复杂的仪器装备,它将确认UUT的功能方面,以及与商业可购买的仪器的接口。现在的测试设备具有嵌入的计算机辅助设计(CAD)接口和一个非多元环境来缩短开发时间。最后,有些测试机提供深入的UUT覆盖分析,它祥述正在测试或没有测试的元件。

  ICT的主要优点是每个板的测试成本低、数字与功能测试能力、高输出、良好的诊断、快速和彻底的短路与开路测试、编程固件、缺陷覆盖报考和易于编程。其主要缺点是,夹具、编程与调试时间、夹具成本、预期开支和使用问题。

  飞针测试机(flying-probetester)在过去几年已经受到欢迎,由于在机械精度、速度和可靠性方面的进步。另外,现在对于原型(prototype)制造、低产量制造所要求的快速转换、无夹具测试系统的市场要求,已经使得飞针测试成为所希望的测试选择。最好的探针方案提供学习的能力(learncapability)以及BOM测试,它在测试过程中自动增加监测。探针的软件应该提供装载CAD数据的简便方法,因为X-Y和BOM数据在编程时必须用到。因为节点可访问性可能在板的一面不完整,所以测试生成软件应该自动生成不重复的分割程序。

  探针使用无向量(vectorless)技术测试数字、模拟和混合信号元件的连接;这个应该通过使用者可用于UUT两面的电容板(capacitiveplate)来完成。

  飞针测试机的主要优点是,它是最快速的到达市场时间(time-to-market)的工具、自动测试生成、无夹具成本、良好的诊断和易于编程。主要缺点是低产量、局限的数字覆盖、固定资产开支和使用问题。

  功能测试(functionaltest),可以说是最早的自动测试原理,在重要性上已经看到恢复活力。它是特定板或特定单元的,可用各种设备来完成。几个例子:

  最终产品测试(finalproducttest)是最常见的功能测试方法。测试装配后的最后单元是开支不大的,减少操作的错误。可是,诊断是不存在的或者困难,这样增加成本。只测试最终产品,有机会损坏产品,如果没有自动测试所提供的软件或硬件的保护。最终产品的测试也是慢的,通常占用较大的空间。当必须满足标准时通常不使用该方法,因为它通常不支持参数测量。

  最终产品测试的主要优点是最低的初始成本、一次装配、和产品与品质的保证。其主要缺点包括低诊断分辨、缺乏速度、高长期成本、FPY、由于不发觉的短路引起的板或机器的损坏、返修成本高、以及无参数测试能力。

  最新实体模型(hotmock-up)通常放在不同的装配阶段,而不是只在最终测试。在诊断上,它好过最终产品测试,但由于必须建立专门测试单元而成本较高。实体模型可能比最终产品测试更快,如果程序调试只测试一个特定的板。不幸的是,由于缺少保护,如果短路在前面的过程中没有诊断处理则可能损坏测试床。

  其主要优点是低初始成本。主要缺点是空间使用效率低、维护测试设备的成本、由于短路而损坏UUT和无参数测试能力。

  软件控制、可商业购买的仪器(software-controlled,commercialavailableinstrument)通常叫做“堆砌式”测试("rackandstack"test),因为仪器是分别购买,然后连接起来的。同步设备的软件通常完全用户化。商业可购买的仪器比较集成方案是不贵的,如果正确完成,允许独立的UUT有效性。但这个“自制的”系统通常较慢,工程更改与生产现场支持困难,因为这些应用是内部存档的(under-documented)。

  其主要优点是保护UUT的损坏、较快的输出、要求占地空间小、和独立的/工业可接受的校验。主要缺点是费时、支持困难、在远距离设施上更新与使用。

  商业、用户集成系统(commercial,customintegratedsystem)在一个测试平台上耦合软件与硬件,例如,IEEE、VXI、CompactPCI或PXI。文件存档、软件支持和标准制造概念使得这些系统易于使用和支持。前期成本比内部建立方案较高,但这个成本是可调节的,因为较高的性能、输出和可重复性。它也易于生产现场和新产品开发期间的支持。

  主要优点是快速输出、要求较少地面空间、最容易支持和重新设定、最好的可重复性、和提供独立的工业可接受较验。主要缺点是高初始成本。

  诸如激光系统这样的非接触测试方法是PCB测试技术的最新发展。该技术已经在空板(bare-board)区域得到证实,正考虑用于装配板(populatedboard)的测试。该技术只用视线(line-of-sight)、非遮盖访问(non-maskedaccess)来发现缺陷。每个测试至少10毫秒,速度足够用于批量生产线。

  快速输出、不要求夹具、和视线/非遮盖访问是其主要优点;未经生产试用、高初始成本、高维护和使用问题是其主要缺点。

  表一总结了所描述的测试方法。

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