測試是電路板設(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，測試問題越來越復(fù)雜，電路板功能的擴(kuò)大使得組裝級別的評估及現(xiàn)場維護(hù)成為組裝制程過程中的重要問題，本文介紹電路板可測試性設(shè)計(jì)的三個(gè)策略。

 

電子組裝測試包括兩種基本類型:裸板測試和加載測試。裸板測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。加載測試在組裝制程完成后進(jìn)行，它比裸板測試復(fù)雜。

 

組裝階段的測試包括：生產(chǎn)缺陷分析(MDA)、線上測試(ict)和功能測試(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，組裝測試還增加了自動(dòng)光學(xué)檢測(AOI)和自動(dòng)X射線檢測。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試方案。在開始設(shè)計(jì)制程前，要定義實(shí)施所需測試的簡單策略。在產(chǎn)品研發(fā)周期的早期考慮產(chǎn)品的可測性問題，而不是在后期考慮。這會(huì)大大降低從最初設(shè)計(jì)到終測的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的測試成本，并獲得較高的節(jié)點(diǎn)可測試性。圖1: 給出了多種測試類型的例子，它們有不同的測試條件。

 

通常的測試有五種類型，它們主要的功能如下：

1. 裸板測試: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. 線上測試：認(rèn)證每個(gè)單個(gè)零組件的運(yùn)作；

4. 功能測試：認(rèn)證電路的功能模組的運(yùn)作；

5. 組合測試：線上測試和功能測試的組合測試。

 

圖1顯示了多種測試類型的實(shí)例，它們有不同的測試條件。

 

最佳的測試策略能確保正在執(zhí)行的每一種測試確實(shí)可行。即使生產(chǎn)測試過程在研發(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)持測試策略時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)對電路板的每個(gè)面、每種布線網(wǎng)路和每個(gè)節(jié)點(diǎn)的100％測試。要判斷什么是最好的檢測和測試策略？取決于檢測制程的可行性、測試策略的經(jīng)濟(jì)性分析、產(chǎn)品的生命周期和進(jìn)入市場的時(shí)間要求。

 

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

 

裸板測試

考慮到測試條件和日漸復(fù)雜的基片互聯(lián)的測試需要，特別是測試過程涉及基片的電性能評估時(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，探針焊盤的測試點(diǎn)必須在柵格上以便于自動(dòng)探針測試。

 

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?，F(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。許多測試儀能用這種碼來確定與電路板的物理狀況相對應(yīng)的網(wǎng)表特性。由于裸板測試是在布線制程完成之后進(jìn)行，裸板測試資訊是以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)商使用的測試儀器包括單密度、雙密度和四密度測試床。雙密度測試床適于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)。這類測試主要面對更多的陣列形封裝，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。

 

請記住，本節(jié)的主題是裸板測試。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)路的信號出入口與其相關(guān)的其他布線網(wǎng)路的信號出入口相連接，并消除短路故障。

 

四密度測試夾具在每平方厘米上可以有62根測試針，但人們擔(dān)心探針接觸會(huì)對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)測試覆蓋變得非常困難，這種成本預(yù)期基于目前對電性能測試的理解和現(xiàn)有測試概念的線性預(yù)期。

圖3：測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)有測試方法不能進(jìn)行測試。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，而四密度測試夾具每平方厘米僅有62根測試針。

 

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試成本，因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)全覆蓋需采用多通道或雙夾具測試。

 

飛針測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，它是針床測試的備選及有效的低成本測試方案。不足在于其測試速度取決于選用的設(shè)備，速度相對較慢，而設(shè)備的價(jià)格較為昂貴。在測試高密度電路及另外的布線網(wǎng)路時(shí)，測試會(huì)變得較為復(fù)雜。

 

大多數(shù)的飛針測試設(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，在某些場合小尺寸使測試系統(tǒng)難以適應(yīng)測試的需要，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，將要研制對應(yīng)的測試設(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試方法。一些公司采用了電互連應(yīng)力測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試、高電位測試及介質(zhì)強(qiáng)度測試，顯然，評估電路板應(yīng)用適應(yīng)性的條件將變得相當(dāng)苛刻。