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處理先進技術板：將X光與ICT結合

By Ed Crane, Ed Kinney and Bill Jeffrey
　　本文介紹，將在線測試與自動X光檢查結合可幫助你降低整體成本，改進産品質量和加速到達市場時間。
　　爲大型、高密度的印刷電路板裝配(PCBA, printed circuit board assembly)發展一個穩健的測試策略是重要的，以保證與設計的符合與功能。除了這些複雜裝配的建立與測試之外，單單投入在電子零件中的金錢可能是很高的 - 當一個單元到最後測試時可能達到25,000美元。由於這樣的高成本，查找與修理裝配的問題現在比其過去甚至是更爲重要的步驟。今天更複雜的裝配大約18平方英寸，18層；在頂面和底面有2900多個元件；含有6000個電路節點；有超過20000個焊接點需要測試。
　　在朗訊加速的製造工廠(N. Andover, MA)，製造和測試藝術級的PCBA和完整的傳送系統。超過5000節點數的裝配對我們是一個關注，因爲它們已經接近我們現有的在線測試(ICT, in circuit test)設備的資源極限(圖一)。我們現在製造大約800種不同的PCBA或“節點”。在這800種節點中，大約20種在5000~6000個節點範圍。可是，這個數迅速增長。
　　 新的開發專案要求更加複雜、更大的PCBA和更緊密的包裝。這些要求挑戰我們建造和測試這些單元的能力。更進一步，具有更小元件和更高節點數的更大電路板可能將會繼續。例如，現在正在畫電路板圖的一個設計，有大約116000個節點、超過5100個元件和超過37800個要求測試或確認的焊接點。這個單元還有BGA在頂面與底面，BGA是緊接著的。使用傳統的針床測試這個尺寸和複雜性的板，ICT一種方法是不可能的。
　　在製造工藝，特別是在測試中，不斷增加的PCBA複雜性和密度不是一個新的問題。意識到的增加ICT測試夾具內的測試針數量不是要走的方向，我們開始觀察可代替的電路確認方法。看到每百萬探針不接觸的數量，我們發現在5000個節點時，許多發現的錯誤(少於31)可能是由於探針接觸問題而不是實際製造的缺陷(表一)。因此，我們著手將測試針的數量減少，而不是上升。儘管如此，我們製造工藝的品質還是評估到整個PCBA。我們決定使用傳統的ICT與X射線分層法相結合是一個可行的解決方案。
表一、達到可接受的假陰率(false-negative rate)要求探針的接觸質量，當夾具有幾千個針時是不可能維持的

