基于飛針測(cè)試的航空產(chǎn)品印制板組件測(cè)試技術(shù)研究與應(yīng)用

楊志芹

摘? 要：現(xiàn)有的測(cè)試設(shè)備（AOI和X-ray）很難達(dá)到較高的部件測(cè)試覆蓋率，且印制板組件（PCBA）測(cè)試擁有的設(shè)備里目前只有AOI和X-ray，AOI和X-ray只能對(duì)PCBA元器件的外觀、物理結(jié)構(gòu)和焊接質(zhì)量檢測(cè)起到一定的作用，但無法檢測(cè)元器件的參數(shù)特性。該文基于飛針測(cè)試儀研究印制板組件測(cè)試技術(shù)，以飛針測(cè)試工藝作為單板的動(dòng)態(tài)測(cè)試手段之一，主要檢測(cè)開路、短路、連通性、絕緣性、參數(shù)偏差和元器件不良等故障模式，提早發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程的問題，降低航空電子產(chǎn)品質(zhì)量一致性成本，產(chǎn)線通過靜態(tài)測(cè)試與動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)合提升產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：印制板組件；飛針；在線測(cè)試；測(cè)試設(shè)備；質(zhì)量檢測(cè)

中圖分類號(hào)：V243? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）10-000１-0５

Abstract： It is difficult for the existing test equipment （AOI and X-ray） to achieve high component test coverage， and among the devices owned by PCBA component testing， only AOI and X-ray are available. AOI and X-ray play a certain role in testing the appearance， physical structure and welding quality of PCBA components， but they cannot detect the parameter characteristics of PCBA components. In this paper， the PCBA assembly testing technology is studied based on the flying needle tester， and the flying needle testing technology is used as one of the dynamic testing methods of the veneer， which mainly detects the fault modes such as open circuit， short circuit， connectivity， insulation， parameter deviation and bad components， finds the problems in the production process early， reduces the quality consistency cost of avionics products， and improves the product quality stability through the combination of static test and dynamic test.

Keywords： Printed Circuit Board Assembly; flying needle; on-line test; test equipment; quality inspection

目前對(duì)于印制板組件（以下簡(jiǎn)稱PCBA）的測(cè)試，需要使用萬用表、示波器等測(cè)試工具并結(jié)合PCBA本身功能需要用到的調(diào)試軟件[1]，在PCBA數(shù)量較少、測(cè)試時(shí)間要求不高的情況下，完全可以由測(cè)試工程師完成。但如果PCBA 需要實(shí)現(xiàn)批量測(cè)試，對(duì)測(cè)試效率、測(cè)試時(shí)間以及隱性的故障模式就會(huì)有很多限制，單靠一對(duì)一的人工去完成，很明顯無法達(dá)到排除故障的效果和效率，故快速有效的測(cè)試技術(shù)是保證PCBA質(zhì)量的前提。目前已投入使用的檢測(cè)手段有自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)（AOI）[2]和X-ray檢測(cè)儀是通過金板圖像與被測(cè)PCBA對(duì)比排除一部分外觀缺陷，但由于是純光學(xué)檢測(cè)， 一些功能性、元器件失效等問題無法被診斷[3]。因此迫切需要引入一種自動(dòng)化測(cè)試手段排除潛在故障。而飛針測(cè)試可滿足這樣的需求，可實(shí)現(xiàn)不同類型的PCBA獨(dú)立編程，靈活性較高。本論文內(nèi)容基于SEICA PILOT V8 NEXT飛針測(cè)試儀的應(yīng)用展開印制板組件測(cè)試工藝技術(shù)研究與應(yīng)用。

