在线测试技术在SMT中的应用

一、引言



　　印制电路板组件（PBA）的测试目标可以按测试的问题划分为三个层次：A. 证实每个器件完成其所要求的功能；B. 证实各器件是以正确方式相连接的；C. 证明各器件间正确地相互作用并完成其预定的功能。目标A和B通常用在线测试技术完成，目标C则要用功能测试。因此，以前的自动测试设备既用于检测器件故障、制造故障，又要检测与设计有关的故障。即为一种组合型测试设备－－结合了在线测试和功能测试技术。或者，将所有的故障都放在功能测试阶段发现并排除。



　　计算机辅助设计CAD的广泛应用则使时序、参数及布局等与设计有关的故障大为降低。同时，随着SMT技术的广泛使用，器件封装的微型化。PCB组件的高密度化，制造故障呈复杂化。开路和短路故障几乎占了所有故障总和的50％。图1 表明了典型的SMT型PBA的故障分布。





图1：典型SMT型PBA故障分布



　　因此，在线测试技术及设备将扮演着更重要的角色。也需要更多的测试技术及手段以适应电子产品装联技术发展的要求。本文则主要介绍这些测试技术，同时也简要介绍在线测试设备。



二、在线测试技术及设备



　　自1960年美国通用电气公司发明了针床式在线测试器以来，在线测试技术取得了很大的发展。1970年诞生了数字在线测试技术，1980年推出了矢量测试技术。在过去的几年，已开发出几种测试SMT型PBA的技术。如边界扫描技术，X－光检测技术等。现在又推出了非矢量测试方法。



　　1. 矢量测试技术

　　早期的在线测试仪由于电路板上所用的都是分离元件的模拟电路，通常采用4线和3线保护测量技术。但是，随着数字集成电路的出现，尤其是大规模数字集成电路的出现，使得3线和4线隔离保护测试技术不能胜任，于是产生了数字矢量测试技术。

　　矢量测试方法是用一组矢量集的组合来激励所要测的器件，把输出的响应与对应的真值表对比看是否正确。使用矢量测试，要求对器件的了解要比较全面，测试工程师要比较熟练地掌握器件性能与真值表的配合。

　　但是，使用矢量测试方法测试PCB板，遇到需要对一个新的大规模集成块开发测试码型，那是很费时的工作，而且还必须是很有经验测试工程师。开发一个器件的测试码型花费好几周时间是很常见的事。尤其用IC器件（包括用户自已）设计开发的专用电路（ASIC，FPGA）。由于缺少文件，缺少参数指标，加之器件设计人员不愿提供设资料等。这样，延长了开发测试软件的时间，推迟产品上市时间。

　　再者，现在许多器件都很复杂，由于测试工程师能力所限，他们开发的测试码型很难满足器件管脚的故障覆盖率。

　　另外，由于矢量测试只能显示出故障导致电路非正常工作的现象，而不能给故障精确定位，在诊断精度上仍有不尽人意之处，有些故障原因必须凭经验给出。为了解决上述种种缺陷。又开发了许多新技术，例如：测试矢量生成仪，边界扫描以及非矢量测试等。



　　2. 测试矢量生成仪

　　每位曾经编写过测试程序的测试人员一定都希望有一种能自动生成高效的测试码型。于是测试矢量生成工具应运而生。

　　矢量生成工具用循序渐进，目标明确的方法来得到试验码型，成功率很高。利用智能算法比累试法形成试验矢量应当能够更快地生成可实用的测试码型。这种方法是将矢量形成的任务分解在比较容易处理的小块，其顺序进行的生成过程着眼于还未令人满意的目标，当新的目标达到时，这些矢量便加到已有的码型上去。同用手工方法相比，用一个高效的码型生成算法生成一个优良的在线测试码型所需的时间缩短了上千倍。

　　用于生产的在线测试码型的稳定性和重复性是至关重要的。如果一个码型的故障覆盖率很高，但不稳定，重复性很低，这样的码型也毫无用处。算法生成器在这方面采取了预防措施，一般是在主体部分的实际测试码型前加一段初始化程序。

　　一个好的算法矢量生成工具，要求所生成的测试码型的比特数小，而故障覆盖率不变。这是因为在测试器件时，用一种反驱动的方式，逆向驱动的时间长时器件会由热效应造成损害。测试电路板所需的时间又直接与测量矢量的长度成正比。

　　算法矢量生成器的出现，提高了测试技术人员得到测试模式的能力，但用此技术仍需耗费大量的精力。一名工程师必须对VLSI有一定程度的了解才能成功地发挥这项技术的作用。有一些器件，算法矢量生成器对它们不适用。例如，数模混合信号的元件，动态元件，初始化很复杂的器件。最后一点是，通电测试能提高故障覆盖率，但在电路板测试存在一些问题时，会使程序调整变得很困难，要求对相应的器件堵塞，在编程时需要很多的技巧。



　　3. 边界扫描技术

　　随着PCB的日益复杂，电路板的上安装密度的提高和半导体器件的复杂程度的增大，采用SMT以及大规模集成电路，使得PCB上所含器件的“容量”也越来越大，大大限制了探针直接测试技术的使用，在不断的探索中，人们找到了解决问题的方法。

