測(cè)試是電路板設(shè)計(jì)制造的重要部份，隨著零元件的小型化、產(chǎn)品的日漸復(fù)雜和上市時(shí)間的縮短，測(cè)試問題越來越復(fù)雜，電路板功能的擴(kuò)大使得組裝級(jí)別的評(píng)估及現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)成為組裝制程過程中的重要問題，本文介紹電路板可測(cè)試性設(shè)計(jì)的三個(gè)策略。

 

電子組裝測(cè)試包括兩種基本類型:裸板測(cè)試和加載測(cè)試。裸板測(cè)試是在完成線路板生產(chǎn)后進(jìn)行，主要檢查短路、開路、網(wǎng)表的導(dǎo)通性。在制程過程中還有許多其他的檢查和驗(yàn)證方法。加載測(cè)試在組裝制程完成后進(jìn)行，它比裸板測(cè)試復(fù)雜。

 

組裝階段的測(cè)試包括：生產(chǎn)缺陷分析(MDA)、線上測(cè)試(ict)和功能測(cè)試(使產(chǎn)品在應(yīng)用環(huán)境下工作)及其三者的組合。最近幾年，組裝測(cè)試還增加了自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)(AOI)和自動(dòng)X射線檢測(cè)。它們可提供電路板的靜態(tài)圖像及不同平面上的X射線電路板的分層圖像，從而確定虛焊及焊點(diǎn)橋接缺陷。

 

研究測(cè)試策略的目的在于，要找到適合某一種產(chǎn)品的必不可少的組合測(cè)試方案。在開始設(shè)計(jì)制程前，要定義實(shí)施所需測(cè)試的簡(jiǎn)單策略。在產(chǎn)品研發(fā)周期的早期考慮產(chǎn)品的可測(cè)性問題，而不是在后期考慮。這會(huì)大大降低從最初設(shè)計(jì)到終測(cè)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的測(cè)試成本，并獲得較高的節(jié)點(diǎn)可測(cè)試性。圖1: 給出了多種測(cè)試類型的例子，它們有不同的測(cè)試條件。

 

通常的測(cè)試有五種類型，它們主要的功能如下：

1. 裸板測(cè)試:檢查未黏著零組件的電路板上的開路和短路缺陷；

2. 生產(chǎn)缺陷分析：檢查已黏著零組件的電路板上焊點(diǎn)的短路和開路缺陷；

3. 線上測(cè)試：認(rèn)證每個(gè)單個(gè)零組件的運(yùn)作；

4. 功能測(cè)試：認(rèn)證電路的功能模組的運(yùn)作；

5. 組合測(cè)試：線上測(cè)試和功能測(cè)試的組合測(cè)試。

 

圖1顯示了多種測(cè)試類型的實(shí)例，它們有不同的測(cè)試條件。

 

最佳的測(cè)試策略能確保正在執(zhí)行的每一種測(cè)試確實(shí)可行。即使生產(chǎn)測(cè)試過程在研發(fā)周期開始時(shí)就已經(jīng)很好地定義了，但是在設(shè)計(jì)完成以后，仍然可以改變。從一個(gè)已經(jīng)成功地應(yīng)用在數(shù)百個(gè)高密度的設(shè)計(jì)案例中的通用測(cè)試策略可以看到，它影響到以下各方面：

1. 元件通孔的布局要有策略性；

2. 要提供每個(gè)布線網(wǎng)路中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的測(cè)試接觸點(diǎn)；

3. 要接觸到電路板兩面的每個(gè)節(jié)點(diǎn)；

4. 網(wǎng)格基淮元件和通孔的布局；

5. 正確的測(cè)試焊盤形狀和間距。

 

即使在最高密度的設(shè)計(jì)中，也僅當(dāng)在設(shè)計(jì)周期的每個(gè)環(huán)節(jié)堅(jiān)持測(cè)試策略時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)電路板的每個(gè)面、每種布線網(wǎng)路和每個(gè)節(jié)點(diǎn)的100％測(cè)試。要判斷什么是最好的檢測(cè)和測(cè)試策略？取決于檢測(cè)制程的可行性、測(cè)試策略的經(jīng)濟(jì)性分析、產(chǎn)品的生命周期和進(jìn)入市場(chǎng)的時(shí)間要求。

 

