電容測試法在PCB電性能測試中的應(yīng)用研究

摘要

在PCB電性能測試中，測試方法多種多樣，而電容測試法是一種很重要的手段。文章從電容的基本原理入手，引入電容測試法在PCB電性能測試中的應(yīng)用。通過與普通的開短路測試法進(jìn)行對比，找出電容測試法的優(yōu)勢，并以實(shí)際案例進(jìn)行分析，體現(xiàn)出電容測試法在PCB電性能測試中的重要作用。

1. 前言
隨著電子產(chǎn)品、工控、航天等行業(yè)的高速發(fā)展，PCB產(chǎn)品的電性能要求越來越高，同樣，我們電測試的難度也越來越大。對于PCB廠商來說，面對大批量產(chǎn)品，我們主要選用夾具針床測試，雖然有制作夾具的成本，但可以大大節(jié)省測試時間。而面對樣品、小批量產(chǎn)品以及圖形密集的HDI產(chǎn)品，我們主要選用飛針測試，一方面可以節(jié)省夾具制作成本，另一方面，在精細(xì)節(jié)距的BGA或MBGA中，夾具測試不能保證其測試精度，所以飛針測試是一個企業(yè)不可或缺的測試手段。我們常見的飛針測試法為開短路測試法，也叫電阻測試法，此種方法可滿足精密線路測試，但測試時間偏長，需要進(jìn)行開路和短路兩次測試，測試一片產(chǎn)品往往需要10分鐘以上的時間，測試效率很低。進(jìn)而，我們引進(jìn)電容測試法來改變此現(xiàn)狀。

2. 電容測試法簡介

2.1?電容的基本原理

電容測試法是根據(jù)電容的基本原理進(jìn)行開短路測試。電容計算公式為：

C=εS/4πd。其中C是電容的容量；ε是介電常數(shù)，由絕緣介質(zhì)的材質(zhì)決定，介質(zhì)不變則為恒定值；S是兩極板之間相對重疊部分的垂直面積d是兩極板之間的距離。

2.2? 電容測試法的基本原理

如圖1所示，在電容測試法中，根據(jù)電容計算公式，絕緣介質(zhì)ε為板材介電常數(shù)，兩極板的一極是整個大的測試臺面，另一極則是測試網(wǎng)絡(luò)的銅面，因而S值取決于測試網(wǎng)絡(luò)的銅面積大小；d在同一型號產(chǎn)品時板厚也為恒定值。由此可以看出，在電容測試法中，電容值的大小最終取決于測試網(wǎng)絡(luò)的銅面積大小，并與其成正比，所以該方法也叫靜電容量比較法。

圖1? PCB產(chǎn)品電容測試示意圖

2.3? 電容測試法開短路的判定方法

2.3.1? 電容測試法開路的判定方法

如果導(dǎo)電圖形中出現(xiàn)斷路，則導(dǎo)電圖形面積就會減少，靜電容量值也會變小。例如圖2所示，合格產(chǎn)品中端點(diǎn)1和端點(diǎn)2所測的靜電容量值為100，而斷路產(chǎn)品中端點(diǎn)1和端點(diǎn)2所測的靜電容量值分別為70和30。通過導(dǎo)電圖形面積的變化，可準(zhǔn)確檢查出圖形中斷路位置。

圖2? 電容測試斷路示意圖

2.3.2? 電容測試法短路的判定方法

如果導(dǎo)電圖形中出現(xiàn)短路，則導(dǎo)電圖形面積就會增加，靜電容量值也會變大。例如圖3所示，合格產(chǎn)品中端點(diǎn)1和端點(diǎn)2所測的靜電容量值為100，端點(diǎn)3和端點(diǎn)4所測的靜電容量值為60，而短路產(chǎn)品中端點(diǎn)1、2、3、4所測的靜電容量值都為160。通過導(dǎo)電圖形面積的變化，可準(zhǔn)確檢查出圖形中短路位置。

2.3.3? 電容測試法開短路的現(xiàn)場模擬

如圖4所示，為我司飛針電容測試模擬圖，我司采用的是水平式電容飛針電容測試，可對較薄的基板起到良好的吸附作用，基板上的導(dǎo)電圖形與在電性能上檢查用的電極(Sensor Board）之間，存在與其圖形面積成正比的靜電容量，假設(shè)我們對線路端點(diǎn)A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、M測定的靜電容量為：A = C = H = K = L = 100，B = 10，D = G = M = 90，E = F = 30，I = J = 30。

