電容測試法在PCB電性能測試中的應(yīng)用研究

趙 宇（天津普林電路股份有限公司，天津 300308）

電容測試法在PCB電性能測試中的應(yīng)用研究

Paper Code: S-147

趙 宇
（天津普林電路股份有限公司，天津 300308）

在PCB電性能測試中，測試方法多種多樣，而電容測試法是一種很重要的手段。文章從電容的基本原理入手，引入電容測試法在PCB電性能測試中的應(yīng)用。通過與普通的開短路測試法進行對比，找出電容測試法的優(yōu)勢，并以實際案例進行分析，體現(xiàn)出電容測試法在PCB電性能測試中的重要作用。

電性能測試；電容；開短路；盲孔

1 前言

隨著電子產(chǎn)品、工控、航天等行業(yè)的高速發(fā)展，PCB產(chǎn)品的電性能要求越來越高，同樣，我們電測試的難度也越來越大。對于PCB廠商來說，面對大批量產(chǎn)品，我們主要選用夾具針床測試，雖然有制作夾具的成本，但可以大大節(jié)省測試時間。而面對樣品、小批量產(chǎn)品以及圖形密集的HDI產(chǎn)品，我們主要選用飛針測試，一方面可以節(jié)省夾具制作成本，另一方面，在精細節(jié)距的BGA或MBGA中，夾具測試不能保證其測試精度，所以飛針測試是一個企業(yè)不可或缺的測試手段。我們常見的飛針測試法為開短路測試法，也叫電阻測試法，此種方法可滿足精密線路測試，但測試時間偏長，需要進行開路和短路兩次測試，測試一片產(chǎn)品往往需要10分鐘以上的時間，測試效率很低。進而，我們引進電容測試法來改變此現(xiàn)狀。

2 電容測試法簡介

2.1 電容的基本原理

電容測試法是根據(jù)電容的基本原理進行開短路測試。電容計算公式為：

C = εS/4πd

其中C是電容的容量；ε是介電常數(shù)，由絕緣介質(zhì)的材質(zhì)決定，介質(zhì)不變則為恒定值；S是兩極板之間相對重疊部分的垂直面積d是兩極板之間的距離。

2.2 電容測試法的基本原理

如圖1所示，在電容測試法中，根據(jù)電容計算公式，絕緣介質(zhì)ε為板材介電常數(shù)，兩極板的一極是整個大的測試臺面，另一極則是測試網(wǎng)絡(luò)的銅面，因而S值取決于測試網(wǎng)絡(luò)的銅面積大小；d在同一型號產(chǎn)品時板厚也為恒定值。由此可以看出，在電容測試法中，電容值的大小最終取決于測試網(wǎng)絡(luò)的銅面積大小，并與其成正比，所以該方法也叫靜電容量比較法。

圖1 PCB產(chǎn)品電容測試示意圖

2.3 電容測試法開短路的判定方法

2.3.1 電容測試法開路的判定方法

如果導(dǎo)電圖形中出現(xiàn)斷路，則導(dǎo)電圖形面積就會減少，靜電容量值也會變小。例如圖2所示，合格產(chǎn)品中端點1和端點2所測的靜電容量值為100，而斷路產(chǎn)品中端點1和端點2所測的靜電容量值分別為70和30。通過導(dǎo)電圖形面積的變化，可準(zhǔn)確檢查出圖形中斷路位置。

圖2 電容測試斷路示意圖

2.3.2 電容測試法短路的判定方法

如果導(dǎo)電圖形中出現(xiàn)短路，則導(dǎo)電圖形面積就會增加，靜電容量值也會變大。例如圖3所示，合格產(chǎn)品中端點1和端點2所測的靜電容量值為100，端點3和端點4所測的靜電容量值為60，而短路產(chǎn)品中端點1、2、3、4所測的靜電容量值都為160。通過導(dǎo)電圖形面積的變化，可準(zhǔn)確檢查出圖形中短路位置。

2.3.3 電容測試法開短路的現(xiàn)場模擬

如圖4所示，為我司飛針電容測試模擬圖，我司采用的是水平式電容飛針電容測試，可對較薄的基板起到良好的吸附作用，基板上的導(dǎo)電圖形與在電性能上檢查用的電極(Sensor Board）之間，存在與其圖形面積成正比的靜電容量，假設(shè)我們對線路端點A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、M測定的靜電容量為：A = C = H = K = L = 100，B = 10，D = G = M = 90，E = F = 30，I = J = 30。

