在線測試技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展

1 引言

　　在線測試曾作為組裝后PCB測試的主導(dǎo)技術(shù)而占據(jù)市場絕對優(yōu)勢，但隨著電子組裝技術(shù)的發(fā)展，PCB的密度越來越高，測試點間距越來越小，測試點數(shù)量越來越多，這一切都給傳統(tǒng)的測試技術(shù)帶來挑戰(zhàn)，加之各種新型測試技術(shù)的不斷出現(xiàn)，在線測試技術(shù)何去何從？我們不妨仔細(xì)了解一下在線測試技術(shù)的特點，以及設(shè)備制造商為迎接這一挑戰(zhàn)所作的努力，根據(jù)測試方式的不同，在線測試儀可分為針床測試和飛針測試2種。

2 針床在線測試技術(shù)

　　2.1 針床測試設(shè)備的結(jié)構(gòu)和原理

　　傳統(tǒng)的針床在線測試儀測量時使用專門的針床與已焊接好的線路板上的元器件接觸（見圖1），并用數(shù)百毫伏電壓和10mA以內(nèi)電流進(jìn)行分力隔離測試，從而精確地測出所裝電阻、電感、電容、二極管、三極管、可控硅、場效應(yīng)管、集成塊等通用和特殊元器件的漏裝、錯裝、參數(shù)值偏差、焊點連焊、線路板開短路等故障，并將故障是哪個元件或開短路位于哪個點準(zhǔn)確告訴用戶，針床式在線測試儀優(yōu)點是測試速度快，適合于單一品種民用型家電線路板極大規(guī)模生產(chǎn)的測試，而且主機(jī)價格較便宜。但是隨著線路板組裝密度的提高，特別是細(xì)間距SMT組裝以及新產(chǎn)品開發(fā)生產(chǎn)周期越來越短，線路板品種越來越多，針床式在線測試儀存在一些難以克服的問題，測試用針床夾具的制作、測試周期長、價格貴；對于一些高密度SMT線路板由于測試精度問題無法進(jìn)行測試。



　　在線測試儀所具有的一些特點：

　　（1）即刻判斷和確定缺陷；

　　（2）能檢測出絕大多數(shù)生產(chǎn)問題；

　�。�3）包含一個線路分析模塊，測試生成器和元器件庫；

　　（4）提供系統(tǒng)軟件，支持寫測試和評估測試；

　�。�5）對不同的元器件能進(jìn)行模型測試。

　　要進(jìn)行在線測試，在線測試儀必需做兩件事"觸及"和"隔離"，它必需能觸及所有需測元器件。顯然，要分別逐個測試，測試儀必定要接觸到每個器件的每個腳。另外，在線測試儀必需能隔離周圍器件對被測器件的影響，因為器件和器件之間存在線路連接，需專門的隔離技術(shù)使被測器件不受其他器件影響，要觸及PCB上的每個測試點，需要一個特殊的測試工具-針床，針床上有許多彈性小探針，利用它們，就可以觸及測試點了，利用這些小探針也隔離了周圍器件對被測器件的影響，每個PCB都需要一個和它相符的測試針床，針床的作用是連接在在線測試儀內(nèi)部測量儀器模塊和被測試節(jié)點。因測試可以是模擬、數(shù)字和混合，每個測試針都能在測試程序控制下與模擬或數(shù)字測量儀表模塊相連。每個測試儀內(nèi)部有2組繼電器，一組為SCANNER，連接任一測試點和測量儀表總線；另一組繼電器稱MULTIPLEXER或MUX，連接測量儀表總線和測量儀表模塊，見圖2。



　　2.2 模擬器件的測試

　　以測量電阻為例，如圖3所示，在在線情況下的測量與一個獨立電阻的測量必然存在很大差別，流經(jīng)Rx得電流經(jīng)R3和R4分流部分電流后，其余流入安培表。取決于分流電路電阻特性，由此計算的Rx阻值誤差可能很大。





　　利用隔離技術(shù)阻斷分流是模擬在線測量的關(guān)鍵，圖4左邊R1，R2，R3和R4處分別加入隔離點后，通過簡化可得到右邊的等效電路圖，再在電流表線路中使用運算放大器，取代安培表，利用運算放大器同向端和反向端虛短的特性，如圖5，就可消除R3、R4上的分流，有此可得到：


　　2.3 數(shù)字器件的測量

　　首先，我們要回顧一下數(shù)字器件的特點，數(shù)字器件只有2種電平：高電平和低電平，所以測試程序要能定義邏輯電位，數(shù)字器件比模擬器件多很多管腳，因而測試儀不可能在管腳間不停地切換模擬源和測量儀表。因此，測試儀要有一套能驅(qū)動數(shù)字芯片輸入端到理想電位的數(shù)字驅(qū)動器，也要有一組能檢測其輸出邏輯電位的數(shù)字感應(yīng)器。

