飞针测试:Flying Probe Test飞针测试是目前电气测试一些主要问题的最新解决办法它用探针来取代针床,使用多个由马达驱动的、能够快速移动的电气探针同器件的引脚进行接触并进行电气测量这种仪器最初是为裸板而设计的,也需要复杂的软件和程序来支持;现在已经能够有效地进行模拟测试了飞针测试的出现已经改变了低产量与快速转换(quick-turn)装配产品的测试方法以前需要几周时间开发的测试现在几个小时就可以了,大大缩短产品设计周期和投入市场的时间飞针测试系统的结构特点飞针式测试仪是对传统针床测试仪的一种改进,它用探针来代替针床,在 X-Y 机构上装有可分别高速移动的 4 个头共 8 根测试探针,最小测试间隙为 0.2mm工作时在测单元(UUT, unit under test)通过皮带或者其它 UUT 传送系统输送到测试机内,然后固定测试机的探针接触测试焊盘(test pad)和通路孔(via),从而测试在测单元(UUT)的单个元件测试探针通过多路传输(multiplexing)系统连接到驱动器(信号发生器、电源供应等 )和传感器(数字万用表、频率计数器等) 来测试 UUT 上的元件当一个元件正在测试的时候,UUT上的其它元件通过探针器在电气上屏蔽以防止读数干扰。
飞针测试机可检查短路、开路和元件值在飞针测试上也使用了一个相机来帮助查找丢失元件用相机来检查方向明确的元件形状,如极性电容随着探针定位精度和可重复性达到 5-15 微米的范围,飞针测试机可精密地探测 UUT飞针测试解决了在 PCB 装配中见到的大量现有问题:如可能长达 4-6 周的测试开发周期;大约 10,000 美元-50,000 美元的夹具开发成本;不能经济地测试小批量生产;以及不能快速地测试原型样机(prototype)装配因为具有紧密接触屏蔽的 UUT 的能力和使新产品更快投入市场 (time-to-market)的能力,飞针测试是一个无价的生产资源还有,由于不需要有经验的测试开发工程师,该系统还具有节省人力、节省时间等好处测试开发与调试飞针测试机的编程比传统的 ICT 系统更容易、更快捷以 GenRad 公司的 GRPILOT系统为例,测试开发员将设计工程师的 CAD 数据转换成可使用的文件,这个过程需要 1-4个小时然后该新文件通过测试程序运行,产生一个 .IGE 和 .SPC 文件,再放入一个目录然后软件运行在目录内产生需要测试 UUT 的所有文件短路的测试类型是从选项页面内选择。
测试机在 UUT 上使用的参考点从 CAD 信息中选择UUT 放在平台上固定在软件开发完成后,该程序被“拧进去” ,以保证选择到尽可能最佳的测试位置这时加入各种元件“保护”(元件测试隔离 )一个典型的 1000 个节点的 UUT 的测试开发所花的时间是 4-6 个小时在软件开发和装载完成以后,开始典型的飞针测试过程的测试调试调试是测试开发员接下来的工作,需要用来获得尽可能最佳的 UUT 测试覆盖在调试过程中,检查每个元件的上下测试极限,确认探针的接触位置和零件值典型的 1000 个节点的 UUT 调试可能花 6-8 小时飞针测试机的开发容易和调试周期短,使得 UUT 的测试程序开发对测试工程师的要求相当少在接到 CAD 数据和 UUT 准备好测试之间这段短时间,允许制造过程的最大数量的灵活性相反,传统 ICT 的编程与夹具开发可能需要 160 小时和调试 16-40 小时缺点由于具有编程容易,能够在数小时内测试原型样机装配,以及测试低产量的 UUT 而J没有典型的夹具开发费用,飞针测试可解决生产环境中的许多问题但是还不是所有的生产测试问题都可通过使用飞针测试来解决和任何事情一样,飞针测试也有其缺点。
