PCB通用测试的关键技术分析

caroline11

一、引言
前随着使用大规模集成电路的产品不断出现，相应的PCB的安装和测试工作已越来越重要。印制电路板的通用测试是PCB行业传统的测试技术、
最早的通用电性测试技术可追溯至七十年代末八十年代初，由于当时的元器件均采用标准封装(Pitch为100mil)，PCB亦只有THT (通孔技术)密度层次，所以欧美测试机厂商就设计了一款标准网格的测试机，只要PCB上的元件和布线是按照标准距离排布的，则每个测试点均会落在标准网格点上，因为当时所有PCB都能通用，故称为通用测试机。

由于半导体封装技术的发展，元器件开始有了更小的封装及贴片(SMT)封装，标准密度通用测试开始不再适用， 于是九十年代中期，欧美的测试厂商又推出了双倍密度测试机，并结合用一定的钢针斜率制造夹具以转换PCB测试点与机器网格连接，随着HDI制程工艺的逐渐成熟，双倍密度通用测试又不能完全满足测试的需求，于是在2000年左右，欧洲测试机厂商又推出了四倍密度网格通用测试机。

二、通用测试的关键技术
1.开关元件
要满足大部份HDI PCB的测试要求，测试面积必须要足够大，通常有以下标准尺寸：9.6×12.8(inch)、16 X12.8(inch)、24×19.2(inch)，在双密度满网格(Full Grid)情况下，上述三种尺寸测试点数分别是49512、81920、184320，电子元件的数量高达数十万，开关元件是保证测试稳定的一个核心元件，要求其具有耐高压(>300V)、低漏电等性能，同时电阻值等电气性能要均衡一致，所以这类元件一定要经过严格的筛选与检测，通常以晶体管或场效应管作为开关元件

晶体三极管的优缺点：
优点：成本低，抗静电击穿能力强，稳定性高;
缺点：电流驱动，电路比较复杂，需隔离基流(Ib)影响，功耗大
场效应管的优缺点：
优点：电压驱动，电路简单，不受基流(Ib)影响，功耗小
缺点：成本高，极易发生静电击穿，需加静电保护措施，稳定性不高，所以会增加维修成本。

2.网格点的独立性
满网格(Full Grid)
每个网格有独立的开关回路，即每个点都占用一组开关元件及线路，整个测试面积都能按四倍密度撒针。

共享网格(Share Grid)
由于满网格的开关元件数量多且线路比较复杂，难于实现，所以某些测试厂商使用网格共用技术，使不同区域的几个点共用一组开关元件和线路，从而减小了布线的难度和开关元件的数量，我们称之为共享网格(Share Grid)。共享网格有一个很大的缺陷，假如一个区域的点己经被完全占用了，那么与之共享的区域的点就不能再用，以至降低了该区域的密度为单密度。所以在较大面积HDI测试仍存在密度的瓶颈。

3.结构的组成
模块化结构
所有的开关阵列、驱动部分以及控制元件被高度集成为一组开关卡模块，测试面积可由该模块自由组合，并且可以互换，故障率低，维护及升级简单，但成本偏高。

绕线式结构
网格由绕线弹簧针与分离开关卡组成，体积庞大，无升级空间，故障时维护较困难。

4.夹具的构成
长针结构夹具
泛指钢针为3.75"(95.25mm)的夹具结构，优点为撒针斜率较大，单位面积内可撒针点数较短针结构多20%~30%。但结构强度较差，夹具制作时需注意加强。

短针结构夹具
泛指钢针为2.0"(50.8mm)的夹具结构，优点为结构强度较好，但撒针斜率较小。

5.辅助软件(CAM)
在高密度通用测试中，适当的CAM支持是十分重要的，主要由两部分组成：
网路分析及测试点生成;
夹具辅助制作。

由于夹具制作过程的很多参数(如夹具层间结构、钻孔孔径、安全孔距、支柱结构等)都很大程度影响夹具测试效果，这一部份必需要由厂商指派熟练工程师训练， 并不断总结经验， 才能把夹具做得更好。

三、双密度与四密度比较
首先，四密度可以完成双密度无法测试的板，因为针床上的弹簧针点阵密度与线路板上的测试点的密度不同而使得测试夹具的钢针必须有一定的斜率，才能将on grid 转变成为off grid，然而钢针的斜度是受到结构限制的，不可能无限地加大，一般情况下，双密度的钢针
斜率(测试钢针在夹具中水平偏移的距离)最大为700mil， 四密度为400mil，那么，就有可能产生无法种针的现象，究竟有多少这样的针是可以通过计算得出的。

另外，在测试效果上可明显改善测试的假点率和压痕情况，四密度的点阵密度为每平方英寸400点，双密度为200点，相同点数在夹具底层上的撒针面积可以减小一半，所以，采用四密度可以减小钢针的斜度，在夹具高度相同的情况下，同一款测试板的撒针斜率四密度基本上是双密度的一半，而钢针的斜度会对测试效果有很大的影响，斜率大则垂直方向上的距离减小，弹簧针压力会因此而减小，而夹具各层对钢针在垂直方向的阻力增大，导致钢针与PAD接触不良。另外，倾斜的钢针在上下模压合的过程中与PCB接触的一端会在PAD表面有相对滑动，如果夹具的强度不好而变形，钢针卡在夹具中，此时，钢针在PAD上的压力就远远不止是针床弹簧针的弹力，严重时就会产生压痕。四密度的钢针斜率比双密度的小，则有更多空间在夹具上安装支撑柱，使夹具结构更加稳定。斜率小的另外一个好处是，可以使钻孔孔径减小，从而减小孔破的可能。

对于PAD的间距为20mil平均分布的BGA，撒针最大斜率双密按600mil，四密按400mil计算时，用双密度测试可排列的点数为441个，约0.17inch2，而用四密度测试时可排列的点数为896个，约0.35inch2。基本是双密度的一倍，由可知一斑。