PCB电测流程简介及问题分析解析

目录目录 1 引言引言.1 2 PCB 测试的重要性测试的重要性.1 3 PCB 电性测试技术的分析电性测试技术的分析.2 3.1 电性测试的一般要求.2 3.2 影响 PCB 的测试因素.2 3.3 电性能测试技术分类及原理.2 3.3.1四端测试的原理.3 3.3.2 电容法测试原理.3 3.3.3接触式测试.3 3.3.4非接触式测试.4 4 现代几种常见的测试设备及方法现代几种常见的测试设备及方法.4 4.1 电测的方法与设备.4 4.2 几种常见的测试方法的比较.5 5 5 泛用型泛用型(UNIVERSAL GRID)测试的基本流程测试的基本流程.6 6 测试结果测试结果.10 6.1 两种最主要的报废缺陷.10 6.1.1开路.10 6.1.2短路.10 6.2 出现开短路的原因.10 7 对提高测试效率的设想对提高测试效率的设想.10 7.1 拼版形式对测试效率的影响.10 7.2 歪针现象的排除方法.11 8 8 结论结论.11 致谢致谢.12 参考文献参考文献.13 1 1 引言引言 随着电子技术快速发展，通讯技术逐渐走到前台，走进人们的生活，改变 人们的生活习惯，致使要求信号必须告诉传递，而 PCB 作为传递信号的主要渠 道，为满足需求，PCB 向高密度（HDI）发展成为了必然，一系列新的制程工艺 运用到 PCB 上，使 PCB 赋予了更强大的功能，如何保证这些新的技术及新工艺 的运用不降低 PCB 的品质，对 PCB 制造者来讲将成为新的难题！PCB 测试技术 的发展成为了时代赋予的责任！ 2 PCB 测试的重要性测试的重要性 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。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，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。 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 23 次的 100%测试，筛选出不良板再作重工处理。因 2 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。 3 PCB 电性测试技术的分析电性测试技术的分析 3.1 电性测试的一般要求电性测试的一般要求 电性测试主要是测试基板线路的导通性（continuity）及绝缘性（isolation） 。 导通性测试是指通过测量同一网络内结点的电阻值是否小于导通阈值从而判断 该线路是否有断开现象，即通常所说的开路；绝缘测试是指通过测量不同的网 络结点间的电阻值是否大于绝缘阈值从而判断绝缘网络是否有短路现象。 3.2 影响影响 PCB 的测试因素的测试因素 随着线路密度的增加，电性测试的难度也随之增加，相继产生了新的测试 技术以应对 PCB 行业的发展。导致测试难度增加的主要因素有： 1) 基板表面的焊盘 PAD 大小 2) PAD 跨距（Pitch） 3) 导线间距缩小使导通孔径缩小 4) PAD 表面压痕限制 5) 测量阻止精度要求提高 6) 测试速度要求提高等因素 3.3 电性能测试技术分类及原理电性能测试技术分类及原理 PCB 电性能测试从原理上可分为两类：电阻测试法和电容测试法；电阻测 试法又可分成二端式测试，四端式测试，其中四端测试法是最常见的一种;按照 测试探头是否与 PCB 完全接触划分又可划分为接触式测试法和非接触式测试法 3 3.3.1 四端测试的原理 四线测量是将恒流源电流流入被测电阻 R 的两根电流线和电压测量端的两 根电压线分离开，使得电压测量端的电压不再是恒流源两端的直接电压，四线 测量法比通常的测量法多了两根馈线，分开了电压测量端与恒流源两端连线。 由于电压测量端与恒流源端断开，恒流源与被测电阻 R、馈线 RL1、RL2 构成 一个回路。送至电压测量端的电压只有 R 两端的电压，馈线 RL1、RL2 电压没 有送至电压测量端。因此，馈线电阻 RL1 和 RL2 对测量结果没有影响。馈线 电阻 RL3 和 RL4 对测量有影响，但影响很小，由于测试回路的输入阻抗 （M 级）远大于馈线电阻（ 级） ，所以，四线测量法测量小电阻的准确度很 高。这是对导通性能测试的最精确的方法此方法测量精度可分辨到 10m，最 适合高频线路测试。 3.3.2 电容法测试原理 测试板下面有一个参考电极板，每个长度不同覆盖面积不同的线路与参考 电极之间会产生一个固定的电容量，当有断路或短路发生时，该电容量将会有 所变化，将测得的电容值与参考值对照来判断是否合格。当断路发生在距离网 络端点很近的位置时，那么线路多的一侧电容变化将非常小，而线路短的一侧 产生的电容变化将非常大，所以即使很小的断路也能被检测出来。用电容法进 行测试时，每个端点只需要与测试探头接触一次，不象电阻法测试中那样需多 次与同一点进行信号注入，省去了很多的测试步数，提高了测试速度。 