因为测试探针与通路孔和测试焊盘上的焊锡发生物理接触,可能会在焊锡上留下小凹坑而对于某些 OEM 客户来说,这些小凹坑可能被认为是外观缺陷,造成拒绝接收因为有时在没有测试焊盘的地方探针会接触到元件引脚,所以可能会错过松脱或焊接不良的元件引脚此外探针测试机还限制电路板的尺寸:不能超过 16" 24"飞针测试时间是另一个主要因素一台典型的针床测试机可能花 30 秒测试 UUT 的地方,飞针测试机可能花 8-10 分钟另外针床测试机可使用顶面夹具同时测试双面 PCB的顶面与底面元件,而飞针测试机要求操作员测试完一面,然后翻转再测试另一面,由此看出飞针测试并不能很好适应大批量生产的要求优点尽管有上述这些缺点,飞针测试仍不失为一个有价值的工具其优点包括:快速测试开发;较低成本测试方法;快速转换的灵活性;以及在原型阶段为设计人员提供快速的反馈因此,和传统的 ICT 比较,飞针测试所要求的时间通过减少总的测试时间足以弥补使用飞针测试系统的好处大于缺点例如,装配过程中,这样一个系统提供在接收到CAD 文件几小时后就可以开始生产因此,原型电路板在装配后数小时即可测试,不象ICT,高成本的测试开发与夹具可能将过程延误几天,甚至几月。
除此之外,由于设定、编程和测试的简单与快速,实际上一般技术装配人员,而不是工程师,就可以操作测试飞针测试也存在灵活性,做到快速测试转换和过程错误的快速反馈还有,因为飞针测试不需要夹具开发成本,所以它是一个可以放在典型测试过程前面的低成本系统并且因为飞针测试机改变了低产量和快速转换装配的测试方法,通常需要几周开发的测试现在数小时就可以得到 JICT 测试1.1 定义 测试,ICT,In-Circuit Test,是通过对元器件的电性能及电气连接进行测试来检查生产制造缺陷及元器件不良的一种标准测试手段它主要检查的单个元器件以及各电路网络的开、短路情况,具有操作简单、快捷迅速、故障定位准确等特点 飞针 ICT 基本只进行静态的测试,优点是不需制作夹具,程序开发时间短针床式 ICT 可进行模拟器件功能和数字器件逻辑功能测试,故障覆盖率高,但对每种单板需制作专用的针床夹具,夹具制作和程序开发周期长1.2 ICT 的范围及特点检查制成板上元器件的电气性能和电路网络的连接情况能够定量地对电阻、电容、电感、晶振等器件进行测量,对二极管、三极管、光藕、变压器、继电器、运算放大器、电源模块等进行功能测试,对中小规模的集成电路进行功能测试,如所有 74 系列、Memory 类、常用驱动类、交换类等 IC。
它通过直接对器件电气性能的测试来发现制造工艺的缺陷和元器件的不良元件类可检查出元件值的超差、失效或损坏,Memory 类的程序错误等对工艺类可发现如焊锡短路,元件插错、插反、漏装,管脚翘起、虚焊,PCB 短路、断线等故障测试的故障直接定位在具体的元件、器件管脚、网络点上,故障定位准确对故障的维修不需较多专业知识采用程序控制的自动化测试,操作简单,测试快捷迅速,单板的测试时间一般在几秒至几十秒1.3 意义测试通常是生产中第一道测试工序,能及时反应生产制造状况,利于工艺改进和提升ICT 测试过的故障板,因故障定位准,维修方便,可大幅提高生产效率和减少维修成本因其测试项目具体,是现代化大生产品质保证的重要测试手段之一 J AOI(Automatic Optical Inspection)测试技术AOI 是近几年才兴起的一种新型测试技术,但发展较为迅速,目前很多厂家都推出了 AOI 测试设备当自动检测时,机器通过摄像头自动扫描 PCB,采集图像,测试的焊点与数据库中的合格的参数进行比较,经过图像处理,检查出 PCB 上缺陷,并通过显示器或自动标志把缺陷显示 /标示出来,供维修人员修整1、实施目标:实施 AOI 有以下两类主要的目标:(1)最终品质(End quality)。
