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组装测试技术应用前景分析
2004-01-17    鲜飞    ■烽火通信股份有限公司    点击: 13154
组装测试技术应用前景分析

目前在电子组装测试领域中使用的测试技术种类繁多,常用的有手工视觉检查(Manual Visual Inspection ,简称MVI)、在线测试(In-Circuit Tester,简称ICT)、自动光学测试(Automatic Optical Inspection,简称AOI)、自动X射线测试(Automatic X-ray Inspection,简称AXI)、功能测试(Functional Tester,简称FT)等。由于电子组装行业的复杂性,很难界定哪些手段是组装业所必须的,而哪些是不需要的,每种测试技术的应用领域和测试手段都不尽相同。

测试技术介绍

自动光学检查AOI (Automatic Optical Inspection)



AOI是近几年才兴起的一种新型测试技术,但发展较为迅速,目前很多厂家都推出了AOI测试设备。当自动检测时,机器通过摄像头自动扫描PCB,采集图像,测试的焊点与数据库中的合格的参数进行比较,经过图像处理,检查出PCB上缺陷,并通过显示器或自动标志把缺陷显示/标示出来,供维修人员修整。

实施目标

实施AOI有以下两类主要目标:

(1)最终品质(End quality)。对产品走下生产线时的最终状态进行监控。当生产问题非常清楚、产品混合度高、数量和速度为关键因素的时候,优先采用这个目标。AOI通常放置在生产线最末端。在这个位置,设备可以产生范围广泛的过程控制信息。
(2)过程跟踪(Process tracking)。使用检查设备来监视生产过程。典型地包括详细的缺陷分类和元件贴放偏移信息。当元件供应稳定,产品可靠性很重要,并进行低混合度大批量制造时,制造商优先采用这个目标。这经常要求把检查设备放置到生产线上的几个位置,在线地监控具体生产状况,并为生产工艺的调整提供必要的依据。

放置位置

虽然AOI可用于生产线上的多个位置,但有三个检查位置是主要的:
(1)锡膏印刷之后。如果锡膏印刷过程满足要求,那么ICT发现的缺陷数量可大幅度的减少。典型的印刷缺陷包括以下几点:
●焊盘上焊锡不足。
●焊盘上焊锡过多。
●焊锡对焊盘的重合不良。
●焊盘之间的焊锡桥。
在ICT上,相对这些情况的缺陷概率直接与情况的严重性成比例。轻微的少锡很少导致缺陷,而严重的情况,如根本无锡,则会在ICT上造成缺陷。焊锡不足可能是元件丢失或焊点开路的一个原因。尽管如此,决定哪里放置AOI需要认识到元件丢失可能是其它原因下发生的,这些原因必须放在检查计划内。这个位置的检查最直接地支持过程跟踪和特征化。这个阶段的定量过程控制数据包括:印刷偏移和焊锡量信息,而有关印刷焊锡的定性信息也会产生。
(2)回流焊前。检查是在元件贴放在板上锡膏内之后和PCB送入回流炉之前完成的。这是一个典型地放置检查机器的位置,因为这里可发现来自锡膏印刷以及机器贴放的大多数缺陷。在这个位置产生的定量的过程控制信息,提供高速片机和密间距元件贴装设备校准的信息。这个信息可用来修改元件贴放或表明贴片机需要校准。这个位置的检查满足过程跟踪的目标。
(3)回流焊后。在SMT工艺过程的最后步骤进行检查,这是目前AOI最流行的选择,因为这个位置可发现全部的装配错误。回流焊后检查提供高度的安全性,因为它识别由锡膏印刷、元件贴装和回流过程引起的错误。
虽然各个位置可检测特殊缺陷,但AOI检查设备应放到一个可以尽早识别和改正最多缺陷的位置。

在线测试仪ICT(In-circuit tester)



电气测试使用的最基本仪器是在线测试仪(ICT),传统的在线测试仪测量时使用专门的针床与已焊接好的线路板上的元器件接触,并用数百毫伏电压和10毫安以内电流进行分立隔离测试,从而精确地测出所装电阻、电感、电容、二极管、三极管、可控硅、场效应管、集成块等通用和特殊元器件的漏装、错装、参数值偏差、焊点连焊、线路板开短路等故障,并将故障是哪个元件或开短路位于哪个点准确告诉用户。针床式在线测试仪优点是测试速度快,适合于单一品种民用型家电线路板极大规模生产的测试,而且主机价格较便宜。但是随着线路板组装密度的提高,特别是细间距SMT组装以及新产品开发生产周期越来越短,线路板品种越来越多,针床式在线测试仪存在一些难以克服的问题:测试用针床夹具的制作、调试周期长、价格贵;对于一些高密度SMT线路板由于测试精度问题无法进行测试。

基本的ICT近年来随着克服先进技术局限的技术而改善。例如,当集成电路变得太大以至于不可能为相当的电路覆盖率提供探测目标时,ASIC工程师开发了边界扫描技术。边界扫描(boundary scan)提供一个工业标准方法来确认在不允许探针的地方的元件连接。额外的电路设计到IC内面,允许元件以简单的方式与周围的元件通信,以一个容易检查的格式显示测试结果。

另一个非矢量技术(vectorlees technique)将交流(AC)信号通过针床施加到测试中的元件。一个传感器板压在测试中的元件表面,与元件引脚框形成一个电容,将信号耦合到传感器板。没有耦合信号表示焊点开路。

自动X射线检查AXI (Automatic X-ray Inspection)



