高密度印刷線路板的功能測試

功能測試正變得越來越重要，然而與在線測試一樣，技術(shù)的發(fā)展和PCB設(shè)計會使測試范圍受到限制。盡管在編程的軟件環(huán)境方面已取得了很大的進(jìn)展，有助于克服其中一些困難，但若想按照你的測試策略成功實施功能測試，還有很多問題需要避免并且要做更周密的準(zhǔn)備。本文就介紹成功實施功能測試應(yīng)考慮的一些因素和應(yīng)對方法策略。

電子產(chǎn)品功能測試有著其盛衰的歷史，60年代后期它是第一種自動化測試方法，隨著70年代后期在線測試技術(shù)的出現(xiàn)，功能測試似乎注定要讓位于編程與判斷日趨簡易快速的在線測試。然而如今，潮流又變了。在線測試目前有一個問題越來越嚴(yán)重，即探測方式。據(jù)美國NEMI(國家電子制造組織)分析，到2003年底可探測到的節(jié)點基本上將為零，如果無法進(jìn)行探測，那么在線測試幾乎就沒有用武之地。

功能測試正日益更多地用于生產(chǎn)線后工序中，甚至也用于進(jìn)行工藝中段的測試，但是其體系和實施方法與以前的測試幾乎已完全不同。如今的測試系統(tǒng)在多數(shù)情況下速度更快，結(jié)構(gòu)也更加緊湊，功能測試對于驗證產(chǎn)品的總體功能性、維護(hù)校準(zhǔn)信息、向ISO9000程序提供數(shù)據(jù)以及保證高風(fēng)險產(chǎn)品，如醫(yī)療設(shè)備的質(zhì)量等都是不可缺少的。

測試的實施方法受預(yù)算、產(chǎn)量以及待測產(chǎn)品(UUT)設(shè)計等因素的影響，而正是最后一項對到底能測出什么影響最大，預(yù)算和產(chǎn)量則會限制測試的項目。為了讓測試得到盡可能高的故障覆蓋率，在設(shè)計階段就必須注意元器件的選擇和PCB布局，遺憾的是實際情況并不總是這樣，急于進(jìn)入市場和緊張的開發(fā)經(jīng)常會打亂你的如意算盤。

這里對如何處理這些限制進(jìn)行一個初步分析。針對測試而不得不作的一些讓步(特別是在設(shè)計早期階段)可能會影響設(shè)計，但卻使測試工作更容易，并提高測試故障覆蓋率。請注意下列問題和建議不是每個測試工程師都要面臨或需要解決的，這些問題許多會相互影響，因此應(yīng)對每個問題進(jìn)行評估，并在需要時靈活應(yīng)用。

待測產(chǎn)品測試要求是什么?

在討論設(shè)計、測試系統(tǒng)、軟件以及測試方法之前，先要了解“對象”——待測產(chǎn)品，這里不光是指PCB或最終組裝件本身，而且還需要明白將要生產(chǎn)多少、預(yù)計的故障等等，包括：產(chǎn)品種類

結(jié)構(gòu)(單個PCB/預(yù)先做好的PCB/最終產(chǎn)品)

測試規(guī)范計劃測試點預(yù)期產(chǎn)量(每條線/每天/每班等)

預(yù)計故障類型

很明顯，上面忽略了“預(yù)算”，但是只有對上述各項了解之后才能確定某件產(chǎn)品測試要花多少錢，在弄清楚全面測試UUT需要什么后再開始討論資金問題，也只有在這個時候才能知道如何進(jìn)行折衷以使工作完成。初期的報告完成后，公司可能會給你一個預(yù)算并祝你“好運(yùn)”——盤算著你能作出什么，此時確實需要“好運(yùn)”，但還要有其它東西，下面列出了其中一些。

高密度問題表面上看，元件密度好象對功能測試來講不是問題，畢竟這里主要考慮的是“給一個輸入而得到正確的輸出”。誠然它有些過于單純，但實際情況就是如此。向UUT輸入端施加給定的激勵信號，一定時間后UUT將會輸出特定的系列數(shù)據(jù)，與I/O連接器相連應(yīng)是唯一的接入問題。

但是元器件密度也有一定影響，看看圖1的PCB樣品(或你自己的設(shè)計)，你先得回答下面的問題;需要接入校準(zhǔn)電路嗎?

