PCB可測(cè)試性技術(shù)發(fā)展詳解

功能測(cè)試技術(shù)的復(fù)興是表面貼裝器件和電路板小型化的必然結(jié)果。 一旦任何系統(tǒng)太小而無法檢測(cè)到基地內(nèi)部，就會(huì)只有一些輸入和輸出通道處理系統(tǒng)外部，這就是使用功能測(cè)試的地方。

這種情況與三十、四十年前功能測(cè)試的早期發(fā)展如出一轍。 但與以往不同的是，當(dāng)今功能測(cè)試儀器（如PXI、VXI等）的國際標(biāo)準(zhǔn)日趨成熟，標(biāo)準(zhǔn)儀器模塊和虛擬儀器軟件技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，大大提高了 未來功能測(cè)試儀器的多功能性和靈活性，并有助于降低成本。 同時(shí)，電路板的可測(cè)試性設(shè)計(jì)，甚至超大規(guī)模集成電路的可測(cè)試性設(shè)計(jì)，都可能被移植到功能測(cè)試技術(shù)中。 利用邊界掃描技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)接口和相應(yīng)的可測(cè)試性設(shè)計(jì)，功能測(cè)試儀可以像在線測(cè)試設(shè)備一樣對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行在線編程。 毋庸置疑，未來的功能測(cè)試儀告訴我們的信息將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一句“合格或不合格”。

表面貼裝器件和電路一直處于無休止的小型化過程中，并無情地推動(dòng)著一些相關(guān)測(cè)試技術(shù)的淘汰和進(jìn)化。 在電子產(chǎn)品小型化的進(jìn)化壓力下，技術(shù)就像物種一樣，遵循“適者生存”的簡(jiǎn)單法則。 關(guān)注測(cè)試技術(shù)的發(fā)展可以幫助我們預(yù)測(cè)未來。

自從表面貼裝技術(shù)（SMT）開始逐漸取代插孔貼裝技術(shù)后，安裝在電路板上的器件越來越小，電路板單位面積所包含的功能也越來越強(qiáng)大。

就無源表面貼裝器件而言，十年前廣泛使用的0805器件，如今只占同類器件總數(shù)的10%左右； 0603器件的用量也在四年前開始下降，被0402器件取代。 目前，體積更小的0201器件越來越受歡迎。 從0805到0603，大概用了十年時(shí)間。毫無疑問，我們正處在一個(gè)加速小型化的時(shí)代。 再看表面貼裝集成電路。 從十年前占主導(dǎo)地位的四方扁平封裝（Quadripartite Flat Package，QFP），到今天的倒裝芯片（FC）技術(shù)，各種封裝形式應(yīng)運(yùn)而生，如薄型小引腳封裝（TSOP）、球形陣列封裝（BGA）、 微球陣列封裝（μBGA）、芯片級(jí)封裝（CSP）等。縱觀芯片封裝技術(shù)的演進(jìn)，其主要特點(diǎn)是器件的表面積和高度顯著減小，同時(shí)器件的引腳密度急劇下降 增加。 就具有相同邏輯功能復(fù)雜度的芯片而言，倒裝芯片器件的面積僅為原來四方扁平封裝器件面積的九分之一，高度也只有原來的五分之一左右。

微型封裝元器件和高密度PCB帶來新的測(cè)試挑戰(zhàn)

表面貼裝器件尺寸的不斷縮小以及隨之而來的高密度電路安裝，給測(cè)試帶來了極大的挑戰(zhàn)。 傳統(tǒng)的人工目視檢查甚至不適用于中等復(fù)雜的電路板（如單面板有 300 個(gè)器件和 3500 個(gè)節(jié)點(diǎn)）。 曾經(jīng)有過請(qǐng)四名經(jīng)驗(yàn)豐富的檢驗(yàn)員對(duì)同一塊板子的焊點(diǎn)質(zhì)量進(jìn)行四次檢驗(yàn)。 結(jié)果，第一個(gè)檢查員發(fā)現(xiàn)了 44% 的缺陷，第二個(gè)檢查員和第一個(gè)檢查員有 28% 的一致性，第三個(gè)檢查員和前兩個(gè)檢查員有 12% 的一致性，第四個(gè)檢查員和前三個(gè)檢查員只有 6% 一致性。 該測(cè)試暴露了人工目視檢查的主觀性，對(duì)于高度復(fù)雜的表面貼裝電路板來說既不可靠也不經(jīng)濟(jì)。 然而，幾乎不可能目視檢查使用微球陣列非封裝、芯片級(jí)封裝和倒裝芯片的表面貼裝電路板。

而且，由于表面貼裝器件管腳間距的縮小和管腳密度的增加，針床在線測(cè)試也面臨著“無立足之地”的困境。 據(jù)北美電子制造規(guī)劃組織預(yù)測(cè)，2003年以后，采用在線測(cè)試的高密度封裝表面貼裝電路板將無法達(dá)到令人滿意的測(cè)試覆蓋率。 以1998年100%的測(cè)試覆蓋率計(jì)算，預(yù)計(jì)2003年以后測(cè)試覆蓋率不到50%，2009年以后不到10%。至于反向電流驅(qū)動(dòng)、測(cè)試治具成本和可靠性等問題依然存在 在在線測(cè)試技術(shù)上，無需考慮更多。 就因?yàn)槲磥頊y(cè)試覆蓋率不到10%，這個(gè)技術(shù)就注定了未來。

