電路板組裝過(guò)程中可消除短路和開(kāi)路故障的可測(cè)試性設(shè)計(jì)策略

1、電路板組裝過(guò)程中可消除短路和開(kāi)路故障的可測(cè)試性設(shè)計(jì)策略測(cè)試是設(shè)計(jì)制造的重要部分，隨著零部件的小型化、產(chǎn)品的日漸復(fù)雜和上市時(shí)間的縮短，測(cè)試問(wèn)題越來(lái)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)成為組裝工藝過(guò)程中的重要問(wèn)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(lèi)型:裸板測(cè)試和加載測(cè)試。裸板測(cè)試是在完成線(xiàn)路板生產(chǎn)后進(jìn)行，主要檢查短路、開(kāi)路、網(wǎng)表的導(dǎo)通性。在工藝過(guò)程中還有許多其他的檢查和驗(yàn)證方法。加載測(cè)試在組裝工藝完成后進(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)、在線(xiàn)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

2、測(cè)試還增加了自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)(aoi)和自動(dòng)x射線(xiàn)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(xiàn)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(kāi)始設(shè)計(jì)工藝前，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(wèn)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。通常的測(cè)試有五種類(lèi)型，它們主要的功能如下：裸板測(cè)試:檢查未安裝元器件的電路板上的開(kāi)路和短路缺陷；生產(chǎn)缺陷分析：檢查已安裝元器件的電路板上焊點(diǎn)的短路和開(kāi)路缺陷；在線(xiàn)測(cè)試：認(rèn)證每個(gè)單個(gè)元器件的運(yùn)作；功能測(cè)試

3、：認(rèn)證電路的功能模塊的運(yùn)作；組合測(cè)試：在線(xiàn)測(cè)試和功能測(cè)試的組合測(cè)試。圖1給出了多種測(cè)試類(lèi)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(guò)程在研發(fā)周期開(kāi)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：元件通孔的布局要有策略性；要提供每個(gè)布線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的測(cè)試接觸點(diǎn)；要接觸到電路板兩面的每個(gè)節(jié)點(diǎn)；網(wǎng)格基準(zhǔn)元件和通孔的布局；正確的測(cè)試焊盤(pán)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(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

4、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)工藝的可行性、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)工藝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(wèn)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(guò)程涉及基片的電性能評(píng)估時(shí)，人們會(huì)遇到許多問(wèn)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(hù)將不得不用100網(wǎng)表定義測(cè)試數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的兼容性也是目前遇到的問(wèn)題之一，人們期望通過(guò)制定工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在可預(yù)知的未來(lái)解決這些問(wèn)題。過(guò)去，這方面的工作沒(méi)有做得盡善盡美

5、，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)及生成定義生產(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?，F(xiàn)有的軟件工具可從gerber圖形中提取網(wǎng)表信息。這種數(shù)據(jù)不包括元器件信息，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)準(zhǔn)是ipc-d-356。該數(shù)據(jù)格式從cad系統(tǒng)中提取網(wǎng)表信息并將其轉(zhuǎn)換成智能機(jī)器碼。許多測(cè)試儀能用這種碼來(lái)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(xiàn)工藝完成之后進(jìn)行，裸板測(cè)試信息是以ipc-d-356格式提供，并與單個(gè)元器件的管腳信息相關(guān)。因此，根據(jù)ipc-d-356標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的生產(chǎn)商可以提供諸如“u

6、12元件的16腳與u19元件的9腳短路”之類(lèi)的信息。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)商共享這些信息，但這仍然是確定裸板性能是否滿(mǎn)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(wèn)題；3.軟件實(shí)現(xiàn)上的問(wèn)題。在任何情況下，數(shù)據(jù)兼容性都相當(dāng)重要。使用夾具和針床的開(kāi)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(mǎn)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

7、、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(guò)400毫米間距時(shí)，必須考慮采用其它的技術(shù)。這類(lèi)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)各部分安裝正確，電路板生產(chǎn)商必須保證在各個(gè)陣列焊盤(pán)上每個(gè)布線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)出入口與其相關(guān)的其他布線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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

8、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(xiàn)性預(yù)期。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(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可以被激勵(lì)并通過(guò)與鄰近的布線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)相比較以建立開(kāi)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疊(像用磚砌墻那樣)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(lái)通過(guò)轉(zhuǎn)換鍍金屬層實(shí)現(xiàn)了與裸板雙面的接是呈邊到邊堆疊(像用磚砌墻那樣)，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(lái)通過(guò)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

9、通性。對(duì)于間距為1.0毫米的bga來(lái)說(shuō)，這種概念是不適用的，因?yàn)閎ga封裝在每平方厘米內(nèi)有96個(gè)焊盤(pán)，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(kāi)排列會(huì)部分減少元件安裝的復(fù)雜程度，但這會(huì)占據(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端口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(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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)

