印刷电路板可测试性设计成果

来源：盛世时代时间：2017-05-06

    如今，功能测试仪器的国际标准(如PXI、VXI等)已渐趋成熟，标准仪器模块和虚拟仪器软件技术已经普遍使用，这大大增加了未来功能测试仪器的通用性和灵活性，并有助于降低成本。同时，电路板可测试性设计成果、甚至超大规模混合集成电路的可测试性设计成果都可能被移植到功能测试技术中去。利用边界扫描技术的标准接口和相应的可测试性设计，功能测试仪和在线测试设备一样可以用来对系统进行在线编程。无疑，未来的功能测试仪将告诉我们比“合格或不合格”这样的判语多得多的信息。
　　一、电性测试
　　PCB板在生产过程中，难免因外在因素而造成短路、断路及漏电等电性上的瑕疵，再加上PCB不断朝高密度、细间距及多层次的演进，若未能及时将不良板筛检出来，而任其流入制程中，势必会造成更多的成本浪费，因此除了制程控制的改善外，提高测试的技术也是可以为PCB制造者提供降低报废率及提升产品良率的解决方案。
　　在电子产品的生产过程中，因瑕疵而造成成本的损失，在各个阶段都有不同的程度，越早发现则补救的成本越低。" The Rule of 10’s "就是一个常被用来评估PCB在不同制程阶段被发现有瑕疵时的补救成本。举例而言，空板制作完成后，若板中的断路能实时检测出来，通常只需补线即可改善瑕疵，或者至多损失一片空板；但是若未能被检测出断路，待板子出货至下游组装业者完成零件安装，也过炉锡及IR重熔，然而却在此时被检测发现线路有断路的情形，一般的下游组装业者会向让空板制造公司要求赔偿零件费用、重工费、检验费等。若更不幸的，瑕疵的板子在组装业者的测试仍未被发现，而进入整体系统成品，如计算机、手机、汽车零件等，这时再作测试才发现的损失，将是空板及时检出的百倍、千倍，甚至更高。因此，电性测试对于PCB业者而言，为的就是及早发现线路功能缺陷的板子。
　　下游业者通常会要求PCB制造厂商作百分之百的电性测试，因此会与PCB制造厂商就测试条件及测试方法达成一致的规格，因此双方会先就以下事项清楚的定义出来：
　　1、测试资料来源与格式
　　2、测试条件，如电压、电流、绝缘及连通性
　　3、设备制作方式与选点
　　4、测试章
　　5、修补规格
　　在PCB的制造过程中，有三个阶段必须作测试：
　　1、内层蚀刻后
　　2、外层线路蚀刻后
　　3、成品
　　每个阶段通常会有2~3次的100%测试，筛选出不良板再作重工处理。因此，测试站也是一个分析制程问题点的最佳资料收集来源，经由统计结果，可以获得断路、短路及其它绝缘问题的百分比，重工后再行检测，将数据资料整理之后，利用品管方法找出问题的根源，加以解决。
　　二、电测的方法与设备
　　电性测试的方法有：专用型(Dedicated)、泛用型(Universal Grid)、飞针型(Flying Probe)、非接触电子束(E-Beam)、导电布(胶)、电容式(Capacity)及刷测(ATG-SCAN MAN)，其中最常使用的设备有三种，分别是专用测试机、泛用测试机及飞针测试机。为了更了解各种设备的功能，以下将分别比较三种主要设备的特性。
　　1、专用型(Dedicated)测试
　　专用型的测试之所以为专用型，主要是因为其所使用的治具(Fixture, 如电路板进行电性测试的针盘)仅适用于一种料号，不同料号的板子就无法测试，而且无法回收使用。测试点数方面，单面板在10,240点、双面各8,192点以内均可作测试，在测试密度方面，由于****头粗细的关系，较适合运用于pitch以上的板子。
　　2、泛用型(Universal Grid)测试