　　驅(qū)動器和感應(yīng)器（Driver/Sensor）是成對存在的，驅(qū)動器的輸出端總是與感應(yīng)器的輸入端相連，在程序控制下，同個測量節(jié)點在某個時候可能被驅(qū)動到某個電位，而另個時候，又有可能被感應(yīng)器測量它的輸出。



　�。�1）驅(qū)動器/感應(yīng)器的編程

　　為了說明程序是怎樣控制驅(qū)動器/感應(yīng)器，讓我們看一個簡單的二輸入與非門例子，如圖7。



　　只有與非門輸入端全為高電平時，輸出端才為低電平，而其他狀態(tài)的組合，輸出端都為高，要對這個二輸入與非門進(jìn)行測量，測試程序應(yīng)按以下工作：

　　1）給被測板上電、接地

　　2）定義高、低電平

　　3）指定測試針

　　4）定義驅(qū)動和感應(yīng)測量時序

　　對上述單個與非門，測試程序?qū)�會檢查所有4種輸入的工作情況。

　　每一行程序語句代表一個測試矢量。IC、IH和IL連接驅(qū)動器到指定的輸入端A和B，并給予賦制值；OS、OH和OL連感應(yīng)測量端到輸出端C，并告之期望值。所有驅(qū)動器和感應(yīng)端值在程序命令改變之前保持不變。

　�。�2）數(shù)字芯片的隔絕和測量

　　因為被測數(shù)字器件必須要上電才能測量，在板上器件間又存在連結(jié)，因此電源也會加到其他器件上，這樣一來，當(dāng)測試儀要給被測芯片的某輸入端加驅(qū)動信號時（如高電平），此輸入端可能被另一芯片的輸出保持在相反電位（低電平）。

　　數(shù)字驅(qū)動器在瞬間強(qiáng)制被測芯片的輸出端到指定電平，而不管其他芯片影響，來解決這個問題，這種技術(shù)稱背驅(qū)動技術(shù)。

　　考慮一個典型的TTL芯片輸出狀態(tài)，如圖8、9所示。圖8中Q1導(dǎo)通，Q2截止時，輸出為低電平，為瞬間使輸出為高，測試儀強(qiáng)加一瞬間電流脈沖，從Q1發(fā)射極反流過集電極，使輸出端產(chǎn)生高電位，類似圖9，Q2導(dǎo)通，Q1截止時，輸出為高，為使輸出為低，測試儀在輸出處加一低電平，吸收由此產(chǎn)生從Q2流經(jīng)的電流。因數(shù)字測試速度很快，電流脈沖時間遠(yuǎn)小于10ms（通常為5－10μs），這么短的脈沖不會造成芯片的損壞。



　　2.4 針床測試的局限



　　針床測試的局限主要體現(xiàn)在機(jī)械精度方面，我們不妨計算一下從PCB制作，夾具制造直至測試個環(huán)節(jié)帶來的誤差總和，就不難得出結(jié)論：

　　（1）夾具鉆孔精度，狀態(tài)很好的針床在鉆厚度較厚的夾具板，精度很難控制在25μm以下，況且，對于某些高精度PCB測試用夾具，層數(shù)可高達(dá)8層之多。

　　（2）PCB測試時，PCB與夾具之間和夾具與設(shè)備之間對位精度，為了讓夾具便于在針床上放置取下，若采用銷釘定位，銷釘與銷釘孔的直徑應(yīng)相差10－20μm。

　　（3）PCB孔位與外層圖形偏差。在多層PCB制造中，為避免內(nèi)層破盤，提高合格率，常常采用層壓后，根據(jù)各層圖形相對位置，鉆定位孔。層數(shù)越高，孔與外層圖形對位置相差越大，PZB的上表面和下表面位置也可能相差±0.15mm。

　�。�4）測試探針的移動。在多層夾具中，若有細(xì)小的偏差，造成探針摩擦或卡住，就會造成開路誤報。密度過高造成夾具的各層強(qiáng)度下降，發(fā)生彎曲等現(xiàn)象，又會造成探針位置偏差。