10、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(mǎn)足未來(lái)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(lái)確定孔的完整性和可靠性，并將這些信息與電路板生產(chǎn)商所需的開(kāi)路和短路導(dǎo)通性信息相關(guān)聯(lián)。除此之外還有阻抗控制測(cè)試、高電位測(cè)

11、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。組裝測(cè)試對(duì)給定相同的測(cè)試成本，電路板測(cè)試會(huì)在缺陷率和成品率指標(biāo)間進(jìn)行折衷，例如，若缺陷率相當(dāng)高，大多數(shù)需要診斷。采用自動(dòng)測(cè)試儀取得電路板圖像進(jìn)行診斷較為經(jīng)濟(jì)，但使用自動(dòng)測(cè)試儀需提供電路板上全部節(jié)點(diǎn)的測(cè)試接觸點(diǎn)。這表明至少每個(gè)布線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要與自動(dòng)測(cè)試儀連接。若缺陷率低，需要對(duì)每個(gè)缺陷進(jìn)行人工診斷，所需的時(shí)間比用自動(dòng)測(cè)試儀多。這樣減少了對(duì)成品率的影響，但是節(jié)點(diǎn)測(cè)試率小于100%。理論上，如果缺陷率相當(dāng)?shù)?，就容許有0的節(jié)點(diǎn)測(cè)試率(不需要針床測(cè)試)，只要采用簡(jiǎn)單的通與不通測(cè)試。在此，人們只要采用蝕刻的專(zhuān)用測(cè)試連接器，所要做的僅是

12、扔掉不合格的組裝而不是對(duì)其進(jìn)行診斷。決定節(jié)點(diǎn)測(cè)試率時(shí)要考慮的因素包括：1. 缺陷率；2. 診斷能力；3. 成品率；4. 電路板面積；5. 電路板層數(shù)；6. 成本。在電路板布線(xiàn)設(shè)計(jì)中決定節(jié)點(diǎn)測(cè)試率時(shí)，需要在所有與人工故障查找相對(duì)應(yīng)的諸多因素之間平衡，更要考慮對(duì)制成電路板的成品率的影響。除非組裝一點(diǎn)缺陷也沒(méi)有，節(jié)點(diǎn)全測(cè)試仍舊是最理想的選擇。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到一旦電路板的設(shè)計(jì)完成(節(jié)點(diǎn)測(cè)試率固定)且它的測(cè)試方案也已設(shè)計(jì)，缺陷率便成為降低成本的首要因素。因此缺陷報(bào)告分析和缺陷的糾正及防止是必要的。這可以包括與供應(yīng)商建立密切的關(guān)系以減少所供元件和電路板的問(wèn)題，并減少生產(chǎn)車(chē)間內(nèi)可能會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題的工藝和操作。組裝布線(xiàn)

13、之前要解決的另一問(wèn)題是研究返工策略。由于測(cè)試內(nèi)層導(dǎo)體受到限制，多層印制電路板的返工相當(dāng)困難甚至難以實(shí)現(xiàn)。典型的返工過(guò)程包括用特殊工具切割內(nèi)層導(dǎo)體，用可編程鉆頭對(duì)準(zhǔn)電路板上的作業(yè)位置，然后鉆一個(gè)可控深度的孔以脫離與內(nèi)層導(dǎo)體的連接或抬高表面封裝元件的腳。這就是為什么電路板生產(chǎn)商需要在組裝前對(duì)電路板產(chǎn)品進(jìn)行全面測(cè)試的原因，這樣就避免了已裝元件電路板在返工過(guò)程所必需的復(fù)雜測(cè)試。對(duì)于元件密布的表面安裝電路板，有時(shí)不得不移去某個(gè)元件以進(jìn)入返工作業(yè)區(qū)(這里內(nèi)層導(dǎo)體已被切割)。smt元件應(yīng)用規(guī)則規(guī)定：除非絕對(duì)必要，不可以從電路板上拆卸元件，這樣會(huì)降低焊盤(pán)與電路板間的附著強(qiáng)度，并會(huì)導(dǎo)致焊盤(pán)上翹。返工策略包括：拆

