為新制定PCB設計測試程序

2020-12-29

當今的電子產(chǎn)品具有許多關(guān)鍵的性能特征。它們以高頻率運行，移動(dòng)大量數據，并且比以往任何時(shí)候都更快。這給產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員帶來(lái)巨大的壓力，以確保他們的設計能夠檢查所有零件，作為原型以及在批量生產(chǎn)中使用，并滿(mǎn)足關(guān)鍵的成本和產(chǎn)品交付要求。

考慮到所有這些參數，在制造新設計之前開(kāi)發(fā)PCB測試程序是明智的技術(shù)和商業(yè)決策?？梢栽谙虬迳涎b載組件之前使用PCB上的測試結構，這將有助于確保板能夠按照規定和制造的方式運行。

PCB中的測試結構

推動(dòng)在板上構建測試結構的因素基于以下幾點(diǎn)：

假設來(lái)自制造商的電路板是“好”的，只是因為制造商表示它們是“好”的。

即使您與信譽(yù)良好的制造商打交道，在制造過(guò)程中也有可能出現問(wèn)題的地方，例如：

圖層順序錯誤（有關(guān)更多信息，請參見(jiàn)下文）。

阻抗不正確。

使用了錯誤的層壓板，或者制造商以“省錢(qián)”為幌子，用替換的層壓板替換了您指定的層壓板。

層壓板中的玻璃編織是錯誤的，從而導致傾斜。

對于具有真正高數據速率的產(chǎn)品，這是一個(gè)巨大的問(wèn)題。

直到組裝過(guò)程，偏斜問(wèn)題才會(huì )變得明顯。

如上所述，必須通過(guò)使用板邊緣上的堆疊條紋來(lái)驗證板中的層堆疊。這似乎是一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題或平凡的做法，但是如果不這樣做，可能會(huì )導致可怕的后果。如果電路板層混亂，則無(wú)法輕松修復，并且可能會(huì )產(chǎn)生大量成本和進(jìn)度問(wèn)題，因為唯一的選擇就是報廢電路板并重新開(kāi)始。

圖1描繪了堆棧條測試結構。以這種方式繪制結構中使用的銅條，以便從面板上切割PCB時(shí)，肉眼可見(jiàn)。每層中的條帶比上面的條長(cháng)。通過(guò)簡(jiǎn)單地看到階梯進(jìn)入PCB的每一層的時(shí)間越長(cháng)，就可以確定所有層的順序正確。

在設計和制造過(guò)程中有很多地方，層的順序可能會(huì )被錯誤處理。一種是準備用于蝕刻PCB層的照相工具和模版。在層壓過(guò)程中層疊各個(gè)層時(shí)，可能會(huì )發(fā)生其他情況。顯然，電路板上的層數越多，堆疊條紋測試結構就越重要。

圖2顯示了通過(guò)使用測試結構檢測到的故障的示例。第11層應位于第22層。兩者都是動(dòng)力飛機。錯位層用堆疊條紋表示，在板的側面可見(jiàn)。

圖2. PCB的層數順序錯誤。

在這種情況下，所有阻抗都是正確的，因為交換的層包含電源和接地層。我們在測試結構中發(fā)現的其他故障包括組裝，其中在物料清單上標出了不正確的旁路電容器。堆疊條紋也可用于檢測不正確的阻抗值。

