現(xiàn)代PCB測(cè)試的策略

　　為測(cè)試著想的設(shè)計(jì)(DFT, design for test)不是單個(gè)人的事情，而是由設(shè)計(jì)工程部、測(cè)試工程部、制造部和采購(gòu)部的代表所組成的一個(gè)小組的工作。設(shè)計(jì)工程必須規(guī)定功能產(chǎn)品及其誤差要求。測(cè)試工程必須提供一個(gè)以最低的成本、最少的返工達(dá)到僅盡可能高的第一次通過(guò)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(guò)去類(lèi)似的產(chǎn)品中什么已經(jīng)做過(guò)、什么沒(méi)有做過(guò)、以及有關(guān)為產(chǎn)量著想的設(shè)計(jì)(DFV, design for volume)提高產(chǎn)量的幫助。采購(gòu)部必須提供可獲得元件，特別是可靠性的信息。測(cè)試部和采購(gòu)部在購(gòu)買(mǎi)在板(on-board)測(cè)試硬件的元件時(shí)，必須一起工作以保證這些元件是可獲得的和易于實(shí)施的。通常把測(cè)試系統(tǒng)當(dāng)作收集有關(guān)歷史數(shù)據(jù)的傳感器使用，達(dá)到過(guò)程的改善，這應(yīng)該是品質(zhì)小組的目標(biāo)。所以這些功能應(yīng)該在放置/拿掉任何節(jié)點(diǎn)選取之前完成。

　　參數(shù) 　　
　　在制訂測(cè)試環(huán)境的政策之前，準(zhǔn)備和了解是關(guān)鍵的。影響測(cè)試策略的參數(shù)包括：可訪(fǎng)問(wèn)性。完全訪(fǎng)問(wèn)和大的測(cè)試焊盤(pán)總是為制造設(shè)計(jì)電路板的目標(biāo)。通常不能提供完全訪(fǎng)問(wèn)有四個(gè)原因：

　　板的尺寸。設(shè)計(jì)更小；問(wèn)題是測(cè)試焊盤(pán)的“額外的”占板空間。不幸的是，多數(shù)設(shè)計(jì)工程師認(rèn)為測(cè)試焊的可訪(fǎng)問(wèn)性是印刷電路板上(PCB)較不重要的事情。當(dāng)由于不能使用在線(xiàn)測(cè)試儀(ICT, in-circuit tester)的簡(jiǎn)單診斷，產(chǎn)品必須由設(shè)計(jì)工程師來(lái)調(diào)試的時(shí)候，情況就會(huì)是另一回事。如果不能提供完全訪(fǎng)問(wèn)，測(cè)試選擇是有限的。 

　　功能。在高速設(shè)計(jì)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(cè)試性上的影響。 

　　板的尺寸/節(jié)點(diǎn)數(shù)。這是當(dāng)物理板得尺寸在任何現(xiàn)有的設(shè)備上都不能測(cè)試的時(shí)候。慶幸的是，這個(gè)問(wèn)題可以在新的測(cè)試設(shè)備上或者使用外部的測(cè)試設(shè)施上增加預(yù)算來(lái)得到解決。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)大于現(xiàn)有的ICT，問(wèn)題更難解決。DFT小組必須了解測(cè)試方法，這些方法將允許制造部門(mén)使用最少的時(shí)間與金錢(qián)來(lái)輸出好的產(chǎn)品。嵌入式自測(cè)、邊界掃描(BS, boundary scan)和功能塊測(cè)試可做到這點(diǎn)。診斷必須支持測(cè)試下的單元(UUT, unit under test)；這個(gè)只能通過(guò)對(duì)使用的測(cè)試方法、現(xiàn)有測(cè)試設(shè)備與能力、和制造環(huán)境的故障頻譜的深入了解才做得到。 