3.3.3 接触式测试 目前，应用触脚探针的测试方法在测试高密度电路板时会遇到几个主要问 题。第一个问题是探针间距的物理极限。0.2mm 的针间距应该是探针列阵的极 限距离，如此高的密度需用特制的专用夹具来实现，这类技术一般都为专利技 术，这些夹具的成本是非常昂贵的，往往令 PCB 厂家难以接受。第二个问题 是，触脚探针在测试期间可能会遭到严重损坏或污染。要与高密度电路板的每 个 PAD 进行精密的电接触，要求要有很高的压力, 有时难免会产生压痕，对于 4 一些要求高的线路板这是不充许的。当有压痕存在的 PAD 经焊接后的连接性 能很容易受到机械力的影响，尤其是活动的端点。第三个问题是，在测试时线 路板表面如果不够清洁，比如经常会不导电的粉尘介于探针与 PAD 之间，则有 可能导致该线路的短路漏测。而该种现象发生后往往很难找到漏测的根本原因， 因粉尘脱落后，测试设备往往又能检测出该短路的存在，会造成疑惑与争议， 但又因没有证据而无法追究设备生产厂家的责任，因此而产生的争议往往是以 不了了之而告终。总之以接触的方式进行电性能测试要通过各种方法来保证每 一个接触点的良好接触，必然会有测试品质和成本的矛盾存在。因此，需要有 一个适当的非接触电测试技术来解决接触测试中的技术屏障。 3.3.4 非接触式测试 非接触测试除测试夹具外，系统的基本构成同传统的接触式电性测试系统 相似。在非接触测试线路设计中，夹具中装有非接触式传感器及信号输出器， 代替了原来的探针，信号输出器从被测线路较稀疏的一端注入交流信号，由交 流信号所产生的电磁波在线路较密集的另一端发射出来，非接触传感器可侦测 到并解读电磁信号，从而判断线路是否断开，可探测到 50 微米线距及间距的 高密度回路区域的电压变化。为日益讲求快速及低测试成本的 IC 基板测试提供 了有效的解决方案。 4 现代几种常见的测试设备及方法现代几种常见的测试设备及方法 4.1 电测的方法与设备电测的方法与设备 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。 4.1.1 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 5 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。 4.1.2 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，只有在孔的位置探针才能穿过 Mask 进行电测，因此治具的制作简易 而快速，而且探针可重复使用。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探针的针盘，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)。 4.1.3 飞针(Flying Probe)测试 飞针测试的原理很简单，仅仅需要两根探针作 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 1040 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。 4.2 几种常见的测试方法的比较几种常见的测试方法的比较 典型的飞针测试产出大约在 120m /h 之间，若知道孔密度便可转换成 每小时测试的总面积，一般性能较好的飞针测试设备的产出大约维持在 10 15m /h 之间，可适用于的商用板和的高密度板，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 平方米。 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 200400 平方米/天 ，但以目前的生产状况而言，实际生产线上专用型则 为 30100 平方米/天，而泛用型为 1550 平方米/天（两者的比较基础在于专用 6 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 平方米 ，泛用型则为 150,000 平方米。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 平方米 ，但是若用于 0.50.8mm-pitch 的 PCB 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 平方米 。 综合以上的介绍可归纳出。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 24%，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 平方米以下时，测试成本将会高于 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 案的电性测试。 