1? 飛針測(cè)試簡(jiǎn)介

飛針測(cè)試儀是對(duì)傳統(tǒng)針床在線測(cè)試的一種改進(jìn)[4]，通用有8根測(cè)試探針，4根在正面，4根在背面，可測(cè)試最小焊盤間距150 μm。探針連接至測(cè)量單元，測(cè)量單元包括Aclam板、模數(shù)轉(zhuǎn)換板、數(shù)字處理板、測(cè)量校準(zhǔn)板及傳感器等。工作時(shí)，被測(cè)單元（UUT）固定在軌道，伺服電機(jī)控制探針在X、Y、Z 3個(gè)方向移動(dòng)，通過探針接觸被測(cè)電路的焊盤、元器件引腳和測(cè)試點(diǎn)，對(duì)被測(cè)單元上的元器件進(jìn)行檢測(cè)。

飛針測(cè)試通?？蓹z測(cè)開路和短路情況；測(cè)量電阻、電容、電感的數(shù)值，并將測(cè)量值與參考值進(jìn)行比較，判斷元器件裝配正確與損壞；通過提供電源測(cè)試判斷電源逐級(jí)輸入輸出的正確性；通過電容效應(yīng)、二極管效應(yīng)及寄生三極管效應(yīng)測(cè)試IC芯片引腳焊接質(zhì)量。

2? 飛針測(cè)試技術(shù)開發(fā)

2.1? 飛針測(cè)試程序設(shè)計(jì)流程

測(cè)試程序的編制是飛針測(cè)試中非常重要的一環(huán)， 優(yōu)化程序一方面可以提高飛針的測(cè)試效率、覆蓋率， 另一方面可以降低虛警率、漏報(bào)率。飛針測(cè)試程序設(shè)計(jì)流程如圖1所示，其中，參數(shù)文件包含了元器件、網(wǎng)表拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5]等信息，是飛針測(cè)試的基礎(chǔ)。調(diào)試測(cè)試則是人工對(duì)測(cè)量中的一些細(xì)節(jié)進(jìn)行微調(diào)，決定了測(cè)試的效率及精度[6]。

2.2? 飛針測(cè)試程序設(shè)計(jì)

2.2.1? PCBA物理數(shù)據(jù)確認(rèn)

首先測(cè)量與觀察PCBA物理數(shù)據(jù)，比如尺寸、厚度、下針深度、安裝方向、元器件布局、引腳間距和下針位置等。其次確認(rèn)待檢測(cè)印制板組件距板邊至少3 mm內(nèi)無影響夾持的結(jié)構(gòu)件或者元器件，建議保留印制板組件原有的工藝邊。最后，印制板組件不能焊接導(dǎo)線束，確保測(cè)試探針正常行走[7]。印制板組件表面要清潔干凈且不允許三防涂覆，確保測(cè)試探針與焊盤充分接觸[8]。

2.2.2? 測(cè)試文件準(zhǔn)備與轉(zhuǎn)換

飛針測(cè)試系統(tǒng)主要需要PCB板的網(wǎng)表文件與BOM文件信息，其中網(wǎng)表文件包含PCB網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)關(guān)系與元器件尺寸、位置信息等，BOM文件包括了所有元器件參數(shù)、位號(hào)、數(shù)量和封裝信息等，編程人員需準(zhǔn)備好PCB文件。

SEICA PLOTV8 NEXT 運(yùn)行編程環(huán)境VIVA8.0，只能讀取“*.nod，*.par，*.odb++”，無法直接讀取“*.pcb”或“*.pcbdoc”， 而Altium designer繪制PCB文件，文件后綴名是“*.pcbdoc”，需在Altium designer 軟件環(huán)境中導(dǎo)出ProtelPCB2.8 ASCII文件，后綴名為“*.pcb”，然后使用VIVA3.0軟件將“*.pcb”轉(zhuǎn)換成“*.nod”和“*.par”文件，才能使用VIVA8.0進(jìn)行編程。