　�。�5）PCB尺寸穩(wěn)定性和夾具與PCB尺寸一致性誤差，對一類PCB，由于制造條件的差異（分批制造）環(huán)境溫度、濕度會造成底片、基材的尺寸變化，導(dǎo)致同類PCB圖形尺寸細(xì)小的差別。若板面較大，密度較高時，會直接影響測試精度，同樣，夾具的尺寸也可能根據(jù)環(huán)境的變化出現(xiàn)微觀差異，這些對測試準(zhǔn)確性帶來很大影響。

　�。�6）PCB翹曲造成與測試針對位置變化，嚴(yán)重時，探針無法接觸被測表面，產(chǎn)生誤報。

　　綜上所述，測試精度的局限是針床測試面臨的最大問題，據(jù)統(tǒng)計，在保證重復(fù)測試正確性的 前提下，排除PCB上下兩面位置的偏差，對100mm×100mm的PCB可測試的最小節(jié)距為0.25mm，對200mm×200mm的PCB可測試的最小節(jié)距為0.31mm，對300mm×300mm的PCB可測試的最小節(jié)距為0.44mm；對400mm×400mm的PCB可測試的最小節(jié)距為0.49mm。

　　需要指出的是，隨著密度的變化，測試產(chǎn)品和測試成本都相應(yīng)變化，產(chǎn)量與中心距的平方函數(shù)成正比，測試成本與中心距函數(shù)成反比。

　　另外，測試點數(shù)也是另一個局限因素，尤其是BGA廣泛應(yīng)用的今天，要求測試點密集，若PCB上分布的BGA較多，其間距有限，可能造成測試針分配不足的問題，對專用測試來講，總的測試電樞也非常有限，對高密度封裝板、局部測試點密集，可以被測試的面積也受到限制，例如，對常規(guī)的可測試面積為500mm×500mm，對高密度PCB可測面積僅為200mm×200mm，這就是總測試點數(shù)限制造成的結(jié)果。

　　對專用測試夾具而言，進(jìn)行高密度PCB測試時，彈簧測試針對精細(xì)節(jié)距測試造成不足，按目前PCB密度要求，測試針應(yīng)當(dāng)非常細(xì)，最好的0.3mm以下，其制造相當(dāng)困難，夾具的鉆孔定位，也是專用夾具必須面臨的問題。

　　2.5 針床測試的改進(jìn)

　　面對高密度PCB測試中出現(xiàn)的越來越多的問題，針床測試技術(shù)不斷發(fā)展改進(jìn)，主要體現(xiàn)在針床的密度提高，夾具設(shè)計制造的創(chuàng)新和優(yōu)化，輔助測試的引入，數(shù)據(jù)采用優(yōu)化，測試技術(shù)（開關(guān)卡）的完善。

　�。�1）針床密度的變化

　　一般的針床測試針的中心距為2540μm，稱單密度針床，隨著測試點數(shù)的增加和測試密度的提高，已有許多廠家推出雙密度針床，測試針的中心距為1778μm，圖10為單密度測試針床和雙密度針床的比較，現(xiàn)在，也有廠家在研制四密度測試設(shè)備，雖然在一定程度上可以解決測試點數(shù)問題，但精度的問題仍然存在。

　�。�2）夾具設(shè)計制造技術(shù)的革新

　　作為測試精度的主要影響因素，夾具的設(shè)計制造極為關(guān)鍵，在許多成功地進(jìn)行高密度測試的針床測試設(shè)備中，夾具設(shè)計多都有獨到之處，如ECT的夾具設(shè)計軟件，仔細(xì)考慮了測試探針的傾斜度、摩擦力等問題，使制作出的夾具與探針中心正對測試點，保證了精度與設(shè)計一致，在探針較少的區(qū)域，夾具在x、y和z 3個方向受力均衡，不產(chǎn)生彎曲變形而造成偏差，自動對準(zhǔn)系統(tǒng)還可以檢測和補(bǔ)償定位孔與外層圖形間的偏差，在夾具材料的選擇上，使用模塊化、受溫濕度影響下小的材料，保證尺寸精確、穩(wěn)定。



　�。�3）導(dǎo)電橡膠模塊的引入

　　有些針床測試設(shè)備中，對于某些極為精細(xì)的部分，如TAB，倒裝芯片，μBGA或QFP等，測試點中心距在0.1mm左右，用針測試定位困難。采用導(dǎo)電橡膠模塊，進(jìn)行局部測試，可以克服針床測試的不足，這個模塊通過氣動導(dǎo)管與夾具相連，由相應(yīng)的夾具設(shè)計軟件自動定位，若多個區(qū)域需要用到這個模塊，模塊可多次采用，但導(dǎo)電橡膠模塊將所覆蓋區(qū)域的所有測試點短連，其內(nèi)部的短路無法測出，僅用于被測區(qū)域與外界的連通性，若要測試內(nèi)部短路，必須將這些網(wǎng)選出，采用其他的方法（如移動探針）測試。

