PCB電路板可測試性設計的三個策略介紹

測試是設計制造的重要部分，隨著零部件的小型化、產(chǎn)品的日漸復雜和上市時間的縮短，測試問題越來越復雜，電路板功能的擴大使得組裝級別的評估及現(xiàn)場維護成為組裝工藝過程中的重要問題，本文介紹電路板可測試性設計的三個策略。

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)后進行，主要檢查短路、開路、網(wǎng)表的導通性。在工藝過程中還有許多其它的檢查和驗證方法。加載測試在組裝工藝完成后進行，它比裸板測試復雜。

組裝階段的測試包括：生產(chǎn)缺陷分析(MDA)、在線測試(ICT)和功能測試(使產(chǎn)品在應用環(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光學檢測(AOI)和自動X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。在開始設計工藝前，要定義實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。這會大大降低從最初設計到終測的每個節(jié)點的測試成本，并獲得較高的節(jié)點可測試性。

通常的測試有五種類型，它們主要的功能如下：

1、??裸板測試：檢查未安裝元器件的電路板上的開路和短路缺陷；

2、??生產(chǎn)缺陷分析：檢查已安裝元器件的電路板上焊點的短路和開路缺陷；

3、??在線測試：認證每個單個元器件的運作；

4、??功能測試：認證電路的功能模塊的運作；

5、??組合測試：在線測試和功能測試的組合測試。

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

1、??組件通孔的布局要有策略性；

2、??要提供每個布線網(wǎng)絡中每個節(jié)點的測試接觸點；

3、??要接觸到電路板兩面的每個節(jié)點；

4、??網(wǎng)格基準組件和通孔的布局；

5、??正確的測試焊盤形狀和間距。

即使在最高密度的設計中，也僅當在設計周期的每個環(huán)節(jié)堅持測試策略時，才能實現(xiàn)對電路板的每個面、每種布線網(wǎng)絡和每個節(jié)點的100%測試。要判斷什么是最好的檢測和測試策略？取決于檢測工藝的可行性、測試策略的經(jīng)濟性分析、產(chǎn)品的生命周期和進入市場的時間要求。

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

裸板測試

為使生產(chǎn)商在充分保證裸板互聯(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)數(shù)據(jù)的兼容性也是目前遇到的問題之一，人們期望通過制定工業(yè)標準在可預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機器碼，這種格式用于驅動光繪機及生成定義生產(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。現(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，它僅定義了因機器碼命令而存在的導電連接。關于數(shù)據(jù)格式的早期工業(yè)標準是IPC-D-356。

該數(shù)據(jù)格式從CAD系統(tǒng)中提取網(wǎng)表信息并將其換成智能機器碼。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的網(wǎng)表特性。由于裸板測試是在布線工藝完成之后進行，裸板測試信息是以IPC-D-356格式提供，并與單個元器件的管腳信息相關。因此，根據(jù)IPC-D-356標準測試的生產(chǎn)商可以提供諸如“U14組件的16腳與U20的9腳短路”之類的信息。

當然，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)商共享這些信息，但這仍然是確定裸板性能是否滿足CAD系統(tǒng)設計要求的最簡潔的數(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：

1.倉促的更改；

2.機器碼數(shù)據(jù)和網(wǎng)表數(shù)據(jù)間的數(shù)據(jù)轉換問題；

3.軟件實現(xiàn)上的問題。在任何情況下，數(shù)據(jù) 兼容性都相當重要。

使用夾具和針床的開路和短路測試也面臨著挑戰(zhàn)，電路板的日漸復雜，使它們不能滿足電路測試要求。復雜性在于電路尺寸的減少和組件密度的提高。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。當電路板密度超過400毫米間距時，必須考慮采用其它的技術。這類測試主要面對更多的數(shù)組形封裝，可以是BGA或列柵數(shù)組，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，為保證組裝時各部分安裝正確，電路板生產(chǎn)商必須保證在各個數(shù)組焊盤上每個布線網(wǎng)絡的信號出入口與其相關的其它布線網(wǎng)絡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，但人們擔心探針接觸會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測試儀器的成本較高，這使得要在預期的成本范圍內(nèi)調(diào)整整個測試覆蓋變得非常困難，這種成本預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期。也有電路板生產(chǎn)商采用飛針測試(flyingprobetest)。采用這種儀器，每個布線網(wǎng)絡可以被激勵并通過與鄰近的布線網(wǎng)絡相比較以建立開路和短路特性。