2.2.3? PCB下針點(diǎn)設(shè)置

對(duì)PCB板上所有元器件參考電容C、電阻R、電感L、集成電路U、二極管D、三極管Q、繼電器J順序，根據(jù)焊盤的實(shí)際情況設(shè)置強(qiáng)制下針點(diǎn)。設(shè)置規(guī)則為由難到易，即先設(shè)置接觸穩(wěn)定性最差的焊盤或測(cè)試點(diǎn)，最后設(shè)置接觸穩(wěn)定性最好的焊盤或測(cè)試點(diǎn)[9]。一般情況去除測(cè)試探針無法下針的位置，主要有以下位置：①有阻焊層的過孔；②通孔元器件焊盤；③BTC底部焊盤元器件（參考IPC—7093《底部端子元器件（BTC）設(shè)計(jì)和組裝工藝的實(shí)施》定義類型，如BGA、QFN、SMD-1等封裝器件）、CAK45系列電容、P6SMB系列二極管；④間距小于0.5 Pitch集成電路；⑤其他特殊封裝器件導(dǎo)致無法落針情況。

設(shè)置好下針點(diǎn)之后，可點(diǎn)擊Board Setup，再點(diǎn)擊Coordinates Check and Autolearn進(jìn)行下針點(diǎn)檢查，確認(rèn)飛針落針位置，應(yīng)無扎偏、無錯(cuò)位、未扎至元器件本體情況。飛針測(cè)試下針點(diǎn)設(shè)置如圖2所示。

2.2.4? 設(shè)置禁飛區(qū)

如果一個(gè)板子上只有一個(gè)元器件比較高，其他的都非常低，為了提高測(cè)試效率，可以將元器件高的區(qū)域設(shè)置禁飛區(qū)，另外板厚和抬針高度兩者相加不能超過40 mm。

2.3? 飛針測(cè)試程序調(diào)試

飛針測(cè)試程序調(diào)試包括各類元器件參數(shù)、節(jié)點(diǎn)測(cè)試、絕緣測(cè)試和充放電測(cè)試等二十幾類，下面以主要的幾個(gè)方面闡述調(diào)試技巧與經(jīng)驗(yàn)。

2.3.1? 調(diào)試電阻類參數(shù)

電阻檢測(cè)的關(guān)鍵參數(shù)有阻值、容差范圍、檢測(cè)電壓、檢測(cè)采樣率、循環(huán)次數(shù)和隔離點(diǎn)等，其中阻值選取電阻的標(biāo)稱值或者多塊合格印制板組件檢測(cè)平均值。容差需要根據(jù)電阻在電路中的位置和電阻的質(zhì)量等級(jí)綜合考慮，一般選取10%。檢測(cè)電壓選取要求小于1 V，一般選取0.3 V，確保電路中元器件在加電信號(hào)測(cè)試過程中不損傷。檢測(cè)采樣率一般選取50%，過高的采樣率會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)中的誤報(bào)頻發(fā)，影響檢測(cè)效率。循環(huán)次數(shù)一般選擇10次，即每次進(jìn)行10次檢測(cè)，確保檢測(cè)成功性的同時(shí)還不影響檢測(cè)效率。

2.3.2? 調(diào)試電容類參數(shù)

電容的檢測(cè)容差，根據(jù)電容的等級(jí)和網(wǎng)絡(luò)影響進(jìn)行設(shè)定，一般選擇±15%適應(yīng)大部分情況。電容的檢測(cè)延遲時(shí)間，一般選擇0 s，但遇到較大容值的鉭電容則設(shè)定為1 s，確保鉭電容完成充電過程，檢測(cè)值的準(zhǔn)確性才能有所保證。檢測(cè)電壓，一般設(shè)置為0.3 V，最大不能超過1 V，不超過極性電容的反向擊穿電壓，確保檢測(cè)電容的安全性。

2.3.3? 集成電路

飛針通過對(duì)集成電路引腳關(guān)聯(lián)的二極管進(jìn)行測(cè)量， 可以間接判斷引腳的焊接質(zhì)量， 該方法稱為結(jié)電壓掃描（junction-scan）。測(cè)量原理示意圖如圖3所示。在VIVA中設(shè)置AUTIC類型測(cè)試，使用無向量技術(shù)檢查IC。二極管陽極接在被測(cè)單元的參考地（GND），二極管陰極連接在IC被測(cè)引腳。如果引腳焊接無誤， 那么該信號(hào)通過保護(hù)二極管和GND 之間會(huì)形成回路， 探針即可檢測(cè)到二極管的導(dǎo)通電壓Von， 如果存在虛焊，探針則檢測(cè)不到Von。

