现代PCB测试的策略

PCB

现代PCB测试的策略

　　随着自动测试设备成为电子装配过程整体的一部分，DFT必须不仅仅包括传统的硬件使用问题，而且也包括测试设备诊断能力的知识。
　　为测试着想的设计(DFT, design for test)不是单个人的事情，而是由设计工程部、测试工程部、制造部和采购部的代表所组成的一个小组的工作。设计工程必须规定功能产品及其误差要求。测试工程必须提供一个以最低的成本、最少的返工达到仅尽可能高的第一次通过合格率(FPY, first-pass yield)的策略。制造部和品质部必须提供生产成本输入、在过去类似的产品中什么已经做过、什么没有做过、以及有关为产量着想的设计(DFV, design for volume)提高产量的帮助。采购部必须提供可获得元件，特别是可靠性的信息。测试部和采购部在购买在板(on-board)测试硬件的元件时，必须一起工作以保证这些元件是可获得的和易于实施的。通常把测试系统当作收集有关历史数据的传感器使用，达到过程的改善，这应该是品质小组的目标。所以这些功能应该在放置/拿掉任何节点选取之前完成。
　　参数　　在制订测试环境的政策之前，准备和了解是关键的。影响测试策略的参数包括：可访问性。完全访问和大的测试焊盘总是为制造设计电路板的目标。通常不能提供完全访问有四个原因：

板的尺寸。设计更小；问题是测试焊盘的“额外的”占板空间。不幸的是，多数设计工程师认为测试焊的可访问性是印刷电路板上(PCB)较不重要的事情。当由于不能使用在线测试仪(ICT, in-circuit tester)的简单诊断，产品必须由设计工程师来调试的时候，情况就会是另一回事。如果不能提供完全访问，测试选择是有限的。
功能。在高速设计中损失的性能影响板的部分，但可以逐步缩小在产品可测试性上的影响。
板的尺寸/节点数。这是当物理板得尺寸在任何现有的设备上都不能测试的时候。庆幸的是，这个问题可以在新的测试设备上或者使用外部的测试设施上增加预算来得到解决。当节点数大于现有的ICT，问题更难解决。DFT小组必须了解测试方法，这些方法将允许制造部门使用最少的时间与金钱来输出好的产品。嵌入式自测、边界扫描(BS, boundary scan)和功能块测试可做到这点。诊断必须支持测试下的单元(UUT, unit under test)；这个只能通过对使用的测试方法、现有测试设备与能力、和制造环境的故障频谱的深入了解才做得到。
DFT规则没有使用、遵守或理解。历史上，DFT规则由理解制造环境、过程与功能测试要求和元件技术的一个工程师或工程师小组强制执行。在实际环境中，过程是漫长的，要求设计、计算机辅助设计(CAD)与测试之间的相互沟通。这个泛味的重复性工作容易产生人为错误，经常由于到达市场的时间(time-to-market)压力而匆匆而过。现在工业上已经有开始使用自动“可生产性分析仪”，利用DFT规则来评估CAD文件。当合约制造商(CM, contract manufacturer)使用时，可分类出多套规则。规则的连续性和无差错产品评估是这个方法的优点。

　　测试设备的可获得性　DFT小组应该清楚现有的测试策略。随着OEM转向依靠CM越来越多，使用的设备厂与厂之间都不同。没有清楚地理解制造商工艺，可能会采用太多或太少的测试。现存的测试方法包括：