圖4 電容測試現(xiàn)場模擬圖

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當(dāng)圖形線路發(fā)生斷路時，如圖5所示，測定的靜電容量為：A = C = H = 70，B = 10，D = 20，E = F = 30，G = M = 70，I = J = 30，K = L = 30。我們可發(fā)現(xiàn)，A、C、H、K、L、D、G、M的電容值變小，可確定這幾個端點(diǎn)所在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生斷路。

圖5? 電容測試斷路模擬圖

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當(dāng)圖形線路發(fā)生斷路時，如圖6所示，測定的靜電容量為：A = C = H = K = L =100，B = 10，D = E = F = G = M = 120，I = J = 30。我們可發(fā)現(xiàn)，D、E、F、G、M的電容值變大，可確定這幾個端點(diǎn)所在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生短路。

圖6 電容測試短路模擬圖

3.電容測試法與普通電阻測試法的對比

電阻測試法，是通過測量兩點(diǎn)間阻抗的方法，需要確認(rèn)同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)端點(diǎn)間的導(dǎo)通以及不同端點(diǎn)間的非導(dǎo)通。因?yàn)橐_認(rèn)不同線路間全部組合的非導(dǎo)通情況，所以檢查數(shù)量非常多。而電容測試法，是通過一次測定全線路端點(diǎn)的靜電容量（面積），可以同時進(jìn)行短路和斷路的確認(rèn)，因此檢查數(shù)量比一般的檢測方式大幅度減少，有時可以減少90%以上。

舉個例子，當(dāng)線路總數(shù)為100，端點(diǎn)總數(shù)為500時，我們對電阻測試方式與電容測試方式的測試次數(shù)進(jìn)行對比，如表1所示，電阻法的測試總次數(shù)為5350次，而電容法的測試總次數(shù)只有500次，從這個例子我們可看出，電容測試法在測試時間上有很大的優(yōu)勢。

如表2所示，為我司電容測試對某一產(chǎn)品的檢測時間，此產(chǎn)品線路總數(shù)為364，端點(diǎn)總數(shù)為1207，獨(dú)立焊盤個數(shù)為124，單臺設(shè)備有兩個測針探頭，可同時測試兩片產(chǎn)品。

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從數(shù)據(jù)中我們可以看出，電容測試法同時測試兩片產(chǎn)品所需時間為119s，相當(dāng)于測試一片產(chǎn)品所需時間為1分鐘，而普通開短路測試，只非導(dǎo)通測試就需364×（364-1）/2=66066 step，加上導(dǎo)通測試時間，測試一片產(chǎn)品至少需要20分鐘，是電容法測試時間的20倍以上。

4.電容測試法在PCB電性能測試中的特殊作用

眾所周知，電容測試法與電阻測試法的檢測效果是一樣的，都是對產(chǎn)品中每一網(wǎng)絡(luò)的通斷進(jìn)行測試，但是，這兩種測試方法的檢測原理不同。那么我們可不可以對電容測試法的特殊檢測原理加以利用呢？

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通常，在電性能測試后，我們會對不良品進(jìn)行分析，總的來說，缺陷可分兩大類：短路與斷路。而這兩種缺陷中，我們更側(cè)重于對斷路的分析，因?yàn)閿嗦肺恢糜锌赡馨l(fā)生在線上，也有可能發(fā)生在孔內(nèi)。當(dāng)斷路位置發(fā)生在孔內(nèi)，就必須確認(rèn)造成孔斷的原因，當(dāng)孔斷原因?yàn)榕恳蛩貢r，那么整批產(chǎn)品都存在失效的隱患，特別是HDI產(chǎn)品，盲孔所在網(wǎng)絡(luò)占很大比例，一旦盲孔出現(xiàn)異常，將面臨整批產(chǎn)品的報廢。如圖8所示，為HDI產(chǎn)品電性能測試中，出現(xiàn)斷路缺陷的三種主要來源。

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圖7? 電性能測試斷路缺陷來源示意圖

對于一批發(fā)生斷路的HDI產(chǎn)品，其斷路原因可能為上述一種，也可能上述三種原因都存在，如果斷路原因之一為盲孔斷路，那么此批產(chǎn)品就要具體分析，并將盲孔斷路的原因找出，以此來判斷整批產(chǎn)品焊接時是否有失效的風(fēng)險。然而，如何確定盲孔斷路是一個復(fù)雜的過程。普通的電阻測試法，只能確認(rèn)某一或某些網(wǎng)絡(luò)發(fā)生斷路，要想確認(rèn)盲孔，需對該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有盲孔位置進(jìn)行切片，如果斷路產(chǎn)品數(shù)量很多，則需對所有斷路產(chǎn)品逐片切片進(jìn)行分析，這將花費(fèi)很長的時間。