对产品走下生产线时的最终状态进行监控当生产问题非常清楚、产品混合度高、数量和速度为关键因素的时候,优先采用这个目标AOI 通常放置在生产线最末端在这个位置,设备可以产生范围广泛的过程控制信息 (2)过程跟踪(Process tracking)使用检查设备来监视生产过程典型地包括详细的缺陷分类和元件贴放偏移信息当产品可靠性很重要、低混合度的大批量制造、和元件供应稳定时,制造商优先采用这个目标这经常要求把检查设备放置到生产线上的几个位置,地监控具体生产状况,并为生产工艺的调整提供必要的依据2、放置位置 虽然 AOI 可用于生产线上的多个位置,各个位置可检测特殊缺陷,但 AOI 检查设备应放到一个可以尽早识别和改正最多缺陷的位置有三个检查位置是主要的: (1)锡膏印刷之后如果锡膏印刷过程满足要求,那么 ICT 发现的缺陷数量可大幅度的减少典型的印刷缺陷包括以下几点: A.焊盘上焊锡不足 B.焊盘上焊锡过多 C.焊锡对焊盘的重合不良 D.焊盘之间的焊锡桥在 ICT 上,相对这些情况的缺陷概率直接与情况的严重性成比例轻微的少锡很少导致缺陷,而严重的情况,如根本无锡,几乎总是在 ICT 造成缺陷。
焊锡不足可能是元件丢失或焊点开路的一个原因尽管如此,决定哪里放置 AOI 需要认识到元件丢失可能是其它原因下发生的,这些原因必须放在检查计划内这个位置的检查最直接地支持过程跟踪和特征化这个阶段的定量过程控制数据包括,印刷偏移和焊锡量信息,而有关印刷焊锡的定性信息也会产生 (2)回流焊前检查是在元件贴放在板上锡膏内之后和 PCB 送入回流炉之前完成的这是一个典型地放置检查机器的位置,因为这里可发现来自锡膏印刷以及机器贴放的大多数缺陷在这个位置产生的定量的过程控制信息,提供高速片机和密间距元件贴装设备校准的信息这个信息可用来修改元件贴放或表明贴片机需要校准这个位置的检查满足过程跟踪的目标 (3)回流焊后在 SMT 工艺过程的最后步骤进行检查,这是目前 AOI 最流行的选择,因为这个位置可发现全部的装配错误回流焊后检查提供高度的安全性,因为它识别由锡膏印刷、元件贴装和回流过程引起的错误 ICT 测试技术 电气测试使用的最基本仪器是测试仪(ICT) ,传统的测试仪测量时使用专门的针床与已焊接好的线路板上的元器件接触,并用数百毫伏电压和 10 毫安以内电流进行分立隔离测试,从而精确地测出J所装电阻、电感、电容、二极管、三极管、可控硅、场效应管、集成块等通用和特殊元器件的漏装、错装、参数值偏差、焊点连焊、线路板开短路等故障,并将故障是哪个元件或开短路位于哪个点准确告诉用户。
针床式测试仪优点是测试速度快,适合于单一品种民用型家电线路板极大规模生产的测试,而且主机价格较便宜但是随着线路板组装密度的提高,特别是细间距 SMT 组装以及新产品开发生产周期越来越短,线路板品种越来越多,针床式测试仪存在一些难以克服的问题:测试用针床夹具的制作、调试周期长、价格贵;对于一些高密度 SMT 线路板由于测试精度问题无法进行测试基本的 ICT 近年来随着克服先进技术局限的技术而改善例如,当集成电路变得太大以至于不可能为相当的电路覆盖率提供探测目标时,ASIC 工程师开发了边界扫描技术边界扫描(boundary scan)提供一个工业标准方法来确认在不允许探针的地方的元件连接额外的电路设计到 IC 内面,允许元件以简单的方式与周围的元件通信,以一个容易检查的格式显示测试结果另一个非矢量技术(vectorlees technique)将交流(AC)信号通过针床施加到测试中的元件一个传感器板靠住测试中的元件表面压住,与元件引脚框形成一个电容,将信号偶合到传感器板没有偶合信号表示焊点开路用于大型复杂板的测试程序人工生成很费时费力,但自动测试程序产生(ATPG, automated test program generation)软件的出现解决了这一问题,该软件基于 PCBA 的 CAD 数据。