在线测试技术的现状和发展(二)

    2.3 数字器件的测量

  首先,我们要回顾一下数字器件的特点,数字器件只有2种电平:高电平和低电平,所以测试程序要能定义逻辑电位,数字器件比模拟器件多很多管脚,因而测试仪不可能在管脚间不停地切换模拟源和测量仪表。因此,测试仪要有一套能驱动数字芯片输入端到理想电位的数字驱动器,也要有一组能检测其输出逻辑电位的数字感应器。

  驱动器和感应器(Driver/Sensor)是成对存在的,驱动器的输出端总是与感应器的输入端相连,在程序控制下,同个测量节点在某个时候可能被驱动到某个电位,而另个时候,又有可能被感应器测量它的输出。

  

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  (1)驱动器/感应器的编程

  为了说明程序是怎样控制驱动器/感应器,让我们看一个简单的二输入与非门例子,如图7。

  

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  只有与非门输入端全为高电平时,输出端才为低电平,而其他状态的组合,输出端都为高,要对这个二输入与非门进行测量,测试程序应按以下工作:

  1)给被测板上电、接地

  2)定义高、低电平

  3)指定测试针

  4)定义驱动和感应测量时序

  对上述单个与非门,测试程序将会检查所有4种输入的工作情况。

  每一行程序语句代表一个测试矢量。IC、IH和IL连接驱动器到指定的输入端A和B,并给予赋制值;OS、OH和OL连感应测量端到输出端C,并告之期望值。所有驱动器和感应端值在程序命令改变之前保持不变。

  (2)数字芯片的隔绝和测量

  因为被测数字器件必须要上电才能测量,在板上器件间又存在连结,因此电源也会加到其他器件上,这样一来,当测试仪要给被测芯片的某输入端加驱动信号时(如高电平),此输入端可能被另一芯片的输出保持在相反电位(低电平)。

  数字驱动器在瞬间强制被测芯片的输出端到指定电平,而不管其他芯
片影响,来解决这个问题,这种技术称背驱动技术。

  考虑一个典型的TTL芯片输出状态,如图8、9所示。图8中Q1导通,Q2截止时,输出为低电平,为瞬间使输出为高,测试仪强加一瞬间电流脉冲,从Q1发射极反流过集电极,使输出端产生高电位,类似图9,Q2导通,Q1截止时,输出为高,为使输出为低,测试仪在输出处加一低电平,吸收由此产生从Q2流经的电流。因数字测试速度很快,电流脉冲时间远小于10ms(通常为5-10μs),这么短的脉冲不会造成芯片的损坏。

  

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  2.4 针床测试的局限

  

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  针床测试的局限主要体现在机械精度方面,我们不妨计算一下从PCB制作,夹具制造直至测试个环节带来的误差总和,就不难得出结论:

  (1)夹具钻孔精度,状态很好的针床在钻厚度较厚的夹具板,精度很难控制在25μm以下,况且,对于某些高精度PCB测试用夹具,层数可高达8层之多。

  (2)PCB测试时,PCB与夹具之间和夹具与设备之间对位精度,为了让夹具便于在针床上放置取下,若采用销钉定位,销钉与销钉孔的直径应相差10-20μm。

  (3)PCB孔位与外层图形偏差。在多层PCB制造中,为避免内层破盘,提高合格率,常常采用层压后,根据各层图形相对位置,钻定位孔。层数越高,孔与外层图形对位置相差越大,PZB的上表面和下表面位置也可能相差±0.15mm。

  (4)测试探针的移动。在多层夹具中,若有细小的偏差,造成探针摩擦或卡住,就会造成开路误报。密度过高造成夹具的各层强度下降,发生弯曲等现象,又会造成探针位置偏差。

  (5)PCB尺寸稳定性和夹具与PCB尺寸一致性误差,对一类PCB,由于制造条件的差异(分批制造)环境温度、湿度会造成底片、基材的尺寸变化,导致同类PCB图形尺寸细小的差别。若板面较大,密度较高时,会直接影响测试精度,同样,夹具的尺寸也可能根据环境的变化出现微观差异,这些对测试准确性带来很大影响。

  (6)PCB翘曲造成与测试针对位置变化,严重时,探针无法接触被测表面,产生误报。

  综上所述,测试精度的局限是针床测试面临的最大问题,据统计,在保证重复测试正确性的 前提下,排除PCB上下两面位置的偏差,对100mm×100mm的PCB可测试的最小节距为0.25mm,对200mm×200mm的PCB可测试的最小节距为0.31mm,对300mm×300mm的PCB可测试的最小节距为0.44mm;对400mm×400mm的PCB可测试的最小节距为0.49mm。