圖1 PCB樣品

對UUT具體元件或特定區(qū)域進(jìn)行診斷是否重要?

如果對上述問題的回答持肯定意見，那么探查是由人來做還是用某種自動機(jī)械裝置?

要使用自動化測試裝置嗎?

采用的I/O連接器是否容易接觸或連接?如果不是，那么連接器是一個能通過針床接觸的通孔安裝件嗎?

下面我們來逐個討論這些問題。

校準(zhǔn)電路功能測試經(jīng)常用于模擬電路的校準(zhǔn)或驗證，包括檢查UUT的內(nèi)部(如射頻電路的中頻部分)以驗證其工作，要這樣做就可能需要測試點或測試焊盤。高頻設(shè)計的一個問題是測試點的相對阻抗(路徑長度、測試焊盤大小等)加上探針的阻抗會影響該電路的性能，在設(shè)置測試區(qū)時應(yīng)記住這點，而自動機(jī)械探測和針床夾具(本文后面討論)只需較小的測試區(qū)即可，可緩和這一矛盾，這主要是由于和人工操作相比，自動機(jī)械本身的精度可使測試儀探測到更小的區(qū)域。

故障診斷如果只是用功能測試作為通過/不通過的篩選而不需要測量校準(zhǔn)點，可以將本節(jié)跳過，因為此時應(yīng)用可能不需要用到探針。在多數(shù)情況下，功能測試都進(jìn)行通過/不通過檢測，這是因為功能測試在診斷故障方面非常緩慢，特別是在出現(xiàn)多個故障的情況下。但是在某些工業(yè)里，功能測試正在深入到制造工藝?yán)锩妫绶涓C電話制造，一些制造商要在PCB一級進(jìn)行某些關(guān)鍵測量，也即在最終組裝前的裝配過程中進(jìn)行，這是由手機(jī)易被淘汰的性質(zhì)所決定的。換言之，手機(jī)被設(shè)計為以較低成本進(jìn)行裝配，它們不易拆卸，因此在終測前對功能進(jìn)行驗證可以節(jié)省返工成本并減少可能出現(xiàn)的廢品(因為手機(jī)拆開時會被損壞)。

所以要探查PCB就需要有充足的測試點，例如檢查一個間距20mil的表面安裝器件的J形引線就不是很方便，而BGA則更沒有可能。根據(jù)美國表面安裝技術(shù)協(xié)會(SMTA)的建議，測試點間隔最小為0.040英寸，焊盤之間的間隔取決于測試區(qū)四周的元件高度、探針大小等等，但是0.200英寸間隔應(yīng)是最小要求，特別是人工探查區(qū)域。很顯然，測試夾具和自動機(jī)械探針更加精確一些。

測試設(shè)計無庸置疑，一個便于測試的設(shè)計在生產(chǎn)中要比隨隨便便的設(shè)計更容易處理。但工程人員通常希望在最小的體積里以最低成本裝入更多的技術(shù)，這種思想增加了在線測試和功能測試中與線路板接觸的限制。

對這類問題市場也做出了反應(yīng)，現(xiàn)在已有軟件工具能對設(shè)計作分析，根據(jù)裝配和測試設(shè)備規(guī)定的規(guī)則進(jìn)行審查，提出使PCB更易于生產(chǎn)的建議。如果這些工具適用于你的產(chǎn)品，建議對每個設(shè)計都作分析，至少它能很快指出哪里發(fā)現(xiàn)了測試接觸的問題，其最終目的是使產(chǎn)品更易于制造。

滿足高密度要求的結(jié)構(gòu)配置

高密度可以是PCB尺寸小，也可以是UUT上有大量電路，或者二者兼有，上面的標(biāo)題說明對系統(tǒng)的機(jī)械和電氣結(jié)構(gòu)必須要進(jìn)行考慮以滿足測試的要求。在機(jī)械方面需考慮的問題有：

如何支持UUT測試區(qū)多層板測試(測試儀能做并行測試嗎?)

I/O連接器

在電氣方面，如果是多層板，那么哪個更經(jīng)濟(jì)呢?是采用多儀器方式還是用開關(guān)轉(zhuǎn)換器加少量儀器的方式?根據(jù)UUT結(jié)構(gòu)或所需的儀器類型，答案可能并不容易得出。

自動測試還是人工測試?