飛針測試取消了夾具，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。不過速度相對較慢，而設備的價格較為昂貴。在測試高密度電路及另外的布線網(wǎng)絡時，測試會變得較為復雜。

組裝測試

對給定相同的測試成本，電路板測試會在缺陷率和成品率指針間進行折衷，例如，若缺陷率相當高，大多數(shù)需要診斷。采用自動測試儀取得電路板圖像進行診斷較為經(jīng)濟，但使用自動測試儀需提供電路板上全部節(jié)點的測試接觸點。這表明至少每個布線網(wǎng)絡的個節(jié)點需要與自動測試儀連接。若項缺陷率低，需要對每個缺陷進行人工診斷，所需的時間比用自動測試儀多，這樣減少了對成品率的影響，但節(jié)點測試率小于是00%。理論上，如果缺陷率相當?shù)停腿菰S有0%的節(jié)點測試率(不需要針床測試)，只要采用簡單的通與不通測試，但今天的現(xiàn)實是不可能的。在此人們只需采用蝕刻的專用測試連接器，所要做的僅是扔掉不合格的組裝而不是對其進行診行。

決定節(jié)點測試率時要考慮的因素包括：

1、??缺陷率；2、訟斷能力；3、成品率；

4、電路板面積；5、電路板層數(shù)；6、成本。

在電路板布線設計中決定節(jié)點測試率時，需要在所有與人工故障查找相對應的諸多因素之間平衡，更要考慮對制成電路板的成品率的影響。除非組裝一點缺陷也沒有，節(jié)點全測試仍舊是最理想的擇.。

應該認識到一旦電路板的設計完成(節(jié)點測試率固定)且它的測試方案也已設計，缺陷率便成為降低成本的首要因素。因此缺陷報告分析和缺陷的糾正及防止是必要的。這可以包括與代供貨商建立密切的關系以減少所供組件和電路板的問題，并減少生產(chǎn)車間內(nèi)可能會導致問題的工藝和操作。

組裝布線之前要解決的另一問題是研究返工策略。由于測試內(nèi)層導體受到限制，多層印制電路板的返工相當困難甚至難以實現(xiàn)。典型的返工過程包括用特殊工具割內(nèi)層導體，用可編程鉆頭對準電路板上的作業(yè)位置，然后鉆一個可控深度的孔以脫離與內(nèi)層導體的連接或抬高表面封裝組件的腳。這就是為什么電路板生產(chǎn)商需要在組裝前對電路板產(chǎn)品進行全面測試的原因，這樣就避免了已裝組件電路板在返工過程所必需的復雜測試。對于組件密布的表面安裝電路板，有時不得不移去某個組件以進入返工作業(yè)區(qū)(這里內(nèi)層導體已被切割)。SMT組件應用規(guī)則規(guī)定：除非絕對必要，不可以從電路板上拆缷組件，這樣會降低焊盤與電路板間的附著強度，并會導致焊盤上翹。

返工策略包括：拆缷組件并重裝新元件。這樣測試通孔、焊盤形狀及與組裝相關的任何細節(jié)均需考慮，以使返工修整及維修相關的任何細節(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。

在線測試

在線測試用于發(fā)現(xiàn)印制電路板組裝中的制造缺陷。在線測試是通過針床夾具測試電路板的，針床夾具可與電路板組裝上的每個節(jié)點接觸。組裝測試是通過逐個激勵電路板上的部件直行測試的。在線測試對設計的限制較少，但必須設置測試接觸點來實現(xiàn)缺陷分析和性能不一致分析。

