為(wèi)新(xīn)制定PCB设计测试程序

2020-12-29

当今的電(diàn)子产品具有(yǒu)许多(duō)关键的性能(néng)特征。它们以高频率运行，移动大量数据，并且比以往任何时候都更快。这给产品开发人员带来巨大的压力，以确保他(tā)们的设计能(néng)够检查所有(yǒu)零件，作為(wèi)原型以及在批量生产中使用(yòng)，并满足关键的成本和产品交付要求。

考虑到所有(yǒu)这些参数，在制造新(xīn)设计之前开发PCB测试程序是明智的技术和商(shāng)业决策。可(kě)以在向板上装载组件之前使用(yòng)PCB上的测试结构，这将有(yǒu)助于确保板能(néng)够按照规定和制造的方式运行。

PCB中的测试结构

推动在板上构建测试结构的因素基于以下几点：

假设来自制造商(shāng)的電(diàn)路板是“好”的，只是因為(wèi)制造商(shāng)表示它们是“好”的。

即使您与信誉良好的制造商(shāng)打交道，在制造过程中也有(yǒu)可(kě)能(néng)出现问题的地方，例如：

图层顺序错误（有(yǒu)关更多(duō)信息，请参见下文(wén)）。

阻抗不正确。

使用(yòng)了错误的层压板，或者制造商(shāng)以“省钱”為(wèi)幌子，用(yòng)替换的层压板替换了您指定的层压板。

层压板中的玻璃编织是错误的，从而导致倾斜。

对于具有(yǒu)真正高数据速率的产品，这是一个巨大的问题。

直到组装过程，偏斜问题才会变得明显。

如上所述，必须通过使用(yòng)板边缘上的堆叠条纹来验证板中的层堆叠。这似乎是一个简单的问题或平凡的做法，但是如果不这样做，可(kě)能(néng)会导致可(kě)怕的后果。如果電(diàn)路板层混乱，则无法轻松修复，并且可(kě)能(néng)会产生大量成本和进度问题，因為(wèi)唯一的选择就是报废電(diàn)路板并重新(xīn)开始。

图1描绘了堆栈条测试结构。以这种方式绘制结构中使用(yòng)的铜条，以便从面板上切割PCB时，肉眼可(kě)见。每层中的条带比上面的条長(cháng)。通过简单地看到阶梯进入PCB的每一层的时间越長(cháng)，就可(kě)以确定所有(yǒu)层的顺序正确。

在设计和制造过程中有(yǒu)很(hěn)多(duō)地方，层的顺序可(kě)能(néng)会被错误处理(lǐ)。一种是准备用(yòng)于蚀刻PCB层的照相工具和模版。在层压过程中层叠各个层时，可(kě)能(néng)会发生其他(tā)情况。显然，電(diàn)路板上的层数越多(duō)，堆叠条纹测试结构就越重要。

图2显示了通过使用(yòng)测试结构检测到的故障的示例。第11层应位于第22层。两者都是动力飞机。错位层用(yòng)堆叠条纹表示，在板的侧面可(kě)见。

图2. PCB的层数顺序错误。

在这种情况下，所有(yǒu)阻抗都是正确的，因為(wèi)交换的层包含電(diàn)源和接地层。我们在测试结构中发现的其他(tā)故障包括组装，其中在物(wù)料清单上标出了不正确的旁路電(diàn)容器。堆叠条纹也可(kě)用(yòng)于检测不正确的阻抗值。