隨著每條生產(chǎn)線的產(chǎn)量和速度增加(實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)的一個主要方法是提高每個測試設(shè)備的生產(chǎn)率)，應(yīng)該要考慮能否使測試過程自動化。自動化功能測試實際上省去了裝載/卸載的時間，并不需要再增加其它測試系統(tǒng)，在考慮提高產(chǎn)量的時候通常不會顧及輸運(yùn)設(shè)備增加的成本。

測試自動化的缺點包括有一個初始硬件投資、與生產(chǎn)線整合的時間、測試系統(tǒng)能否與生產(chǎn)線速度保持同步以及如果設(shè)備出故障而會給生產(chǎn)帶來的問題等等。離線式測試儀不會直接影響裝配線，如果測試儀出現(xiàn)故障，可以把產(chǎn)品從生產(chǎn)線上拿出放在一邊繼續(xù)生產(chǎn)，這樣生產(chǎn)線不會受影響，不過處理時間和人工也是個問題。

應(yīng)記住人工測試通常可能要用若干電纜和連接器連接UUT，這些電纜與針床夾具上的探針相比較，其使用壽命一般較低，因此應(yīng)將它納入維護(hù)計劃中，這可以降低間發(fā)性故障。

夾具問題

由于生產(chǎn)線產(chǎn)量、車間場地和勞動率等不同，夾具可以從簡單帶有插銷和連接電纜的膠合板到復(fù)雜的由傳送帶連接到裝配線的全自動針床測試夾具。顯然，這些因素說明并不存在一個固定的方案。

一個人工裝載雙面夾具，一個帶狀電纜連接到主要的I/O連接器上，頂端安裝的探針可以接觸到UUT上的關(guān)鍵測試點。這是一家中等規(guī)模工廠所要求的理想設(shè)計方案，操作者必須連上帶狀電纜，關(guān)上頂板然后再開始測試。這里不用人工探查進(jìn)行校準(zhǔn)和診斷，因為頂板能接觸到所有相關(guān)區(qū)域。帶狀電纜和頂板探針連線應(yīng)設(shè)計得容易更換，這是由于這些電纜經(jīng)常會彎曲而受到磨損。

在同夾具供應(yīng)商打交道時，要記住這些問題，同時還要想到產(chǎn)品將在何處制造，這是一個很多測試工程師會忽略的地方。例如我們假定測試工程師身在美國的加利福尼亞，而產(chǎn)品制造地卻在泰國。測試工程師會認(rèn)為產(chǎn)品需要昂貴的自動化夾具，因為在加州廠房價格高，要求測試儀盡量少，而且還要用自動化夾具以減少雇用高技術(shù)高工資的操作工。但在泰國，這兩個問題都不存在，讓人工來解決這些問題更加便宜，因為這里的勞動力成本很低，地價也很便宜，大廠房不是一個問題。因此有時候一流設(shè)備在有的國家可能不一定受歡迎。

操作員技術(shù)水平

在高密度UUT中，如果需要校準(zhǔn)或診斷則很可能需要由人工進(jìn)行探查，這是由于針床接觸受到限制以及測試更快(用探針測試UUT可以迅速采集到數(shù)據(jù)而不是將信息反饋到邊緣連接器上)等原因，所以要求由操作員探查UUT上的測試點。不管在哪里，都應(yīng)確保測試點已清楚地標(biāo)出。

探針類型和普通操作工也應(yīng)該注意，需要考慮的問題包括：

探針大過測試點嗎?

探針有使幾個測試點短路并損壞UUT的危險嗎?

對操作工有觸電危害嗎?

每個操作工能很快找出測試點并進(jìn)行檢查嗎?測試點是否很大易于辨認(rèn)呢?

操作工將探針按在測試點上要多長時間才能得出準(zhǔn)確的讀數(shù)?如果時間太長，在小的測試區(qū)會出現(xiàn)一些麻煩，如操作工的手會因測試時間太長而滑動，所以建議擴(kuò)大測試區(qū)以避免這個問題。

考慮上述問題后測試工程師應(yīng)重新評估測試探針的類型，修改測試文件以更好地識別出測試點位置，或者甚至改變對操作工的要求。

自動探查

在某些情況下會要求使用自動探查，例如在PCB難以用人工探查，或者操作工技術(shù)水平所限而使得測試速度大大降低的時候，這時就應(yīng)考慮用自動化方法。

自動探查可以消除人為誤差，降低幾個測試點短路的可能性，并使測試操作加快。但是要知道自動探查也可能存在一些局限，根據(jù)供應(yīng)商的設(shè)計而各有不同，包括：

UUT的大小同步探針的數(shù)量兩個測試點相距有多近?

