PCB板级功能测试夹具制作指导-8月16日

PCB板级功能测试夹具制作指导变更纪录表：变更人日期变更情况版本6/29/11初始发布文件。1.0张文双8/28/2011修正夹具原理描述，规定PCB夹紧结构的精确尺寸，增加内容和说明图片1.1 前言： 测试夹具是测试系统中重要的一环，是典型非标设备。目前测试夹具的制备是由测试工程师提出基本要求，主要是被测产品电性能要求，将该要求提供给夹具供应商，后期夹具的结构方案，材料，加工等方面都是由供应商确定，因此供应商出于自身的技术水平或成本考虑，制作的夹具又出现许多质量与可靠性问题。要使我们的测试夹具有优秀的质量和高可靠性，就需要制定一个框架，一个规范来约束夹具制作的各个部分，这就是夹具制作的标准。在本文中，利用已知PCB夹具中成熟可靠的方案作基础，把我们测试设备特点结合进去，成为覆盖绝大部分PCB板级功能测试夹具的标准。使PCB功能测试夹具成为标准化设备。其它带外壳产品等需要另外制定标准，在此不做规定。一：准备材料：1：在准备做夹具之前，测试工程师应根据被测产品的电路原理图和Spec等文件确定哪些测试点是做这台夹具所必须的，并使用OrCAD软件绘制出夹具的接线图。 所需文件：产品的Schematic，Layout，Test Spec。2：在确定制作夹具之前，测试工程师应在PCB Gerber File上确定测试点的位置，并将这些测试点位置和电路板样品提供给夹具加工供应商。 所需文件：PCB Gerber files和电路板样品。二：基本结构： 测试夹具核心部分主要由针板，载板，压板组成的三明治结构，载板上放置待测试PCB。三块板通过精确可靠定位系统串接在一起，其它部件全部围绕这三块板提供结构支撑，定位，驱动力等作用。1，夹具的驱动力类型：分为手动夹具与自动夹具 手动测试夹具：测试针数量小于20个，测试针板行程小于60mm，PCB面积小于200mmX120mm，选用手动测试夹具,大部分编程夹具可选用手动测试夹具。 自动测试夹具：主要是气动夹具 1），Zero flex 适用单面较平坦的PCB; 2），Non Zero flex 适用双面元件较多的PCB; Figure 2.1 手动测试夹具 Figure 2.2 自动测试夹具2，PCB的摆放方式： 待测PCB超过60mm宽，必须水平放置方式。夹具要指明PCB放置方向，需要符合人机工程学, 有利于操作工扫描标签，产品容易放进夹具， 产品应放在夹具中心。 Figure 2.3 垂直放置PCB Figure 2.4 水平放置PCB 3，夹具内的标准部件：1） 夹具ID，可以采用电阻或8位拨码开关来识别不同的夹具。在测试机柜上相应安装DMM或DI/O Card作为读取装置。2） Board In Sensor，型号：OMRON E3T-FD13Board In sensor 用于检测PCB是否放置于夹具载板上。采用可见光传感器，实现无机械接触检测。此传感器布置在PCB覆盖的范围内的夹具主体上，靠近PCB中部，且没有测试点的适当位置。Board In sensor 产生信号用于测试开始的使能条件。Figure 2.5 Board In Sensor3） Fixture Closed Sensor，型号：HAMLIN 59105Fixture Closed Sensor用于检测测试夹具上盖是否关闭到位，采用磁性开关，实现无机械接触检测。夹具上盖安装磁性元件，夹具主体安装磁敏开关。Fixture Closed Sensor产生信号用于下压气缸的使能条件。新制夹具不允许使用测试站的键盘和鼠标作为夹具开始测试信号。Figure 2.6 HAMLIN磁性接近传感器 4） Fixture Load Sensor，型号：OMRON E2E-X5ME1Fixture Load Sensor用于检测测试压板下压是否到位，采用金属接近开关，实现无机械接触检测。接近开关安装在夹具主体上，在压板上对应接近开关位置安装金属片，金属片尽量采用铁磁性材料或铜材，禁用铝材与不锈钢。