高密度印刷線路板的功能測試

　　功能測試正變得越來越重要，然而與在線測試一樣，技術(shù)的發(fā)展和PCB設(shè)計會使測試范圍受到限制。盡管在編程的軟件環(huán)境方面已取得了很大的進展，有助于克服其中一些困難，但若想按照你的測試策略成功實施功能測試，還有很多問題需要避免并且要做更周密的準備。本文就介紹成功實施功能測試應(yīng)考慮的一些因素和應(yīng)對方法策略?！　?a target="_blank">電子產(chǎn)品功能測試有著其盛衰的歷史，60年代后期它是種自動化測試方法，隨著70年代后期在線測試技術(shù)的出現(xiàn)，功能測試似乎注定要讓位于編程與判斷日趨簡易快速的在線測試。然而如今，潮流又變了。在線測試目前有一個問題越來越嚴重，即探測方式。據(jù)美國NEMI（國家電子制造組織）分析，到2003年底可探測到的節(jié)點基本上將為零，如果無法進行探測，那么在線測試幾乎就沒有用武之地。

　　功能測試正日益更多地用于生產(chǎn)線后工序中，甚至也用于進行工藝中段的測試，但是其體系和實施方法與以前的測試幾乎已完全不同。如今的測試系統(tǒng)在多數(shù)情況下速度更快，結(jié)構(gòu)也更加緊湊，功能測試對于驗證產(chǎn)品的總體功能性、維護校準信息、向ISO9000程序提供數(shù)據(jù)以及保證高風險產(chǎn)品，如醫(yī)療設(shè)備的質(zhì)量等都是不可缺少的。

　　測試的實施方法受預算、產(chǎn)量以及待測產(chǎn)品（UUT）設(shè)計等因素的影響，而正是一項對到底能測出什么影響，預算和產(chǎn)量則會限制測試的項目。為了讓測試得到盡可能高的故障覆蓋率，在設(shè)計階段就必須注意元器件的選擇和PCB布局，遺憾的是實際情況并不總是這樣，急于進入市場和緊張的開發(fā)經(jīng)常會打亂你的如意算盤。

　　這里對如何處理這些限制進行一個初步分析。針對測試而不得不作的一些讓步（特別是在設(shè)計早期階段）可能會影響設(shè)計，但卻使測試工作更容易，并提高測試故障覆蓋率。請注意下列問題和建議不是每個測試工程師都要面臨或需要解決的，這些問題許多會相互影響，因此應(yīng)對每個問題進行評估，并在需要時靈活應(yīng)用。

　　待測產(chǎn)品測試要求是什么？

　　在討論設(shè)計、測試系統(tǒng)、軟件以及測試方法之前，先要了解“對象”——待測產(chǎn)品，這里不光是指PCB或終組裝件本身，而且還需要明白將要生產(chǎn)多少、預計的故障等等，包括：

　　產(chǎn)品種類

　　結(jié)構(gòu)（單個PCB/預先做好的PCB/終產(chǎn)品）

　　測試規(guī)范

　　計劃測試點

　　預期產(chǎn)量（每條線/每天/每班等）

　　預計故障類型

　　很明顯，上面忽略了“預算”，但是只有對上述各項了解之后才能確定某件產(chǎn)品測試要花多少錢，在弄清楚全面測試UUT需要什么后再開始討論資金問題，也只有在這個時候才能知道如何進行折衷以使工作完成。初期的完成后，公司可能會給你一個預算并祝你“好運”——盤算著你能作出什么，此時確實需要“好運”，但還要有其它東西，下面列出了其中一些。

　　高密度問題

　　表面上看，元件密度好象對功能測試來講不是問題，畢竟這里主要考慮的是“給一個輸入而得到正確的輸出”。誠然它有些過于單純，但實際情況就是如此。向UUT輸入端施加給定的激勵信號，一定時間后UUT將會輸出特定的系列數(shù)據(jù)，與I/O連接器相連應(yīng)是的接入問題。

