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飞针测试:Flying Probe Test

飞针测试是目前电气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。
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。
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。
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UUT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，造成拒绝接收。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。此外探针测试机还限制电路板的尺寸：不能超过16" 24"。
飞针测试时间是另一个主要因素。一台典型的针床测试机可能花30秒测试UUT的地方，飞针测试机可能花 8-10 分钟。另外针床测试机可使用顶面夹具同时测试双面PCB的顶面与底面元件，而飞针测试机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。
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

ICT测试
1.1 定义
在线测试，ICT，In-Circuit Test，是通过对在线元器件的电性能及电气连接进行测试来检查生产制造缺陷及元器件不良的一种标准测试手段。它主要检查在线的单个元器件以及各电路网络的开、短路情况，具有操作简单、快捷迅速、故障定位准确等特点。
飞针ICT基本只进行静态的测试，优点是不需制作夹具，程序开发时间短。
针床式ICT可进行模拟器件功能和数字器件逻辑功能测试，故障覆盖率高，但对每种单板需制作专用的针床夹具，夹具制作和程序开发周期长。
1.2 ICT的范围及特点
检查制成板上在线元器件的电气性能和电路网络的连接情况。能够定量地对电阻、电容、电感、晶振等器件进行测量，对二极管、三极管、光藕、变压器、继电器、运算放大器、电源模块等进行功能测试，对中小规模的集成电路进行功能测试，如所有74系列、Memory 类、常用驱动类、交换类等IC。
它通过直接对在线器件电气性能的测试来发现制造工艺的缺陷和元器件的不良。元件类可检查出元件值的超差、失效或损坏，Memory类的程序错误等。对工艺类可发现如焊锡短路，元件插错、插反、漏装，管脚翘起、虚焊，PCB短路、断线等故障。
测试的故障直接定位在具体的元件、器件管脚、网络点上，故障定位准确。对故障的维修不需较多专业知识。采用程序控制的自动化测试，操作简单，测试快捷迅速，单板的测试时间一般在几秒至几十秒。
1.3意义
在线测试通常是生产中第一道测试工序，能及时反应生产制造状况，利于工艺改进和提升。ICT测试过的故障板,因故障定位准，维修方便，可大幅提高生产效率和减少维修成本。因其测试项目具体，是现代化大生产品质保证的重要测试手段之一。

AOI(Automatic Optical Inspection)测试技术
    AOI是近几年才兴起的一种新型测试技术，但发展较为迅速，目前很多厂家都推出了AOI测试设备。当自动检测时，机器通过摄像头自动扫描PCB，采集图像，测试的焊点与数据库中的合格的参数进行比较，经过图像处理，检查出PCB上缺陷，并通过显示器或自动标志把缺陷显示/标示出来，供维修人员修整
1、实施目标:实施AOI有以下两类主要的目标：
   （1）最终品质(End quality)。对产品走下生产线时的最终状态进行监控。当生产问题非常清楚、产品混合度高、数量和速度为关键因素的时候，优先采用这个目标。AOI通常放置在生产线最末端。在这个位置，设备可以产生范围广泛的过程控制信息。