對不能接觸探針的信號(對無引腳組件來說是常事)則會增加故障隔離的問題。在此，建議在可進行信號探測的印制電路板的各處(除非使用掃描寄存器測試)，每個待測信號均應具有焊盤或其它測試孔，同樣推薦的是測試點的焊盤應放在柵格上，這樣探針測試可在印制電路板的第二面進行。如果這還不能對每個信號進行探測的話，只有采用在特殊探測位置的特殊信號。對單個或一小組組件進行故障隔離則必須增加測試向量或采用其它的測試技術。

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體短路或印制電路板外層導體間的短路引起的。在實際的設計中，應考慮到那些正常的生產(chǎn)缺陷，而且不影響故障隔離（這些故障因信號不能接入或不便接入引起）。為設計在線測試方案，探針焊盤的測試點必須在柵格上以便于探針測試。

因電性能的要求，有時需要按功能進行設計（如仿真和數(shù)字電路部分分開）。在物理層面上將不同功能的測試分開會提高測試效率。將測試連接頭分開或將連接頭內(nèi)的插芯分組會提高電路的可測性。這種數(shù)字與高性能仿真信號混合的測試方案需要兩類或多種類的測試儀器。信號分離不僅有助測試夾具的設計和維護，而且有助于操作工在印制電路板組裝上進行故障查找。

在線測試夾具

裸板生產(chǎn)商采用的測試夾具也叫針床。然而在布線工藝末端的裸板測試中，探針是堅硬纖細的，它們與電路板的上面和底面接觸。在線測試用的針床夾具上的測試針具有彈性，要求的測試焊盤面積較大。要記住，只進行組裝板的單面測試會降低在線測試過程中測試夾具的成本。

下面是一組經(jīng)過驗證的設計規(guī)則，它可降低測試夾具的成本及復雜程度；

⒈　金屬化孔及測試通孔的焊盤直徑是孔尺寸的函數(shù)。探針測試專用的測試焊盤的直徑不小于0.9毫米。采用0.6毫米直徑的測試焊盤也是可行的，但對應的電路板面積不大于0.700平方毫米。

⒉　測試探針周圍的凈空取決于組裝工藝。探針周圍凈空必須保持為相鄰組件高度的80%，最小為0.6毫米，最大為0.5毫米。

3．??電路板上探針測試面的組件高度必須不超出5.7毫米，否則只有切割測試夾具后才能測試電路板測試面上的高個部件。測試焊盤必須至少距高組件5毫米。

⒋　在電路板邊緣3毫米不安排組件或測試焊盤。

⒌　所有探針區(qū)域必須有焊劑或導電的非氧化涂層。測試焊盤上不能印制阻焊層。

⒍　探針接觸點必須在焊盤上，不能在端點上，無引腳的SMT組件數(shù)組上及引腳組件的引腳上。接觸壓力會導致電路開路但這時虛焊焊點看起來依舊良好。

⒎　用探針測試電路板的兩面?？刹捎猛讓y試點轉換到另一面，最好是底面（沒有組件或通孔焊接面）。這樣可以制造出可靠性高且較為便宜的夾具。

⒏　若有可能采用標準探針和可靠性較高的夾具，測試焊盤中心孔應為2.5毫米。

⒐　減少用金手指作為測試焊盤，因為測試探針很容易損壞金手指。

⒑　測試焊盤應均勻地分布在電路板上。若測試焊盤分布不均勻，或集中在某個區(qū)域，會造成電路板彎曲、探針故障和真空密封問題對微間距組件來說，要將大致一半的測試通孔放在焊盤內(nèi)，而其它一半則放在另一面的焊盤內(nèi)。這樣做的目的有兩個：1.不超過“每100平方毫米最多5-6個測試點”的測試設備限制。2.展寬測試點分布，減小高密度分布的測試點壓力。在夾具的真空或機械動作期間，這種壓力會導致夾具變形。