　　但是元器件密度也有一定影響，看看圖1的PCB樣品（或你自己的設(shè)計），你先得回答下面的問題；

　　需要接入校準電路嗎？

　　對UUT具體元件或特定區(qū)域進行診斷是否重要？

　　如果對上述問題的回答持肯定意見，那么探查是由人來做還是用某種自動機械裝置？

　　要使用自動化測試裝置嗎？

　　采用的I/O連接器是否容易接觸或連接？如果不是，那么連接器是一個能通過針床接觸的通孔安裝件嗎？

　　下面我們來逐個討論這些問題。

　　校準電路

　　功能測試經(jīng)常用于模擬電路的校準或驗證，包括檢查UUT的內(nèi)部（如射頻電路的中頻部分）以驗證其工作，要這樣做就可能需要測試點或測試焊盤。高頻設(shè)計的一個問題是測試點的相對阻抗（路徑長度、測試焊盤大小等）加上探針的阻抗會影響該電路的性能，在設(shè)置測試區(qū)時應(yīng)記住這點，而自動機械探測和針床夾具（本文后面討論）只需較小的測試區(qū)即可，可緩和這一矛盾，這主要是由于和人工操作相比，自動機械本身的可使測試儀探測到更小的區(qū)域。

　　故障診斷

　　如果只是用功能測試作為通過/不通過的篩選而不需要測量校準點，可以將本節(jié)跳過，因為此時應(yīng)用可能不需要用到探針。在多數(shù)情況下，功能測試都進行通過/不通過檢測，這是因為功能測試在診斷故障方面非常緩慢，特別是在出現(xiàn)多個故障的情況下。但是在某些工業(yè)里，功能測試正在深入到制造工藝里面，例如蜂窩電話制造，一些制造商要在PCB進行某些關(guān)鍵測量，也即在終組裝前的裝配過程中進行，這是由手機易被淘汰的性質(zhì)所決定的。換言之，手機被設(shè)計為以較低成本進行裝配，它們不易拆卸，因此在終測前對功能進行驗證可以節(jié)省返工成本并減少可能出現(xiàn)的廢品（因為手機拆開時會被損壞）。

　　所以要探查PCB就需要有充足的測試點，例如檢查一個間距20mil的表面安裝器件的J形引線就不是很方便，而BGA則更沒有可能。根據(jù)美國表面安裝技術(shù)協(xié)會（SMTA）的建議，測試點間隔為0.040英寸，焊盤之間的間隔取決于測試區(qū)四周的元件高度、探針大小等等，但是0.200英寸間隔應(yīng)是要求，特別是人工探查區(qū)域。很顯然，測試夾具和自動機械探針更加一些。

　　測試設(shè)計

　　無庸置疑，一個便于測試的設(shè)計在生產(chǎn)中要比隨隨便便的設(shè)計更容易處理。但工程人員通常希望在的體積里以成本裝入更多的技術(shù)，這種思想增加了在線測試和功能測試中與線路板接觸的限制。

　　對這類問題市場也做出了反應(yīng)，現(xiàn)在已有軟件工具能對設(shè)計作分析，根據(jù)裝配和測試設(shè)備規(guī)定的規(guī)則進行審查，提出使PCB更易于生產(chǎn)的建議。如果這些工具適用于你的產(chǎn)品，建議對每個設(shè)計都作分析，至少它能很快指出哪里發(fā)現(xiàn)了測試接觸的問題，其終目的是使產(chǎn)品更易于制造。

　　滿足高密度要求的結(jié)構(gòu)配置

　　高密度可以是PCB尺寸小，也可以是UUT上有大量電路，或者二者兼有，上面的標題說明對系統(tǒng)的機械和電氣結(jié)構(gòu)必須要進行考慮以滿足測試的要求。在機械方面需考慮的問題有：

　　如何支持UUT

　　測試區(qū)

　　多層板測試（測試儀能做并行測試嗎？）

　　I/O連接器

　　在電氣方面，如果是多層板，那么哪個更經(jīng)濟呢？是采用多儀器方式還是用開關(guān)轉(zhuǎn)換器加少量儀器的方式？根據(jù)UUT結(jié)構(gòu)或所需的儀器類型，答案可能并不容易得出。