   （2）过程跟踪(Process tracking)。使用检查设备来监视生产过程。典型地包括详细的缺陷分类和元件贴放偏移信息。当产品可靠性很重要、低混合度的大批量制造、和元件供应稳定时，制造商优先采用这个目标。这经常要求把检查设备放置到生产线上的几个位置，在线地监控具体生产状况，并为生产工艺的调整提供必要的依据。
2、放置位置
   虽然AOI可用于生产线上的多个位置，各个位置可检测特殊缺陷，但AOI检查设备应放到一个可以尽早识别和改正最多缺陷的位置。有三个检查位置是主要的：
   （1）锡膏印刷之后。如果锡膏印刷过程满足要求，那么ICT发现的缺陷数量可大幅度的减少。典型的印刷缺陷包括以下几点：
   A.焊盘上焊锡不足。
   B.焊盘上焊锡过多。
   C.焊锡对焊盘的重合不良。
   D.焊盘之间的焊锡桥。
   在ICT上，相对这些情况的缺陷概率直接与情况的严重性成比例。轻微的少锡很少导致缺陷，而严重的情况，如根本无锡，几乎总是在ICT造成缺陷。焊锡不足可能是元件丢失或焊点开路的一个原因。尽管如此，决定哪里放置AOI需要认识到元件丢失可能是其它原因下发生的，这些原因必须放在检查计划内。这个位置的检查最直接地支持过程跟踪和特征化。这个阶段的定量过程控制数据包括，印刷偏移和焊锡量信息，而有关印刷焊锡的定性信息也会产生。
   （2）回流焊前。检查是在元件贴放在板上锡膏内之后和PCB送入回流炉之前完成的。这是一个典型地放置检查机器的位置，因为这里可发现来自锡膏印刷以及机器贴放的大多数缺陷。在这个位置产生的定量的过程控制信息，提供高速片机和密间距元件贴装设备校准的信息。这个信息可用来修改元件贴放或表明贴片机需要校准。这个位置的检查满足过程跟踪的目标。
   （3）回流焊后。在SMT工艺过程的最后步骤进行检查，这是目前AOI最流行的选择，因为这个位置可发现全部的装配错误。回流焊后检查提供高度的安全性，因为它识别由锡膏印刷、元件贴装和回流过程引起的错误。
ICT测试技术
    电气测试使用的最基本仪器是在线测试仪（ICT），传统的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，并用数百毫伏电压和10毫安以内电流进行分立隔离测试，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、调试周期长、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。
    基本的ICT近年来随着克服先进技术局限的技术而改善。例如，当集成电路变得太大以至于不可能为相当的电路覆盖率提供探测目标时，ASIC工程师开发了边界扫描技术。边界扫描(boundary scan)提供一个工业标准方法来确认在不允许探针的地方的元件连接。额外的电路设计到IC内面，允许元件以简单的方式与周围的元件通信，以一个容易检查的格式显示测试结果。
    另一个非矢量技术(vectorlees technique)将交流(AC)信号通过针床施加到测试中的元件。一个传感器板靠住测试中的元件表面压住，与元件引脚框形成一个电容，将信号偶合到传感器板。没有偶合信号表示焊点开路。
    用于大型复杂板的测试程序人工生成很费时费力，但自动测试程序产生(ATPG, automated test program generation)软件的出现解决了这一问题，该软件基于PCBA的CAD数据和装配于板上的元件规格库，自动地设计所要求的夹具和测试程序。虽然这些技术有助于缩短简单程序的生成时间，但高节点数测试程序的论证还是费时和和具有技术挑战性。

AXI(自动X射线检测)测试技术
