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現(xiàn)代PCB測試的策略
2014/07/03
Terry
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為測試著想的設計(DFT, design for test)不是單個人的事情，而是由設計工程部、測試工程部、制造部和采購部的代表所組成的一個小組的工作。設計工程必須規(guī)定功能產(chǎn)品及其誤差要求。測試工程必須提供一個以最低的成本、最少的返工達到僅盡可能高的第一次通過合格率(FPY, first-pass yield)的策略。制造部和品質(zhì)部必須提供生產(chǎn)成本輸入、在過去類似的產(chǎn)品中什么已經(jīng)做過、什么沒有做過、以及有關為產(chǎn)量著想的設計(DFV, design for volume)提高產(chǎn)量的幫助。采購部必須提供可獲得元件，特別是可靠性的信息。測試部和采購部在購買在板(on-board)測試硬件的元件時，必須一起工作以保證這些元件是可獲得的和易于實施的。通常把測試系統(tǒng)當作收集有關歷史數(shù)據(jù)的傳感器使用，達到過程的改善，這應該是品質(zhì)小組的目標。所以這些功能應該在放置/拿掉任何節(jié)點選取之前完成。
參數(shù)
在制訂測試環(huán)境的政策之前，準備和了解是關鍵的。影響測試策略的參數(shù)包括：
可訪問性。完全訪問和大的測試焊盤總是為制造設計電路板的目標。通常不能提供完全訪問有四個原因：
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板的尺寸。設計更小；問題是測試焊盤的“額外的”占板空間。不幸的是，多數(shù)設計工程師認為測試焊的可訪問性是印刷電路板上(PCB)較不重要的事情。當由于不能使用在線測試儀(ICT, in-circuit tester)的簡單診斷，產(chǎn)品必須由設計工程師來調(diào)試的時候，情況就會是另一回事。如果不能提供完全訪問，測試選擇是有限的。
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功能。在高速設計中損失的性能影響板的部分，但可以逐步縮小在產(chǎn)品可測試性上的影響。
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板的尺寸/節(jié)點數(shù)。這是當物理板得尺寸在任何現(xiàn)有的設備上都不能測試的時候。慶幸的是，這個問題可以在新的測試設備上或者使用外部的測試設施上增加預算來得到解決。當節(jié)點數(shù)大于現(xiàn)有的ICT，問題更難解決。DFT小組必須了解測試方法，這些方法將允許制造部門使用最少的時間與金錢來輸出好的產(chǎn)品。嵌入式自測、邊界掃描(BS, boundary scan)和功能塊測試可做到這點。診斷必須支持測試下的單元(UUT, unit under test)；這個只能通過對使用的測試方法、現(xiàn)有測試設備與能力、和制造環(huán)境的故障頻譜的深入了解才做得到。
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DFT規(guī)則沒有使用、遵守或理解。歷史上，DFT規(guī)則由理解制造環(huán)境、過程與功能測試要求和元件技術(shù)的一個工程師或工程師小組強制執(zhí)行。在實際環(huán)境中，過程是漫長的，要求設計、計算機輔助設計(CAD)與測試之間的相互溝通。這個泛味的重復性工作容易產(chǎn)生人為錯誤，經(jīng)常由于到達市場的時間(time-to-market)壓力而匆匆而過。現(xiàn)在工業(yè)上已經(jīng)有開始使用自動“可生產(chǎn)性分析儀”，利用DFT規(guī)則來評估CAD文件。當合約制造商(CM, contract manufacturer)使用時，可分類出多套規(guī)則。規(guī)則的連續(xù)性和無差錯產(chǎn)品評估是這個方法的優(yōu)點。
測試設備的可獲得性DFT小組應該清楚現(xiàn)有的測試策略。隨著OEM轉(zhuǎn)向依靠CM越來越多，使用的設備廠與廠之間都不同。沒有清楚地理解制造商工藝，可能會采用太多或太少的測試。現(xiàn)存的測試方法包括：