圖3 電容測試短路示意圖

圖4 電容測試現(xiàn)場模擬圖

當(dāng)圖形線路發(fā)生斷路時，如圖5所示，測定的靜電容量為：A = C = H = 70，B = 10，D = 20，E = F = 30，G = M = 70，I = J = 30，K = L = 30。我們可發(fā)現(xiàn)，A、C、H、K、L、D、G、M的電容值變小，可確定這幾個端點所在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生斷路。

圖5 電容測試斷路模擬圖

當(dāng)圖形線路發(fā)生斷路時，如圖6所示，測定的靜電容量為：A = C = H = K = L =100，B = 10，D = E = F = G = M = 120，I = J = 30。我們可發(fā)現(xiàn)，D、E、F、G、M的電容值變大，可確定這幾個端點所在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生短路。

圖6 電容測試短路模擬圖

3 電容測試法與普通電阻測試法的對比

電阻測試法，是通過測量兩點間阻抗的方法，需要確認(rèn)同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)端點間的導(dǎo)通以及不同端點間的非導(dǎo)通。因為要確認(rèn)不同線路間全部組合的非導(dǎo)通情況，所以檢查數(shù)量非常多。而電容測試法，是通過一次測定全線路端點的靜電容量（面積），可以同時進行短路和斷路的確認(rèn)，因此檢查數(shù)量比一般的檢測方式大幅度減少，有時可以減少90%以上。

舉個例子，當(dāng)線路總數(shù)為100，端點總數(shù)為500時，我們對電阻測試方式與電容測試方式的測試次數(shù)進行對比，如表1所示，電阻法的測試總次數(shù)為5350次，而電容法的測試總次數(shù)只有500次，從這個例子我們可看出，電容測試法在測試時間上有很大的優(yōu)勢。

表1 電阻與電容測試法測試次數(shù)的對比

如表2所示，為我司電容測試對某一產(chǎn)品的檢測時間，此產(chǎn)品線路總數(shù)為364，端點總數(shù)為1207，獨立焊盤個數(shù)為124，單臺設(shè)備有兩個測針探頭，可同時測試兩片產(chǎn)品。

表2 電容測試法在生產(chǎn)中對某一產(chǎn)品的檢測時間

從數(shù)據(jù)中我們可以看出，電容測試法同時測試兩片產(chǎn)品所需時間為119s，相當(dāng)于測試一片產(chǎn)品所需時間為1分鐘，而普通開短路測試，只非導(dǎo)通測試就需364×（364-1）/2=66066 step，加上導(dǎo)通測試時間，測試一片產(chǎn)品至少需要20分鐘，是電容法測試時間的20倍以上。

4 電容測試法在PCB電性能測試中的特殊作用

眾所周知，電容測試法與電阻測試法的檢測效果是一樣的，都是對產(chǎn)品中每一網(wǎng)絡(luò)的通斷進行測試，但是，這兩種測試方法的檢測原理不同。那么我們可不可以對電容測試法的特殊檢測原理加以利用呢？

通常，在電性能測試后，我們會對不良品進行分析，總的來說，缺陷可分兩大類：短路與斷路。而這兩種缺陷中，我們更側(cè)重于對斷路的分析，因為斷路位置有可能發(fā)生在線上，也有可能發(fā)生在孔內(nèi)。當(dāng)斷路位置發(fā)生在孔內(nèi)，就必須確認(rèn)造成孔斷的原因，當(dāng)孔斷原因為批量因素時，那么整批產(chǎn)品都存在失效的隱患，特別是HDI產(chǎn)品，盲孔所在網(wǎng)絡(luò)占很大比例，一旦盲孔出現(xiàn)異常，將面臨整批產(chǎn)品的報廢。如圖8所示，為HDI產(chǎn)品電性能測試中，出現(xiàn)斷路缺陷的三種主要來源。

圖7 電性能測試斷路缺陷來源示意圖

對于一批發(fā)生斷路的HDI產(chǎn)品，其斷路原因可能為上述一種，也可能上述三種原因都存在，如果斷路原因之一為盲孔斷路，那么此批產(chǎn)品就要具體分析，并將盲孔斷路的原因找出，以此來判斷整批產(chǎn)品焊接時是否有失效的風(fēng)險。然而，如何確定盲孔斷路是一個復(fù)雜的過程。普通的電阻測試法，只能確認(rèn)某一或某些網(wǎng)絡(luò)發(fā)生斷路，要想確認(rèn)盲孔，需對該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有盲孔位置進行切片，如果斷路產(chǎn)品數(shù)量很多，則需對所有斷路產(chǎn)品逐片切片進行分析，這將花費很長的時間。