確定最佳測(cè)試策略的另一種方法是評(píng)估所有的檢測(cè)制程以確定缺陷范圍和測(cè)試成本。在產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)之前，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中發(fā)現(xiàn)和解決存在的這些問題。

 

裸板測(cè)試

考慮到測(cè)試條件和日漸復(fù)雜的基片互聯(lián)的測(cè)試需要，特別是測(cè)試過程涉及基片的電性能評(píng)估時(shí)，人們會(huì)遇到許多問題。為使生產(chǎn)商在充分保證基片互聯(lián)電性能的前提下降低生產(chǎn)成本，用戶將不得不用100％網(wǎng)表定義測(cè)試數(shù)據(jù)。

圖2：許多故障經(jīng)常是因相鄰元件的管腳短路、元件管腳與電路板的外層導(dǎo)體短路或印刷電路板外層導(dǎo)體間的短路引起的，探針焊盤的測(cè)試點(diǎn)必須在柵格上以便于自動(dòng)探針測(cè)試。

 

數(shù)據(jù)的相容性也是目前遇到的問題之一，人們期望藉由制定工業(yè)標(biāo)淮在可預(yù)知的未來解決這些問題。過去，這方面的工作沒有做得盡善盡美，例如：工業(yè)界向電路板生產(chǎn)商提供Gerber機(jī)器碼，這種格式用于驅(qū)動(dòng)光繪機(jī)及產(chǎn)生定義生產(chǎn)電路板的光圖的光罩工具，它可以是單面、雙面或多面光圖。現(xiàn)有的軟體工具可從Gerber圖形中提取網(wǎng)表資訊。這種數(shù)據(jù)不包括零組件資訊，它僅定義了因機(jī)器碼命令而存在的導(dǎo)電連接。關(guān)于數(shù)據(jù)格式的早期工業(yè)標(biāo)淮是IPC-D-356。

 

該數(shù)據(jù)格式從CAD系統(tǒng)中提取網(wǎng)表資訊并將其轉(zhuǎn)換成智慧機(jī)器碼。許多測(cè)試儀能用這種碼來確定與電路板的物理狀況相對(duì)應(yīng)的網(wǎng)表特性。由于裸板測(cè)試是在布線制程完成之后進(jìn)行，裸板測(cè)試資訊是以IPC-D-356格式提供，并與單個(gè)零組件的管腳資訊相關(guān)。因此，根據(jù)IPC-D-356標(biāo)淮測(cè)試的生產(chǎn)商可以提供諸如‘U12元件的16腳與U19元件的9腳短路’之類的資訊。

 

當(dāng)然，裸板測(cè)試最需要的電子數(shù)據(jù)是CAD網(wǎng)表數(shù)據(jù)。許多公司不愿意與電路板生產(chǎn)商共享這些資訊，但這仍然是確定裸板性能是否滿足CAD系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的最簡(jiǎn)潔的數(shù)據(jù)。人們期望電路板的三種格式的電子描述能相互一致，但在大多數(shù)情況下不是這樣。存在這種描述上差異的原因有三點(diǎn)：

1. 倉(cāng)促的更改；

2. 機(jī)器碼數(shù)據(jù)和網(wǎng)表數(shù)據(jù)間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換問題；

3. 軟體實(shí)現(xiàn)上的問題。在任何情況下，數(shù)據(jù)相容性都相當(dāng)重要。

 

使用夾具和針床的開路和短路測(cè)試也面臨著挑戰(zhàn)，電路板的日漸復(fù)雜，使它們不能滿足電路測(cè)試要求。復(fù)雜性在于電路尺寸的減少和元件密度的提高。大多數(shù)電路板生產(chǎn)商使用的測(cè)試儀器包括單密度、雙密度和四密度測(cè)試床。雙密度測(cè)試床適于400毫米及其以上間距。當(dāng)電路板密度超過400毫米間距時(shí)，必須考慮采用其它的技術(shù)。這類測(cè)試主要面對(duì)更多的陣列形封裝，可以是BGA或列柵陣列，也可以是管腳相距更近的微間距BGA封裝。

 

請(qǐng)記住，本節(jié)的主題是裸板測(cè)試。然而，為保證組裝時(shí)各部份黏著正確，電路板生產(chǎn)商必須保證在各個(gè)陣列焊盤上每個(gè)布線網(wǎng)路的信號(hào)出入口與其相關(guān)的其他布線網(wǎng)路的信號(hào)出入口相連接，并消除短路故障。