手工或自动视觉测试，使用视觉与比较来确认PCB上的元件贴装。这个技术有几种实施方法：
- 手动视觉是最广泛使用的在线测试，但由于制造产量增加和板与元件的缩小，这个方法变得不可行。它的主要优点是低的预先成本和没有测试夹具，而它的主要缺点是高长期成本、不连续的缺陷发觉、数据收集困难、无电气测试和视觉上的局限。
- 自动光学检查(AOI, automated optical inspection)，通常在回流前后使用，是较新的确认制造缺陷的方法。它是非电气的、无夹具的、在线技术，使用了“学习与比较(learn and compare)”编程来使装料(ramp-up)时间最小。自动视觉对极性、元件存在与不存在的检查较好，只要后面的元件与原来所“学”的元件类似即可。它的主要优点是易于跟随诊断、快速容易程序开发、和无夹具。其主要缺点是对短路识别较差、高失效率和不是电气测试。
- 自动X光检查(AXI, automated X-ray inspection)是现时测试球栅阵列(BGA, ball grid array)焊接质量和被遮挡的锡球的唯一方法。它是早期查找过程缺陷的、非电气、非接触的技术，减少了过程工作(WIP, work-in-process)。这个领域的进步包括通过/失效数据和元件级的诊断。现在有两种主要的AXI方法：两维(2-D)，看完整的板，三维(3-D)，在不同角度拍摄多个图象。其主要优点是唯一的BGA焊接质量和嵌入式元件检查工具、无夹具成本。其主要缺点是速度慢、高失效率、检测返工焊点困难、高的每块板成本、和长的程序开发时间。
制造缺陷分析仪(MDA, manufacturing defect analyzer)是一个用于高产量/低混合环境的好工具，这里测试只用于诊断制造缺陷。当没有使用残留降低技术时，测试机之间的可重复性是一个问题。还有，MDA没有数字驱动器，因此不能功能上测试元件或者编程板上的固件(firmware)。测试时间比视觉测试少，因此MDA能够赶上生产线的节拍速度。这个方法使用一个针床，因此可以接着诊断输出。其主要优点较低的前期成本、较低WIP、低的编程与程序维护成本、高输出、容易跟随诊断、和快速完全的短路与开路测试。其主要缺点是不能确认材料清单(BOM, bill of material)是否符合在测单元(UUT, unit under test)、没有数字式确认、没有功能测试能力、不能调用固件(firmware)、通常没有测试覆盖指示、板与板线与线之间的可重复性、夹具成本、以及使用问题。
ICT将找出制造缺陷以及测试模拟、数字合混合信号的元件，以保证它们符合规格。许多设备具有编程在板(on-board)内存的能力，包括系列号、通过/失效和系统数据(genealogy data)。有些设备使得程序产生较容易，它是通过把工具嵌入到易于使用的图形用户接口(GUI, graphical user interfaces)，和存储代码到一个专门文件来使得可以实现多版本测试和固件(firmware)变换容易的。有些设备具有复杂的仪器装备，它将确认UUT的功能方面，以及与商业可购买的仪器的接口。现在的测试设备具有嵌入的计算机辅助设计(CAD)接口和一个非多元环境来缩短开发时间。最后，有些测试机提供深入的UUT覆盖分析，它祥述正在测试或没有测试的元件。　ICT的主要优点是每个板的测试成本低、数字与功能测试能力、高输出、良好的诊断、快速和彻底的短路与开路测试、编程固件、缺陷覆盖报考和易于编程。其主要缺点是，夹具、编程与调试时间、夹具成本、预期开支和使用问题。