　　DFT規(guī)則沒(méi)有使用、遵守或理解。歷史上，DFT規(guī)則由理解制造環(huán)境、過(guò)程與功能測(cè)試要求和元件技術(shù)的一個(gè)工程師或工程師小組強(qiáng)制執(zhí)行。在實(shí)際環(huán)境中，過(guò)程是漫長(zhǎng)的，要求設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)與測(cè)試之間的相互溝通。這個(gè)泛味的重復(fù)性工作容易產(chǎn)生人為錯(cuò)誤，經(jīng)常由于到達(dá)市場(chǎng)的時(shí)間(time-to-market)壓力而匆匆而過(guò)。現(xiàn)在工業(yè)上已經(jīng)有開(kāi)始使用自動(dòng)“可生產(chǎn)性分析儀”，利用DFT規(guī)則來(lái)評(píng)估CAD文件。當(dāng)合約制造商(CM, contract manufacturer)使用時(shí)，可分類(lèi)出多套規(guī)則。規(guī)則的連續(xù)性和無(wú)差錯(cuò)產(chǎn)品評(píng)估是這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)。 
　　
　　測(cè)試設(shè)備的可獲得性 　DFT小組應(yīng)該清楚現(xiàn)有的測(cè)試策略。隨著OEM轉(zhuǎn)向依靠CM越來(lái)越多，使用的設(shè)備廠(chǎng)與廠(chǎng)之間都不同。沒(méi)有清楚地理解制造商工藝，可能會(huì)采用太多或太少的測(cè)試。現(xiàn)存的測(cè)試方法包括：

　　手工或自動(dòng)視覺(jué)測(cè)試，使用視覺(jué)與比較來(lái)確認(rèn)PCB上的元件貼裝。這個(gè)技術(shù)有幾種實(shí)施方法： 

　　手動(dòng)視覺(jué)是最廣泛使用的在線(xiàn)測(cè)試，但由于制造產(chǎn)量增加和板與元件的縮小，這個(gè)方法變得不可行。 它的主要優(yōu)點(diǎn)是低的預(yù)先成本和沒(méi)有測(cè)試夾具，而它的主要缺點(diǎn)是高長(zhǎng)期成本、不連續(xù)的缺陷發(fā)覺(jué)、數(shù)據(jù)收集困難、無(wú)電氣測(cè)試和視覺(jué)上的局限。 

　　自動(dòng)光學(xué)檢查(AOI, automated optical inspection)，通常在回流前后使用，是較新的確認(rèn)制造缺陷的方法。它是非電氣的、無(wú)夾具的、在線(xiàn)技術(shù)，使用了“學(xué)習(xí)與比較(learn and compare)”編程來(lái)使裝料(ramp-up)時(shí)間最小。自動(dòng)視覺(jué)對(duì)極性、元件存在與不存在的檢查較好，只要后面的元件與原來(lái)所“學(xué)”的元件類(lèi)似即可。它的主要優(yōu)點(diǎn)是易于跟隨診斷、快速容易程序開(kāi)發(fā)、和無(wú)夾具。其主要缺點(diǎn)是對(duì)短路識(shí)別較差、高失效率和不是電氣測(cè)試。 

　　自動(dòng)X光檢查(AXI, automated X-ray inspection)是現(xiàn)時(shí)測(cè)試球柵陣列(BGA, ball grid array)焊接質(zhì)量和被遮擋的錫球的唯一方法。它是早期查找過(guò)程缺陷的、非電氣、非接觸的技術(shù)，減少了過(guò)程工作(WIP, work-in-process)。這個(gè)領(lǐng)域的進(jìn)步包括通過(guò)/失效數(shù)據(jù)和元件級(jí)的診斷。現(xiàn)在有兩種主要的AXI方法：兩維(2-D)，看完整的板，三維(3-D)，在不同角度拍攝多個(gè)圖象。其主要優(yōu)點(diǎn)是唯一的BGA焊接質(zhì)量和嵌入式元件檢查工具、無(wú)夾具成本。其主要缺點(diǎn)是速度慢、高失效率、檢測(cè)返工焊點(diǎn)困難、高的每塊板成本、和長(zhǎng)的程序開(kāi)發(fā)時(shí)間。 