    AXI是近几年才兴起的一种新型测试技术。当组装好的线路板（PCBA）沿导轨进入机器内部后，位于线路板上方有一X-Ray发射管，其发射的X射线穿过线路板后被置于下方的探测器（一般为摄象机）接受，由于焊点中含有可以大量吸收X射线的铅，因此与穿过玻璃纤维、铜、硅等其它材料的X射线相比，照射在焊点上的X射线被大量吸收，而呈黑点产生良好图像，使得对焊点的分析变得相当直观，故简单的图像分析算法便可自动且可靠地检验焊点缺陷。AXI技术已从以往的2D检验法发展到目前的3D检验法。前者为透射X射线检验法，对于单面板上的元件焊点可产生清晰的视像，但对于目前广泛使用的双面贴装线路板，效果就会很差，会使两面焊点的视像重叠而极难分辨。而3D检验法采用分层技术，即将光束聚焦到任何一层并将相应图像投射到一高速旋转的接受面上，由于接受面高速旋转使位于焦点处的图像非常清晰，而其它层上的图像则被消除，故3D检验法可对线路板两面的焊点独立成像。
     3D X-Ray技术除了可以检验双面贴装线路板外，还可对那些不可见焊点如BGA等进行多层图象“切片”检测，即对BGA焊接连接处的顶部、中部和底部进行彻底检验。同时利用此方法还可测通孔（PTH）焊点，检查通孔中焊料是否充实，从而极大地提高焊点连接质量。
     ICT测试是目前生产过程中最常用的测试方法，其具有较强的故障能力和较快的测试速度等优点。该技术对于批量大，产品定型的厂家而言，是非常方便、快捷的。但是，对于批量不大，产品多种多样的用户而言，需要经常更换针床，因此不太适合。同时由于目前线路板越来越复杂，传统的电路接触式测试受到了受到了极大限制，通过ICT测试和功能测试很难诊断出缺陷。随着大多数复杂线路板的密度不断增大，传统的测试手段只能不断增加在线测试仪的测试接点数。然而随着接点数的增多，测试编程和针床夹具的成本也呈指数倍上升。开发测试程序和夹具通常需要几个星期的时间，更复杂的线路板可能还要一个多月。另外，增加ICT接点数量会导致ICT测试出错和重测次数的增多。
    AOI技术则不存在上述问题，它不需要针床，在计算机程序驱动下，摄像头分区域自动扫描PCB，采集图像，测试的焊点与数据库中的合格的参数进行比较，经过图像处理，检查出PCB上缺陷。极短的测试程序开发时间和灵活性是AOI最大的优点。AOI除了能检查出目检无法查出的缺陷外，AOI还能把生产过程中各工序的工作质量以及出现缺陷的类型等情况收集，反馈回来，供工艺控制人员分析和管理。
    但AOI系统也存在不足，如不能检测电路错误，同时对不可见焊点的检测也无能为力。并且经过我们的调研，我们发现AOI测试技术在实际应用过程中会会存在一些问题：1）AOI对测试条件要求较高，例如当PCB有翘曲，可能会由于聚焦发生变化导致测试故障，而如果将测试条件放宽，又达不到测试目的。2)AOI靠识别元件外形或文字等来判断元件是否贴错等，若元件类型经常发生变化（如由不同公司提供的元件），这样需要经常更改元件库参数，否则将会导致误判。
    AXI技术是目前一种相对比较成熟的测试技术，其对工艺缺陷的覆盖率很高，通常达97%以上。而工艺缺陷一般要占总缺陷的80%—90%，并可对不可见焊点进行检查，但AXI技术不能测试电路电气性能方面的缺陷和故障。尽管如此，AXI技术在电子通讯行业中的应用前景令人看好，例如上海贝尔、青岛郎讯等都已采用了这一新技术。
   从目前应用情况来看，采用两种或以上技术相结合的测试策略正成为发展趋势的情况来看，一方面，X射线主要集中在焊点的质量。它可确认元件是否存在，但不能确认元件是否正确，方向和数值是否正确。另一方面，ICT可决定元件的方向和数值但不能决定焊接点是否可接受，特别是焊点在封装体底部的元件，如BGA、CSP等。图2为AXI和ICT测试方法检查范围互补图。 
     需要特别指出的是随着AXI技术的发展，目前AXI系统和ICT系统可以“互相对话”，这种被称为“AwareTest"的技术能消除两者之间的重复测试部分。通过减小ICT/AXI多余的测试覆盖面可大大减小ICT的接点数量。这种简化的ICT测试只需原来测试接点数的30%就可以保持目前的高测试覆盖范围，而减少ICT测试接点数可缩短ICT测试时间、加快ICT编程并降低ICT夹具和编程费用。在过去的两三年里，采用组合测试技术，特别是AXI/ICT组合测试复杂线路板的情况出现了惊人的增长，而且增长速度还在加快，因为有更多的行业领先生产厂家意识到了这项技术的优点并将其投入使用