飞针测试机(flying-probe tester)在过去几年已经受到欢迎，由于在机械精度、速度和可靠性方面的进步。另外，现在对于原型(prototype)制造、低产量制造所要求的快速转换、无夹具测试系统的市场要求，已经使得飞针测试成为所希望的测试选择。最好的探针方案提供学习的能力(learn capability)以及BOM测试，它在测试过程中自动增加监测。探针的软件应该提供装载CAD数据的简便方法，因为X-Y和BOM数据在编程时必须用到。因为节点可访问性可能在板的一面不完整，所以测试生成软件应该自动生成不重复的分割程序。探针使用无向量(vectorless)技术测试数字、模拟和混合信号元件的连接；这个应该通过使用者可用于UUT两面的电容板(capacitive plate)来完成。飞针测试机的主要优点是，它是最快速的到达市场时间(time-to-market)的工具、自动测试生成、无夹具成本、良好的诊断和易于编程。主要缺点是低产量、局限的数字覆盖、固定资产开支和使用问题。
功能测试(functional test)，可以说是最早的自动测试原理，在重要性上已经看到恢复活力。它是特定板或特定单元的，可用各种设备来完成。几个例子：　最终产品测试(final product test)是最常见的功能测试方法。测试装配后的最后单元是开支不大的，减少操作的错误。可是，诊断是不存在的或者困难，这样增加成本。只测试最终产品，有机会损坏产品，如果没有自动测试所提供的软件或硬件的保护。最终产品的测试也是慢的，通常占用较大的空间。当必须满足标准时通常不使用该方法，因为它通常不支持参数测量。　最终产品测试的主要优点是最低的初始成本、一次装配、和产品与品质的保证。其主要缺点包括低诊断分辨、缺乏速度、高长期成本、FPY、由于不发觉的短路引起的板或机器的损坏、返修成本高、以及无参数测试能力。
最新实体模型(hot mock-up)通常放在不同的装配阶段，而不是只在最终测试。在诊断上，它好过最终产品测试，但由于必须建立专门测试单元而成本较高。实体模型可能比最终产品测试更快，如果程序调试只测试一个特定的板。不幸的是，由于缺少保护，如果短路在前面的过程中没有诊断处理则可能损坏测试床。其主要优点是低初始成本。主要缺点是空间使用效率低、维护测试设备的成本、由于短路而损坏UUT和无参数测试能力。
软件控制、可商业购买的仪器(software-controlled, commercial available instrument)通常叫做“堆砌式”测试("rack and stack" test)，因为仪器是分别购买，然后连接起来的。同步设备的软件通常完全用户化。商业可购买的仪器比较集成方案是不贵的，如果正确完成，允许独立的UUT有效性。但这个“自制的”系统通常较慢，工程更改与生产现场支持困难，因为这些应用是内部存档的(under-documented)。　其主要优点是保护UUT的损坏、较快的输出、要求占地空间小、和独立的/工业可接受的校验。主要缺点是费时、支持困难、在远距离设施上更新与使用。
商业、用户集成系统(commercial, custom integrated system)在一个测试平台上耦合软件与硬件，例如，IEEE、VXI、Compact PCI 或 PXI。文件存档、软件支持和标准制造概念使得这些系统易于使用和支持。前期成本比内部建立方案较高，但这个成本是可调节的，因为较高的性能、输出和可重复性。它也易于生产现场和新产品开发期间的支持。主要优点是快速输出、要求较少地面空间、最容易支持和重新设定、最好的可重复性、和提供独立的工业可接受较验。主要缺点是高初始成本。
诸如激光系统这样的非接触测试方法是PCB测试技术的最新发展。该技术已经在空板(bare-board)区域得到证实，正考虑用于装配板(populated board)的测试。该技术只用视线(line-of-sight)、非遮盖访问(non-masked access)来发现缺陷。每个测试至少10毫秒，速度足够用于批量生产线。　快速输出、不要求夹具、和视线/非遮盖访问是其主要优点；未经生产试用、高初始成本、高维护和使用问题是其主要缺点。　表一总结了所描述的测试方法。