圖3展示了一組實(shí)際的堆疊條紋的放大視圖，其中可以看到每個(gè)介電層中的玻璃纖維，銅的厚度和5密耳的跡線(xiàn)從PCB伸出。

圖3.堆疊條紋的放大圖。

PCB測試程序

與任何過(guò)程一樣，在向PCB加載組件之前，需要在PCB上采取特定步驟。該PCB測試程序超出了在線(xiàn)測試范圍。這些步驟包括：

拿起疊圖，并在計算出的阻抗旁邊記錄每個(gè)信號層的實(shí)際阻抗。（確保使用125-175 pSec的邊緣進(jìn)行測量。）

拋光堆疊條紋以確保其清晰。接下來(lái)，要保護它們，它們應該用透明的漆覆蓋。

確保每一層的條紋都比上面的條紋長(cháng)。

使用帶刻度的顯微鏡，測量每個(gè)介電層的厚度，并將此信息記錄在堆疊圖中。

測量并記錄每個(gè)銅層的厚度。

測量每個(gè)堆疊條旁邊的走線(xiàn)寬度并進(jìn)行記錄。

使用普通的電容表，測量每個(gè)電源電壓的平面電容，并將該信息與計算得出的信息進(jìn)行比較。

使用網(wǎng)絡(luò )分析儀或帶有跟蹤信號發(fā)生器的頻譜分析儀，可以?huà)呙杳總€(gè)電源電壓的阻抗與頻率的關(guān)系。然后，應將每個(gè)掃描的示波器圖像相互比較。（執行此操作的方法在本文結尾的參考1，第2卷中進(jìn)行了說(shuō)明。）

應當對收到的每一批新PCB執行上述步驟1-7，并應檢查每塊PCB以驗證堆疊條紋的順序正確，如上面的步驟3所述。

如果上述測量值在規格范圍內，則下一個(gè)任務(wù)涉及驗證旁路電容器組是否為每個(gè)電源電壓產(chǎn)生了適當的阻抗與頻率響應。這是通過(guò)發(fā)送一個(gè)PCB使其僅加載旁路電容器，然后執行以下測試來(lái)完成的：

如上面的步驟8所述，掃描每個(gè)電源電壓的阻抗與頻率的關(guān)系，并將該信息與預測阻抗與頻率的關(guān)系進(jìn)行比較。如果達到了阻抗目標，則可以將PCB發(fā)送出去進(jìn)行最終組裝。如果存在“阻抗孔”，則必須重新計算消除這些孔所需的電容器數量。

如果需要，執行高壓鍋測試。

列出每個(gè)電壓使用的旁路電容器，其參數如表1所示。

表1.電路板上每個(gè)電壓使用的旁路電容器列表。

在前述之后，執行以下測試以檢查在最壞情況下的IC封裝和電源的性能。

使用適當的軟件代碼，使所有處理器以操作中發(fā)生的最慢和最快的速度從待機模式進(jìn)入活動(dòng)模式。必須監控處理器內核的Vdd并記錄最壞情況的紋波。結果示波器圖像應保留。驗證PDN上測得的紋波是否在設計規格之內也很重要。

使用適當的軟件代碼，使最寬的數據總線(xiàn)首先從全0切換到全1，然后再從全1切換到全0。保留示波器圖像，并根據設計規范驗證紋波。

使用上面第2步中使用的相同代碼，通過(guò)將示波器連接到安靜的輸出端來(lái)測量Vcc和接地反彈非常重要，該安靜的輸出端與要交換的數據總線(xiàn)在IC封裝內共享相同的電源軌。在這里，示波器圖像也應保留，并且Vcc和接地反彈應驗證為在設計規范的要求之內。

背板的特殊測試

通常，背板除了原始直流電壓（例如48 V）外沒(méi)有電源。但是，它們很可能在選定的線(xiàn)路上具有特殊的平面電容器來(lái)控制EMI。用于背板的測試步驟包括：如上所述，對裸露的PCB進(jìn)行步驟1-6。

測量每個(gè)具有嵌入式電容器的信號的值。這是通過(guò)普通電容表完成的，并將結果與設計目標進(jìn)行了比較。

根據需要執行高壓鍋測試。

其他特殊測試

不同長(cháng)度的測試跡線(xiàn)：在某些PCB上，同一層中可能有兩條不同長(cháng)度的測試跡線(xiàn)。通過(guò)測量時(shí)間差并將其除以長(cháng)度差，可將每個(gè)時(shí)間延遲的測量值用于計算速度。這使得能夠計算該層的有效介電常數。

直流電壓降：在電流非常大的PCB上，建議使用萬(wàn)用表并從調節器的端子到最遠的負載運行電壓降曲線(xiàn)，以確保直流電壓降在極限范圍內。當今的許多設計都無(wú)法承受很大的電壓跌落。由于開(kāi)始時(shí)沒(méi)有太多余量，因此在超出限制之前不必有很大的差異。