　　采用扫描测试技术对大容量PCB板进行测试的价值首先在1985年被PHILIPS公司认识到，被发展成为边界扫描测试BST（Boundary-ScanTest)技术。以后，它逐渐被一些主要的电子公司接受，形成一种测试体系规范，。1990年2月，IEEE标准员会通过了“IEEE标准测试端口和边界扫描测试体系规范”。1990年8月，美国国家标准ANSI也承认了这一标准。我国也制定与标准相兼容的“标准可测试总线”－SJ/T－15066－94。

　　边界扫描测试BST是一种可测试结构技术，用来解决测试探针所不能实现的测试问题。它是在芯片的I/O端上增加移位寄存器，把这些寄存器连接起来，加上时钟复位测试方式选择以及扫描输入和输出端口，而形成边界扫描通道。在PCB上有多个IC元件，通过完善的设计，可以将每个元件的边界扫描寄存器串起来，构成一个串行通道，那么对元件边界上的信号，你既可控制它，也可以在器件尾部观察它。此外，在PCB设计时，也可含多个相互独立的边界扫描通道。这就实现了在PCB一级的边界扫描测试。

　　尽管很多使用中的器件可以使用BST术，但由于需要增加额外电路及引线，在已设计的ASIC中，仍有一部分电路没有边界扫描设计，这样就导致了很难做成100％的边界扫描板。并且，目前我国电子整机生产厂家在元件的采购上，设计人员与测试人员在器件设计的配合上，产品的成本问题上等都存在一些问题。使得BST技术的应用受到阻碍，但这种测试技术是一个发展方向，因此专业性在线测试仪制造公司都提供了边界扫描测试的技术和装备。



　　4. 非矢量技术的应用

　　如图1所示，SMT的主要故障是开路，而电路板密度加大使矢量测试需大量的编程时间，边界扫描技术的应用又存在一定困难，有些制造厂家开发了电路板断电情况下检测器件（当然也就不需要测试矢量）的非矢量测试技术。

　　此项技术关注的是SMT电路板上开路的引出线。第一种方法是用电容耦合技术测量每条引出线和器件引线架之间的电容；第二种方法是测量晶体管的寄生特性参数；第三种方法是用射频电磁场在器件的电路中感应电流，这同变压器原边组在副边组感应电流相似。上面讲到的三种方法都要用测试探头。这种探头也可以用于测试短路。

　　需要指出的是没有哪一种单独的非矢量测试技术能够覆盖全部的故障。总有某些电路布局，器件类别，封装形式等，使得某种非矢量测试技术无法应用。例如，电容技术只能检测有管脚架的器件，而射频技术不能测连接器。然而，每种技术各有所长，故障覆盖范围各异；联合应用就能提供最广泛的故障覆盖率。下表给出了上述三种测试技术所能检测的故障情况。

　　非矢量测试技术的出现，带来了电路板测试技术的革命性化。虽然它也有一些缺点。比如要增加一个夹具的配件等，但随着此项技术的发展及日趋成熟，其所具有的优点使其日趋普及。预计对未来SMT电路板非矢量测试是主要的、强有力的测试方案。

　　目前生产在线测试设备的厂家很多。设备性能参差不齐，价格从几万美元到几十万每元不等。有些厂家推出了无针床在线测试设备－－用三根或三根以上的移动探针代替针床。一般说来，如果在线测试设备只提供模拟分立元件检测和通用型数字集成电路检测功能，则只需十万美元以下。如果测试设备能提供边界扫描技术和非矢量检测技术，则其价格迅速增加，这是因为测试设备所提高的故障覆盖率与其价格的增长几乎呈指数上升。当然，在线测试设备所能提供的测试点数和测试精度也对价格影响很大。

　　需要特别指出的是，虽然无针床在线测试仪一般只能提供模拟分立元件检测功能，故障定位不十分准确，提供的故障覆盖率很有限，但由于省去了制造针床和编写较复杂的测试程序等环节，非常适合品种多，批量小和产品更新换代快的生产企业。尤其是被测印电路板功能不复杂，没有或少有超大规模集成电路和专用集成电路ASIC，选用无针床在线测试设备不失明智之举。

　　此外，在线测试设备能否正常投入使用，尤其想利用好。与设计人员的直接参与有很大关系。

　

三、结束语



　　以上我们介绍了在线测试设备常采用的测试技术，这些测试技术往往是为解决某类故障的检测而开发的。因此，每项测试技术都有一定适用条件和范围。所以在选购在线测试设备时，应分析产品的特点和故障分布情况，从而选用相适应的测试技术及设备，对SMT型印制电路板，仅有用传统的三线或六线测试技术设备是不够的，因为这种PCB上的表面安装器件密度大，数量多，总有VLSI或ASIC器件。因而测试设备应具有非矢量检测技术或边界扫描技术.



故障类型电容耦合技术结效应测试技术射频磁感应技术开路√√√插座和连接器开路√　　器件插反　√√驱动器击穿　√√焊接线断开　√√　　器件及封装类型电容耦合技术结效应测试技术射频磁感应技术仅有单一电源和接地管脚　√√无独立管脚对√　√无保护二极管√　　有接地平面和散热器　√　无引线框架（BGA、PGA）　√√