表一、PCB测试设备
测试设备	要求板的可访问性	夹具	NRE成本		维护成本	输出能力
测试设备	要求板的可访问性	夹具	程序成本	夹具成本	维护成本	输出能力
MDA	全部1	针床	低	高	中	高
ICT	全部2	针床	中	高	中	高
手工视觉	视线	无	低	无	低	低
AOI	无	无	低	无	低	中
飞针系统	全部1	无	中	无	中	低
X光	无	无	高	无	高	低
最终产品测试	只有产品使用	无	低	无	低	低
实体模型	只有产品使用	无	低/中	中	中/高	低
集成方案	只有产品使用	最小或针床	高	高	高	中/高
堆砌式	只有产品使用	最小或用户	高	高	极高	低
激光系统	视线，非覆盖	无	低	低	高	高
需要用于100%测试覆盖需要用于100%测试覆盖，除非使用在机(on-device)硬件。

　　测试方法与缺陷覆盖　　重要的是在制订测试策略之前要理解现有的测试方法和缺陷覆盖。有许多缺陷覆盖范围不同的电气测试方法。
　　短路与开路。MDA和ICT善长找出短路 - 它们有针床达到每个电气节点，可测量网点之间的电阻以确认短路。空板测试机使用对地电容(capacitance-to-ground)技术，如果只限于空板的话，其效率和速度是高的。飞针测试使用了电容技术(capacitor technique)和近似短路技术(proximity shorts technique)；前者对多数制造设施的可重复性不够，缺乏良好的诊断。最好的近似测试使用原始的CAD数据来确认迹线位置，允许编程者选择测试点之间最大的距离。这提供对测试速度的一定程度的控制；可是，应该推荐的是，功能测试设备具有钳流(current-clamping)或双折电缆(fold-back)电源来防止板或测试机的损坏，因为通过元件的低阻抗短路只在短路测试期间可能不能发觉。
　　无源模拟(passive analog)通过确认UUT已焊接于板上和安装正确参数的元件来保证可接受的过程品质。这个测试经常在只有很少数量的WIP时进行的，因此在大量问题产品出现之前可以更正问题。不给板供电，用选择性的无源或有源保护(guard)来使并联电流通路的电流为零。对UUT与周围的保护(guard)位置，需要有针床的入口。
　　视觉系统提供设备级的(device-level)诊断。它们使用一个样板(golden board)，将其与没有电气测试的UUT进行比较。MDA提供电气测试和元件级(component-level)诊断，再一次与已知好的板比较。ICT进行电气测试，提供设备级诊断，与BOM比较值和误差。功能测试机按照设计者的规格(通常叫做样板golden board)进行测试。如果功能测试彻底的话，它保证产品可以发运出去。可是，如果FPY不是特别高，制造者的代价将是不良产品、浪费和昂贵的手工诊断与返修费用。
　　有源模拟(active analog)。给板供电的ICT、功能测试机和非针测试擅长查找坏的有源模拟元件。ICT和飞针测试，虽然提供引脚级的(pin-level)诊断，但是不能测量一些关键的制造商规格(如，带宽、输入偏置电流等)。功能测试机测量输出特性，而不提供引脚级诊断。MDA借助无向量技术的帮助，视觉系统只确认元件的存在。X光提供焊接质量的诊断。
　　数字与混合信号元件的测试。视觉、X光和MDA只诊断开路和短路。ICT使用各种方法，决定于元件、电路和可访问性。它只能对连续性使用无向量技术，当有全部的入口时，对连续性和元件确认使用BS。通过手工向量生成来为一个特定元件建立模型可能是费时的，并且可能不够覆盖缺陷来判断效果。对连续性的无向量技术和保证元件运行的有限向量测试相结合的策略可用来使覆盖范围最大，而限制开发时间。
　　功能系统按照设计规格测试电路/模块，但缺乏将降低引返修费用的脚级/元件级诊断。在大多数情况下，功能测试不提供需要用于过程改进的深层数据。功能与ICT两者都编程在板(on-board)闪存(flash)、在系统(in-system)可编程和在板内存元件(表二)。

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表一、测试设备与所期望的覆盖范围

测试设备

短路/开路

焊接

存在/丢失

无源模拟

有源模拟

数字/混合

在板元件编程

功能的

MDA

是1

无

电气

是

可能

无

ICT

是1

无

电气

是

看产品

手工视觉

只可见

无

是

存在

无

AOI

只可见

部分2

是

存在

无

飞针系统

近似3

无

电气/有限视觉

是

可能4

有限

X光

是

存在

无

最终产品测试

无诊断

无

无诊断

无

无诊断

是

实体模型

无诊断

无

无诊断

无

无诊断

是

集成方案

部分/完全5

无

可能5

是

堆砌式

部分6

无

可能5

是

激光系统

是

无

需要用于100%测试覆盖
示系统而定 - 无BGA覆盖
相邻引脚短路。可能对迹线、测试焊盘和通路近似，在测试生成工具上用CAD数据
使用第三方工具。
可能针床入口与手工生成。
通常局限于电源地的覆盖。

　　制造的测试战略　　没有一个策略将或应该适合所以的制造商。当开发一个测试和工艺改进策略时，必须考虑到无数的变量。　
　制造缺陷谱的确认应该是有工厂特殊性和产品特殊性。这些数据，如果是相关的和可靠的话，将减少人员与报废成本，增加顾客信心。缺陷数据应该收集、编辑和在正常的品质小组举行的会议上讨论。该数据也应该用来开发一个测试策略，查找常见的可预防的缺陷。这些数据应该包括工厂的和现场的失效，标记以日期。应该监视新产品的缺陷，而成熟产品应该监测，改善FPY和供应商品质。缺陷数据应该作长期的与短期的内部比较，连同其它场所一起改进总的品质。天气条件、人员、供应商和生产线改变的数据应该跟踪，因为这些通常是潜在的品质因素。
　　两个重要的品质因素是有关的数据收集和分布性试验。一个传感器收集将作为改善品质的数据的能力，和数据管理者把数据传达给正确的小组部门的能力，影响着现在与将来的产品。正确数据的定义决定于设施与产品。测试机起传感器的作用，监测过程。一个有效的分布测试策略找出尽可能靠近根源的过程问题，减少坏品的生产数量。
This article is adapted from a presentation originally given at NEPCON West 2000.
Acknowledgements The author expresses his appreciation to Alan Albee for his contributions to this paper, as well as colleagues at GenRad for their assistance in the review process.
John W. Ledden, may be contacted at GenRad Inc., 7 Technology Park Dr., Westford, MA 01886-0033; (978) 589-7000; E-mail: leddenj@genrad.com.

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