用于制造驗證的電路板測試

2021-11-04

用于制造驗證的電路板測試

電路板測試通常會(huì )讓人想起技術(shù)人員手持探頭和示波器檢查和調試組裝板的圖像。這些技術(shù)人員的工作是測試電路板的功能并尋找需要糾正的設計問(wèn)題或需要增強的電路性能。雖然這種測試方法是電子開(kāi)發(fā)周期的重要組成部分，但它并不是電路板將要經(jīng)歷的唯一驗證過(guò)程。 

電路板的大規模生產(chǎn)需要結合自動(dòng)化和手動(dòng)元件組裝過(guò)程。這些過(guò)程將部件放置在板上，然后將它們焊接到位。驗證這些組裝過(guò)程的工作落在自動(dòng)電路板測試系統上，該系統確認電路板是否已正確制造。讓我們更深入地了解自動(dòng)化測試，以及電路板布局設計人員需要做什么才能最好地適應這種測試。

自動(dòng)化電路板組裝：需要測試什么

組裝印刷電路板可使用三種不同的自動(dòng)化工藝：波峰焊、回流焊和選擇性焊接。

波峰焊

主要用于通孔元件，電路板通過(guò)一波熔化的焊料，該焊料通過(guò)電路板的孔和插入的引腳周?chē)纬珊更c(diǎn)。波峰焊也可用于一些表面貼裝元件，但通常這些部件必須與波峰隔離。

回流焊

主要用于表面貼裝元件，零件通過(guò)由金屬焊料顆粒和具有粘性的助焊劑組成的焊膏“粘合”到板的金屬焊盤(pán)上。一旦所有組件就位，電路板就會(huì )通過(guò)烤箱并加熱，直到焊膏熔化或回流，在零件和電路板之間形成焊點(diǎn)。

選擇性焊接

該系統使用通過(guò)噴嘴從儲罐中泵出的熔融焊料將焊料直接沉積在指定位置。盡管比其他兩個(gè)系統慢，選擇性焊接可以實(shí)現波峰焊困難的通孔引腳的自動(dòng)化組裝。

雖然今天沒(méi)有這些自動(dòng)化組裝過(guò)程就無(wú)法制造現代電子產(chǎn)品，但總是有可能出現焊接問(wèn)題。為了發(fā)現這些錯誤，使用自動(dòng)化測試來(lái)檢測每個(gè)組件引腳是否正確焊接到板上相應的引腳或孔中。以下是在自動(dòng)化PCB組裝過(guò)程中可能發(fā)生的一些焊接問(wèn)題：

焊錫短路：由于當今使用的電子元件引腳數較多且引腳間距較小，因此兩個(gè)或多個(gè)引腳之間的焊料橋接的可能性增加。這種情況將導致橋接引腳之間的電氣短路。

凹陷的焊點(diǎn)：通孔有時(shí)無(wú)法保留通過(guò)孔吸上來(lái)的焊料，然后才能形成良好的焊點(diǎn)。在這種情況下，焊點(diǎn)很容易被破壞或根本不存在。

焊料不足：當元件沒(méi)有為波峰焊進(jìn)行最佳放置時(shí)，較大的部件有時(shí)會(huì )阻止它們后面的較小部件獲得足夠的焊料以實(shí)現良好的連接。

不完整的連接：未針對回流焊優(yōu)化的電路板有時(shí)會(huì )抑制烤箱中適當的氣流，從而阻止某些連接獲得足夠的熱量以形成良好的焊點(diǎn)。

為了發(fā)現這些焊點(diǎn)問(wèn)題，制造商依賴(lài)于自動(dòng)化PCB測試系統。接下來(lái)，我們將了解這些系統是什么以及它們是如何使用的。 

PCB CAD系統中標記的測試點(diǎn)位置

自動(dòng)電路板測試系統的類(lèi)型

檢查電路板的方法有很多種，從技術(shù)人員使用各種診斷工具進(jìn)行的手動(dòng)測試到不同的自動(dòng)測試系統。此外，還有用于視覺(jué)驗證PCB組裝的不同檢查工具。這些工具包括 X 射線(xiàn)設備和自動(dòng)光學(xué)檢測 (AOI) 系統。但是我們關(guān)注的自動(dòng)化測試系統涉及探測板上的指定點(diǎn)以驗證焊接連接，這可以分為兩種主要類(lèi)型：在線(xiàn)測試和飛針系統。

在線(xiàn)測試

通常稱(chēng)為 ICT 的在線(xiàn)測試系統使用獨特的夾具和精確放置的探針和相關(guān)的測試程序來(lái)測試開(kāi)發(fā)的每塊電路板。夾具的探針將接觸板上的每個(gè)測試點(diǎn)，允許系統非?？焖俚赝瑫r(shí)測試板上的所有連接。盡管大多數電路板是從底部進(jìn)行測試，但一些 ICT 系統會(huì )同時(shí)測試電路板的兩面。測試夾具旨在將電路板拉到帶有真空密封的彈簧加載探針上，以確保探針與電路板上相應測試點(diǎn)的電氣連接。

ICT 固定裝置的開(kāi)發(fā)和構建既昂貴又耗時(shí)，并且難以修改以匹配PCB設計中的增強或修改。出于這個(gè)原因，ICT系統通常用于大規模生產(chǎn)經(jīng)過(guò)驗證的設計，以快速測試大量電路板。除了組裝驗證任務(wù)外，ICT系統還可用于電路板的某些功能測試。