那么，在人的視覺無法勝任、機(jī)器探針無處可觸的情況下，能否將電路板交給最終的功能測(cè)試呢？ 我們能經(jīng)得起幾分鐘的考驗(yàn)，卻只知道電路板有沒有壞，而不知道“黑匣子”里發(fā)生了什么？

光學(xué)測(cè)試技術(shù)帶來的新的測(cè)試體驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展絕不會(huì)因?yàn)樯鲜隼щy而停止。 檢測(cè)檢測(cè)設(shè)備廠商紛紛推出自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)設(shè)備、X-ray檢測(cè)設(shè)備等產(chǎn)品迎接挑戰(zhàn)。

事實(shí)上，這兩種器件在被廣泛應(yīng)用于電路板制造行業(yè)之前，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體芯片制造和封裝過程中。 然而，他們還需要進(jìn)一步創(chuàng)新，才能真正應(yīng)對(duì)表面貼裝器件小型化和高密度電路板帶來的測(cè)試?yán)щy。

同時(shí)，行業(yè)內(nèi)主要的在線檢測(cè)和功能檢測(cè)設(shè)備廠商已經(jīng)無法滿足未來的發(fā)展趨勢(shì)。 他們的策略是通過收購相對(duì)較小的自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)設(shè)備和X射線檢測(cè)設(shè)備制造商來快速掌握相關(guān)技術(shù)并進(jìn)入市場(chǎng)。

無論是自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)技術(shù)，還是自動(dòng)X射線檢測(cè)技術(shù)，雖然可以幫助完成人工目視檢測(cè)無法勝任的工作，但其可靠性并不完全令人滿意。 這些技術(shù)高度依賴于計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)。 如果原始光學(xué)圖像或X射線圖像提供的信息不充分，或者圖像處理算法不有效，都可能導(dǎo)致誤判。 幸運(yùn)的是，工程師們?cè)诠鈱W(xué)和X射線技術(shù)的應(yīng)用方面已經(jīng)積累了相當(dāng)多的經(jīng)驗(yàn)，因此有望在未來幾年內(nèi)，生成高分辨率電路板光學(xué)圖像和真正的三維X射線圖像的技術(shù)。 會(huì)取得進(jìn)步。

此外，當(dāng)今相對(duì)便宜的存儲(chǔ)和計(jì)算技術(shù)使得處理大容量圖像信息成為可能。 這個(gè)領(lǐng)域需要?jiǎng)?chuàng)新的是圖像處理的算法，以及最基本的圖像增強(qiáng)和模式識(shí)別技術(shù)與專家系統(tǒng)的結(jié)合。 這些專家系統(tǒng)以電路板的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造數(shù)據(jù)（CAD-CAM）為基礎(chǔ)，結(jié)合產(chǎn)線的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行檢測(cè)判斷算法的自我學(xué)習(xí)和自我改進(jìn)。 該領(lǐng)域另一個(gè)可能的發(fā)展方向是擴(kuò)大頻譜范圍。 目前，業(yè)界已經(jīng)開始嘗試在電路板通電時(shí)對(duì)電路板進(jìn)行紅外圖像的捕捉和分析。 通過紅外圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖像的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)“過熱”或“過冷”的點(diǎn)，以反映電路板的制造缺陷。

在線測(cè)試已走到盡頭

對(duì)于在線測(cè)試技術(shù)，制造商和業(yè)界都在努力尋求這樣一個(gè)目標(biāo)：通過盡可能多的關(guān)于電路板電氣性能缺陷的信息。

圍繞這一目標(biāo)，主要開展了三方面的工作：

一是加強(qiáng)電路板可測(cè)試性設(shè)計(jì)的研究、實(shí)施和應(yīng)用，包括采用邊界掃描技術(shù)（數(shù)字設(shè)備：IEEE1149.1；混合設(shè)備：IEEE1149.4）等內(nèi)置測(cè)試技術(shù)，具有 成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

二是充分利用電路理論和電路板CAD數(shù)據(jù)，開發(fā)更先進(jìn)的測(cè)試算法。 該算法可以通過測(cè)試一些節(jié)點(diǎn)來計(jì)算其他一些節(jié)點(diǎn)的電氣狀態(tài)。

三是統(tǒng)籌在線檢測(cè)等檢測(cè)設(shè)備資源，優(yōu)化整體檢測(cè)檢測(cè)架構(gòu)。

然而，盡管做出了這些努力，在線測(cè)試的重要性和主導(dǎo)地位已經(jīng)動(dòng)搖。 相反，因在線測(cè)試的興起而發(fā)展相對(duì)緩慢的功能測(cè)試技術(shù)，將重新獲得發(fā)展的動(dòng)力。