2.3.4? 節(jié)點(diǎn)測(cè)試FNODE

FNODE用于測(cè)試被測(cè)單元與信號(hào)相關(guān)或相連的網(wǎng)絡(luò)的情況，測(cè)試原理是使用電偶極子。它由恒定電阻、電容、電感組成，信號(hào)端輸入一定頻率的正弦波，另一個(gè)引腳連接GND，測(cè)量電流的大小及相位，F(xiàn)NODE利用FFT變換進(jìn)行諧波分析測(cè)試。在VIVA中測(cè)試框圖如圖4所示，在調(diào)試環(huán)境中右下角可觀察電流、電壓及波形。

2.3.5? 隔離調(diào)試技術(shù)

正常情況下，運(yùn)用基本的電學(xué)原理， 即可完成對(duì)于LCR 的測(cè)量，在實(shí)際電路中，電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在基本電路原理上還要增加一些輔助方法進(jìn)行調(diào)試。添加隔離點(diǎn)可以有效降低電路復(fù)雜度，能夠精確檢測(cè)被測(cè)元件，隔離調(diào)試技術(shù)如圖5所示。Rx為目標(biāo)器件，其右邊的復(fù)雜電路會(huì)影響Rx的測(cè)量，實(shí)際測(cè)量中，通過將A、B兩點(diǎn)等電勢(shì)的方法，對(duì)Rx右邊的電路隔離，從而得到Rx的測(cè)量值。

3? 可測(cè)試性設(shè)計(jì)

原理圖及PCB原始文件中對(duì)元器件命名及電氣參數(shù)表示方法要求如下。

①阻容值表示方法應(yīng)為數(shù)值和單位符號(hào)，如R1阻值應(yīng)為10 K，不可記為103；②元器件位號(hào)命名方法為電阻類為R字母開頭命名，排阻類為RP，電容類為C，電感類為L(zhǎng)，二極管類為D，三晶管類為Q，集成電路類為U，連接器類為J，測(cè)試點(diǎn)類為TP等；③PCB電子文件中的元件標(biāo)識(shí)/電氣網(wǎng)絡(luò)、數(shù)值應(yīng)與原理圖中保持一致。

電源網(wǎng)絡(luò)、地網(wǎng)絡(luò)、基準(zhǔn)電壓、通訊信號(hào)，每面每類網(wǎng)絡(luò)應(yīng)各加2～10個(gè)測(cè)試點(diǎn)。

電源的變換電路，可以各級(jí)輸出端增加測(cè)試點(diǎn)，原理如圖6所示。

高于7 mm的元器件會(huì)產(chǎn)生陰影區(qū)域，一般情況下測(cè)試點(diǎn)設(shè)置在距高元器件本體距離D以外，D取值范圍為5.5～11.5 mm，計(jì)算公式如圖7所示（供設(shè)計(jì)人員參考計(jì)算）。一般高于28 mm的元器件將設(shè)置禁飛區(qū)，不進(jìn)行飛針測(cè)試，根據(jù)其重要性可考慮在相同網(wǎng)絡(luò)其他元器件設(shè)置測(cè)試點(diǎn)。

注：h表示元器件標(biāo)稱高度；h'表示探針距離元器件頂部的最小高度，一般取3 mm；a表示探針與元器件高度之間的夾角；x表示由于探針投影產(chǎn)生的陰影距離；x'表示探針距離元器件側(cè)邊的最小距離，一般取2.5 mm；D表示元器件與“測(cè)試點(diǎn)或接觸點(diǎn)”的最小距離（測(cè)試點(diǎn)需定義在尺寸D之外），一般建議取5.5～11.5 mm。