图3展示了一组实际的堆叠条纹的放大视图，其中可(kě)以看到每个介電(diàn)层中的玻璃纤维，铜的厚度和5密耳的迹線(xiàn)从PCB伸出。

图3.堆叠条纹的放大图。

PCB测试程序

与任何过程一样，在向PCB加载组件之前，需要在PCB上采取特定步骤。该PCB测试程序超出了在線(xiàn)测试范围。这些步骤包括：

拿(ná)起叠图，并在计算出的阻抗旁边记录每个信号层的实际阻抗。（确保使用(yòng)125-175 pSec的边缘进行测量。）

抛光堆叠条纹以确保其清晰。接下来，要保护它们，它们应该用(yòng)透明的漆覆盖。

确保每一层的条纹都比上面的条纹長(cháng)。

使用(yòng)带刻度的显微镜，测量每个介電(diàn)层的厚度，并将此信息记录在堆叠图中。

测量并记录每个铜层的厚度。

测量每个堆叠条旁边的走線(xiàn)宽度并进行记录。

使用(yòng)普通的電(diàn)容表，测量每个電(diàn)源電(diàn)压的平面電(diàn)容，并将该信息与计算得出的信息进行比较。

使用(yòng)网络分(fēn)析仪或带有(yǒu)跟踪信号发生器的频谱分(fēn)析仪，可(kě)以扫描每个電(diàn)源電(diàn)压的阻抗与频率的关系。然后，应将每个扫描的示波器图像相互比较。（执行此操作的方法在本文(wén)结尾的参考1，第2卷中进行了说明。）

应当对收到的每一批新(xīn)PCB执行上述步骤1-7，并应检查每块PCB以验证堆叠条纹的顺序正确，如上面的步骤3所述。

如果上述测量值在规格范围内，则下一个任務(wù)涉及验证旁路電(diàn)容器组是否為(wèi)每个電(diàn)源電(diàn)压产生了适当的阻抗与频率响应。这是通过发送一个PCB使其仅加载旁路電(diàn)容器，然后执行以下测试来完成的：

如上面的步骤8所述，扫描每个電(diàn)源電(diàn)压的阻抗与频率的关系，并将该信息与预测阻抗与频率的关系进行比较。如果达到了阻抗目标，则可(kě)以将PCB发送出去进行最终组装。如果存在“阻抗孔”，则必须重新(xīn)计算消除这些孔所需的電(diàn)容器数量。

如果需要，执行高压锅测试。

列出每个電(diàn)压使用(yòng)的旁路電(diàn)容器，其参数如表1所示。

表1.電(diàn)路板上每个電(diàn)压使用(yòng)的旁路電(diàn)容器列表。

在前述之后，执行以下测试以检查在最坏情况下的IC封装和電(diàn)源的性能(néng)。

使用(yòng)适当的软件代码，使所有(yǒu)处理(lǐ)器以操作中发生的最慢和最快的速度从待机模式进入活动模式。必须监控处理(lǐ)器内核的Vdd并记录最坏情况的纹波。结果示波器图像应保留。验证PDN上测得的纹波是否在设计规格之内也很(hěn)重要。

使用(yòng)适当的软件代码，使最宽的数据总線(xiàn)首先从全0切换到全1，然后再从全1切换到全0。保留示波器图像，并根据设计规范验证纹波。

使用(yòng)上面第2步中使用(yòng)的相同代码，通过将示波器连接到安静的输出端来测量Vcc和接地反弹非常重要，该安静的输出端与要交换的数据总線(xiàn)在IC封装内共享相同的電(diàn)源轨。在这里，示波器图像也应保留，并且Vcc和接地反弹应验证為(wèi)在设计规范的要求之内。

背板的特殊测试

通常，背板除了原始直流電(diàn)压（例如48 V）外没有(yǒu)電(diàn)源。但是，它们很(hěn)可(kě)能(néng)在选定的線(xiàn)路上具有(yǒu)特殊的平面電(diàn)容器来控制EMI。用(yòng)于背板的测试步骤包括：如上所述，对裸露的PCB进行步骤1-6。

测量每个具有(yǒu)嵌入式電(diàn)容器的信号的值。这是通过普通電(diàn)容表完成的，并将结果与设计目标进行了比较。

根据需要执行高压锅测试。

其他(tā)特殊测试

不同長(cháng)度的测试迹線(xiàn)：在某些PCB上，同一层中可(kě)能(néng)有(yǒu)两条不同長(cháng)度的测试迹線(xiàn)。通过测量时间差并将其除以長(cháng)度差，可(kě)将每个时间延迟的测量值用(yòng)于计算速度。这使得能(néng)够计算该层的有(yǒu)效介電(diàn)常数。

直流電(diàn)压降：在電(diàn)流非常大的PCB上，建议使用(yòng)万用(yòng)表并从调节器的端子到最遠(yuǎn)的负载运行電(diàn)压降曲線(xiàn)，以确保直流電(diàn)压降在极限范围内。当今的许多(duō)设计都无法承受很(hěn)大的電(diàn)压跌落。由于开始时没有(yǒu)太多(duō)余量，因此在超出限制之前不必有(yǒu)很(hěn)大的差异。