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当今电路板的测试策略

放大字体  缩小字体 发布日期:2012-12-26  浏览次数:115

当今的印刷电路板组件(PCBA)比以往的密度更高;而当设计师试图在设计中加入更多新的功能以实现更高价值时,组件的复杂度也在不断增加。与此同时,最新的PCBA设计也更趋小型化和高速化,这给组件的测试和检查带来了一系列新的挑战。

另一方面,表面贴装设备在贴装精度和焊接曲线等方面不断提高性能,变得更加快速和灵活,使PCBA制造商能提高产量和实现生产的快速切换。与以往相比,这些变化可以使组件的DPMO(每百万机会缺陷率)保持在相同的水平上。PCBA制造商已经在其生产线上使用了自动光学检测

(AOI),自动X射线检测(AXI)和在线测试(ICT)设备(图1),并且正在成本和缺陷检测上努力取得平衡。这些测试和检查技术的改进使之能够检测最新的故障缺陷。

图像检查技术
图像检查技术目前广泛应用于PCBA行业。它通常使用光源和探测器来获取图像,并传送至计算机处理。光源可以是X射线、激光或单一白光/彩色光;探测器可以是扫描装置或照相机。算法是用来从这些获取的图像中判断焊点好坏的。大致可分为AXI和AOI。检查的缺陷类型包括少件、桥连、开路/少锡、极性错误和错件。

这些测试技术所发现的缺陷类型随着器件封装和SMT工艺的改变而改变。最近的一个例子是AXI能很好地覆盖BGA中HIP(Head In Pillow)或HOP(Head Over Pillow)类型的缺陷。不同类型的连接器,如Ventura,以及温度敏感器件对焊盘空洞的要求,如何保证产品质量成为制造上的挑战,这就需要使用到AXI设备。人工目检对非 常小的器件如01005也将不再是有效的。而其它要求,比如在极性检查中增加标记也确立了AOI在SMT生产线中的主导地位。

• 自动 X-ray 检查
X-ray检查可以是二维、三维、手动和/或自动的。最简单的X-ray测查系统都是二维或2.5维——它们通常用于检查可视的单面PCBA,并且通过人判断焊点是否良好。有些系统有机械夹具旋转板,以便于观察。

在完全自动化的三维X-ray检查中,该系统能够分开焊点顶部和底部图像而没有任何重叠;而预编程算法能够基于不同的切片高度,决定是否通过。新一代的AXI系统在实时的生产环境中可以检查隐藏焊点如引脚通孔(PTH)和球栅阵列(BGA)。三维的AXI也能够很快获得不同的切片高度图像,这使制造商能够将这些系统用于在线生产环境。

随着PCBA的日益复杂和连接器,如PTH、表面贴装型、压接型连接器,以及一些新型的连接器,如Ventura和NextLev连接器的更多使用,三维AXI将发挥更加重要的作用,以确保隐患被及时发现并得到纠正。

• 自动光学检查
多功能的AOI设备已成为主流PCBA检查工具。它们有离线需求的桌上型设备,以及检查可见焊点和器件的在线型设备。后者可用于检查非常小或超大尺寸的PCB;一些 AOI系统可以炉前炉后简易切换,从而使制造商工厂布局有更大的灵活性。

一个迅速发展的AOI市场使可选择范围大大增加,如单轨,双轨,甚至三轨的使用模式,和拼板设计一样提高产量,这些都能帮助制造商满足周期需求和生产投资回报的要求。在大多数情况下,AOI已经取代了人工目检,因为它可以保证生产线检查结果的一致性。

随着行业不断看到的X,Y和Z的精度提高到亚微米级别,制造商对SPI的兴趣越来越大,因为它能够检查微型BGA和01005器件焊膏量。SPI还提出另一个吸引人的理念,即它最大可能地提供了焊后缺陷和前端焊膏量之间的相互关系,从而形成了为制造商优化SMT工艺提供依据的闭环反馈系统。

当今AOI算法有了新的提升,它能够检查诸如细间距IC的引脚翘起等焊点缺陷。再加上新的照明和成像链技术,现在一些AOI的检查时间已经超出了预期的检查周期时间。SPI和AOI开始从单纯的提供缺陷检查信息手段发展到能够 适应流程特性的在线检测工具。

在线测试技术
ICT是PCBA的电气过程测试设备,其主要目的是在器 件层面上确定制程引起的故障从而快速调试产品。在线测试方法和其它测试方法如功能测试之间的差异是ICT主要检查单个器件功能,而功能测试是检查整板或一组器件的功能。由于这一独特的性能,在线测试设备是PCBA制造商的有力工具,非常适合大批量制造的要求。飞针和制造缺陷分析仪(MDA)可作为在线测试的可选替代工具。

ICT通常包括:开路和短路测试,模拟器件值(电阻,电容,电感等)测试,有源元件测试(二极管,晶体管),上电测试,和数字IC测试。相比MDA,ICT给电路板上电测试IC;和飞针测试相比,ICT测试速度更快。其他测试包括编程和功能测试也可添加到ICT。

当今在线测试的挑战包括,电路测试接入点的减少,高速器件的引入,多电压等级上电需求和缩短ICT开发时间的需求,以满足产品周期要求。为使ICT覆盖率最大化,重要的是要使用适当的测试设计技术(DFT)。这些技术如何使在线测试应对这些挑战呢?答案在下列测试技术中。