　�。�4）開關(guān)卡技術(shù)的改進(jìn)

　　為適應(yīng)測試準(zhǔn)確性的要求，開關(guān)卡要求能耐高壓，在"關(guān)"的狀態(tài)下無泄露，在"開"的狀態(tài)下電阻能得到補(bǔ)償，保證測試正確性，開關(guān)卡本身采用SMT封裝，占用體積小，并有ESD（靜電放電保護(hù)）。

　　針床測試技術(shù)由于本身原理及方法限制，雖然面臨嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)，但它某些方面，如效率等仍然存在其他方法所沒有的優(yōu)勢，加之夾具技術(shù)的改進(jìn)和新技術(shù)的配合使用，它還將在測試領(lǐng)域具有強(qiáng)壯的生命力。

3 飛針式測試技術(shù)

　　現(xiàn)今電子產(chǎn)品的設(shè)計和生產(chǎn)承受著上市時間的巨大壓力，產(chǎn)品更新的時間周期越來越短，因此在最短時間內(nèi)開發(fā)新產(chǎn)品和實現(xiàn)批量生產(chǎn)對電子產(chǎn)品制作上是至關(guān)重要的。飛針測試技術(shù)是目前電氣測試一些主要問題的最新解決辦法，它才探針來取代針床，使用多個由電動機(jī)驅(qū)動、能夠快速移動的電氣探針同器件的引腳進(jìn)行接觸并進(jìn)行電氣測量，這種儀器最初是為裸板而設(shè)計的，也需要復(fù)雜的軟件和程序來支持，現(xiàn)在已經(jīng)能夠有效地進(jìn)行模擬在線測試，飛針測試的出現(xiàn)已經(jīng)改變了小批量與快速轉(zhuǎn)換（quick －turn）裝配產(chǎn)品的測試方法，以前需要幾周時間開發(fā)的測試現(xiàn)在僅需幾個小時，大大縮短了產(chǎn)品設(shè)計周期和投入市場的時間。

　　3.1 飛針測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點

　　飛針式測試儀是對傳統(tǒng)針床在線測試儀的一種改進(jìn)，它用探針來代替針床，在x－y機(jī)構(gòu)上裝有可分別高速移動的4個頭共8根測試探針，最小測試間隙為0.2mm，如圖11。工作時在測單元（UUT，unit under test）通過皮帶或者其他UUT傳送系統(tǒng)輸送到測試機(jī)內(nèi)，然后固定，測試儀的探針接觸測試焊盤（test pad）和通路孔（via），從而測試在測單元（UUT）的單個元件，測試探針通過多路傳輸系統(tǒng)連接到驅(qū)動器（信號發(fā)生器、電源供應(yīng)等）和傳感器（數(shù)字萬用表、頻率計數(shù)器等）來測試UUT上的元件。當(dāng)一個元件正在測試的時候，UUT上的其他元件通過探針器在電氣上屏蔽以防止讀數(shù)干擾。

　　飛針測試儀可以檢查短路、開路和元件值。在飛針測試上也使用了一個相機(jī)來幫助查找丟失元件。用相機(jī)來檢查方向明確的元件形狀，如極性電容。隨著探針定位精度和可重復(fù)性達(dá)到5－15μm的范圍，飛針測試儀可精確地探測UUT。飛針測試解決了在PCB裝配中見到的大量現(xiàn)有問題：如可能長達(dá)到4－6周期的測試開發(fā)周期：大約10 000－50 000美元的夾具開發(fā)成本：不能經(jīng)濟(jì)地測試小批量生產(chǎn)；以及不能快速地測試原型樣機(jī)（prototype）裝配。



　　3.2 測試開發(fā)與調(diào)試

　　飛針測試儀的編程比傳統(tǒng)的針床在線測試系統(tǒng)更容易、更快捷，以Teradyne公司的Javelin 1004為例，它采用Windows NT平臺和直觀的用戶界面，以及專用編程和測試系統(tǒng)，使編程時間縮短，用戶可在1－2天內(nèi)將PCB的CAD數(shù)據(jù)通過FAB master軟件轉(zhuǎn)換成PCB測試數(shù)據(jù)，由圖形流程表進(jìn)行探針控制，程序自動生產(chǎn)、調(diào)試程序可借助元器件測試表單，使編程和調(diào)試速度加快，測試程序的安裝同樣很簡單，表明飛針系統(tǒng)具有極佳靈活性和快速適應(yīng)能力，相反，傳統(tǒng)針床在線測試系統(tǒng)的編程與夾具開發(fā)可能需要160h和調(diào)試140h。