Fixture Load Sensor产生的信号用于给待测试PCB上电及运行软件的使能条件。 Figure 2.7 OMRON金属接近开关5） Scanner，测试夹具上扫描枪应选取固定安装形式，不能选用手持形式。型号：一维码使用MS3；二维码使用Mini Hawk。Scanner用于读取待测试PCB上的条形码，要求把扫描枪固定安装在夹具内部，等夹具压板到位再进行扫码。Panel PCB测试时，防止扫描PCB甲而实际测试为PCB乙，可以安装两个Scanner。Scanner读取值作为软件开始运行的使能条件及物料跟踪的依据。 Figure 2.8 Panel PCB测试夹具为每个PCB安装了Scanner6） 计数器，记录针板工作次数，为PM工作提供依据。计数器自带电池，只需由夹具提供一个短接点信号，压板每动作一次，记录一个数。每累计到一定数值，需按规定做PM。 Figure 2.9 OMRON H7EC型计数 7） 温度传感器，若夹具需要温度传感器时，选Raytek MID-10LT温度传感器，若夹具暂时不需要温度传感器时，酌情考虑在浮板上预留安装温度传感器的位置，准备用于生产线测试工艺升级。 Figure 2.10 Raytek 红外温度传感器8） 夹具需安装把手，底脚。较宽的夹具安装折叠把手或内凹把手。9） 标签，贴在前面板的标签应标明夹具的全部重量，并明确产品的名称和型号。要求由夹具供应商提供。Figure 3.11 夹具上贴有重量警示标签4，夹具的工作顺序：打开夹具 放入PCB Board In传感器检测到放入了PCB 关闭夹具 Fixture Closed Sensor检测到夹具关闭 手动或自动下压压板 Fixture Load Sensor检测到PCB压到测试针扫描枪扫描PCB的条码 给产品供电 开始测试 测试完成或测试失败后 给产品断电 手动或自动打开压板 打开夹具，取出PCB5，建议的夹具整体尺寸与重量：手动测试夹具外部尺寸小于：宽400mm，深300mm，高400mm。自动测试夹具外部尺寸小于：宽650mm，深400mm，高300mm。手动测试夹具小于15Kg，自动测试夹具小于25Kg。三：PCB夹紧系统：1，针板制作：针板用于安装测试探针，是测试夹具的核心部件，通常情况下兼作夹具箱体的上面板，在三明治结构中放置在最下面。针板的厚度为1015mm，建议使用75mil及以下测试针选择10mm厚针板，100mil及以上测试针选择1015mm厚针板。镶针的孔径，孔深及孔间距必须与针套的尺寸规格一致，具体参数见所选针套的资料。做夹具前可与 Test Development Lab确认。 Figure 3.1 环氧树脂玻璃纤维板作为主测试针板 材料：手动常温测试夹具的针板可使用POM板及透明亚克力板，气动夹具及手动三温测试夹具的针板应使用环氧树脂玻纤板(例G10/FR4等)。2，载板制作：载板又称浮板，是放置PCB的地方。在三明治结构中位于中间。如PCB是单面有元件，则无元件面向下，放在载板上。PCB如是双面有元件，若产品和浮板接触的面形状不复杂，尽量在载板上铣出容纳突起元件的深槽，这样能使PCB所有的支撑面在同一水平高度；若产品与载板接触的面形状太过复杂或狭小，则在载板上镶嵌支撑柱，支撑柱直径不小于3mm，支撑柱之间高度差小于0.1mm。载板上向下的支撑面和向上的支撑柱的高度需高于元件的高度大于2mm，与PCB上面的元器件水平的距离大于2mm，支撑柱与压板上压棒轴相对应。 Figure 3.2 完整的PCB载板 Figure 3.2 在载板上铣出容纳元件的深槽 Figure 3.4 在载板上镶嵌小支撑柱 载板上开过针孔和PCB的定位柱孔，须略大于针尖外径和定位柱的外径，载板在运动中不得与测试针和定位柱有干涉，在中部留有Board in 和温度传感器的开孔位置。在载板的两边应为操作工安放PCB留有手位。 载板材料原则推荐使用表面有防静电涂层的环氧树脂玻璃纤维板，厚度5mm，材料表面电阻率106欧姆-109 欧姆，PCB表面有焊锡的点或焊盘所对应的载板同样需要去除静电涂层。 