5.5
5.6
5.7
5.8
5.9
6
<=Sigma
針數
31.7
20.6
13.3
8.5
5.4
3.4
<=PPM
0
0
0
0
0
0
0

500
1.6%
1.0%
0.7%
0.4%
0.3%
0.2%

1000
3.2%
2.1%
1.3%
0.9%
0.5%
0.3%

1500
4.8%
3.1%
2.0%
1.3%
0.8%
0.5%

2000
6.3%
4.1%
2.7%
1.7%
1.1%
0.7%

2500
7.9%
5.2%
3.3%
2.1%
1.4%
.0.9%

3000
9.5%
6.2%
4.0%
2.6%
1.6%
1.0%

3500
11.1%
7.2%
4.7%
3.0%
1.9%
1.2%

4000
12.7%
8.2%
5.3%
3.4%
2.2%
1.4%

4500
14.3%
9.3%
6.0%
3.8%
2.4%
1.5%

5000
15.9%
10.3%
6.7%
4.3%
2.7%
1.7%

5500
17.4%
11.3%
7.3%
4.7%
3.0%
1.9%

6000
19.0%
12.4%
8.0%
5.1%
3.2%
2.0%

6500
20.6%
13.4%
8.6%
5.5%
3.5%
2.2%

7000
22.2%
14.4%
9.3%
6.0%
3.8%
24%

公式：(100 塊板 x PPM率 x 針數)/(1M *100) = 100板産生一個誤報的%

測試策略
　　我們整體測試策略大部分依靠邊界掃描，它提供一個部分解決方案。許多元件在ICT不能確認，許多複雜的ASIC有許多必須確認的電源和接地引腳。這些引腳的開路可能造成長期可靠性的問題。我們採用的測試策略是使用自動X射線分層檢查系統確認整個板上每個焊接點的可接受性。在這個策略中，生産PCBA都經過X光系統。有缺陷的板經過修理站進行改正行動和重檢查。通過檢查的PCBA進入在線電路板測試系統作進一步測試。這個策略在對現在生産中的先進技術裝配實施的最後階段。設計的模型或開發/原型階段的PCBA只通過焊接點完整性的X光檢查，因爲在線測試機的測試夾具和/或測試程式通常這時還沒有。
　　使用生産X光檢查進行模型評估，允許診斷技術員排除焊點有關的問題，如開路、短路、元件丟失、少錫和一些極性方向問題。這個新工藝已經節省時間與金錢。現在，爲模型開發進行的製造測試趨向於大約與生産運行相同的規模。模型運行可能在150個單元的範圍，高端PCBA的生産運行在200個單元範圍。
　　我們的PCBA使用自動貼片機器完成，手工連接器貼裝和手工面板裝配。使用X光和ICT技術測試完成的裝配，來確認我們的工藝。測試程式保證正確的零件已經以正確的位置和方向放在板上，X光決定所有的焊接點已經形成這時功能還沒有確認。接收板的經營單位選擇是否做整板的功能測試。這個決定是在單個板的基礎上作出的。其次，PCBA安裝到架子內，架子放入框內，框與框連接。最後，整個系統功能測試，所有裝配在最後系統測試期間接受功能測試。在適當的測試之後，系統發送到最終用戶。
X光/ICT相互作用
　　超過5200個ICT機器節點限制的PCBA是不可能使用傳統的針床夾具ICT測試的。而且，我們沒有裝配可在在線測試機上完全測試。通常，10~15%的板的核心電路不能測試。例如，旁路電容和ASIC元件的電源與接地引腳對DC級的測量是不可見的。因爲這些節點不能用一般的ICT測試，我們使用了X射線分層工藝。在使用X光之前大板上的覆蓋率在60~70%之間。在測試測量中包括X光提供99%的測試覆蓋。對於通過X光系統確認的焊點完整性的元件，我們假設遵循了前面的工序保證板上貼裝正確的元件。
　　另外，我們必須確認板是結構上連接的 - 所有焊接點正確連接並且沒有內部短路或開路存在。這是由X射線檢查來完成的。
　　對於ASIC的ICT，相當廣泛地使用邊界掃描，它允許我們的測試機快速地讀入ASIC的ID寄存器。如果成功，邊界掃描顯示ASIC在位置上並方向正確。前面確認的焊點結構完整性減少針床夾具需要接觸的節點數量。ICT將不需要切換每一個ASIC引腳來確定其是否開路。
　　通過使用專門的X射線分層檢查系統，我們已經能夠平均減少40%所要求的節點數量。ICT節點數減少，降低夾具的複雜性和成本，也得到更少的誤報，這使得板更快速地通過我們的返修和製造工序。使用X射線也將ICT處的第一次通過合格率增加20%。使用X射線/ICT結合的測量已經降低整體成本，改善可靠性和輸出産品的品質。允許産品更快的出貨。
X射線/ICT測量的未來
　　現在，在我們生產線上只有一少部分的板超過5200個節點的ICT限制。我們預計在不久的將來該比例會穩定增長。
　　還有，隨著我們取得經驗和增加X射線的能力，我們可能將我們新的測量應用到節點數低至2500個節點的PCBA。因爲現在存在於4000~5000個節點範圍的板的合格率問題，這些問題是由於探針接觸問題而不是實際裝配問題，我們預計使用X射線/ICT相結合的測量可以看到一個改善。
　　早在九十年代，我們決定標準化ICT系統的選擇，我們的測試工程師可作三種配製，而不是一種開口測量。我們分1900個節點、3900個節點和5200個節點的配製。現在，我們已經升級幾乎每一個測試達到3900或5200個節點的設備，傾向於5200個節點的系統。
　　X射線分層法與ICT技術相結合的進一步使用是理想的，因爲每一個技術都補償另一技術的缺點。X射線主要集中在焊點的質量。它也可確認元件是否存在，但不能確認元件是否正確，方向和數值是否正確。另一方面，ICT可決定元件的方向和數值但不能決定焊接點是否可接受，特別是在大的表面貼裝元件包裝下面。
　　在不久將來，我們希望在看到電路原理圖時馬上可以決定對新的電路設計的測試測量。這時，對高節點數的原理圖，我們可決定哪些節點應該用ICT，哪一些節點應該用X射線。現在，我們直到一個設計在開發過程中相對清楚時才可作出決定。
　　理想地，軟體可産生X光和在線測試技術，ICT測試程式應該相當地小。測試測量資訊可以放在電腦輔助設計(CAD)佈局系統，包括較少數量的要求測試焊盤特性的節點。測試焊盤減少的一個附加優點是板面資源節省，使得佈局任務更加容易。針床夾具也應該隨著接觸探針的減少而簡化；同樣減少測試針與其目標接觸不良的可能性。簡而言之，用複雜性更低的程式與夾具可達到更好的缺陷覆蓋率。
在線測試怎樣工作
　　在線測試(ICT)是通過探測分佈於板的表面的測試點來確認一個電路子裝配的電氣完整性的過程。對於自動測試，探針是安裝於一塊厚的苯酚板上的彈簧加力的“針”，分別連線到一個開關矩陣。開關矩陣是繼電器的排列，將適當的針連接到測試程式中每一步所要求的電流源和電壓測量儀器。
　　帶有成百上千彈簧針的苯酚板構成一個針床，測試工程師採用了“針床夾具”名詞來叫這個板。每個針都有定位，使得當板放在夾具上，由真空裝置拉下時，針都接觸其目標測試點，而不短路到相鄰的電流結構。
　　ICT可以確認導電路線的存在，排除短路的可能性，測量單個電阻和電感器，檢查二極體、三極管和積體電路的存在與方向。ICT通常不能決定極性電容的極性或確認丟失的旁路電容。可是，它可發現短路的電容和開路的電感器。
　　基本的ICT近年來隨著克服先進技術局限的技術而改善。例如，當積體電路變得太大以至於不可能爲相當的電路覆蓋率提供探測目標時，ASIC工程師開發了邊界掃描技術。邊界掃描(boundary scan)提供一個工業標準方法來確認在不允許探針的地方的元件連接。額外的電路設計到IC內面，允許元件以簡單的方式與周圍的元件通信，以一個容易檢查的格式顯示測試結果。
　　另一個無向量技術(vectorless technique)將交流(AC)信號通過針床施加到測試中的元件。一個感測器板靠住測試中的元件表面壓住，與元件引腳框形成一個電容，將信號偶合到感測器板。沒有偶合信號表示焊點開路。
　　用於大型複雜板的測試程式的人工是很大的。幸好，自動測試程式産生(ATPG, automated test program generation)軟體可基於PCBA的CAD資料和裝配於板上的元件規格庫，自動地設計所要求的夾具和測試程式。雖然這些技術幫助簡單程式生成時間，但高節點數測試程式的論證還是一個費時和技術挑戰性的努力。

