開爾文四線測試方式在PCB測試機(jī)中的應(yīng)用

劉懿俊

（深圳市地質(zhì)局，廣東深圳 518023）

0 引言

隨著科技的發(fā)展，手機(jī)、平板等數(shù)碼設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、對安全性要求高的汽車電子設(shè)備用線路板（PCB）的制作層數(shù)越來越高、線路越來越密、焊盤尺寸越來越小，使得更多的人要求進(jìn)行低電阻高絕緣的電子測試。因?yàn)樵谶@些PCB 中，部分PCB 線路不單是導(dǎo)線，同時(shí)還是信號線，線路阻值的變化會(huì)造成信號的延滯和衰減，從而引起功能性問題。同時(shí)PCB 如果存在孔內(nèi)無銅、孔破、孔內(nèi)銅薄、線路缺口等缺陷時(shí)會(huì)影響產(chǎn)品使用的安全性。

在通常情況下，PCB 開短路測試中的測試參數(shù)值-開路阻值設(shè)為25 Ω，線路阻值大于25 Ω時(shí)測試機(jī)判斷為開路，小于25 Ω時(shí)判斷為合格，對于阻值小于25 Ω的線路則無法精確測試出實(shí)際電阻值，25 Ω以下的線路成為測試盲區(qū)。在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)PCB 的某些缺陷，如孔內(nèi)無銅、空洞、銅薄、線過細(xì)、線路缺口等問題均會(huì)影響到線路阻值，當(dāng)阻值小于25 Ω時(shí)，用通常的開短路測試方法來測試這些缺陷板時(shí)，測試結(jié)果為合格，當(dāng)這些PCB 經(jīng)過高溫焊接后阻值會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致開路問題發(fā)生，引起產(chǎn)品缺陷。

低電阻測試是指在PCB 測試機(jī)在測試過程中將開路阻值設(shè)定到1 Ω甚至更低。傳統(tǒng)的兩線測試方法已經(jīng)無法精確測試出如此小的阻值，現(xiàn)需將開爾文四線測試法應(yīng)用于PCB 測試機(jī)中以達(dá)到精細(xì)阻值的測量。

1 PCB測量方法原理

PCB 測試機(jī)的基本測試原理是歐姆定律，其測試方法是向待測試點(diǎn)間加一定的測試電壓，用測試針選中PCB 板上待測試的兩個(gè)點(diǎn)，通過對電流的測定，獲得兩點(diǎn)間的電阻，從而判斷PCB 線路通斷的情況[1]。

1.1 普通二線式測量方法原理

通常的開短路測試方法即為普通二線測試，如圖1 所示，二線測試是目前測試機(jī)普遍應(yīng)用的一種方案。

二線測試只有一個(gè)回路，所測得的阻值為r1+r2＋Rpcb，即所測得的阻值為饋線電阻和待測線路阻值之和，故無法精確測定被測PCB 阻值。但是因?yàn)榫€路板開路測試的條件一般為25 Ω，因而饋線電阻影響不大，可以忽略不計(jì)。二線測試的精度雖然不高，但是可以用來判斷一般線路因完全斷線、斷孔導(dǎo)致的開路。但是二線測試對低電阻線路的測試則無能為力。

圖1 二線式測量原理圖

1.2 Kelvin四線測量方法原理

Kelvin 四線測量是采用雙電橋線路結(jié)構(gòu)削減附加電阻的影響[2]。

如圖2 所示，在雙電橋線路結(jié)構(gòu)中，待測電阻Rpcb和橋臂電阻RN均為四端接法；R1、R2、R3、R4均為高阻值電阻，其中R3、R4構(gòu)成雙電橋的“內(nèi)臂”。

四端電阻外側(cè)的兩個(gè)接點(diǎn)稱為電流端。圖2（a）中A1、C1接電源回路，從而將其附加電阻折合到電源回路的電阻中。B1、B3兩接點(diǎn)用短而粗的導(dǎo)線相連，設(shè)B1、B3 間附加電阻為r。當(dāng)若R1、R2、R3、R4及RN滿足一定條件時(shí)，可消減r對測量結(jié)果的影響。

圖2 Kelvin四線測量雙電橋及其等效電路

四端電阻內(nèi)側(cè)的兩個(gè)接點(diǎn)稱為電壓端。四端電阻內(nèi)側(cè)的兩個(gè)接點(diǎn)接高電阻回路或電流為零的補(bǔ)償回路。圖2（a）中，A2、C2端接觸電阻分別并入R1、R2；B2、B4 端接觸電阻分別并入R3、R4。由于R1、R2、R3、R4本身電阻很高，所以這些附加電阻對它們的影響可以忽略不計(jì)。此外，電壓端之間的部分即為低電阻本身，無另外的連接導(dǎo)線，故有效地消除了導(dǎo)線電阻的影響。

調(diào)節(jié)平衡，就是調(diào)節(jié)電阻R1、R2、R3、R4和RN，使B、D 兩處等電位，從而檢流計(jì)電流Ig=0。由圖2（b）中所示電流方向，由于R1>>r1，R2>>r2，R3>>r3，R4>>r4，可列出方程：

聯(lián)立可以解得

由于測試回路的輸入電阻遠(yuǎn)大于饋線電阻，所以，此方法測量小電阻的準(zhǔn)確度很高。

2 Kelvin測量方法的優(yōu)點(diǎn)

對比現(xiàn)在兩線測試測試方法，Kelvin 測試方法由于可以精確測試出被測線路的阻值，所以可以檢測到PCB存在以下一些潛在的缺點(diǎn)：

（1）由于線寬不足而導(dǎo)致的微斷路；

（2）線寬正常，但是銅厚不足的線路；

（3）線路被腐蝕而帶有缺口或者凹陷；

（4）導(dǎo)電孔的電鍍銅厚度過薄；

（5）銀或碳灌孔時(shí)的缺陷。

這些缺陷可能在兩線測試時(shí)滿足設(shè)定的參數(shù)要求，但是隨著溫度、濕度、時(shí)間等因素改變，有可能使得缺陷顯露。而Kelvin 四線測試方法可以將其檢測出來。

3 結(jié)束語

開爾文四線測試方法是測試機(jī)技術(shù)的新發(fā)展，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)二線測試不能測試低阻的缺陷。在測試機(jī)中應(yīng)用四線式測試方法，可以減低不良PCB 的出貨率，也可以通過阻值檢測表搭配問題PCB 切片及圖片協(xié)助找出PCB 的問題點(diǎn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)流程異常，明確改善對策，減少生產(chǎn)報(bào)廢。

［1］趙英偉，龐克儉.Kelvin 四線連接電阻測試技術(shù)及應(yīng)用［J］.半導(dǎo)體技術(shù)，2005（11）：43-50.

［2］劉新福，孫以材，劉東升.四探針技術(shù)測量薄層電阻的原理及應(yīng)用［J］.半導(dǎo)體技術(shù)，2004（07）：48-52.