4? 飛針測(cè)試應(yīng)用

4.1? 飛針測(cè)試判定原則

實(shí)際生產(chǎn)中，PCBA的情況比較復(fù)雜，選擇飛針測(cè)試的PCBA，一是基于復(fù)雜度原則（復(fù)雜度定義如下）。

復(fù)雜度定義（參考）

Ci=（（Cz+Jz）/100）×S×M×D，

式中：Cz為板上元件總數(shù)；Jz為焊點(diǎn)總數(shù)；S為PCB單雙面系數(shù)，單面板S=0.5，雙面板S=1.0；M為器件混合程度，低混合度M=0.5，高混合度M=1.0（制造過程從封裝進(jìn)行考慮）；D為單板焊點(diǎn)密度，D=Jz/（L×W），L為單板長(zhǎng)度，W為單板寬度測(cè)試過程從程序難度考慮。

低復(fù)雜度L：Ci<50。中等復(fù)雜度M：50≤Ci<125。高復(fù)雜度H：Ci≥125。

二是基于工藝流程確定了飛針測(cè)試判定基本原則：①清洗后，不能三防涂覆；②分板后需留有4 mm，否則不可分板；③帶冷板的PCBA可分板可鉚接扳手但不能安裝鎖緊機(jī)構(gòu)；④冷板粘貼不能擋住Mark點(diǎn)和測(cè)試點(diǎn)了，Mark點(diǎn)設(shè)計(jì)位置不能太靠近扳手之類的機(jī)械零件；⑤不能焊接導(dǎo)線；⑥引腳間距小于0.5 mm和大型器件如電源模塊、浪涌抑制器等通孔器件需要引出測(cè)點(diǎn)；⑦焊接面的條碼、標(biāo)簽、絲印及扳手等不要擋住測(cè)試點(diǎn)。

4.2? 驗(yàn)證程序

飛針測(cè)試程序的可行性、有效性和魯棒性，可以從覆蓋率、故障檢出情況（虛警率、漏報(bào)率）、可重復(fù)性幾個(gè)維度考量，本文因篇幅有限，以故障檢出情況探究飛針測(cè)試的應(yīng)用價(jià)值。

為了驗(yàn)證飛針測(cè)試程序的故障檢出情況，選取某產(chǎn)品PCBA用于驗(yàn)證（如圖8所示），數(shù)量28塊，包括IC、阻容類、二級(jí)管、三極管等類型，抽取其中5塊PCBA設(shè)置相同故障（序列號(hào)：0001、0008、0013、0014、0056），人為故障類型設(shè)置如下：①C2和C16調(diào)換；②R39和R57調(diào)換；③DD12二極管極性錯(cuò)；④U6的1#和2#腳短路；⑤Rw1和R41對(duì)調(diào)。

最終程序調(diào)試好之后，測(cè)試5塊PCBA的5種故障類型分別保留測(cè)試報(bào)告，其中1份報(bào)告如圖9所示。

驗(yàn)證結(jié)論：在某產(chǎn)品上運(yùn)用飛針測(cè)試程序設(shè)計(jì)的方法，設(shè)置故障除DD12外其他故障現(xiàn)象都能檢測(cè)出，其中DD12為P6SMB6.8CA雙向TVS管，故無法檢測(cè)為故障。

5? 結(jié)論

本文以公司現(xiàn)有PILOT V8 NEXT飛針測(cè)試儀為研究對(duì)象，通過論述飛針測(cè)試原理，飛針測(cè)試技術(shù)以及可測(cè)試性設(shè)計(jì)，在某產(chǎn)品PCBA驗(yàn)證飛針測(cè)試程序的有效性、可行性和魯棒性?？偨Y(jié)了應(yīng)用中的編程、調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，提煉出開展飛針測(cè)試的工藝流程判定及可測(cè)試性設(shè)計(jì)的要求，以便工藝人員、編程人員、設(shè)計(jì)人員應(yīng)用飛針測(cè)試技術(shù)提供借鑒。通過大量PCBA測(cè)試證明，飛針測(cè)試技術(shù)可檢測(cè)出大部分的器件焊接、LCR 故障， 大大提高了后級(jí)工序的生產(chǎn)效率，排除了部分潛在故障， 提高了PCBA的質(zhì)量。

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