在线测试技术的现状和发展

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      1 引言
　　在线测试曾作为组装后PCB测试的主导技术而占据市场绝对优势，但随着电子组装技术的发展，PCB的密度越来越高，测试点间距越来越小，测试点数量越来越多，这一切都给传统的测试技术带来挑战，加之各种新型测试技术的不断出现，在线测试技术何去何从?我们不妨仔细了解一下在线测试技术的特点，以及设备制造商为迎接这一挑战所作的努力，根据测试方式的不同，在线测试仪可分为针床测试和飞针测试2种。
　　2 针床在线测试技术
　　2.1 针床测试设备的结构和原理
　　传统的针床在线测试仪测量时使用专门的针床与已焊接好的线路板上的元器件接触(见图1)，并用数百毫伏电压和10mA以内电流进行分力隔离测试，从而精确地测出所装电阻、电感、电容、二极管、三极管、可控硅、场效应管、集成块等通用和特殊元器件的漏装、错装、参数值偏差、焊点连焊、线路板开短路等故障，并将故障是哪个元件或开短路位于哪个点准确告诉用户，针床式在线测试仪优点是测试速度快，适合于单一品种民用型家电线路板极大规模生产的测试，而且主机价格较便宜。但是随着线路板组装密度的提高，特别是细间距SMT组装以及新产品开发生产周期越来越短，线路板品种越来越多，针床式在线测试仪存在一些难以克服的问题，测试用针床夹具的制作、测试周期长、价格贵;对于一些高密度SMT线路板由于测试精度问题无法进行测试。
　　


　　在线测试仪所具有的一些特点：
　　(1)即刻判断和确定缺陷;
　　(2)能检测出绝大多数生产问题;
　　(3)包含一个线路分析模块，测试生成器和元器件库;
　　(4)提供系统软件，支持写测试和评估测试;
　　(5)对不同的元器件能进行模型测试。
　　要进行在线测试，在线测试仪必需做两件事"触及"和"隔离"，它必需能触及所有需测元器件。显然，要分别逐个测试，测试仪必定要接触到每个器件的每个脚。另外，在线测试仪必需能隔离周围器件对被测器件的影响，因为器件和器件之间存在线路连接，需专门的隔离技术使被测器件不受其他器件影响，要触及PCB上的每个测试点，需要一个特殊的测试工具-针床，针床上有许多弹性小探针，利用它们，就可以触及测试点了，利用这些小探针也隔离了周围器件对被测器件的影响，每个PCB都需要一个和它相符的测试针床，针床的作用是连接在在线测试仪内部测量仪器模块和被测试节点。因测试可以是模拟、数字和混合，每个测试针都能在测试程序控制下与模拟或数字测量仪表模块相连。每个测试仪内部有2组继电器，一组为SCANNER，连接任一测试点和测量仪表总线;另一组继电器称MULTIPLEXER或MUX，连接测量仪表总线和测量仪表模块，见图2。
　　


　　2.2 模拟器件的测试
　　以测量电阻为例，如图3所示，在在线情况下的测量与一个独立电阻的测量必然存在很大差别，流经Rx得电流经R3和R4分流部分电流后，其余流入安培表。取决于分流电路电阻特性，由此计算的Rx阻值误差可能很大。
　　



　　


　　利用隔离技术阻断分流是模拟在线测量的关键，图4左边R1，R2，R3和R4处分别加入隔离点后，通过简化可得到右边的等效电路图，再在电流表线路中使用运算放大器，取代安培表，利用运算放大器同向端和反向端虚短的特性，如图5，就可消除R3、R4上的分流，有此可得到：
　　
        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。
　　


　　(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。
　　


　　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。
　　


　　2.4 针床测试的局限
　　



　　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。
　　


　　(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。
　　


　　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。