AXI是近几年才兴起的一种新型测试技术。当组装好的线路板(PCBA)沿导轨进入机器内部后,位于线路板上方有一X-Ray发射管,其发射的X射线穿过线路板后被置于下方的探测器(一般为摄像机)接受,由于焊点中含有可以大量吸收X射线的铅,因此与穿过玻璃纤维、铜、硅等其它材料的X射线相比,照射在焊点上的X射线被大量吸收,而呈黑点产生良好图像,使得对焊点的分析变得相当直观,故简单的图像分析算法便可自动且可靠地检验焊点缺陷。AXI技术已从以往的2D检验法发展到目前的3D检验法。前者为透射X射线检验法,对于单面板上的元件焊点可产生清晰的视像,但对于目前广泛使用的双面贴装线路板,效果就会很差,会使两面焊点的视像重叠而极难分辨。而3D检验法采用分层技术,即将光束聚焦到任何一层并将相应图像投射到一高速旋转的接受面上,由于接受面高速旋转使位于焦点处的图像非常清晰,而其它层上的图像则被消除,故3D检验法可对线路板两面的焊点独立成像。

3D X-Ray技术除了可以检验双面贴装线路板外,还可对那些不可见焊点如BGA等进行多层图像“切片”检测,即对BGA焊接连接处的顶部、中部和底部进行彻底检验。同时利用此方法还可测通孔(PTH)焊点,检查通孔中焊料是否充实,从而极大地提高焊点连接质量。

功能测试(Functional Tester)

        ICT能够有效地查找在SMT组装过程中发生的各种缺陷和故障,但是它不能够评估整个线路板所组成的系统在时钟速度时的性能。而功能测试就可以测试整个系统是否能够实现设计目标,它将线路板上的被测单元作为一个功能体,对其提供输入信号,按照功能体的设计要求检测输出信号。这种测试是为了确保线路板能否按照设计要求正常工作。所以功能测试最简单的方法,是将组装好的某电子设备上的专用线路板连接到该设备的适当电路上,然后加电压,如果设备正常工作,就表明线路板合格。这种方法简单、投资少,但不能自动诊断故障。


几种测试技术之间的比较


ICT测试是目前生产过程中最常用的测试方法,具有较强的故障能力和较快的测试速度等优点。该技术对于批量大,产品定型的厂家而言,是非常方便、快捷的。但是,对于批量不大,产品多种多样的用户而言,需要经常更换针床,因此不太适合。同时由于目前线路板越来越复杂,传统的电路接触式测试受到了极大限制,通过ICT测试和功能测试很难诊断出缺陷。随着大多数复杂线路板的密度不断增大,传统的测试手段只能不断增加在线测试仪的测试接点数。然而随着接点数的增多,测试编程和针床夹具的成本也呈指数倍上升。开发测试程序和夹具通常需要几个星期的时间,更复杂的线路板可能还要一个多月。另外,增加ICT接点数量会导致ICT测试出错和重测次数的增多。

AOI技术则不存在上述问题,它不需要针床,在计算机程序驱动下,摄像头分区域自动扫描PCB,采集图像,测试的焊点与数据库中的合格的参数进行比较,经过图像处理,检查出PCB上缺陷。极短的测试程序开发时间和灵活性是AOI最大的优点。AOI除了能检查出目检无法查出的缺陷外,AOI还能把生产过程中各工序的工作质量以及出现缺陷的类型等情况收集,反馈回来,供工艺控制人员分析和管理。表1是两者之间的比较。

但AOI系统也存在不足,如不能检测电路错误,同时对不可见焊点的检测也无能为力。并且经过我们的调研,我们发现AOI测试技术在实际应用过程中会存在一些问题:1)AOI对测试条件要求较高,例如当PCB有翘曲,可能会由于聚焦发生变化导致测试故障。而如果将测试条件放宽,又达不到测试目的。2)AOI靠识别元件外形或文字等来判断元件是否贴错等,若元件类型经常发生变化(如由不同公司提供的元件),这样需要经常更改元件库参数,否则将会导致误判。

AXI技术是目前一种相对比较成熟的测试技术,其对工艺缺陷的覆盖率很高,通常达97%以上。而工艺缺陷一般要占总缺陷的80%-90%,并可对不可见焊点进行检查,但AXI技术不能测试电路电气性能方面的缺陷和故障。尽管如此,AXI技术在电子通信行业中的应用前景令人看好,例如上海贝尔、青岛朗讯等都已采用了这一新技术。


测试技术的应用前景展望


从目前应用情况来看,采用两种或以上技术相结合的测试策略正成为发展趋势(如图1所示)。



因为每一种技术都补偿另一技术的缺点:从将AXI技术和ICT技术结合起来测试的情况来看,一方面,X射线主要集中在焊点的质量。它可确认元件是否存在,但不能确认元件是否正确,方向和数值是否正确。另一方面,ICT可决定元件的方向和数值但不能决定焊接点是否可接受,特别是焊点在封装体底部的元件,如BGA、CSP等。



需要特别指出的是随着AXI技术的发展,目前AXI系统和ICT系统可以“互相对话”,这种被称为“AwareTest”的技术能消除两者之间的重复测试部分。通过减小ICT/AXI多余的测试覆盖面可大大减小ICT的接点数量。这种简化的ICT测试只需原来测试接点数的30%就可以保持目前的高测试覆盖范围,而减少ICT测试接点数可缩短ICT测试时间、加快ICT编程并降低ICT夹具和编程费用。

在过去的两三年里,采用组合测试技术,特别是AXI/ICT组合测试复杂线路板的情况出现了惊人的增长,而且增长速度还在加快,因为有更多的行业领先生产厂家意识到了这项技术的优点并将其投入使用。

责任编辑: skylee
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