　　自動測試還是人工測試？

　　隨著每條生產(chǎn)線的產(chǎn)量和速度增加（實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟的一個主要方法是提高每個測試設(shè)備的生產(chǎn)率），應(yīng)該要考慮能否使測試過程自動化。自動化功能測試實際上省去了裝載/卸載的時間，并不需要再增加其它測試系統(tǒng)，在考慮提高產(chǎn)量的時候通常不會顧及輸運設(shè)備增加的成本。

　　測試自動化的缺點包括有一個初始硬件投資、與生產(chǎn)線整合的時間、測試系統(tǒng)能否與生產(chǎn)線速度保持同步以及如果設(shè)備出故障而會給生產(chǎn)帶來的問題等等。離線式測試儀不會直接影響裝配線，如果測試儀出現(xiàn)故障，可以把產(chǎn)品從生產(chǎn)線上拿出放在一邊繼續(xù)生產(chǎn)，這樣生產(chǎn)線不會受影響，不過處理時間和人工也是個問題。

　　應(yīng)記住人工測試通常可能要用若干電纜和連接器連接UUT，這些電纜與針床夾具上的探針相比較，其使用壽命一般較低，因此應(yīng)將它納入維護計劃中，這可以降低間發(fā)性故障。

　　夾具問題

　　由于生產(chǎn)線產(chǎn)量、車間場地和勞動率等不同，夾具可以從簡單帶有插銷和連接電纜的膠合板到復雜的由傳送帶連接到裝配線的全自動針床測試夾具。顯然，這些因素說明并不存在一個固定的方案。

　　一個人工裝載雙面夾具，一個帶狀電纜連接到主要的I/O連接器上，頂端安裝的探針可以接觸到UUT上的關(guān)鍵測試點。這是一家中等規(guī)模工廠所要求的理想設(shè)計方案，操作者必須連上帶狀電纜，關(guān)上頂板然后再開始測試。這里不用人工探查進行校準和診斷，因為頂板能接觸到所有相關(guān)區(qū)域。帶狀電纜和頂板探針連線應(yīng)設(shè)計得容易更換，這是由于這些電纜經(jīng)常會彎曲而受到磨損。

　　在同夾具供應(yīng)商打交道時，要記住這些問題，同時還要想到產(chǎn)品將在何處制造，這是一個很多測試工程師會忽略的地方。例如我們假定測試工程師身在美國的加利福尼亞，而產(chǎn)品制造地卻在泰國。測試工程師會認為產(chǎn)品需要昂貴的自動化夾具，因為在加州廠房價格高，要求測試儀盡量少，而且還要用自動化夾具以減少雇用高技術(shù)高工資的操作工。但在泰國，這兩個問題都不存在，讓人工來解決這些問題更加便宜，因為這里的勞動力成本很低，地價也很便宜，大廠房不是一個問題。因此有時候一流設(shè)備在有的國家可能不一定受歡迎。

　　操作員技術(shù)水平

　　在高密度UUT中，如果需要校準或診斷則很可能需要由人工進行探查，這是由于針床接觸受到限制以及測試更快（用探針測試UUT可以迅速采集到數(shù)據(jù)而不是將信息反饋到邊緣連接器上）等原因，所以要求由操作員探查UUT上的測試點。不管在哪里，都應(yīng)確保測試點已清楚地標出。

　　探針類型和普通操作工也應(yīng)該注意，需要考慮的問題包括：

　　探針大過測試點嗎？

　　探針有使幾個測試點短路并損壞UUT的危險嗎？

　　對操作工有觸電危害嗎？

　　每個操作工能很快找出測試點并進行檢查嗎？測試點是否很大易于辨認呢？

　　操作工將探針按在測試點上要多長時間才能得出準確的讀數(shù)？如果時間太長，在小的測試區(qū)會出現(xiàn)一些麻煩，如操作工的手會因測試時間太長而滑動，所以建議擴大測試區(qū)以避免這個問題。