測試探針的定位精度系統(tǒng)能對UUT進(jìn)行兩面探測嗎?

探針移至下一個測試點有多快?

探針系統(tǒng)要求的實際間隔是多少?(一般來講它比離線式功能測試系統(tǒng)要大)

自動探查通常不用針床夾具接觸其它測試點，而且一般它比生產(chǎn)線速度慢，因此可能需要采取兩種步驟：如果探測儀僅用于診斷，可以考慮在生產(chǎn)線上采用傳統(tǒng)的功能測試系統(tǒng)，而把探測儀作為診斷系統(tǒng)放在生產(chǎn)線邊上;如果探測儀的目的是UUT校準(zhǔn)，那么唯一的真正解決辦法是采用多個系統(tǒng)，要知道這還是比人工操作要快得多。

如何整合到生產(chǎn)線上也是必須要研究的一個關(guān)鍵問題，生產(chǎn)線上還有空間嗎?系統(tǒng)能與傳送帶連接嗎?幸好許多新型探測系統(tǒng)都與SMEMA標(biāo)準(zhǔn)兼容，因此它們可以在在線環(huán)境下工作。

邊界掃描

這項技術(shù)早在產(chǎn)品設(shè)計階段就應(yīng)該進(jìn)行討論，因為它需要專門的元器件來執(zhí)行這項任務(wù)。在以數(shù)字電路為主的UUT中，可以購買帶有IEEE 1194(邊界掃描)支持的器件，這樣只做很少或不用探測就能解決大部分診斷問題。邊界掃描會降低UUT的整體功能性，因為它會增大每個兼容器件的面積(每個芯片增加4～5個引腳以及一些線路)，所以選擇這項技術(shù)的原則，就是所花費(fèi)的成本應(yīng)該能使診斷結(jié)果得到改善。應(yīng)記住邊界掃描可用于對UUT上的閃速存儲器和PLD器件進(jìn)行編程，這也更進(jìn)一步增加了選用該測試方法的理由。

如何處理一個有局限的設(shè)計?

如果UUT設(shè)計已經(jīng)完成并確定下來，此時選擇就很有限。當(dāng)然也可以要求在下次改版或新產(chǎn)品中進(jìn)行修改，但是工藝改善總是需要一定的時間，而你仍然要對目前的狀況進(jìn)行處理。

這里的主要指導(dǎo)思想是你能做多少測試。按照預(yù)期的故障類型也許是夠的，但如果不夠，通常就需要在更加昂貴的測試系統(tǒng)之間取得一個微妙平衡，將UUT的產(chǎn)品銷售成本(COGS)與邊際利潤進(jìn)行權(quán)衡后選擇更精確的探測方法。所以，答案就是沒有一個簡單的答案。

對將來設(shè)計的最好參考意見就是目前功能測試在受到限制時的完成情況，面臨這些局限時，應(yīng)記下在生產(chǎn)線速度規(guī)定的時間范圍里能完成的測試，以及生產(chǎn)線上擁有的測試儀數(shù)量。時間限定是很關(guān)鍵的，因為不可能讓產(chǎn)量向你作讓步，故而你的工作就是為了時間而犧牲測試覆蓋率，所以才會要求改進(jìn)以便將來能解除這些限制!

本文結(jié)論

技術(shù)的發(fā)展使我們的生活更加美好，但對測試工程師是個例外。更密集的PCB、更高的總線速度以及模擬RF電路等等對測試都提出了前所未有的挑戰(zhàn)，這種環(huán)境下的功能測試需要認(rèn)真的設(shè)計、深思熟慮的測試方法和適當(dāng)?shù)墓ぞ卟拍芴峁┛尚诺臏y試結(jié)果，充足的準(zhǔn)備和仔細(xì)篩選工具將可以達(dá)到事半功倍的效果。