　　泛用型测试的基本原理是PCB线路的版面是依据格子(Grid)来设计，一般所谓线路密度就是指grid的距离，也就是以间距(Pitch)来表示(部份时候也可用孔密度来表示)，而泛用测试就是依据此一原理，依据孔位置以一G10的基材作Mask，只有在孔的位置才能穿过Mask进行电测，因此治具的制作简易而快速，而且可重复使用。泛用型测试具有极多测点的标准Grid固定大型针盘，可分别按不同料号而制作活动式的针盘，量产时只要改换活动针盘，就可以对不同料号量产测试。另外，为保证完工的PCB板线路系统通畅，需在使用高压电(如250V)多测点的泛用型电测母机上，采用特定接点的针盘对板子进行Open/Short电性测试，此种泛用型的测试机称之为「自动化测试机」(ATE, Automatic Testing Equipment)。
　　泛用型测试点数通常在1万点以上，测试密度在或是的测试称为on-grid测试，若是运用于高密度板，由于间距太密，已脱离on-grid设计，因此属于off-grid测试，其治具就必须要特殊设计，通常泛用型测试的测试密度可达
　　QFP。
　　3、飞针(Flying Probe)测试
　　飞针测试的原理很简单，仅仅需要两根****作x、y、z的移动来逐一测试各线路的两个端点，因此不需要另外制作昂贵的治具。但是由于是端点测试，因此测速极慢，约为10~40 points/sec，所以较适合样品及小量产；在测试密度方面，飞针测试可适用于极高密度板( )，如MCM。
　　三、技术比较
　　典型的飞针测试产出大约在1~20 之间，若知道孔密度便可转换成每小时测试的总面积( )，则其测试面积的范围大约是15 (20 及32 板)至0.04 (1 及600 板)，差距375倍的原因在于板子的密度及间距。一般性能较好的飞针测试设备的产出大约维持在10 ~15 之间，可适用于密度为30
　　的商用板到600 的高密度板，对于多层板而言，在最佳状态下每一部飞针测试机每年测试总面积大约是3,000 ~5,000平方呎。
　　而针盘式(Bed-of-Nails)的测试设备如专用型及泛用型，在于高密度板的测试能力比不上飞针测试，因此比较少用于高密度板的测试。然而理论上，针盘式的产出面积可达200~400，但以目前的生产状况而言，实际生产线上专用型则为30~100 ，而泛用型为15~50（两者的比较基础在于专用型通常运用于大量产，而泛用型多运用于中小量产），理论与实际的差异除了因设备本身的因素外，还可能包含生产管理上的问题，在此不加以详述。在一般最佳状态下，专用型测试设备平均每年约有300,000 ，泛用型则为150,000 。但是每部设备产量的多寡可能因PCB厂商的生产计划而有显著的差异；例如，若以最先进的ATE检测手机板，每年每部测试设备约可产出600,000 ，但是若用于0.5~0.8mm-pitch的CSP时，测试速率则大约仅达1/4，每年每部测试设备产出为150,000 。
　　综合以上的介绍可归纳出如表(一)的分析表。首先，在测试技术的适用目的方面，飞针测试是目前最适合使用于小量产及样品的电性测试设备，但是若要运用于中大量产时，则由于测速慢以及设备价格昂贵，将会使得测试成本大幅提高，而泛用型及专用型无论是用于何种层级的板子，只要产量达到一定的数量，测试成本均可达到规模经济的标准，而且约只占售价的2~4%，这也是为何泛用型及专用型为目前量产型的测试机种的主要原因。但是随着电子产品的变化速度加快，使得单一电路设计版本的产品生命周期变短(如，目前手机板的生命周期大约为6个月)，这个现象对于PCB厂商无论在更新泛用测试治具或专用测试设备来说，均会带来极高的成本威胁，根据数据显示，若用于高密度板，当平均产量小于150平方公尺以下时，测试成本将会高于$200(18%)以上，这已经不是一般生产所能承担的成本，因此电子产品的发展趋势将是PCB厂商在选购测试设备时，不容忽视的一个课题。目前尚在积极改良的E-Beam、CEM或电浆放电(Plasma
