高密度印刷线路板的功能测试

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功能测试正变得越来越重要，然而与在线测试一样，技术的发展和PCB设计会使测试范围受到限制。尽管在编程的软件环境方面已取得了很大的进展，有助于克服其中一些困难，但若想按照你的测试策略成功实施功能测试，还有很多问题需要避免并且要做更周密的准备。本文就介绍成功实施功能测试应考虑的一些因素和应对方法策略。
       
        电子产品功能测试有着其盛衰的历史，60年代后期它是第一种自动化测试方法，随着70年代后期在线测试技术的出现，功能测试似乎注定要让位于编程与判断日趋简易快速的在线测试。然而如今，潮流又变了。在线测试目前有一个问题越来越严重，即探测方式。据美国NEMI（国家电子制造组织）分析，到2003年底可探测到的节点基本上将为零，如果无法进行探测，那么在线测试几乎就没有用武之地。
       
        功能测试正日益更多地用于生产线后工序中，甚至也用于进行工艺中段的测试，但是其体系和实施方法与以前的测试几乎已完全不同。如今的测试系统在多数情况下速度更快，结构也更加紧凑，功能测试对于验证产品的总体功能性、维护校准信息、向ISO9000程序提供数据以及保证高风险产品，如医疗设备的质量等都是不可缺少的。
       
        测试的实施方法受预算、产量以及待测产品（UUT）设计等因素的影响，而正是最后一项对到底能测出什么影响最大，预算和产量则会限制测试的项目。为了让测试得到尽可能高的故障覆盖率，在设计阶段就必须注意元器件的选择和PCB布局，遗憾的是实际情况并不总是这样，急于进入市场和紧张的开发经常会打乱你的如意算盘。
       
        这里对如何处理这些限制进行一个初步分析。针对测试而不得不作的一些让步（特别是在设计早期阶段）可能会影响设计，但却使测试工作更容易，并提高测试故障覆盖率。请注意下列问题和建议不是每个测试工程师都要面临或需要解决的，这些问题许多会相互影响，因此应对每个问题进行评估，并在需要时灵活应用。
       
        待测产品测试要求是什么？
       
        在讨论设计、测试系统、软件以及测试方法之前，先要了解“对象”——待测产品，这里不光是指PCB或最终组装件本身，而且还需要明白将要生产多少、预计的故障等等，包括：产品种类
       
        结构（单个PCB/预先做好的PCB/最终产品）
       
        测试规范计划测试点预期产量（每条线/每天/每班等）
       
        预计故障类型
       
        很明显，上面忽略了“预算”，但是只有对上述各项了解之后才能确定某件产品测试要花多少钱，在弄清楚全面测试UUT需要什么后再开始讨论资金问题，也只有在这个时候才能知道如何进行折衷以使工作完成。初期的报告完成后，公司可能会给你一个预算并祝你“好运”——盘算着你能作出什么，此时确实需要“好运”，但还要有其它东西，下面列出了其中一些。
       
        高密度问题表面上看，元件密度好象对功能测试来讲不是问题，毕竟这里主要考虑的是“给一个输入而得到正确的输出”。诚然它有些过于单纯，但实际情况就是如此。向UUT输入端施加给定的激励信号，一定时间后UUT将会输出特定的系列数据，与I/O连接器相连应是唯一的接入问题。
       
        但是元器件密度也有一定影响，看看图1的PCB样品（或你自己的设计），你先得回答下面的问题；需要接入校准电路吗？
       
        图1 PCB样品
       
        对UUT具体元件或特定区域进行诊断是否重要？
       
        如果对上述问题的回答持肯定意见，那么探查是由人来做还是用某种自动机械装置？
       
        要使用自动化测试装置吗？
       
        采用的I/O连接器是否容易接触或连接？如果不是，那么连接器是一个能通过针床接触的通孔安装件吗？
       
        下面我们来逐个讨论这些问题。
       
        校准电路功能测试经常用于模拟电路的校准或验证，包括检查UUT的内部（如射频电路的中频部分）以验证其工作，要这样做就可能需要测试点或测试焊盘。高频设计的一个问题是测试点的相对阻抗（路径长度、测试焊盘大小等）加上探针的阻抗会影响该电路的性能，在设置测试区时应记住这点，而自动机械探测和针床夹具（本文后面讨论）只需较小的测试区即可，可缓和这一矛盾，这主要是由于和人工操作相比，自动机械本身的精度可使测试仪探测到更小的区域。
       