X射線分層法怎樣工作
　　PCBA製造基本上是將預製的元件焊接到預製的印刷電路板上。理論上，只要正確的元件以正確的方向放在正確的位置，並以良好的焊點電氣連接，PCBA將按設計一樣運行。因此，對於一個PCBA製造商的測試問題歸結爲保證焊接點的質量 - 一個結構性檢查。
　　當焊接點隱藏於大的積體電路(IC)包裝下面，檢查就要求X光。X光可滲透IC包裝但被密度大得多的鉛基焊錫所吸收，留下影子一樣的圖像。可是，一個簡單的X光影像會被分佈在IC內部結構中的和多層電路板層中的金屬導體所混淆。當PCBA在兩面有電路時情況變得更差。
　　X射線分層法，或3維X光，是一個用於隔離PCBA內水平面的技術，使得它們可以分別檢查。和陰影圖一樣，該技術從X射線的平行光源和圖像感應器排列開始。不象陰影圖技術(shadowgraph)，分層的X光束以一個角度穿過板。感應器直接在板的結構底下在視覺範圍內，但偏移來截至以一角度來的X射線束。
　　在成像的過程中，感應器和光源兩者都繞一軸轉動，穿過視覺區(FOV, field of view)。圖像模糊引起在圖像面的結構顯得靜止，而圖像面上或下的物體在圓周運動中快速移動，看上去不聚焦，迅速從視野消失。這個現象類似於“穿過”飛機旋轉的螺旋槳來看。
　　基於得到圖像的細節，電腦運算法則可決定焊點圓角的確切形狀，超出焊點內的空洞。它也可計算焊錫量。這些測量都可顯示焊接點的品質。該技術也可用來查找可能引起短路的錫橋。