  需要指出的是,随着密度的变化,测试产品和测试成本都相应变化,产量与中心距的平方函数成正比,测试成本与中心距函数成反比。

  另外,测试点数也是另一个局限因素,尤其是BGA广泛应用的今天,要求测试点密集,若PCB上分布的BGA较多,其间距有限,可能造成测试针分配不足的问题,对专用测试来讲,总的测试电枢也非常有限,对高密度封装板、局部测试点密集,可以被测试的面积也受到限制,例如,对常规的可测试面积为500mm×500mm,对高密度PCB可测面积仅为200mm×200mm,这就是总测试点数限制造成的结果。

  对专用测试夹具而言,进行高密度PCB测试时,弹簧测试针对精细节距测试造成不足,按目前PCB密度要求,测试针应当非常细,最好的0.3mm以下,其制造相当困难,夹具的钻孔定位,也是专用夹具必须面临的问题。

2.5 针床测试的改进

  面对高密度PCB测试中出现的越来越多的问题,针床测试技术不断发展改进,主要体现在针床的密度提高,夹具设计制造的创新和优化,辅助测试的引入,数据采用优化,测试技术(开关卡)的完善。

  (1)针床密度的变化

  一般的针床测试针的中心距为2540μm,称单密度针床,随着测试点数的增加和测试密度的提高,已有许多厂家推出双密度针床,测试针的中心距为1778μm,图10为单密度测试针床和双密度针床的比较,现在,也有厂家在研制四密度测试设备,虽然在一定程度上可以解决测试点数问题,但精度的问题仍然存在。

  (2)夹具设计制造技术的革新

  作为测试精度的主要影响因素,夹具的设计制造极为关键,在许多成功地进行高密度测试的针床测试设备中,夹具设计多都有独到之处,如ECT的夹具设计软件,仔细考虑了测试探针的倾斜度、摩擦力等问题,使制作出的夹具与探针中心正对测试点,保证了精度与设计一致,在探针较少的区域,夹具在x、y和z 3个方向受力均衡,不产生弯曲变形而造成偏差,自动对准系统还可以检测和补偿定位孔与外层图形间的偏差,在夹具材料的选择上,使用模块化、受温湿度影响下小的材料,保证尺寸精确、稳定。

  

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  (3)导电橡胶模块的引入

  有些针床测试设备中,对于某些极为精细的部分,如TAB,倒装芯片,μBGA或QFP等,测试点中心距在0.1mm左右,用针测试定位困难。采用导电橡胶模块,进行局部测试,可以克服针床测试的不足,这个模块通过气动导管与夹具相连,由相应的夹具设计软件自动定位,若多个区域需要用到这个模块,模块可多次采用,但导电橡胶模块将所覆盖区域的所有测试点短连,其内部的短路无法测出,仅用于被测区域与外界的连通性,若要测试内部短路,必须将这些网选出,采用其他的方法(如移动探针)测试。

  (4)开关卡技术的改进

  为适应测试准确性的要求,开关卡要求能耐高压,在"关"的状态下无泄露,在"开"的状态下电阻能得到补偿,保证测试正确性,开关卡本身采用SMT封装,占用体积小,并有ESD(静电放电保护)。

  针床测试技术由于本身原理及方法限制,虽然面临严峻的技术挑战,但它某些方面,如效率等仍然存在其他方法所没有的优势,加之夹具技术的改进和新技术的配合使用,它还将在测试领域具有强壮的生命力。

  3 飞针式测试技术

  现今电子产品的设计和生产承受着上市时间的巨大压力,产品更新的时间周期越来越短,因此在最短时间内开发新产品和实现批量生产对电子产品制
作上是至关重要的。飞针测试技术是目前电气测试一些主要问题的最新解决办法,它才探针来取代针床,使用多个由电动机驱动、能够快速移动的电气探针同器件的引脚进行接触并进行电气测量,这种仪器最初是为裸板而设计的,也需要复杂的软件和程序来支持,现在已经能够有效地进行模拟在线测试,飞针测试的出现已经改变了小批量与快速转换(quick -turn)装配产品的测试方法,以前需要几周时间开发的测试现在仅需几个小时,大大缩短了产品设计周期和投入市场的时间。

  3.1 飞针测试系统的结构特点

  飞针式测试仪是对传统针床在线测试仪的一种改进,它用探针来代替针床,在x-y机构上装有可分别高速移动的4个头共8根测试探针,最小测试间隙为0.2mm,如图11。工作时在测单元(UUT,unit under test)通过皮带或者其他UUT传送系统输送到测试机内,然后固定,测试仪的探针接触测试焊盘(test pad)和通路孔(via),从而测试在测单元(UUT)的单个元件,测试探针通过多路传输系统连接到驱动器(信号发生器、电源供应等)和传感器(数字万用表、频率计数器等)来测试UUT上的元件。当一个元件正在测试的时候,UUT上的其他元件通过探针器在电气上屏蔽以防止读数干扰。