        故障诊断如果只是用功能测试作为通过/不通过的筛选而不需要测量校准点，可以将本节跳过，因为此时应用可能不需要用到探针。在多数情况下，功能测试都进行通过/不通过检测，这是因为功能测试在诊断故障方面非常缓慢，特别是在出现多个故障的情况下。但是在某些工业里，功能测试正在深入到制造工艺里面，例如蜂窝电话制造，一些制造商要在PCB一级进行某些关键测量，也即在最终组装前的装配过程中进行，这是由手机易被淘汰的性质所决定的。换言之，手机被设计为以较低成本进行装配，它们不易拆卸，因此在终测前对功能进行验证可以节省返工成本并减少可能出现的废品（因为手机拆开时会被损坏）。
       
        所以要探查PCB就需要有充足的测试点，例如检查一个间距20mil的表面安装器件的J形引线就不是很方便，而BGA则更没有可能。根据美国表面安装技术协会（SMTA）的建议，测试点间隔最小为0.040英寸，焊盘之间的间隔取决于测试区四周的元件高度、探针大小等等，但是0.200英寸间隔应是最小要求，特别是人工探查区域。很显然，测试夹具和自动机械探针更加精确一些。
       
        测试设计无庸置疑，一个便于测试的设计在生产中要比随随便便的设计更容易处理。但工程人员通常希望在最小的体积里以最低成本装入更多的技术，这种思想增加了在线测试和功能测试中与线路板接触的限制。
       
        对这类问题市场也做出了反应，现在已有软件工具能对设计作分析，根据装配和测试设备规定的规则进行审查，提出使PCB更易于生产的建议。如果这些工具适用于你的产品，建议对每个设计都作分析，至少它能很快指出哪里发现了测试接触的问题，其最终目的是使产品更易于制造。
       
        满足高密度要求的结构配置
       
        高密度可以是PCB尺寸小，也可以是UUT上有大量电路，或者二者兼有，上面的标题说明对系统的机械和电气结构必须要进行考虑以满足测试的要求。在机械方面需考虑的问题有：
       
        如何支持UUT测试区多层板测试（测试仪能做并行测试吗？）
       
        I/O连接器
       
        在电气方面，如果是多层板，那么哪个更经济呢？是采用多仪器方式还是用开关转换器加少量仪器的方式？根据UUT结构或所需的仪器类型，答案可能并不容易得出。
       
        自动测试还是人工测试？
       
        随着每条生产线的产量和速度增加（实现规模经济的一个主要方法是提高每个测试设备的生产率），应该要考虑能否使测试过程自动化。自动化功能测试实际上省去了装载/卸载的时间，并不需要再增加其它测试系统，在考虑提高产量的时候通常不会顾及输运设备增加的成本。
       
        测试自动化的缺点包括有一个初始硬件投资、与生产线整合的时间、测试系统能否与生产线速度保持同步以及如果设备出故障而会给生产带来的问题等等。离线式测试仪不会直接影响装配线，如果测试仪出现故障，可以把产品从生产线上拿出放在一边继续生产，这样生产线不会受影响，不过处理时间和人工也是个问题。
       
        应记住人工测试通常可能要用若干电缆和连接器连接UUT，这些电缆与针床夹具上的探针相比较，其使用寿命一般较低，因此应将它纳入维护计划中，这可以降低间发性故障。
         
        夹具问题
       
        由于生产线产量、车间场地和劳动率等不同，夹具可以从简单带有插销和连接电缆的胶合板到复杂的由传送带连接到装配线的全自动针床测试夹具。显然，这些因素说明并不存在一个固定的方案。
       
        一个人工装载双面夹具，一个带状电缆连接到主要的I/O连接器上，顶端安装的探针可以接触到UUT上的关键测试点。这是一家中等规模工厂所要求的理想设计方案，操作者必须连上带状电缆，关上顶板然后再开始测试。这里不用人工探查进行校准和诊断，因为顶板能接触到所有相关区域。带状电缆和顶板探针连线应设计得容易更换，这是由于这些电缆经常会弯曲而受到磨损。
       
        在同夹具供应商打交道时，要记住这些问题，同时还要想到产品将在何处制造，这是一个很多测试工程师会忽略的地方。例如我们假定测试工程师身在美国的加利福尼亚，而产品制造地却在泰国。测试工程师会认为产品需要昂贵的自动化夹具，因为在加州厂房价格高，要求测试仪尽量少，而且还要用自动化夹具以减少雇用高技术高工资的操作工。但在泰国，这两个问题都不存在，让人工来解决这些问题更加便宜，因为这里的劳动力成本很低，地价也很便宜，大厂房不是一个问题。因此有时候一流设备在有的国家可能不一定受欢迎。
       