 

四密度測(cè)試夾具在每平方厘米上可以有62根測(cè)試針，但人們擔(dān)心探針接觸會(huì)對(duì)電路板造成潛在的傷害。另外，雙密度和四密度夾具的成本及整個(gè)測(cè)試儀器的成本較高，這使得要在預(yù)期的成本范圍內(nèi)調(diào)整整個(gè)測(cè)試覆蓋變得非常困難，這種成本預(yù)期基于目前對(duì)電性能測(cè)試的理解和現(xiàn)有測(cè)試概念的線性預(yù)期。

圖3：測(cè)試探針周圍的凈空的取決于組裝制程。探針周圍凈空必須保持為相鄰元件高度的80％。

 

許多電路板生產(chǎn)商采用飛針測(cè)試(Flying probe Test)。采用這種儀器，每個(gè)布線網(wǎng)路可以被激勵(lì)并藉由與鄰近的布線網(wǎng)路相比較以建立開路和短路特性。

 

AOI 200-1000陣列產(chǎn)品的密度有多種柵格，很顯然，雙密度和四密度夾具能夠進(jìn)行裸板輸入輸出導(dǎo)通的一般性測(cè)試。然而，若元件是呈邊到邊堆迭(像用磚砌牆那樣)，用現(xiàn)有測(cè)試方法不能進(jìn)行測(cè)試。電路板生產(chǎn)商多年來藉由轉(zhuǎn)換鍍金屬層實(shí)現(xiàn)了與裸板雙面的接觸，進(jìn)而建立完整的連通性。對(duì)于間距為1.0毫米的BGA來說，這種概念是不適用的，因?yàn)锽GA封裝在每平方厘米內(nèi)有96個(gè)焊盤，而四密度測(cè)試夾具每平方厘米僅有62根測(cè)試針。

 

將元件展開排列會(huì)部份減少元件黏著的復(fù)雜程度，但這會(huì)佔(zhàn)據(jù)更多的空間降低電路性能。人們也可注意到，采用目前的測(cè)試技術(shù)，加大元件的輸入輸出埠密度大大增加了電路板的測(cè)試成本，因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)全覆蓋需采用多通道或雙夾具測(cè)試。

 

飛針測(cè)試取消了昂貴的夾具，其成本取決于生產(chǎn)的電路板數(shù)量，它是針床測(cè)試的備選及有效的低成本測(cè)試方案。不足在于其測(cè)試速度取決于選用的設(shè)備，速度相對(duì)較慢，而設(shè)備的價(jià)格較為昂貴。在測(cè)試高密度電路及另外的布線網(wǎng)路時(shí)，測(cè)試會(huì)變得較為復(fù)雜。

 

大多數(shù)的飛針測(cè)試設(shè)備的應(yīng)用以及發(fā)展已經(jīng)拓展到半導(dǎo)體工業(yè)領(lǐng)域之外，隨著大尺寸電路板的出現(xiàn)，設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)面臨許多挑戰(zhàn)。相反，在某些場(chǎng)合小尺寸使測(cè)試系統(tǒng)難以適應(yīng)測(cè)試的需要，因?yàn)楦淖冃〕叽绲娘w針特性有困難。因此，為了滿足未來復(fù)雜電路板加工的需要，將要研制對(duì)應(yīng)的測(cè)試設(shè)備。

 

隨著微通孔技術(shù)的發(fā)展和通孔尺寸的持續(xù)減小，傳統(tǒng)的金相顯微剖面評(píng)估方法將逐漸退出應(yīng)用，因?yàn)榭讖叫∮?50微米的微通孔實(shí)際上限制了該方法的應(yīng)用。

 

若想知道更多通孔的電鍍和電氣導(dǎo)通性情況，那就要求采用其它測(cè)試方法。一些公司采用了電互連應(yīng)力測(cè)試來確定孔的完整性和可靠性，并將這些資訊與電路板生產(chǎn)商所需的開路和短路導(dǎo)通性資訊相關(guān)聯(lián)。

 

除此之外還有阻抗控制測(cè)試、高電位測(cè)試及介質(zhì)強(qiáng)度測(cè)試，顯然，評(píng)估電路板應(yīng)用適應(yīng)性的條件將變得相當(dāng)苛刻。