　　3.3 飛針測試的缺點

　　由于具有編程容易，能夠在數(shù)小時內(nèi)測試原型樣機(jī)裝配，以及測試低產(chǎn)量的產(chǎn)品而沒有典型的夾具開發(fā)費用，飛針測試可解決生產(chǎn)環(huán)境中的許多問題，但是還不是所有的生產(chǎn)測試問題都可以通過使用飛針測試來解決。

　　和任何事情一樣，飛針測試也有其缺點，因為測試探針與通路孔和測試焊盤上的焊錫發(fā)生物理接觸，可能會在焊錫上留下小凹坑。而對于某些OEM客戶來說，這些小凹坑可能被認(rèn)為是外觀缺陷，造成拒絕接受，因為有時在沒有測試焊盤的地方探針會接觸到元件引腳，所以可能會錯過松脫或焊接不良的元件引腳。

　　飛針測試時間過長是另一個不足，傳統(tǒng)的針床測試探針數(shù)目有500－3000只，針床與PCB一次接觸即可完成在線測試的全部要求，測試時間只要幾十秒，而飛針探針只有4支，針床一次接觸所完成的測試，飛針需要許多次運動才能完成，時間顯然要長的多，另外針床測試儀可使用頂面夾具同時測試雙面PCB的頂面與底面元件，而飛針測試儀要求操作員測試完一面，然后翻轉(zhuǎn)再測試另一面，由此看出飛針測試并不能很好適應(yīng)大批量生產(chǎn)的要求。

　　3.4 飛針測試的優(yōu)點

　　盡管有上述這些缺點，飛針測試儀仍不失為一個有價值的工具，其優(yōu)點包括：

　　（1）較短的測試開發(fā)周期，系統(tǒng)接收到CAD文件后幾小時內(nèi)就可以開始生產(chǎn)，因此，原型電路板在裝配后數(shù)小時即可測試，而不象針床測試，高成本的測試開發(fā)與夾具可能將生產(chǎn)周期延誤幾天甚至幾個月。

　�。�2）較低的測試成本，不需要制作專門的測試夾具。

　　（3）由于設(shè)定、編程和測試的簡單與快速，實際上一般技術(shù)裝配人員就可以進(jìn)行操作測試。

　�。�4）較高的測試精度，飛針在線測試的定位精度（10μm）和重復(fù)性（±10μm）以及尺寸極小的觸點和間距，使測試系統(tǒng)可探測到針床夾具無法達(dá)到的PCB節(jié)點。

4 飛針和針床的互補(bǔ)

　　應(yīng)該看到，相對針床來說，飛針是一種技術(shù)革新，還在不斷發(fā)展中，隨著無線通信和無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，越來越多的PCB將增加無線接入能力，目前的針床測試儀只適用低頻頻段，在射頻（RF）頻段的探針將變成小天線，產(chǎn)生大量的寄生干擾，影響測試結(jié)果的可靠性，針床在線測試儀只能檢測RF電路在低頻下的特性，RF電路的測試由后續(xù)的功能測試儀去執(zhí)行，這樣必然降低PCB的缺陷覆蓋率，飛針在線測試儀的探針數(shù)很少，較容易采取減少RF干擾的措施，實現(xiàn)PCB的低頻和RF的在線測試，提高覆蓋率。

　　飛針在線測試儀與針床在線測試具有互補(bǔ)的能力，因而，有些PCB在線測試的供應(yīng)商考慮合并飛針和針床技術(shù)，在同一臺在線測試儀內(nèi)融合飛針和針床結(jié)構(gòu)，使優(yōu)勢互補(bǔ)，達(dá)到高速測試，編程容易，成本降低的目的。

　　飛針測試系統(tǒng)仍然在發(fā)展之中，目前還不能替代針床在線測試儀，但是飛針在線測試儀的性能已達(dá)到PCB批量生產(chǎn)的要求，例如自動送料，增加PCB底部的固定探針數(shù)目，編程時間縮短到1人/日，飛針在線測試儀正得到EMS企業(yè)的重視，既用于電子產(chǎn)品的開發(fā)階段，亦用于多品種、中小批量PCB的在線測試。

5 結(jié)論

　　在線測試技術(shù)由于本身原理及方法限制，雖然面臨嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)，它在某些方面，如針床測試的效率，飛針測試的靈活、可做電氣性能測試等方面，加之技術(shù)的改進(jìn)和新技術(shù)的配合使用，它還將在測試領(lǐng)域具有頑強(qiáng)的生命力。