用(yòng)于制造验证的電(diàn)路板测试

2021-11-04

用(yòng)于制造验证的電(diàn)路板测试

電(diàn)路板测试通常会让人想起技术人员手持探头和示波器检查和调试组装板的图像。这些技术人员的工作是测试電(diàn)路板的功能(néng)并寻找需要纠正的设计问题或需要增强的電(diàn)路性能(néng)。虽然这种测试方法是電(diàn)子开发周期的重要组成部分(fēn)，但它并不是電(diàn)路板将要经历的唯一验证过程。 

電(diàn)路板的大规模生产需要结合自动化和手动元件组装过程。这些过程将部件放置在板上，然后将它们焊接到位。验证这些组装过程的工作落在自动電(diàn)路板测试系统上，该系统确认電(diàn)路板是否已正确制造。让我们更深入地了解自动化测试，以及電(diàn)路板布局设计人员需要做什么才能(néng)最好地适应这种测试。

自动化電(diàn)路板组装：需要测试什么

组装印刷電(diàn)路板可(kě)使用(yòng)三种不同的自动化工艺：波峰焊、回流焊和选择性焊接。

波峰焊

主要用(yòng)于通孔元件，電(diàn)路板通过一波熔化的焊料，该焊料通过電(diàn)路板的孔和插入的引脚周围形成焊点。波峰焊也可(kě)用(yòng)于一些表面贴装元件，但通常这些部件必须与波峰隔离。

回流焊

主要用(yòng)于表面贴装元件，零件通过由金属焊料颗粒和具有(yǒu)粘性的助焊剂组成的焊膏“粘合”到板的金属焊盘上。一旦所有(yǒu)组件就位，電(diàn)路板就会通过烤箱并加热，直到焊膏熔化或回流，在零件和電(diàn)路板之间形成焊点。

选择性焊接

该系统使用(yòng)通过喷嘴从储罐中泵出的熔融焊料将焊料直接沉积在指定位置。尽管比其他(tā)两个系统慢，选择性焊接可(kě)以实现波峰焊困难的通孔引脚的自动化组装。

虽然今天没有(yǒu)这些自动化组装过程就无法制造现代電(diàn)子产品，但总是有(yǒu)可(kě)能(néng)出现焊接问题。為(wèi)了发现这些错误，使用(yòng)自动化测试来检测每个组件引脚是否正确焊接到板上相应的引脚或孔中。以下是在自动化PCB组装过程中可(kě)能(néng)发生的一些焊接问题：

焊锡短路：由于当今使用(yòng)的電(diàn)子元件引脚数较多(duō)且引脚间距较小(xiǎo)，因此两个或多(duō)个引脚之间的焊料桥接的可(kě)能(néng)性增加。这种情况将导致桥接引脚之间的電(diàn)气短路。

凹陷的焊点：通孔有(yǒu)时无法保留通过孔吸上来的焊料，然后才能(néng)形成良好的焊点。在这种情况下，焊点很(hěn)容易被破坏或根本不存在。

焊料不足：当元件没有(yǒu)為(wèi)波峰焊进行最佳放置时，较大的部件有(yǒu)时会阻止它们后面的较小(xiǎo)部件获得足够的焊料以实现良好的连接。

不完整的连接：未针对回流焊优化的電(diàn)路板有(yǒu)时会抑制烤箱中适当的气流，从而阻止某些连接获得足够的热量以形成良好的焊点。

為(wèi)了发现这些焊点问题，制造商(shāng)依赖于自动化PCB测试系统。接下来，我们将了解这些系统是什么以及它们是如何使用(yòng)的。 

PCB CAD系统中标记的测试点位置

自动電(diàn)路板测试系统的类型

检查電(diàn)路板的方法有(yǒu)很(hěn)多(duō)种，从技术人员使用(yòng)各种诊断工具进行的手动测试到不同的自动测试系统。此外，还有(yǒu)用(yòng)于视觉验证PCB组装的不同检查工具。这些工具包括 X 射線(xiàn)设备和自动光學(xué)检测 (AOI) 系统。但是我们关注的自动化测试系统涉及探测板上的指定点以验证焊接连接，这可(kě)以分(fēn)為(wèi)两种主要类型：在線(xiàn)测试和飞针系统。

在線(xiàn)测试

通常称為(wèi) ICT 的在線(xiàn)测试系统使用(yòng)独特的夹具和精确放置的探针和相关的测试程序来测试开发的每块電(diàn)路板。夹具的探针将接触板上的每个测试点，允许系统非常快速地同时测试板上的所有(yǒu)连接。尽管大多(duō)数電(diàn)路板是从底部进行测试，但一些 ICT 系统会同时测试電(diàn)路板的两面。测试夹具旨在将電(diàn)路板拉到带有(yǒu)真空密封的弹簧加载探针上，以确保探针与電(diàn)路板上相应测试点的電(diàn)气连接。

ICT 固定装置的开发和构建既昂贵又(yòu)耗时，并且难以修改以匹配PCB设计中的增强或修改。出于这个原因，ICT系统通常用(yòng)于大规模生产经过验证的设计，以快速测试大量電(diàn)路板。除了组装验证任務(wù)外，ICT系统还可(kě)用(yòng)于電(diàn)路板的某些功能(néng)测试。