這時，我們可利用電容測試法對HDI產(chǎn)品進行電性能測試。通常情況下，HDI產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)的起始端點都為盲孔，當(dāng)盲孔發(fā)生斷路時，該點的電容值很小，不會超過1fF，而正常導(dǎo)通的網(wǎng)絡(luò)中，整個網(wǎng)絡(luò)電容值在幾百到幾千fF。通常，我們對斷短路的判定標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)測試電容值＞（1+20%）標(biāo)準(zhǔn)電容值，判定為短路，當(dāng)測試電容值＜（1-20%）標(biāo)準(zhǔn)電容值，判定為斷路。當(dāng)線路發(fā)生斷路時，所測電容值至少也會在幾十到幾百fF。所以，我們只需對小于1fF電容值的盲孔位置進行切片即可，此位置必定為盲孔斷路。這種方法可大大減少我們的分析時間，同時在做切片之前，就可對盲孔斷路數(shù)量及所占比例做出初步判斷。

我司曾經(jīng)生產(chǎn)的某一HDI產(chǎn)品，整批產(chǎn)品采用電容法測試，最終檢測出5片斷路產(chǎn)品，其中有兩片為端點電容值小于1fF，對這兩片產(chǎn)品的端點盲孔進行切片，可確認(rèn)為盲孔斷路，對缺陷原因進行分析為粉塵堵孔，此現(xiàn)象為個量問題，其余合格產(chǎn)品可放行。從測試—分析—判定，此產(chǎn)品僅用了很短的時間，大大減少了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率。

我司曾經(jīng)生產(chǎn)的另一HDI產(chǎn)品，同樣為采用電容法測試，最終檢測出20片斷路產(chǎn)品，其中有8片為端點電容值小于1fF，對其端點盲孔進行切片，可確認(rèn)為盲孔位置斷路，缺陷原因為埋孔堵孔不實，從而導(dǎo)致了盤中孔位置鍍銅凹陷，致使激光鉆盲孔未打到底銅。此類問題對產(chǎn)品的電性能有很大隱患，極容易造成盲孔與埋孔的微連接，所以，此批電測試產(chǎn)品，無論合格與否，全部報廢處理。正是因為電容測試法的高效性與準(zhǔn)確性，為我們快速而準(zhǔn)確的分析出了此問題，也為我們重新制作這批產(chǎn)品贏得寶貴時間。

通過以上兩個案例，我們可發(fā)現(xiàn)，利用電容測試法測試HDI產(chǎn)品，可快速的檢測出盲孔斷路位置，減少了我們對產(chǎn)品的分析時間，進而提高了生產(chǎn)效率。另一方面，電容測試法可準(zhǔn)確定位不良盲孔所在的位置，通過切片能一針見血的找到問題所在，然后根據(jù)問題產(chǎn)生的原因，及時制定改善措施，從而避免此類問題的發(fā)生。

5 結(jié)論

（1）電容測試法對導(dǎo)電圖形靜電容量的測試主要取決于導(dǎo)電圖形的面積。如果導(dǎo)電圖形中出現(xiàn)斷路，則導(dǎo)電圖形面積會減少，靜電容量值也會變小。如果導(dǎo)電圖形中出現(xiàn)短路，則導(dǎo)電圖形面積會增加，靜電容量值也會變大。

（2）電容測試法是對導(dǎo)電圖形的面積進行測試，可開短路同時進行，并且電容測試機的兩個探針可對兩片產(chǎn)品同時測試，在測試時間上比普通電阻測試法快很多倍。

（3）電容測試法在HDI產(chǎn)品的電性能測試中起特殊作用，若起始盲孔端點發(fā)生斷路，則該點的電容值極小，可直接確定該網(wǎng)絡(luò)中的斷路位置為此盲孔。而電阻測試法只能測出一個網(wǎng)絡(luò)發(fā)生斷路，不能直接判定某一線斷還是孔斷，需做大量切片進行分析。因而電容測試法可廣泛用于HDI產(chǎn)品的電測試中。

[1]張懷武. 現(xiàn)代印制電路原理與工藝[M]. 2010.

[2] HIOKI 1116 型電容測試機. 2005.

[3] Toshiba. New Polymeric Multilayer and Packaging[J]. Proceedings of the Printed Circuit World ConferenceV, Glasgow, Scotland, January 1991.

趙宇，工學(xué)學(xué)士，工藝工程師

Application of capacitance measurement in electrical performance test in PCB

ZHAO Yu

In the PCB electric performance test, there are a variety of methods, and capacitance measurement is a very important means of. In this paper, from the basic principle of application of capacitance,capacitance test method introduced in PCB electrical performance test of. Compared with the ordinary open and short circuit testing method, find out the capacitance test method, and the actual case analysis,reflecting the important role of capacitance measurement inelectrical performance test in PCB.

Electrical Performance Test; Capaitance; Open and Short Circuit; Blind Hole

TN41

A

：1009-0096（2015）03-0146-05