14、卸元件并重裝新元件。這樣測(cè)試通孔、焊盤(pán)形狀及與組裝相關(guān)的任何細(xì)節(jié)均需考慮，以使返工修整及維修所必須的工具具有完成它們的特殊工作的能力。在線(xiàn)測(cè)試在線(xiàn)測(cè)試用于發(fā)現(xiàn)印制電路板組裝中的制造缺陷。在線(xiàn)測(cè)試是通過(guò)針床夾具測(cè)試電路板的，針床夾具可與電路板組裝上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)接觸。組裝測(cè)試是通過(guò)逐個(gè)激勵(lì)電路板上的部件進(jìn)行測(cè)試的。在線(xiàn)測(cè)試對(duì)設(shè)計(jì)的限制較少，但必須設(shè)置測(cè)試接觸點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)缺陷分析和性能不一致分析。對(duì)不能接觸探針的信號(hào)(對(duì)無(wú)引腳元件來(lái)說(shuō)是常事)則會(huì)增加故障隔離的問(wèn)題。在此，建議在可進(jìn)行信號(hào)探測(cè)的印制電路板的各處(除非使用掃描寄存器測(cè)試)，每個(gè)待測(cè)信號(hào)均應(yīng)具有焊盤(pán)或其他測(cè)試孔。同樣推薦的是測(cè)試點(diǎn)的焊盤(pán)應(yīng)放在柵

15、格上，這樣探針測(cè)試可在印制電路板的第二面進(jìn)行。如果這還不能對(duì)每個(gè)信號(hào)進(jìn)行探測(cè)的話(huà)，只有采用在特殊探測(cè)位置的特殊信號(hào)。對(duì)單個(gè)或一小組元件進(jìn)行故障隔離則必須增加測(cè)試向量或采用其他的測(cè)試技術(shù)。許多故障經(jīng)常是因相鄰部件的管腳短路、部件管腳與電路板的外層導(dǎo)體短路或印制電路板外層導(dǎo)體間的短路引起的。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮到那些正常的生產(chǎn)缺陷，而且不影響故障隔離(這些故障因信號(hào)不能接入或不便接入引起)。為設(shè)計(jì)在線(xiàn)測(cè)試方案，探針焊盤(pán)的測(cè)試點(diǎn)必須在柵格上以便于自動(dòng)探針測(cè)試(圖2)。因電性能的要求，有時(shí)需要按功能進(jìn)行設(shè)計(jì)(如模擬和數(shù)字電路部分分開(kāi))。在物理層面上將不同功能的測(cè)試分開(kāi)會(huì)提高測(cè)試效率。將測(cè)試連接頭分開(kāi)

16、或?qū)⑦B接頭內(nèi)的插芯分組會(huì)提高電路的可測(cè)性。這種數(shù)字與高性能模擬信號(hào)混合的測(cè)試方案需要兩類(lèi)或多種類(lèi)的測(cè)試儀器。信號(hào)分離不僅有助測(cè)試夾具的設(shè)計(jì)和維護(hù)，而且有助于操作工在印制電路板組裝上進(jìn)行故障查找。在線(xiàn)測(cè)試夾具裸板生產(chǎn)商采用的測(cè)試夾具也叫針床。然而，在布線(xiàn)工藝末端的裸板測(cè)試中，探針是堅(jiān)硬纖細(xì)的，它們與電路板的上面和底面接觸。在線(xiàn)測(cè)試用的針床夾具上的測(cè)試針具有彈性，要求的測(cè)試焊盤(pán)面積較大。要記住，只進(jìn)行組裝板的單面測(cè)試會(huì)降低在線(xiàn)測(cè)試過(guò)程中測(cè)試夾具的成本。下面是一組經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)規(guī)則，它可降低測(cè)試夾具的成本及復(fù)雜程度：1.金屬化孔及測(cè)試通孔的焊盤(pán)直徑是孔尺寸的函數(shù)。探針測(cè)試專(zhuān)用的測(cè)試焊盤(pán)的直徑不小于0

17、.9毫米。采用0.6毫米直徑的測(cè)試焊盤(pán)也是可行的，但對(duì)應(yīng)的電路板面積不大于0.700平方毫米。2.測(cè)試探針周?chē)膬艨杖Q于組裝工藝。探針周?chē)鷥艨毡仨毐３譃橄噜徳叨鹊?0%，最小為0.6毫米，最大為0.5毫米(圖3)。3.電路板上探針測(cè)試面的元件高度必須不超出5.7毫米，否則只有切割測(cè)試夾具后才能測(cè)試電路板測(cè)試面上的高個(gè)部件。測(cè)試焊盤(pán)必須至少距高元件5毫米(圖4)。4.在電路板邊緣3毫米不安排元件或測(cè)試焊盤(pán)。5.所有探針區(qū)域必須有焊劑或?qū)щ姷姆茄趸繉?。測(cè)試焊盤(pán)上不能印制阻焊層。6.探針接觸點(diǎn)必須在焊盤(pán)上，不能在端點(diǎn)上、無(wú)引腳的smt元件陣列上及引腳元件的引腳上。接觸壓力會(huì)導(dǎo)致電路開(kāi)路但這時(shí)虛焊焊點(diǎn)看起來(lái)依舊良好。7.必須避免用探針測(cè)試電路板的兩面。可采用通孔將測(cè)試點(diǎn)轉(zhuǎn)換到另一面，最好是底面(沒(méi)有元件或通孔焊接面)。這樣可以制造出可靠性高且較為便