　　Discharge)技术，若能在测试效率上提升，将是电性测试上良好及可行的解决方案。
　　表(一) 主要测试设备的功能与特性。
　　专用型测试泛用型测试飞针测试。
　　治具专用型无法回收可更换两根。
　　PCB料号单一料号各种料号各种料号。
　　测试点数单面10,240点双面各8,192点 10,000点以上。
　　制程技术单面板双面板多层板单面板双面板多层板单面板双面板多层板。
　　量产中、大量产样品，小中量产ATE适用大量产最适合样品及小量产。
　　设备成本低高ATE极高中。
　　优点运转成本低产速快治具成本较低设定时间短可测较高密度板极高密度板不需治具。
　　缺点治具贵设定慢技术受限设备成本高较不适合大量产设备昂贵产速极慢。
    表面贴装器件和电路一直处于无休止的小型化进程中，并无情地驱使一些相关测试技术的淘汰和演变。在电子产品小型化的进化压力之下，技术也像物种一样，遵循着“适者生存”的简单法则。留心看看测试技术的发展之路，可以帮助我们预测未来。
    自从表面贴装技术(SMT)开始逐渐取代插孔式安装技术以来，电路板上安装的器件变得越来越小，而板上单位面积所包含的功能则越来越强大。
    就无源表面贴装器件来说，十年前铺天盖地被大量使用的0805器件，今天的使用量只占同类器件总数的大约10%;而0603器件的用量也已在四年前就开始走下坡路，取而代之的是0402器件。目前，更加细小的0201器件则显得风头日盛。从0805转向0603大约经历了十年时间。无疑，我们正处在一个加速小型化的年代。再来看表面贴装的集成电路。从十年前占主导地位的四方扁平封装(QFP)到今天的芯片倒装(FC)技术，其间涌现出五花八门的封装形式，诸如薄型小引脚封装(TSOP)、球型阵列封装(BGA)、微小球型阵列封装(μBGA)、芯片尺度封装(CSP)等。纵观芯片封装技术的演变，其主要特征是器件的表面积和高度显著减小，而器件的引脚密度则急聚增加。以同等逻辑功能复杂性的芯片来讲，倒装器件所占面积只有原来四方扁平封装器件所占面积的九分之一，而高度大约只有原来的五分之一。
    微型封装元件和高密度PCB带来测试新挑战
    表面贴装器件尺寸的不断缩小和随之而来的高密度电路安装，对测试带来了极大的挑战。传统的人工目检即使对于中等复杂程度的电路板(如300个器件、3500个节点的单面板)也显得无法适从。曾经有人进行过这样的试验，让四位经验丰富的检验员对同一块板子的焊点质量分别作四次检验。结果是，第一位检验员查出了其中百分之四十四的缺陷，第二位检验员和第一位的结果有百分之二十八的一致性，第三位检验员和前二位有百分之十二的一致性，而第四位检验员和前三位只有百分之六的一致性。这一试验暴露了人工目检的主观性，对于高度复杂的表面贴装电路板，人工目检既不可靠也不经济。而对采用微小球型阵无封装、芯片尺度封装和倒装芯片的表面贴装电路板，人工目检实际上是不可能的。
     不仅如此，由于表面贴装器件引脚间距的减小和引脚密度的增大，针床式在线测试也面临着“无立锥之地”的困境。
     另外，据北美电子制造规划组织预计，在2003年后利用在线测试对高密度封装的表面贴装电路板检测将无法达到满意的测试覆盖率。以1998年100%的测试覆盖率为基准，估计在2003年后这测试覆盖率将不足50%，而到2009年后，测试覆盖率将不足10%。

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