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飞针测试技术探究

  我国的PCB研制工作始于1956年,1963-1978年,逐步扩大形成PCB产业。改革开放后20多年,由于引进国外先进技术和设备,单面板、双面板和多层板均获得快速发展,国内PCB产业由小到大逐步发展起来。中国由于下游产业的集中及劳动力土地成本相对较低,成为发展势头最为强劲的区域。2002年,成为第三大PCB产出国。2003年,PCB产值和进出口额均超过60亿美元,首度超越美国,成为世界第二大PCB产出国,产值的比例也由2000年的8.54%提升到15.30%,提升了近1倍。2006年中国已经取代日本,成为全球产值最大的PCB生产基地和技术发展最活跃的国家。我国PCB产业近年来保持着20%左右的高速增长,远远高于全球PCB行业的增长速度。
  飞针测试是目前PCB测试一些主要问题的最新解决办法。它用探针来取代针床,使用多个由马达驱动的、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了。飞针测试的出现已经改变了低产量与快速转换(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几个小时就可以了,大大缩短产品设计周期和投入市场的时间。
  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。工作时在测单元(UUT, unit under test)通过皮带或者其它UUT传送系统输送到测试机内,然后固定测试机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(multiplexing)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上的其它元件通过探针器在电气上屏蔽以防止读数干扰。飞针测试机可检查短路、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5-15微米的范围,飞针测试机可精密地探测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4-6周的测试开发周期;大约10,000 美元-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。因为具有紧密接触屏蔽的UUT 的能力和使新产品更快投入市场(time-to-market)的能力,飞针测试是一个无价的生产资源。还有,由于不需要有经验的测试开发工程师,该系统还具有节省人力、节省时间等好处。
  2、测试开发与调试
  飞针测试机的编程比传统的ICT 系统更容易、更快捷。以 GenRad 公司的GRPILOT系统为例,测试开发员将设计工程师的CAD数据转换成可使用的文件,这个过程需要1-4 个小时。然后该新文件通过测试程序运行,产生一个 .IGE和 .SPC 文件,再放入一个目录。然后软件运行在目录内产生需要测试UUT的所有文件。短路的测试类型是从选项页面内选择。测试机在UUT上使用的参考点从CAD信息中选择。UUT放在平台上固定。在软件开发完成后,该程序被“拧进去”,以保证选择到尽可能最佳的测试位置。这时加入各种元件“保护”(元件测试隔离)。一个典型的1000个节点的UUT的测试开发所花的时间是 4-6 个小时。在软件开发和装载完成以后,开始典型的飞针测试过程的测试调试。调试是测试开发员接下来的工作,需要用来获得尽可能最佳的UUT测试覆盖。在调试过程中,检查每个元件的上下测试极限,确认探针的接触位置和零件值。典型的1000个节点的UUT调试可能花 6-8小时。飞针测试机的开发容易和调试周期短,使得UUT的测试程序开发对测试工程师的要求相当少。在接到CAD数据和UUT准备好测试之间这段短时间,允许制造过程的最大数量的灵活性。相反,传统ICT的编程与夹具开发可能需要160小时和调试 16-40 小时。
  3、飞针测试优点
  尽管有上述这些缺点,飞针测试仍不失为一个有价值的工具。其优点包括:快速测试开发;较低成本测试方法;快速转换的灵活性;以及在原型阶段为设计人员提供快速的反馈。因此,和传统的ICT比较,飞针测试所要求的时间通过减少总的测试时间足以弥补。 使用飞针测试系统的好处大于缺点。例如,装配过程中,这样一个系统提供在接收到CAD文件几小时后就可以开始生产。因此,原型电路板在装配后数小时即可测试,不象ICT,高成本的测试开发与夹具可能将过程延误几天,甚至几月。除此之外,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,而不是工程师,就可以操作测试。飞针测试也存在灵活性,做到快速测试转换和过程错误的快速反馈。还有,因为飞针测试不需要夹具开发成本,所以它是一个可以放在典型测试过程前面的低成本系统。并且因为飞针测试机改变了低产量和快速转换装配的测试方法,通常需要几周开发的测试现在数小时就可以得到。
  4、飞针测试的特性和软件支持
  测试范围和软件特性 本公司的飞针测试仪是德国AGT公司的A3型号测试仪,它的最大测试面积550×430mm,最大板厚为6mm。操作系统是WINNT4.0,所需软件主要有A3 TEST PLAYER,A3 DEBUGGER,DPSwinzard,VIEW2000,IGI(Launch EXT6.58),Browser等等。 IGI是处理A3 TEST PLAYER所需数据的软件,它对GERBER数据进行处理。定义层名,排层序,检查焊盘的属性、图形的坐标,优化孔。最重要的一项就是提取网表,输出A3测试文件。在做孔的优化的时候还要注意,环宽过小,很大的孔(如定位孔),应手工优化掉,防止断针。 DPS是用于输出印制板的位置坐标、拼板、测试孔数以及加扫描点的软件。从OUTPUT文件夹中调入*.les文件,软件会有提示,根据提示Select pads to be used for scanning进入加扫描点,顶、底层每层最多加4个。若测试时印制板板过大、过密,应在软件中多分几个区域,多加几个扫描点,但应注意隔离线不应压在图形元件上,以防止机器出现错误指令,不能正常工作。 若DPS软件最后生成不了测试程序,可能有以下几点原因:
  a)IGI软件中图形不在第一象限,这样就引以测试范围超大,应将其移入正常使用区域
  b)天线点选择不正确,反复试验,将天线点上、下交换,即可达到目的
  c)选择天线时不应选择太小的网络,这样不能作为测试全板的标准
  A3 DEBUGGER是校正飞针测试仪的软件。测试仪在经过一定时间的测试后8支测试头会产生误差,因此机器要定期校正,以保证测试的准确性。 BROWSER是用来纠错的,当印制板有开路或短路的时候,用它来找到确切的位置,然后在该处标记。A3 TEST PLAYER就是测试软件,应用这个软件选择测试模式(多采用Supervisor模式),测试类型,探针压力(pressure)、移动速度(strokes)、高度。还要确定如何选择扫描点,有人工(MANUAL)和自动(AUTOMATIC)两种。第一次进行测试的时候要先人工定义由在DPS给出的扫描点,以后再测试的时候用自动的就可以了。在关闭A3系统时,应先托架归于零点,以防8支测试头弹下时撞折测试。
  目前我国在PCB测试方面仍处在发展阶段,作为全国最大的PCB抄板加工打样厂商——深圳市龙人计算机有限公司拥有国内外先进的自动化生产线和检测设备,公司拥有2条全自动沉铜线,曝光机4台,飞针测试机60台,AOI光测机4台。并于2012年2月,取消测试一半的服务,改为全部测试服务,全部免收测试费。