　　制造缺陷分析儀(MDA, manufacturing defect analyzer)是一個(gè)用于高產(chǎn)量/低混合環(huán)境的好工具，這里測(cè)試只用于診斷制造缺陷。當(dāng)沒(méi)有使用殘留降低技術(shù)時(shí)，測(cè)試機(jī)之間的可重復(fù)性是一個(gè)問(wèn)題。還有，MDA沒(méi)有數(shù)字驅(qū)動(dòng)器，因此不能功能上測(cè)試元件或者編程板上的固件(firmware)。測(cè)試時(shí)間比視覺(jué)測(cè)試少，因此MDA能夠趕上生產(chǎn)線(xiàn)的節(jié)拍速度。這個(gè)方法使用一個(gè)針床，因此可以接著診斷輸出。其主要優(yōu)點(diǎn)較低的前期成本、較低WIP、低的編程與程序維護(hù)成本、高輸出、容易跟隨診斷、和快速完全的短路與開(kāi)路測(cè)試。其主要缺點(diǎn)是不能確認(rèn)材料清單(BOM, bill of material)是否符合在測(cè)單元(UUT, unit under test)、沒(méi)有數(shù)字式確認(rèn)、沒(méi)有功能測(cè)試能力、不能調(diào)用固件(firmware)、通常沒(méi)有測(cè)試覆蓋指示、板與板線(xiàn)與線(xiàn)之間的可重復(fù)性、夾具成本、以及使用問(wèn)題。 

　　ICT將找出制造缺陷以及測(cè)試模擬、數(shù)字合混合信號(hào)的元件，以保證它們符合規(guī)格。許多設(shè)備具有編程在板(on-board)內(nèi)存的能力，包括系列號(hào)、通過(guò)/失效和系統(tǒng)數(shù)據(jù)(genealogy data)。有些設(shè)備使得程序產(chǎn)生較容易，它是通過(guò)把工具嵌入到易于使用的圖形用戶(hù)接口(GUI, graphical user interfaces)，和存儲(chǔ)代碼到一個(gè)專(zhuān)門(mén)文件來(lái)使得可以實(shí)現(xiàn)多版本測(cè)試和固件(firmware)變換容易的。有些設(shè)備具有復(fù)雜的儀器裝備，它將確認(rèn)UUT的功能方面，以及與商業(yè)可購(gòu)買(mǎi)的儀器的接口。現(xiàn)在的測(cè)試設(shè)備具有嵌入的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)接口和一個(gè)非多元環(huán)境來(lái)縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。最后，有些測(cè)試機(jī)提供深入的UUT覆蓋分析，它祥述正在測(cè)試或沒(méi)有測(cè)試的元件。　ICT的主要優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)板的測(cè)試成本低、數(shù)字與功能測(cè)試能力、高輸出、良好的診斷、快速和徹底的短路與開(kāi)路測(cè)試、編程固件、缺陷覆蓋報(bào)考和易于編程。其主要缺點(diǎn)是，夾具、編程與調(diào)試時(shí)間、夾具成本、預(yù)期開(kāi)支和使用問(wèn)題。 

　　飛針測(cè)試機(jī)(flying-probe tester)在過(guò)去幾年已經(jīng)受到歡迎，由于在機(jī)械精度、速度和可靠性方面的進(jìn)步。另外，現(xiàn)在對(duì)于原型(prototype)制造、低產(chǎn)量制造所要求的快速轉(zhuǎn)換、無(wú)夾具測(cè)試系統(tǒng)的市場(chǎng)要求，已經(jīng)使得飛針測(cè)試成為所希望的測(cè)試選擇。最好的探針?lè)桨柑峁W(xué)習(xí)的能力(learn capability)以及BOM測(cè)試，它在測(cè)試過(guò)程中自動(dòng)增加監(jiān)測(cè)。探針的軟件應(yīng)該提供裝載CAD數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)便方法，因?yàn)閄-Y和BOM數(shù)據(jù)在編程時(shí)必須用到。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)可訪(fǎng)問(wèn)性可能在板的一面不完整，所以測(cè)試生成軟件應(yīng)該自動(dòng)生成不重復(fù)的分割程序。探針使用無(wú)向量(vectorless)技術(shù)測(cè)試數(shù)字、模擬和混合信號(hào)元件的連接；這個(gè)應(yīng)該通過(guò)使用者可用于UUT兩面的電容板(capacitive plate)來(lái)完成。飛針測(cè)試機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是，它是最快速的到達(dá)市場(chǎng)時(shí)間(time-to-market)的工具、自動(dòng)測(cè)試生成、無(wú)夾具成本、良好的診斷和易于編程。主要缺點(diǎn)是低產(chǎn)量、局限的數(shù)字覆蓋、固定資產(chǎn)開(kāi)支和使用問(wèn)題。 
功能測(cè)試(functional test)，可以說(shuō)是最早的自動(dòng)測(cè)試原理，在重要性上已經(jīng)看到恢復(fù)活力。它是特定板或特定單元的，可用各種設(shè)備來(lái)完成。幾個(gè)例子：　最終產(chǎn)品測(cè)試(final product test)是最常見(jiàn)的功能測(cè)試方法。測(cè)試裝配后的最后單元是開(kāi)支不大的，減少操作的錯(cuò)誤。可是，診斷是不存在的或者困難，這樣增加成本。只測(cè)試最終產(chǎn)品，有機(jī)會(huì)損壞產(chǎn)品，如果沒(méi)有自動(dòng)測(cè)試所提供的軟件或硬件的保護(hù)。最終產(chǎn)品的測(cè)試也是慢的，通常占用較大的空間。當(dāng)必須滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)時(shí)通常不使用該方法，因?yàn)樗ǔ２恢С謪?shù)測(cè)量。　最終產(chǎn)品測(cè)試的主要優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)包括低診斷分辨、缺乏速度、高長(zhǎng)期成本、FPY、由于不發(fā)覺(jué)的短路引起的板或機(jī)器的損壞、返修成本高、以及無(wú)參數(shù)測(cè)試能力。 