载板应预紧安装于针板上。载板过针孔应刚好遮蔽放松状态的测试针尖，载板下支撑弹簧不少于4个，布置在载板4角，再增加的弹簧布置在左右两侧，弹簧应布置在PCB覆盖范围外面。针板上为弹簧开有专用的安装槽，弹簧可粘接在槽里。要求使用相同规格的成品弹簧，且弹簧直径弹簧长度，不得使用自行裁剪的长弹簧中间段。载板预紧安装的等高螺丝应穿过载板和弹簧固定在针板上。 载板与针板的定位，在针板四角，与弹簧均匀分布4只小型导向柱，导向柱穿过嵌在针板上的直线轴承，或用导向滑柱连接载板与针板，以此限定载板运动方向与范围，导向柱或导向滑柱行程应大于测试针行程2倍。 Figure 3.5 载板下小导向柱 Figure 3.6 弹簧与等高螺丝 3，压板制作： 压板是用于将PCB水平向下推动并压缩测试针的主要部件，位于三明治结构的最上层，通常用透明的材料制作。当PCB两面都有测试点时，压板兼作上针板。压板厚1520mm，也可以由两块板紧密叠放，用适当数量螺丝紧固安装在一起，要求每层板厚度不得少于10mm。当作针板使用时，镶针套部位的厚度为1015mm，建议使用75mil及以下测试针选择10mm厚，100mil及以上测试针选择1015mm厚。 压板上应装有两种压棒，一种是PCB压棒，用于均匀下压PCB到载板上，使压棒压在载板上PCB的无电子元件区域。为避免PCB压棒下压造成PCB变形，或产生有害应力，压板上面必须合理布置PCB压棒，且尽可能对正载板上支撑面或支撑柱，下压棒不能压在较长悬空的PCB上面，例如PCB悬空距离大于30mm时不得放置PCB压棒。PCB压棒采用双圆柱形或圆锥形，底部直径68mm，用M3螺丝固定安装于压板上，尖端是平面，直径3mm，各压棒之间高度差小于0.1mm。压棒任意部位距离PCB上元件大于2mm。另一种压棒是载板压棒，载板压棒布置在PCB区域外的四角，采用圆柱形，底面直径10mm，用M3螺丝固定安装在压板上，各压棒之间高度差小于0.1mm。载板压棒长度等于PCB压板长度与PCB厚度之和。若PCB上面有测试点，则测试针必须镶在下压板上面。安装好的测试针高度应比PCB压板高出测试针的2/3行程。 Figure 3.9 压板上压棒有两种 压板与针板的定位， 在手动夹具中，压板上安装两个法兰式直线轴承。穿过直线轴承的光轴垂直固定在针板上，压板沿着光轴上下运动，运动轨迹决定于光轴的位置，由此保证压板与针板的精确定位。光轴材料选用轴承钢，确保长期耐用。直线轴承下面，在光轴上套装缓冲弹簧，弹簧弹力应大于快速夹与压板的重量，保证必须在人手力量克服弹簧弹力后，使压板压向PCB和载板，起到缓冲PCB与测试针接触的作用。 Figure 3.7 手动夹具压板与法兰式直线轴承 Figure 3.8 直线轴承下安装缓冲弹簧 在气动夹具中，针板上安装定位柱，定位柱需与针板上半深孔紧配合，在针板后面由螺丝紧固，定位柱顶端半球型，直径12mm，保证定位准确，牢固可靠。压板上对应安装滑套，滑套与压板紧配合。要求滑套内径大小与定位柱外径大小关系为滑配，无间隙。定位柱材料可用304不锈钢，滑套采用POM，前边缘45倒角2mm以上，内壁光滑，内壁长度大于直径，安装后，滑套内可加微量润滑脂。针板定位柱需要23个，布置在载板外针板两侧和前方中间位置。 Figure 3.9 气动夹具压板与针板的定位柱和滑套 四：PCB定位系统：1，PCB的预定位，帮助PCB快速准确进入定位孔： PCB向前放置时，在载板左右及前面须有用于预定位的导向柱，数量4至6个，导向柱呈圆锥状，或有倒角斜面的导向块，用于引导PCB外边缘，使PCB定位孔刚好对正PCB定位柱，利于帮助PCB快速准确进入定位孔。预定位导向柱或导向块材料用POM，少数情况可用金属材料。Figure 4.1 载板上安装PCB预定位导向柱 2，PCB的定位：PCB上都有专用的定位孔，选择PCB对角方向相距最远的两点或三点用于定位。