其主要優(yōu)點較低的前期成本、較低WIP、低的編程與程序維護成本、高輸出、容易跟隨診斷、和快速完全的短路與開路測試。其主要缺點是不能確認材料清單(BOM, bill of material)是否符合在測單元(UUT, unit under test)、沒有數(shù)字式確認、沒有功能測試能力、不能調(diào)用固件(firmware)、通常沒有測試覆蓋指示、板與板線與線之間的可重復性、夾具成本、以及使用問題。
ICT的主要優(yōu)點是每個板的測試成本低、數(shù)字與功能測試能力、高輸出、良好的診斷、快速和徹底的短路與開路測試、編程固件、缺陷覆蓋報考和易于編程。其主要缺點是，夾具、編程與調(diào)試時間、夾具成本、預期開支和使用問題。
探針使用無向量(vectorless)技術(shù)測試數(shù)字、模擬和混合信號元件的連接；這個應該通過使用者可用于UUT兩面的電容板(capacitive plate)來完成。
飛針測試機的主要優(yōu)點是，它是最快速的到達市場時間(time-to-market)的工具、自動測試生成、無夾具成本、良好的診斷和易于編程。主要缺點是低產(chǎn)量、局限的數(shù)字覆蓋、固定資產(chǎn)開支和使用問題。
最終產(chǎn)品測試(final product test)是最常見的功能測試方法。測試裝配后的最后單元是開支不大的，減少操作的錯誤。可是，診斷是不存在的或者困難，這樣增加成本。只測試最終產(chǎn)品，有機會損壞產(chǎn)品，如果沒有自動測試所提供的軟件或硬件的保護。最終產(chǎn)品的測試也是慢的，通常占用較大的空間。當必須滿足標準時通常不使用該方法，因為它通常不支持參數(shù)測量。
最終產(chǎn)品測試的主要優(yōu)點是最低的初始成本、一次裝配、和產(chǎn)品與品質(zhì)的保證。其主要缺點包括低診斷分辨、缺乏速度、高長期成本、FPY、由于不發(fā)覺的短路引起的板或機器的損壞、返修成本高、以及無參數(shù)測試能力。
最新實體模型(hot mock-up)通常放在不同的裝配階段，而不是只在最終測試。在診斷上，它好過最終產(chǎn)品測試，但由于必須建立專門測試單元而成本較高。實體模型可能比最終產(chǎn)品測試更快，如果程序調(diào)試只測試一個特定的板。不幸的是，由于缺少保護，如果短路在前面的過程中沒有診斷處理則可能損壞測試床。
其主要優(yōu)點是低初始成本。主要缺點是空間使用效率低、維護測試設備的成本、由于短路而損壞UUT和無參數(shù)測試能力。
軟件控制、可商業(yè)購買的儀器(software-controlled, commercial available instrument)通常叫做“堆砌式”測試("rack and stack" test)，因為儀器是分別購買，然后連接起來的。同步設備的軟件通常完全用戶化。商業(yè)可購買的儀器比較集成方案是不貴的，如果正確完成，允許獨立的UUT有效性。但這個“自制的”系統(tǒng)通常較慢，工程更改與生產(chǎn)現(xiàn)場支持困難，因為這些應用是內(nèi)部存檔的(under-documented)。
其主要優(yōu)點是保護UUT的損壞、較快的輸出、要求占地空間小、和獨立的/工業(yè)可接受的校驗。主要缺點是費時、支持困難、在遠距離設施上更新與使用。
商業(yè)、用戶集成系統(tǒng)(commercial, custom integrated system)在一個測試平臺上耦合軟件與硬件，例如，IEEE、VXI、Compact PCI 或 PXI。文件存檔、軟件支持和標準制造概念使得這些系統(tǒng)易于使用和支持。前期成本比內(nèi)部建立方案較高，但這個成本是可調(diào)節(jié)的，因為較高的性能、輸出和可重復性。它也易于生產(chǎn)現(xiàn)場和新產(chǎn)品開發(fā)期間的支持。
主要優(yōu)點是快速輸出、要求較少地面空間、最容易支持和重新設定、最好的可重復性、和提供獨立的工業(yè)可接受較驗。主要缺點是高初始成本。
快速輸出、不要求夾具、和視線/非遮蓋訪問是其主要優(yōu)點；未經(jīng)生產(chǎn)試用、高初始成本、高維護和使用問題是其主要缺點。
表一總結(jié)了所描述的測試方法。
測試方法與缺陷覆蓋
重要的是在制訂測試策略之前要理解現(xiàn)有的測試方法和缺陷覆蓋。有許多缺陷覆蓋范圍不同的電氣測試方法。