• 边界扫描
边界扫描测试技术多年前已定义。然而,此技术最近几年才流行。边界扫描需要被设计成组件的特殊单元,使数据在单元之间传输,而不影响IC的内部核心逻辑。由于数据可以连续传入边界扫描单元,只有部分IC的引脚需要有测 试接入,而其余的不需要。

当今许多IC是有数百个引脚的高速元器件,而且由于测试焊盘将噪声引入高速信号,设计者无法在数百个高速引脚的IC中添加测试点。利用边界扫描技术,这些IC可被测试而无需测试接入。日益发展的自动化工具使在ICT中的边界扫描测试能得到快速发展。

• 无矢量测试
在IC上使用无矢量测试技术,工程师无需知道IC如何使用,就可以开发ICT测试。如今的ICT结合了无矢量测试和边界扫描测试技术,在电路板测试接入点有限的基础 上,进一步发展了ICT测试。

一种全新的方式来解决测试接入问题是把“探针”加于走线上。确实放置一个焊料凸点在走线上,由平头探针接入。凸点或珠探头非常小,它不会影响信号完整性,珠探头可以获得在走线上运行的信号。使用这些珠“探针”,测试点可添在以前不可能的地方。

由于电路板功能的增加,必须在电路中设计不同IC需 要的不同电源电压等级。为了产生IC所需的不同电压,电路设计中的开关稳压器正在取代线性稳压器,因为开关稳压器有更高的效率和更小的尺寸。由于电路板上产生电压,所以让在线测试设备如同监测ICT的电源提供的输入电压一样监测这些内部电压是不可行的。

这些电压需要监测,以确保IC测试时设备电源提供的输入电压是开启的。所以当设备关闭时,测试将不会进行,从而排除损害IC的风险。当今只有部分ICT系统有这些额外的软件和硬件的能力来监测IC测试时的实时电压。

外包和测试策略
随着OEM制造商增加其外包项目,包括测试策略,设计研发;对于EMS/ODM厂商的测试经理来说,理解测试在生产环境中的影响是非常重要的。劣质产品带来了相当大的花费,其中包括维修,返工和保修,以及隐形成本如 OEM和EMS/ODM公司的品牌信誉受到损害。这些费用远远高于使用一个全面的测试策略。高品质的EMS/ODM供应商不会牺牲测试,因为测试提升了他们的竞争优势,并降低整体成本。

结论
当今的PCBA需要一种智能测试手段,它需要对PCBA设计,制造过程能力,以及现有的测试技术都能了解,从而达到最佳的测试策略。测试策略及优化是一个持续的过程,测试设备就像一个传感器,可以提供正确的信息,从而确保高质量生产和成本降低的实现。高品质的公司把全面测试策略作为一个关键竞争优势来发展。测试经理应在产品生命周期初期审查测试策略,并在整个产品生命周期对其进行管理,它不是事后弥补或一次性的工作。

参考资料:
1. http://circuitsassembly.com/cms/content/view/7528/209/
2. http://www.amphenol-tcs.com/products/connectors/backplane/ventura/ index.html
3. http://www.amkor.com/go/packaging/all-packages
4. Test Coverage: What Does It Mean when a Board Test Passes , K. Hird, K. P. Parker and B. Follis, Proceedings, International Test Conference, pp 1066-1074, Baltimore MD, Oct 2002
5. http://www.amphenol-tcs.com/products/connectors/mezzanine/nexlev/ pnscheme.htm
l 6. http://www.amphenol-tcs.com/products/connectors/backplane/ventura/ index.html

关于作者:
NK Chari是MSD市场总监;Adrian Cheong是ICT市场经理;Sam Wong是图像市场经理,他们均来自于安捷伦公司测量系统部门

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测试策略和优化

PCBA前所未有的复杂性以及制造业的更高速和更小型化的水平,再加上操作员的效率低下,使之继续产生一系列的错误和缺陷,从而导致需要使用许多上述测试技术加以补充(图2)。为达到正确测试技术的最佳组合,需要考虑以下因素:

1)电路板设计
电路板形状、器件高度、节点接入、边界扫描、遮蔽、减少隐藏接点、使用屏蔽元件、双面器件安装位置和器件编程要求。

2)制造过程缺陷类型
a. 波峰焊造成的缺陷有:阴影、桥接、开路、缺件、不湿润、锡膏过多造成短路;
b. 回流炉造成的缺陷有:少锡、桥接、立碑、开路、焊料开 裂、锡珠、不湿润、空洞;
c. 表面贴装造成的缺陷有:偏移、缺件、错件、引脚弯曲、极性错误、多件; d. 手
工放置异形器件造成的缺陷有:偏移、错件、方向错误。

3)电路板和元件技术
a. 高速信号;
b. 高电流,功率需求;
c. 新器件封装,01005器件,Ventura连接器,层叠封装 (POP);
d. 板子的类型,柔性电路,PCB厚度,走线的宽度;
e. 高密度互连(HDI)。

4)产品的成熟度
a. 早期阶段的新产品导入(NPI)需要严格的测试,重叠 测试在所有潜在故障未知的情况下被高度推荐;
b. 当产量提升时,建议测试最大化以保证低故障和高产出;
c. 对于成熟的产品,优化的可能性存在于回顾测试覆盖重叠,假故障,生产周期,质量要求和测试成本。这时,制程是稳定的,和基于历史数据的缺陷柏拉图也是众所 周知的。优化测试策略,至关重要的是使用如同 PCOLA-SOQ的数学模型了解目前的覆盖
; d. 任何时候,在产品周期和生产过程中更早发现缺陷就节省了成本。

5)测试成本
测试成本是达成测试覆盖平衡的原则。

 
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