为保证PCB上测试点与针板定位准确，定位柱必须垂直紧固安装于针板上，PCB定位柱有两种安装方式：一种是针板上开有半深孔，PCB定位柱下面圆柱形，与半深孔紧配合；一种是针板开全深孔，PCB定位柱中部有台，下半段圆柱形与孔紧配合，两种方式背面都需使用螺丝紧固。PCB定位柱顶端倒圆锥角或半圆头，圆锥角度小于45度，表面光滑，定位柱直径应比PCB定位孔小0.020.05mm。PCB定位柱穿过载板，载板上孔径比定位柱直径大2mm，与载板无机械接触。PCB定位柱长度以放入PCB时，定位柱圆柱段高出PCB 2mm为准。PCB定位柱用标准件，或由标准件改制，材料不锈钢。Figure 4.2 穿过载板的PCB定位柱 五：夹具驱动系统： 按夹具压板的动力类型，通常分为手动与气动。 1，手动夹具：当PCB全宽110mm，长200mm以下时，可以用手动测试夹具。手动夹具可用手直接下压压板；通过快速夹顶压板；搬动摇把驱动压板等。对于PCB测试夹具，最常用快速夹方式，其它方式可由Test Development Room提供咨询。压板的行程应小于60mm，如确实需要大于60mm，应改做气动夹具。快速夹安装在与针板三明治机柜垂直的立板上，要求立板后面油支撑板，结构坚固，不变形。快速夹的力点应选在压板上所有压棒的应力中心 ，如有空间干涉，可将力点移动不超过25mm。为此，快速夹的安装底座可加高。为防止快速夹固定螺丝脱落造成PCB或夹具损坏，快速夹与压板之间需通过中间连接块相连。并使压板上所有螺丝都是从上向下拧紧的，即使脱落也不会掉落在PCB上。选择快速夹除计算行程外，还要注意把手的方向要符合人手运动最舒适的方向，同时不会夹手。 Figure 5.1 用快速夹的手动夹具 Figure 5.2 快速夹与压板提供中间块连接2，气动夹具: 当PCB任意边长超过110mm，或PCB上有超过30mm高的电子元件时，可用气动夹具。气动夹具分为敞开式和掀盖式。 Figure 5.3 敞开式气动夹具 Figure 5.4 掀开式气动夹具 敞开式结构简单，成本低，但是易夹手，必须有双手同时启动机构。掀开式启动夹具机构复杂，加工要求高，零部件多，但是安全性好。掀开式夹具中，气缸安装在掀盖上，气缸必须安装牢固可靠。根据需要可选择2个，4个气缸，所有气缸按照PCB应力中心均匀布置在两边或斜对角。 气缸与压板的连接，由于压板与针板之间有专门的定位柱，由此气缸与压板不能紧固连接，防止压板受力不均造成运动障碍。气缸与压板之间采用柔性连接，气缸杆前端装有工字型夹板，压板安装在工字型夹板中，夹板直径比压板孔径小2mm，夹板间距比压板厚度大0.30.5mm，实现压板在工字型夹板中是自由浮动的。 气缸的选型，推荐缸径X行程=16mmX15mm的紧凑型气缸。气缸行程与针板定位柱的直径，长度，测试针的行程，针套安装深度，载板厚度，PCB压棒长度，载板压棒长度等密切关联，如有改变，须经Test Development Room审查同意。 掀盖式气动夹具定位过程：关闭夹具盖(Fixture Closed Sensor 信号状态翻转) 此时压板上定位滑套刚好在针板定位柱上约12mm等待，定位滑套与针板定位柱不一定同心 电磁阀动作，气缸下压 定位滑套的倒角边缘碰到针板定位柱的半圆头 压板顺势作水平浮动 定位滑套与针板定位柱同心并下滑到定位柱的圆柱段 此时压板与PCB，针板实现精确定位 测试针 测试针触到PCB的测试点 压板继续下行至气缸下止点，此时测试针刚好压缩2/3行程 Figure 5.5 气缸与压板柔性连接六：电信号部分：1， 测试针： 测试工程师根据PCB上测试点的间距，测试点上电流的大小，测试点与相邻电子元件的距离选择合适的针套，并尽可能只用一种针套。根据PCB测试点，选择合适针尖类型。可参考针形手册或与Test Development Room 共同选择。针形确定后，根据手册推荐的开孔尺寸告知夹具供应商。 测试针套的安装必须确保测试探针的压缩行程大于其最大行程的1/2，小于其最大行程的2/3。 测试针套的安装有夹具供应商完成，要求针套尾部焊杯方向有序，如图Figure6.1所示。 