        操作员技术水平
       
        在高密度UUT中，如果需要校准或诊断则很可能需要由人工进行探查，这是由于针床接触受到限制以及测试更快（用探针测试UUT可以迅速采集到数据而不是将信息反馈到边缘连接器上）等原因，所以要求由操作员探查UUT上的测试点。不管在哪里，都应确保测试点已清楚地标出。
       
        探针类型和普通操作工也应该注意，需要考虑的问题包括：
       
        探针大过测试点吗？
       
        探针有使几个测试点短路并损坏UUT的危险吗？
       
        对操作工有触电危害吗？
       
        每个操作工能很快找出测试点并进行检查吗？测试点是否很大易于辨认呢？
       
        操作工将探针按在测试点上要多长时间才能得出准确的读数？如果时间太长，在小的测试区会出现一些麻烦，如操作工的手会因测试时间太长而滑动，所以建议扩大测试区以避免这个问题。
       
        考虑上述问题后测试工程师应重新评估测试探针的类型，修改测试文件以更好地识别出测试点位置，或者甚至改变对操作工的要求。
       
        自动探查
       
        在某些情况下会要求使用自动探查，例如在PCB难以用人工探查，或者操作工技术水平所限而使得测试速度大大降低的时候，这时就应考虑用自动化方法。
       
        自动探查可以消除人为误差，降低几个测试点短路的可能性，并使测试操作加快。但是要知道自动探查也可能存在一些局限，根据供应商的设计而各有不同，包括：
       
        UUT的大小同步探针的数量两个测试点相距有多近？
       
        测试探针的定位精度系统能对UUT进行两面探测吗？
       
        探针移至下一个测试点有多快？
       
        探针系统要求的实际间隔是多少？（一般来讲它比离线式功能测试系统要大）
       
        自动探查通常不用针床夹具接触其它测试点，而且一般它比生产线速度慢，因此可能需要采取两种步骤：如果探测仪仅用于诊断，可以考虑在生产线上采用传统的功能测试系统，而把探测仪作为诊断系统放在生产线边上；如果探测仪的目的是UUT校准，那么唯一的真正解决办法是采用多个系统，要知道这还是比人工操作要快得多。
       
        如何整合到生产线上也是必须要研究的一个关键问题，生产线上还有空间吗？系统能与传送带连接吗？幸好许多新型探测系统都与SMEMA标准兼容，因此它们可以在在线环境下工作。
       
        边界扫描
       
        这项技术早在产品设计阶段就应该进行讨论，因为它需要专门的元器件来执行这项任务。在以数字电路为主的UUT中，可以购买带有IEEE 1194（边界扫描）支持的器件，这样只做很少或不用探测就能解决大部分诊断问题。边界扫描会降低UUT的整体功能性，因为它会增大每个兼容器件的面积（每个芯片增加4～5个引脚以及一些线路），所以选择这项技术的原则，就是所花费的成本应该能使诊断结果得到改善。应记住边界扫描可用于对UUT上的闪速存储器和PLD器件进行编程，这也更进一步增加了选用该测试方法的理由。
       
        如何处理一个有局限的设计？
       
        如果UUT设计已经完成并确定下来，此时选择就很有限。当然也可以要求在下次改版或新产品中进行修改，但是工艺改善总是需要一定的时间，而你仍然要对目前的状况进行处理。
       
        这里的主要指导思想是你能做多少测试。按照预期的故障类型也许是够的，但如果不够，通常就需要在更加昂贵的测试系统之间取得一个微妙平衡，将UUT的产品销售成本（COGS）与边际利润进行权衡后选择更精确的探测方法。所以，答案就是没有一个简单的答案。
       
        对将来设计的最好参考意见就是目前功能测试在受到限制时的完成情况，面临这些局限时，应记下在生产线速度规定的时间范围里能完成的测试，以及生产线上拥有的测试仪数量。时间限定是很关键的，因为不可能让产量向你作让步，故而你的工作就是为了时间而牺牲测试覆盖率，所以才会要求改进以便将来能解除这些限制！
       
        本文结论
       
        技术的发展使我们的生活更加美好，但对测试工程师是个例外。更密集的PCB、更高的总线速度以及模拟RF电路等等对测试都提出了前所未有的挑战，这种环境下的功能测试需要认真的设计、深思熟虑的测试方法和适当的工具才能提供可信的测试结果，充足的准备和仔细筛选工具将可以达到事半功倍的效果。