  飞针测试仪可以检查短路、开路和元件值。在飞针测试上也使用了一个相机来帮助查找丢失元件。用相机来检查方向明确的元件形状,如极性电容。随着探针定位精度和可重复性达到5-15μm的范围,飞针测试仪可精确地探测UUT。飞针测试解决了在PCB装配中见到的大量现有问题:如可能长达到4-6周期的测试开发周期:大约10 000-50 000美元的夹具开发成本:不能经济地测试小批量生产;以及不能快速地测试原型样机(prototype)装配。

  

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  3.2 测试开发与调试

  飞针测试仪的编程比传统的针床在线测试系统更容易、更快捷,以Teradyne公司的Javelin 1004为例,它采用Windows NT平台和直观的用户界面,以及专用编程和测试系统,使编程时间缩短,用户可在1-2天内将PCB的CAD数据通过FAB master软件转换成PCB测试数据,由图形流程表进行探针控制,程序自动生产、调试程序可借助元器件测试表单,使编程和调试速度加快,测试程序的安装同样很简单,表明飞针系统具有极佳灵活性和快速适应能力,相反,传统针床在线测试系统的编程与夹具开发可能需要160h和调试140h。

  3.3 飞针测试的缺点

  由于具有编程容易,能够在数小时内测试原型样机装配,以及测试低产量的产品而没有典型的夹具开发费用,飞针测试可解决生产环境中的许多问题,但是还不是所有的生产测试问题都可以通过使用飞针测试来解决。

  和任何事情一样,飞针测试也有其缺点,因为测试探针与通路孔和测试焊盘上的焊锡发生物理接触,可能会在焊锡上留下小凹坑。而对于某些OEM客户来说,这些小凹坑可能被认为是外观缺陷,造成拒绝接受,因为有时在没有测试焊盘的地方探针会接触到元件引脚,所以可能会错过松脱或焊接不良的元件引脚。

  飞针测试时间过长是另一个不足,传统的针床测试探针数目有500-3000只,针床与PCB一次接触即可完成在线测试的全部要求,测试时间只要几十秒,而飞针探针只有4支,针床一次接触所完成的测试,飞针需要许多次运动才能完成,时间显然要长的多,另外针床测试仪可使用顶面夹具同时测试双面PCB的顶面与底面元件,而飞针测试仪要求操作员测试完一面,然后翻转再测试另一面,由此看出飞针测试并不能很好适应大批量生产的要求。

  3.4 飞针测试的优点

  尽管有上述这些缺点,飞针测试仪仍不失为一个有价值的工具,其优点包括:

  (1)较短的测试开发周期,系统接收到CAD文件后几小时内就可以开始生产,因此,原型电路板在装配后数小时即可测试,而不象针床测试,高成本的测试开发与夹具可能将生产周期延误几天甚至几个月。

  (2)较低的测试成本,不需要制作专门的测试夹具。

  (3)由于设定、编程和测试的简单与快速,实际上一般技术装配人员就可以进行操作测试。

  (4)较高的测试精度,飞针在线测试的定位精度(10μm)和重复性(±10μm)以及尺寸极小的触点和间距,使测试系统可探测到针床夹具无法达到的PCB节点。

  4 飞针和针床的互补

  应该看到,相对针床来说,飞针是一种技术革新,还在不断发展中,随着无线通信和无线网络的发展,越来越多的PCB将增加无线接入能力,目前的针床测试仪只适用低频频段,在射频(RF)频段的探针将变成小天线,产生大量的寄生干扰,影响测试结果的可靠性,针床在线测试仪只能检测RF电路在低频下的特性,RF电路的测试由后续的功能测试仪去执行,这样必然降低PCB的缺陷覆盖率,飞针在线测试仪的探针数很少,较容易采取减少RF干扰的措施,实现PCB的低频和RF的在线测试,提高覆盖率。

  飞针在线测试仪与针床在线测试具有互补的能力,因而,有些PCB在线测试的供应商考虑合并飞针和针床技术,在同一台在线测试仪内融合飞针和针床结构,使优势互补,达到高速测试,编程容易,成本降低的目的。

  飞针测试系统仍然在发展之中,目前还不能替代针床在线测试仪,但是飞针在线测试仪的性能已达到PCB批量生产的要求,例如自动送料,增加PCB底部的固定探针数目,编程时间缩短到1人/日,飞针在线测试仪正得到EMS企业的重视,既用于电子产品的开发阶段,亦用于多品种、中小批量PCB的在线测试。

  5 结论

  在线测试技术由于本身原理及方法限制,虽然面临严峻的技术挑战,它在某些方面,如针床测试的效率,飞针测试的灵活、可做电气性能测试等方面,加之技术的改进和新技术的配合使用,它还将在测试领域具有顽强的生命力。


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     收录时间:2016-07-21 11:52 来源:电子产品世界  作者:匿名
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