　　最新實(shí)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(cè)試。在診斷上，它好過(guò)最終產(chǎn)品測(cè)試，但由于必須建立專(zhuān)門(mén)測(cè)試單元而成本較高。實(shí)體模型可能比最終產(chǎn)品測(cè)試更快，如果程序調(diào)試只測(cè)試一個(gè)特定的板。不幸的是，由于缺少保護(hù)，如果短路在前面的過(guò)程中沒(méi)有診斷處理則可能損壞測(cè)試床。其主要優(yōu)點(diǎn)是低初始成本。主要缺點(diǎn)是空間使用效率低、維護(hù)測(cè)試設(shè)備的成本、由于短路而損壞UUT和無(wú)參數(shù)測(cè)試能力。 

　　軟件控制、可商業(yè)購(gòu)買(mǎi)的儀器(software-controlled, commercial available instrument)通常叫做“堆砌式”測(cè)試("rack and stack" test)，因?yàn)閮x器是分別購(gòu)買(mǎi)，然后連接起來(lái)的。同步設(shè)備的軟件通常完全用戶(hù)化。商業(yè)可購(gòu)買(mǎi)的儀器比較集成方案是不貴的，如果正確完成，允許獨(dú)立的UUT有效性。但這個(gè)“自制的”系統(tǒng)通常較慢，工程更改與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)支持困難，因?yàn)檫@些應(yīng)用是內(nèi)部存檔的(under-documented)。　其主要優(yōu)點(diǎn)是保護(hù)UUT的損壞、較快的輸出、要求占地空間小、和獨(dú)立的/工業(yè)可接受的校驗(yàn)。主要缺點(diǎn)是費(fèi)時(shí)、支持困難、在遠(yuǎn)距離設(shè)施上更新與使用。 

　　商業(yè)、用戶(hù)集成系統(tǒng)(commercial, custom integrated system)在一個(gè)測(cè)試平臺(tái)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)成本是可調(diào)節(jié)的，因?yàn)檩^高的性能、輸出和可重復(fù)性。它也易于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)期間的支持。主要優(yōu)點(diǎn)是快速輸出、要求較少地面空間、最容易支持和重新設(shè)定、最好的可重復(fù)性、和提供獨(dú)立的工業(yè)可接受較驗(yàn)。主要缺點(diǎn)是高初始成本。 

　　諸如激光系統(tǒng)這樣的非接觸測(cè)試方法是PCB測(cè)試技術(shù)的最新發(fā)展。該技術(shù)已經(jīng)在空板(bare-board)區(qū)域得到證實(shí)，正考慮用于裝配板(populated board)的測(cè)試。該技術(shù)只用視線(xiàn)(line-of-sight)、非遮蓋訪(fǎng)問(wèn)(non-masked access)來(lái)發(fā)現(xiàn)缺陷。每個(gè)測(cè)試至少10毫秒，速度足夠用于批量生產(chǎn)線(xiàn)。　快速輸出、不要求夾具、和視線(xiàn)/非遮蓋訪(fǎng)問(wèn)是其主要優(yōu)點(diǎn)；未經(jīng)生產(chǎn)試用、高初始成本、高維護(hù)和使用問(wèn)題是其主要缺點(diǎn)。　表一總結(jié)了所描述的測(cè)試方法。