　　考慮上述問題后測試工程師應(yīng)重新評估測試探針的類型，修改測試文件以更好地識別出測試點位置，或者甚至改變對操作工的要求。

　　自動探查

　　在某些情況下會要求使用自動探查，例如在PCB難以用人工探查，或者操作工技術(shù)水平所限而使得測試速度大大降低的時候，這時就應(yīng)考慮用自動化方法。

　　自動探查可以消除人為誤差，降低幾個測試點短路的可能性，并使測試操作加快。但是要知道自動探查也可能存在一些局限，根據(jù)供應(yīng)商的設(shè)計而各有不同，包括：

　　UUT的大小

　　同步探針的數(shù)量

　　兩個測試點相距有多近？

　　測試探針的定位

　　系統(tǒng)能對UUT進行兩面探測嗎？

　　探針移至下一個測試點有多快？

　　探針系統(tǒng)要求的實際間隔是多少？（一般來講它比離線式功能測試系統(tǒng)要大）

　　自動探查通常不用針床夾具接觸其它測試點，而且一般它比生產(chǎn)線速度慢，因此可能需要采取兩種步驟：如果探測儀僅用于診斷，可以考慮在生產(chǎn)線上采用傳統(tǒng)的功能測試系統(tǒng)，而把探測儀作為診斷系統(tǒng)放在生產(chǎn)線邊上；如果探測儀的目的是UUT校準，那么的真正解決辦法是采用多個系統(tǒng)，要知道這還是比人工操作要快得多。

　　如何整合到生產(chǎn)線上也是必須要研究的一個關(guān)鍵問題，生產(chǎn)線上還有空間嗎？系統(tǒng)能與傳送帶連接嗎？幸好許多新型探測系統(tǒng)都與SMEMA標準兼容，因此它們可以在在線環(huán)境下工作。

　　邊界掃描

　　這項技術(shù)早在產(chǎn)品設(shè)計階段就應(yīng)該進行討論，因為它需要專門的元器件來執(zhí)行這項任務(wù)。在以數(shù)字電路為主的UUT中，可以購買帶有IEEE 1194（邊界掃描）支持的器件，這樣只做很少或不用探測就能解決大部分診斷問題。邊界掃描會降低UUT的整體功能性，因為它會增大每個兼容器件的面積（每個芯片增加4～5個引腳以及一些線路），所以選擇這項技術(shù)的原則，就是所花費的成本應(yīng)該能使診斷結(jié)果得到改善。應(yīng)記住邊界掃描可用于對UUT上的閃速存儲器和PLD器件進行編程，這也更進一步增加了選用該測試方法的理由。

　　如何處理一個有局限的設(shè)計？

　　如果UUT設(shè)計已經(jīng)完成并確定下來，此時選擇就很有限。當然也可以要求在下次改版或新產(chǎn)品中進行修改，但是工藝改善總是需要一定的時間，而你仍然要對目前的狀況進行處理。

　　這里的主要指導思想是你能做多少測試。按照預期的故障類型也許是夠的，但如果不夠，通常就需要在更加昂貴的測試系統(tǒng)之間取得一個微妙平衡，將UUT的產(chǎn)品銷售成本（COGS）與邊際利潤進行權(quán)衡后選擇更的探測方法。所以，答案就是沒有一個簡單的答案。

　　對將來設(shè)計的參考意見就是目前功能測試在受到限制時的完成情況，面臨這些局，應(yīng)記下在生產(chǎn)線速度規(guī)定的時間范圍里能完成的測試，以及生產(chǎn)線上擁有的測試儀數(shù)量。時間限定是很關(guān)鍵的，因為不可能讓產(chǎn)量向你作讓步，故而你的工作就是為了時間而犧牲測試覆蓋率，所以才會要求改進以便將來能解除這些限制！

　　本文結(jié)論

　　技術(shù)的發(fā)展使我們的生活更加美好，但對測試工程師是個例外。更密集的PCB、更高的總線速度以及模擬RF電路等等對測試都提出了前所未有的挑戰(zhàn)，這種環(huán)境下的功能測試需要認真的設(shè)計、深思熟慮的測試方法和適當?shù)墓ぞ卟拍芴峁┛尚诺臏y試結(jié)果，充足的準備和仔細篩選工具將可以達到事半功倍的效果。