這時，我們可利用電容測試法對HDI產(chǎn)品進(jìn)行電性能測試。通常情況下，HDI產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)的起始端點(diǎn)都為盲孔，當(dāng)盲孔發(fā)生斷路時，該點(diǎn)的電容值很小，不會超過1fF，而正常導(dǎo)通的網(wǎng)絡(luò)中，整個網(wǎng)絡(luò)電容值在幾百到幾千fF。通常，我們對斷短路的判定標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)測試電容值＞（1+20%）標(biāo)準(zhǔn)電容值，判定為短路，當(dāng)測試電容值＜（1-20%）標(biāo)準(zhǔn)電容值，判定為斷路。當(dāng)線路發(fā)生斷路時，所測電容值至少也會在幾十到幾百fF。所以，我們只需對小于1fF電容值的盲孔位置進(jìn)行切片即可，此位置必定為盲孔斷路。這種方法可大大減少我們的分析時間，同時在做切片之前，就可對盲孔斷路數(shù)量及所占比例做出初步判斷。

某公司司曾經(jīng)生產(chǎn)的某一HDI產(chǎn)品，整批產(chǎn)品采用電容法測試，最終檢測出5片斷路產(chǎn)品，其中有兩片為端點(diǎn)電容值小于1fF，對這兩片產(chǎn)品的端點(diǎn)盲孔進(jìn)行切片，可確認(rèn)為盲孔斷路，對缺陷原因進(jìn)行分析為粉塵堵孔，此現(xiàn)象為個量問題，其余合格產(chǎn)品可放行。從測試—分析—判定，此產(chǎn)品僅用了很短的時間，大大減少了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率。

某公司曾經(jīng)生產(chǎn)的另一HDI產(chǎn)品，同樣為采用電容法測試，最終檢測出20片斷路產(chǎn)品，其中有8片為端點(diǎn)電容值小于1fF，對其端點(diǎn)盲孔進(jìn)行切片，可確認(rèn)為盲孔位置斷路，缺陷原因?yàn)槁窨锥驴撞粚?shí)，從而導(dǎo)致了盤中孔位置鍍銅凹陷，致使激光鉆盲孔未打到底銅。此類問題對產(chǎn)品的電性能有很大隱患，極容易造成盲孔與埋孔的微連接，所以，此批電測試產(chǎn)品，無論合格與否，全部報廢處理。正是因?yàn)殡娙轀y試法的高效性與準(zhǔn)確性，為我們快速而準(zhǔn)確的分析出了此問題，也為我們重新制作這批產(chǎn)品贏得寶貴時間。

通過以上兩個案例，我們可發(fā)現(xiàn)，利用電容測試法測試HDI產(chǎn)品，可快速的檢測出盲孔斷路位置，減少了我們對產(chǎn)品的分析時間，進(jìn)而提高了生產(chǎn)效率。另一方面，電容測試法可準(zhǔn)確定位不良盲孔所在的位置，通過切片能一針見血的找到問題所在，然后根據(jù)問題產(chǎn)生的原因，及時制定改善措施，從而避免此類問題的發(fā)生。

5.結(jié)論

（1）電容測試法對導(dǎo)電圖形靜電容量的測試主要取決于導(dǎo)電圖形的面積。如果導(dǎo)電圖形中出現(xiàn)斷路，則導(dǎo)電圖形面積會減少，靜電容量值也會變小。如果導(dǎo)電圖形中出現(xiàn)短路，則導(dǎo)電圖形面積會增加，靜電容量值也會變大。

（2）電容測試法是對導(dǎo)電圖形的面積進(jìn)行測試，可開短路同時進(jìn)行，并且電容測試機(jī)的兩個探針可對兩片產(chǎn)品同時測試，在測試時間上比普通電阻測試法快很多倍。

（3）電容測試法在HDI產(chǎn)品的電性能測試中起特殊作用，若起始盲孔端點(diǎn)發(fā)生斷路，則該點(diǎn)的電容值極小，可直接確定該網(wǎng)絡(luò)中的斷路位置為此盲孔。而電阻測試法只能測出一個網(wǎng)絡(luò)發(fā)生斷路，不能直接判定某一線斷還是孔斷，需做大量切片進(jìn)行分析。因而電容測試法可廣泛用于HDI產(chǎn)品的電測試中。
編輯：YYX