短路與開路。MDA和ICT善長找出短路 - 它們有針床達到每個電氣節(jié)點，可測量網(wǎng)點之間的電阻以確認短路。空板測試機使用對地電容(capacitance-to-ground)技術(shù)，如果只限于空板的話，其效率和速度是高的。飛針測試使用了電容技術(shù)(capacitor technique)和近似短路技術(shù)(proximity shorts technique)；前者對多數(shù)制造設施的可重復性不夠，缺乏良好的診斷。最好的近似測試使用原始的CAD數(shù)據(jù)來確認跡線位置，允許編程者選擇測試點之間最大的距離。這提供對測試速度的一定程度的控制；可是，應該推薦的是，功能測試設備具有鉗流(current-clamping)或雙折電纜(fold-back)電源來防止板或測試機的損壞，因為通過元件的低阻抗短路只在短路測試期間可能不能發(fā)覺。
無源模擬(passive analog)通過確認UUT已焊接于板上和安裝正確參數(shù)的元件來保證可接受的過程品質(zhì)。這個測試經(jīng)常在只有很少數(shù)量的WIP時進行的，因此在大量問題產(chǎn)品出現(xiàn)之前可以更正問題。不給板供電，用選擇性的無源或有源保護(guard)來使并聯(lián)電流通路的電流為零。對UUT與周圍的保護(guard)位置，需要有針床的入口。
視覺系統(tǒng)提供設備級的(device-level)診斷。它們使用一個樣板(golden board)，將其與沒有電氣測試的UUT進行比較。MDA提供電氣測試和元件級(component-level)診斷，再一次與已知好的板比較。ICT進行電氣測試，提供設備級診斷，與BOM比較值和誤差。功能測試機按照設計者的規(guī)格(通常叫做樣板golden board)進行測試。如果功能測試徹底的話，它保證產(chǎn)品可以發(fā)運出去。可是，如果FPY不是特別高，制造者的代價將是不良產(chǎn)品、浪費和昂貴的手工診斷與返修費用。
有源模擬(active analog)。給板供電的ICT、功能測試機和非針測試擅長查找壞的有源模擬元件。ICT和飛針測試，雖然提供引腳級的(pin-level)診斷，但是不能測量一些關鍵的制造商規(guī)格(如，帶寬、輸入偏置電流等)。功能測試機測量輸出特性，而不提供引腳級診斷。MDA借助無向量技術(shù)的幫助，視覺系統(tǒng)只確認元件的存在。X光提供焊接質(zhì)量的診斷。
數(shù)字與混合信號元件的測試。視覺、X光和MDA只診斷開路和短路。ICT使用各種方法，決定于元件、電路和可訪問性。它只能對連續(xù)性使用無向量技術(shù)，當有全部的入口時，對連續(xù)性和元件確認使用BS。通過手工向量生成來為一個特定元件建立模型可能是費時的，并且可能不夠覆蓋缺陷來判斷效果。對連續(xù)性的無向量技術(shù)和保證元件運行的有限向量測試相結(jié)合的策略可用來使覆蓋范圍最大，而限制開發(fā)時間。
功能系統(tǒng)按照設計規(guī)格測試電路/模塊，但缺乏將降低引返修費用的腳級/元件級診斷。在大多數(shù)情況下，功能測試不提供需要用于過程改進的深層數(shù)據(jù)。功能與ICT兩者都編程在板(on-board)閃存(flash)、在系統(tǒng)(in-system)可編程和在板內(nèi)存元件(表二)。
制造的測試戰(zhàn)略
沒有一個策略將或應該適合所以的制造商。當開發(fā)一個測試和工藝改進策略時，必須考慮到無數(shù)的變量。
制造缺陷譜的確認應該是有工廠特殊性和產(chǎn)品特殊性。這些數(shù)據(jù)，如果是相關的和可靠的話，將減少人員與報廢成本，增加顧客信心。缺陷數(shù)據(jù)應該收集、編輯和在正常的品質(zhì)小組舉行的會議上討論。該數(shù)據(jù)也應該用來開發(fā)一個測試策略，查找常見的可預防的缺陷。這些數(shù)據(jù)應該包括工廠的和現(xiàn)場的失效，標記以日期。應該監(jiān)視新產(chǎn)品的缺陷，而成熟產(chǎn)品應該監(jiān)測，改善FPY和供應商品質(zhì)。缺陷數(shù)據(jù)應該作長期的與短期的內(nèi)部比較，連同其它場所一起改進總的品質(zhì)。天氣條件、人員、供應商和生產(chǎn)線改變的數(shù)據(jù)應該跟蹤，因為這些通常是潛在的品質(zhì)因素。
兩個重要的品質(zhì)因素是有關的數(shù)據(jù)收集和分布性試驗。一個傳感器收集將作為改善品質(zhì)的數(shù)據(jù)的能力，和數(shù)據(jù)管理者把數(shù)據(jù)傳達給正確的小組部門的能力，影響著現(xiàn)在與將來的產(chǎn)品。正確數(shù)據(jù)的定義決定于設施與產(chǎn)品。測試機起傳感器的作用，監(jiān)測過程。一個有效的分布測試策略找出盡可能靠近根源的過程問題，減少壞品的生產(chǎn)數(shù)量。
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