飞针系统

这些测试系统使用(yòng)探针来测试ICT系统使用(yòng)的電(diàn)路板上的相同测试点。然而，不同之处在于飞针系统不使用(yòng)昂贵的测试夹具。相反，它会在電(diàn)路板上移动一些探针来依次测试每个网络。

每个测试点的单独测试导致飞针系统比ICT慢得多(duō)，并且没有(yǒu)多(duō)个同时连接，它无法进行功能(néng)测试。然而，飞针测试的亮点在于设置和费用(yòng)，这是最小(xiǎo)的。不仅電(diàn)路板可(kě)以快速准备好进行测试，而且对PCB设计的任何更改都可(kě)以轻松地重新(xīn)编程到系统中。这使得飞针测试系统非常适合在开发过程中经历多(duō)次设计变更和交互的電(diàn)路板原型生产。飞针测试对于 ICT 无法容纳的電(diàn)路板或更大電(diàn)路板的有(yǒu)限生产运行也很(hěn)有(yǒu)用(yòng)。

既然我们已经讨论了用(yòng)于验证PCB组装的测试系统类型，现在是时候将我们的注意力转移到用(yòng)于此测试的電(diàn)路板设计要求上。

在Cadence Allegro中设置可(kě)用(yòng)于测试点的焊盘

為(wèi)自动测试准备電(diàn)路板布局

我们一直在谈论自动化测试系统的探针接触板上每个電(diàn)路的位置，这些接触位置称為(wèi)测试点。需要明确的是，测试点与实际探测点不同，实际探测点是技术人员可(kě)以轻松访问的位置，以探测電(diàn)路板的关键网络。探针点通常用(yòng)它们的网标记，例如“GROUND”，并且通常焊接有(yǒu)接線(xiàn)柱供技术人员的测试線(xiàn)夹在上面。

另一方面，测试点是電(diàn)路板上暴露的金属區(qū)域，周围有(yǒu)足够的间隙供测试系统的探针接触。如果板上有(yǒu)通孔部件，通孔引脚通常是测试点的首选。否则，可(kě)以将现有(yǒu)通孔标记為(wèi)测试点，或者可(kě)以根据需要添加新(xīn)金属焊盘并标记為(wèi)测试点。在上图中，您可(kě)以看到一些可(kě)用(yòng)于典型 PCB CAD系统中测试点的焊盘组选择。测试点焊盘通常是圆形的，但设计人员有(yǒu)时会使用(yòng)方形形状，以便在成品PCB上更容易找到它们。许多(duō)不同类型的探针可(kě)用(yòng)于自动测试，包括锥形、扁平、球形或其他(tā)类型，具體(tǐ)取决于测试点是金属焊盘、通孔还是通孔引脚。

在将通孔或过孔标记為(wèi)测试点或添加测试点焊盘时，PCB布局工程师需要牢记一些设计规则：

网格：一些制造商(shāng)更喜欢测试点在网格上，因此在开始電(diàn)路板布局之前，请与您的组装商(shāng)核对。

间距：这将根据您的制造商(shāng)而变化，但测试点之间的间距為(wèi)75密耳是一个很(hěn)好的值。但是，安全的赌注是先检查。

间隙：这些也随着制造電(diàn)路板的人员而变化，但制造商(shāng)通常需要50密耳的组件和焊盘间隙，以及電(diàn)路板边缘100 密耳的间隙，以实现良好的真空压降。

板面：很(hěn)多(duō)厂商(shāng)可(kě)以同时测试板的两面，但一定要先检查。

覆盖范围：对于完整的测试覆盖范围，设计的每个网络都需要有(yǒu)一个测试点。

一旦测试点完全安装在印刷電(diàn)路板布局上，您就可(kě)以创建制造商(shāng)构建测试夹具或对系统进行编程所需的测试点文(wén)件。该数据通常包含一个XY位置文(wén)件，其中包含電(diàn)路板上的每个测试点及其分(fēn)配到的网络以及设计的完整网表。通常，可(kě)以从您正在使用(yòng)的PCB CAD系统中自动提取这些数据，以及我们接下来将探讨的许多(duō)其他(tā)有(yǒu)用(yòng)的测试点功能(néng)。

可(kě)以在Cadence的Allegro PCB编辑器中设置的一些测试点参数

让您的PCB设计工具发挥作用(yòng)

在开始向设计添加测试点之前，CAD系统将具有(yǒu)多(duō)个可(kě)以设置的参数。这些将包括诸如指定测试点网格（如果需要）、选择可(kě)以标记為(wèi)测试点的设计元素以及可(kě)以考虑将哪些焊盘堆栈转换為(wèi)测试点位置等项目。您还可(kě)以设置将用(yòng)于表示测试点标识参考的文(wén)本（同样，仅当您需要它们时），以及与其他(tā)设计对象的唯一测试点间隙。您可(kě)以在Cadence的Allegro PCB编辑器的自动测试准备选项中看到其中一些选项，如上所示。

设置好参数后，您可(kě)以开始标记测试点位置。通常，这是自动完成的，但您也可(kě)以手动选择将标记為(wèi)测试点的设计元素。電(diàn)路板测试完成后，您可(kě)以以制造商(shāng)要求的文(wén)件格式导出测试点设计数据。