5 5泛用型泛用型(Universal Grid)测试测试的基本流程的基本流程 本文以专用型测试的基本流程，以明信电子生产的测试设备 MV300 系列 测试机为例阐述分析现代一线测试的基本流程 7 表5.1泛用型测试流程图 1 放 下 模 将下模水平放到测试机上，注意测 试架的标签要向外，定位孔要与测 试机上的定位孔对好位. 2 抚 平 针 面 放上去后用手轻轻将测试针 按下去，按时注意力度。 3 调 试 送 料 单 元 检查完后，在调试画面将送料 单元的手臂调试到测试位，把吸盘 调到板面上，将板吸住； 再调回到吸板位，把送料单元处 的定位挡板的螺丝扭松，注意送料单 元的气缸要推出来；把各个定位挡板 调到与板水平，将板定位好； 4 调 试 收 料 单 元送料单元调试 OK 后，在调试 画面将收料单元的手臂调试到测试 位，按同样的方法把吸盘调到板面 上，将板吸住； 调回到 PASS 位以及 FAIL 位，把 收料料单元处的定位挡板的螺丝扭松， 调到与板一定的位置。PASS 位以及 FAIL 位的放板台的吸铁要根据板大小 的情况来调整位置。 8 5 固 定 上 模 自动调号后，将上模放到测试 机上，同样的，测试架的定位孔要 月测试机上的定位孔对好位。 对好位后，用一只手按住上模， 另一只手把锁定按钮锁住，这样，上 模便装上去了。 6 翻 转 上 模 装好后，在调试画面中，选择 翻转，将上模翻转回来，检查有无 坏针现象，如有应及时更换测试针， 并将测试针用手轻轻按回去。 7 调 文 件 检查完上模，将其翻回，在 电脑 E 盘上调出测试文件。 8 设 置 参 数 文件调出来后，要对测试数据 和资料进行调试与检查，首先在测 试界面点击 F3 输入产品的型号， 测试的总点数，测试的电压绝缘值 （250V/20M），测试的导通值 （30-50）。 9 蓝 胶 对 位 资料 ok，先取一块蓝胶与板 大小相符，贴在成品板上，再将 板子放在测试架四个定位针上； 9 10 蓝 胶 对 位升上机床，将成品板取出看蓝 胶上的针印往哪方向偏移（如往右 偏，在右边垫蓝胶），直到针印刚 好在测试点上，就为测试架已调试 OK。 11 进 行 测 试 调试 OK，就可进行测试，两 只手按住左右两边的按钮，机床 自动上升，并进行测试。 12 做 首 板 检 查 戴上干净手套先测 2-3Set 进 行首板的检查（注意：检查板面、 焊盘、按键位、元件孔、BGA 有无 压伤现象） 。 13 放 待 测 板 分好单元便可在机台左边的 放板区域放上待测板，进行跑自 动 14 拿 已 测 试 的 板 放板台上图标 PASS，表示好板， 图标 FAIL，表示问题板；好板直 接放入绿色胶框中，问题板进行重 测。 15 打 印 缺 陷 FAIL 板要进行重测，然后把 问题缺陷( “+”为短路，“- ”开路）打印出来，贴于板面， 进行修理。 10 6 测试结果测试结果 6.1 两种最主要的报废缺陷两种最主要的报废缺陷 6.1.1 开路：同一回路的任何二点应该通电的，却发生了断电的情形。 6.1.2 短路：两条不通的导体，发生不应该的通电情形。 6.2 出现开短路的原因出现开短路的原因 造成开短路的原因很多，不同的原因表现为不同的特征，但有一点是共同的， 导电区没有金属覆盖或不导通，或者非导电区有金属覆盖或导通。从理论上分 析，上述问题一般由以下原因引起；1,蚀刻前，导电图形上无抗蚀层覆盖或抗 蚀层不 能充分保护导电图形，以及非导电图形上有抗蚀层覆盖。2，蚀刻后，导电金属 从基板脱落，独立的导电图形之间有导电物质连接。 7 对提高测试效率的对提高测试效率的设想设想 随着 PCB 产业的飞速发展，客户对企业交货期的要求越来越严格，如何在 保证产品质量的前提下提高测试的效率成为了测试这一环节的重要问题。而在 测试中假开路假短路是最常见的一种干扰测试的现象，如何快速排出假开路和 假短路是每个测试员需要掌握的。 7.1 拼版形式对测试效率的拼版形式对测试效率的影响影响 经过在一线的实际操作和观察，发现拼版形式会对测试的效率产出重大影 响，选择最佳的拼版形式，是提高测试效率的一种重要方法，以现在最常见的 四拼为例，当拼版形式如图一时测试的方向是固定的只能朝一个方式放置，如 果第一单元出现了开路就只能流到下工序的修板才能判断出是真开路还是假开 路，这种拼版方式误测率很高，影响测试效率。若把拼版形式变为图二的形式， 对同一块板有两个方向可以测试，假如正测时第一单元出现了开路，只需把板 换个方向再测一次，若开路点变到了第四单元，说明这个开路是真开路，打印 11 出坏点位置编号就可以了。如果换方向后开路点还在第一单元，则说明是这个 点是假点，即假开路。有可能是是针盘出现了问题，这样只需几秒就能迅速判 断出真假开短路。随着现在 PCB 制造技术的迅速发展，出现开路的情况越来越 少，而测试技术的局限性越来越大，所以测出的开路很多都是假点，换个方向 测试能大大减小误测的次数。同时还能判断出哪个针点出现了问题，节省了很 多时间，提高了测试的效率。 图一 图二 7.2 歪针现象歪针现象的排除方法的排除方法 随着 PCB 高密度互