飛針系統

這些測試系統使用探針來(lái)測試ICT系統使用的電路板上的相同測試點(diǎn)。然而，不同之處在于飛針系統不使用昂貴的測試夾具。相反，它會(huì )在電路板上移動(dòng)一些探針來(lái)依次測試每個(gè)網(wǎng)絡(luò )。

每個(gè)測試點(diǎn)的單獨測試導致飛針系統比ICT慢得多，并且沒(méi)有多個(gè)同時(shí)連接，它無(wú)法進(jìn)行功能測試。然而，飛針測試的亮點(diǎn)在于設置和費用，這是最小的。不僅電路板可以快速準備好進(jìn)行測試，而且對PCB設計的任何更改都可以輕松地重新編程到系統中。這使得飛針測試系統非常適合在開(kāi)發(fā)過(guò)程中經(jīng)歷多次設計變更和交互的電路板原型生產(chǎn)。飛針測試對于 ICT 無(wú)法容納的電路板或更大電路板的有限生產(chǎn)運行也很有用。

既然我們已經(jīng)討論了用于驗證PCB組裝的測試系統類(lèi)型，現在是時(shí)候將我們的注意力轉移到用于此測試的電路板設計要求上。

在Cadence Allegro中設置可用于測試點(diǎn)的焊盤(pán)

為自動(dòng)測試準備電路板布局

我們一直在談?wù)撟詣?dòng)化測試系統的探針接觸板上每個(gè)電路的位置，這些接觸位置稱(chēng)為測試點(diǎn)。需要明確的是，測試點(diǎn)與實(shí)際探測點(diǎn)不同，實(shí)際探測點(diǎn)是技術(shù)人員可以輕松訪(fǎng)問(wèn)的位置，以探測電路板的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò )。探針點(diǎn)通常用它們的網(wǎng)標記，例如“GROUND”，并且通常焊接有接線(xiàn)柱供技術(shù)人員的測試線(xiàn)夾在上面。

另一方面，測試點(diǎn)是電路板上暴露的金屬區域，周?chē)凶銐虻拈g隙供測試系統的探針接觸。如果板上有通孔部件，通孔引腳通常是測試點(diǎn)的首選。否則，可以將現有通孔標記為測試點(diǎn)，或者可以根據需要添加新金屬焊盤(pán)并標記為測試點(diǎn)。在上圖中，您可以看到一些可用于典型 PCB CAD系統中測試點(diǎn)的焊盤(pán)組選擇。測試點(diǎn)焊盤(pán)通常是圓形的，但設計人員有時(shí)會(huì )使用方形形狀，以便在成品PCB上更容易找到它們。許多不同類(lèi)型的探針可用于自動(dòng)測試，包括錐形、扁平、球形或其他類(lèi)型，具體取決于測試點(diǎn)是金屬焊盤(pán)、通孔還是通孔引腳。

在將通孔或過(guò)孔標記為測試點(diǎn)或添加測試點(diǎn)焊盤(pán)時(shí)，PCB布局工程師需要牢記一些設計規則：

網(wǎng)格：一些制造商更喜歡測試點(diǎn)在網(wǎng)格上，因此在開(kāi)始電路板布局之前，請與您的組裝商核對。

間距：這將根據您的制造商而變化，但測試點(diǎn)之間的間距為75密耳是一個(gè)很好的值。但是，安全的賭注是先檢查。

間隙：這些也隨著(zhù)制造電路板的人員而變化，但制造商通常需要50密耳的組件和焊盤(pán)間隙，以及電路板邊緣100 密耳的間隙，以實(shí)現良好的真空壓降。

板面：很多廠(chǎng)商可以同時(shí)測試板的兩面，但一定要先檢查。

覆蓋范圍：對于完整的測試覆蓋范圍，設計的每個(gè)網(wǎng)絡(luò )都需要有一個(gè)測試點(diǎn)。

一旦測試點(diǎn)完全安裝在印刷電路板布局上，您就可以創(chuàng )建制造商構建測試夾具或對系統進(jìn)行編程所需的測試點(diǎn)文件。該數據通常包含一個(gè)XY位置文件，其中包含電路板上的每個(gè)測試點(diǎn)及其分配到的網(wǎng)絡(luò )以及設計的完整網(wǎng)表。通常，可以從您正在使用的PCB CAD系統中自動(dòng)提取這些數據，以及我們接下來(lái)將探討的許多其他有用的測試點(diǎn)功能。

可以在Cadence的Allegro PCB編輯器中設置的一些測試點(diǎn)參數

讓您的PCB設計工具發(fā)揮作用

在開(kāi)始向設計添加測試點(diǎn)之前，CAD系統將具有多個(gè)可以設置的參數。這些將包括諸如指定測試點(diǎn)網(wǎng)格（如果需要）、選擇可以標記為測試點(diǎn)的設計元素以及可以考慮將哪些焊盤(pán)堆棧轉換為測試點(diǎn)位置等項目。您還可以設置將用于表示測試點(diǎn)標識參考的文本（同樣，僅當您需要它們時(shí)），以及與其他設計對象的唯一測試點(diǎn)間隙。您可以在Cadence的Allegro PCB編輯器的自動(dòng)測試準備選項中看到其中一些選項，如上所示。

設置好參數后，您可以開(kāi)始標記測試點(diǎn)位置。通常，這是自動(dòng)完成的，但您也可以手動(dòng)選擇將標記為測試點(diǎn)的設計元素。電路板測試完成后，您可以以制造商要求的文件格式導出測試點(diǎn)設計數據。