Figure 6.1 针套尾部焊杯方向 测试针套与连接线焊接后，所有焊点需要热缩管绝缘保护，并把连接线固定在测试针所在针板或压板后。当夹具针板在运动中，必须保证针套和电线的焊接部分保持相对的静止。2， 连接线：测试工程师必须给出夹具接线图，图中必须根据信号电流注明所有接线的线号。常用连接线线号对应最大通过电流见下表，例如对于通过电流小于等于6A的线，可以选用20 AWG线。AWG gaugeConductor DiameterConductor DiameterMaximum Amps for chassis wiringConductor Section AreaInches mm mm100.10192.58826555.2120.08082.05232413.5140.06411.62814322160.05081.29032221.3180.04031.02362161200.0320.8128110.5220.02540.6451670.32240.02010.510543.50.2 连接线材料：采用多股软线，所有连接线可由大陆汽车提供，或由大陆汽车指定品牌与型号。具体型号可咨询Test Development Room。 夹具配线除了常用连接线外，还有其他各种信号电缆，恰当地选择信号电缆，并将其标注在夹具接线图中。例如屏蔽箱的DB25插头，应注意其滤波器的截止频率，防止在通讯，待测高频信号产生干扰，及音频/视频/射频信号产生干扰。布线：电线的固定必须牢固，美观。线缆从夹具出来时，必须使用线箍套紧线缆。3， 连接器：连接器主要指测试机柜与测试夹具之间的多点连接线的接口。在确定夹具方案时，就要确定连接器的形式，数量，具体品牌，型号，连接方式可以咨询 Test Development Room，应优先选择目前已有库存的品牌与型号。当连接器型号确定后，测试工程师应在夹具的连线图上标明连接器的品牌，型号，P/N。同时，将确定的连接器开孔尺寸提供给Vendor，用于夹具加工。七：气动元件部分（此处仅气动夹具要求）： 气动夹具中需要安装部分气动元件。对于夹具用压缩空气，默认气源气体是洁净干燥的。因此，夹具部分不需要压缩空气三联件。 Figure 7.1 气源快插头 Figure 7.2 夹具内安装减压阀1， 气缸选型：应选择双作用气缸，保证压板在测试程序开始前处于气缸上止点，程序结束后，由气缸提起压板。2， 电磁阀选型：通常选择5口3位的电磁阀，若夹具运行同一个动作而使用多个气缸，应使用同一个电磁阀控制，确定气缸型号与数量后再选择电磁阀，此时注意计算电磁阀空气流量与气缸用气量匹配。电磁阀排气口必须安装消声器。电磁阀的驱动电压选择12VDC或24VDC，未来尽量统一到24VDC。3， 调压阀选型：夹具内需要安装带气压指示调压阀，调压阀调压范围通常在0.05MPa0.85MPa之间，实际操作调整到0.5MPa。选择调压阀同样需要注意与气缸用气量匹配，选择调压阀流量是气缸用气量的1.5倍。4， 气源快插头：在夹具箱体后面安装气源快插头，用于引入工厂厂房压缩空气气源。选择与工厂所用快插同型号插头。5， 其他气路元件：节流阀，气管，等径或变径接头，二通或三通接头，单向阀等。夹具气路系统采用6mm气管件，局部小气缸可用4mm气管件。八：机械元件： 测试夹具中使用的机械元件尽量使用标准件，除非使用标准件可能造成夹具使用的不便，可以由供应商自行设计加工。此标准件必须是市场上方便购买的。1， 螺丝：夹具箱体及各框架结构，使用公制内六角圆柱螺丝，所有内六角圆柱螺丝的螺丝头部应卧在夹具板材内，不得突出。其它部分由使用要求，可能使用沉头螺丝，半圆头螺丝，要求使用不锈钢十字头。夹具黑色部位使用黑色螺丝，浅灰或白色部位使用不锈钢螺丝。要求所有螺丝硬度标准达10.9级及以上。2， 直线快速夹：手动夹具常使用直线快速夹，用于推动针板。把手形状及角度请参考手册，行程选择30mm，40mm，50mm，60mm，快速夹运动部件的间隙尽可能小，选用