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    电路板PCB测试性技术发展之路

    发布时间:2020-11-04

    浏览次数:566

         功能测试技术的复兴是表面贴装器件和电路板小型化的必然结果。任何系统一旦小到难于探测基内部,所剩下原就只有一些和系统外界打交道的输入输出通道了,而这正是功能测试的用武之地。

          这一情况,和三四十年以前,功能测试发展的早期一模一样。然而和过去不同的是,今天功能测试仪器的国际标准(如PXI、VXI等)已渐趋成熟,标准仪器模块和虚拟仪器软件技术已经普遍使用,这大大增加了未来功能测试仪器的通用性和灵活性,并有助于降低成本。同时,电路板可测试性设计成果、甚至超大规模混合集成电路的可测试性设计成果都可能被移植到功能测试技术中去。利用边界扫描技术的标准接口和相应的可测试性设计,功能测试仪和在线测试设备一样可以用来对系统进行在线编程。无疑,未来的功能测试仪将告诉我们比“合格或不合格”这样的判语多得多的信息。

          表面贴装器件和电路一直处于无休止的小型化进程中,并无情地驱使一些相关测试技术的淘汰和演变。在电子产品小型化的进化压力之下,技术也像物种一样,遵循着“适者生存”的简单法则。留心看看测试技术的发展之路,可以帮助我们预测未来。

          自从表面贴装技术(SMT)开始逐渐取代插孔式安装技术以来,电路板上安装的器件变得越来越小,而板上单位面积所包含的功能则越来越强大。

          就无源表面贴装器件来说,十年前铺天盖地被大量使用的0805器件,今天的使用量只占同类器件总数的大约10%;而0603器件的用量也已在四年前就开始走下坡路,取而代之的是0402器件。目前,更加细小的0201器件则显得风头日盛。从0805转向0603大约经历了十年时间。无疑,我们正处在一个加速小型化的年代。再来看表面贴装的集成电路。从十年前占主导地位的四方扁平封装(QFP)到今天的芯片倒装(FC)技术,其间涌现出五花八门的封装形式,诸如薄型小引脚封装(TSOP)、球型阵列封装(BGA)、微小球型阵列封装(μBGA)、芯片尺度封装(CSP)等。纵观芯片封装技术的演变,其主要特征是器件的表面积和高度显著减小,而器件的引脚密度则急聚增加。以同等逻辑功能复杂性的芯片来讲,倒装器件所占面积只有原来四方扁平封装器件所占面积的九分之一,而高度大约只有原来的五分之一。

          微型封装元件和高密度PCB带来测试新挑战

          表面贴装器件尺寸的不断缩小和随之而来的高密度电路安装,对测试带来了极大的挑战。传统的人工目检即使对于中等复杂程度的电路板(如300个器件、3500个节点的单面板)也显得无法适从。曾经有人进行过这样的试验,让四位经验丰富的检验员对同一块板子的焊点质量分别作四次检验。结果是,第一位检验员查出了其中百分之四十四的缺陷,第二位检验员和第一位的结果有百分之二十八的一致性,第三位检验员和前二位有百分之十二的一致性,而第四位检验员和前三位只有百分之六的一致性。这一试验暴露了人工目检的主观性,对于高度复杂的表面贴装电路板,人工目检既不可靠也不经济。而对采用微小球型阵无封装、芯片尺度封装和倒装芯片的表面贴装电路板,人工目检实际上是不可能的。

          不仅如此,由于表面贴装器件引脚间距的减小和引脚密度的增大,针床式在线测试也面临着“无立锥之地”的困境。据北美电子制造规划组织预计,在2003年后利用在线测试对高密度封装的表面贴装电路板检测将无法达到满意的测试覆盖率。以1998年100%的测试覆盖率为基准,估计在2003年后这测试覆盖率将不足50%,而到2009年后,测试覆盖率将不足10%。至于在线测试技术还存在的背面电流驱动、测试夹具费用和可靠性等问题的困扰,已无需再更多考虑仅仅因为未来不足10%的测试覆盖率,就已经注定了这一技术在今后的命运。

          那么,在人类目力无法胜任,机器探针也无处触及的情况下我们能否把电路板交给最后的功能测试?我们能否忍受好几分钟的测试却只知道电路板是发了是坏,却不知道这“黑箱”里究竟发生了什么?

          光学检测技术带来测试新体验技术的发展绝不会因为上述困难就停滞不前,测试检验设备制造商推出了像自动光学检验设备和X-射线检验设备这样的产品来应对挑战。

          事实上,这两种设备在被大量用于电路板制造工业以前,就已经在半导体芯片制造封装过程中得到了广泛的应用。不过,它们还需要进一步的创新才能真正应对由表面贴装器件小型化和高密度电路板带来的测试困难。

          与此同时,业界主要的在线测试和功能测试设备厂商已经无法满足未来发展的趋势。他们采取的对策是通过并购相对较小的自动光学检验设备和X-射线检验设备厂商,来使自己迅速掌握相关的技术并很快地切入市场。

          无论是自动光学检验技术还是自动X-射线检验技术,尽管它们可以帮助完成人工目检难以胜任的工作,其可靠性还不完全令人满意。这些技术都高度依赖计算机图像处理技术,如果原始的光学图像或X-射线图像提供的信息不足,又或者图像处理算法不够有效,就可能导致误判。所幸的是,工程师在光学和X-射线技术应用方面已经积累了相当丰富的经验,所以在未来几年里,预计高分辨率电路板光学图像和真三维X-射线图像生成方面的技术还将有所进展。

          另外,今天相对廉价的存储和计算技术,使得处理大容量图像信息成为可能。这一领域亟待创新的是图像处理的算法,以及将最基本的图像增强有力和模式识别技术怀专家系统相结合。这些专家系统以电路板的计算机畏助设计和制造数据(CAD-CAM)为基础,结合生产线上的经验数据,可以进行自我学习,并自我完善检验判别的算法。这一领域的另一个可能的发展方向是拓展使用光谱的范围,目前业界已经开始尝试对板子在加电的情况下,捕捉并分析电路板的红外图像。通过将红外图像和标准图象进行比较,找出“过热”或“过冷”的点,从而反映出板子的制造缺陷。

          在线测试已是强弩之末

          对在线测试技术来说,制造商和业界正在努力寻求这样一个目标:通过尽可能多的电路板电性能缺陷信息。

          主要有三方面的工作正围绕这一目标展开:

          第一是加强电路板可测试性设计的研究和实施应用,包括利用已成为工业标准的边界扫描技术(数字器件:IEEE1149.1;混合器件:IEEE1149.4)和其它内建测试技术。

          第二是充分运用电路理论和电路板的计算机辅助设计数据,开发更先进的测试算法。这种算法使得通过测试部分节点,就可以推算其它一些节点的电状态。

          第三是平衡利用在线测试和其他测试设备的资源,优化总的测试检验架构。

          不过,尽管有这些努力,在线测试的重要性和主导地位已经动摇。相反,曾经因为在线测试的兴起而相对发展缓慢的功能测试技术将重新获得发展的动力。

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