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处理先进技术板:将X光与ICT结合
2003-12-21    Ed Crane, Ed Kinney and Bill Jeffrey       点击: 6544
处理先进技术板:将X光与ICT结合

  本文介绍,将在线测试与自动X光检查结合可帮助你降低整体成本,改进产品质量和加速到达市场时间。

  为大型、高密度的印刷电路板装配(PCBA, printed circuit board assembly)发展一个稳健的测试策略是重要的,以保证与设计的符合与功能。除了这些复杂装配的建立与测试之外,单单投入在电子零件中的金钱可能是很高的 - 当一个单元到最后测试时可能达到25,000美元。由于这样的高成本,查找与修理装配的问题现在比其过去甚至是更为重要的步骤。今天更复杂的装配大约18平方英寸,18层;在顶面和底面有2900多个元件;含有6000个电路节点;有超过20000个焊接点需要测试。
图一  在朗讯加速的制造工厂(N. Andover, MA),制造和测试艺术级的PCBA和完整的传送系统。超过5000节点数的装配对我们是一个关注,因为它们已经接近我们现有的在线测试(ICT, in circuit test)设备的资源极限(图一)。我们现在制造大约800种不同的PCBA或“节点”。在这800种节点中,大约20种在5000~6000个节点范围。可是,这个数迅速增长。
   新的开发项目要求更加复杂、更大的PCBA和更紧密的包装。这些要求挑战我们建造和测试这些单元的能力。更进一步,具有更小元件和更高节点数的更大电路板可能将会继续。例如,现在正在画电路板图的一个设计,有大约116000个节点、超过5100个元件和超过37800个要求测试或确认的焊接点。这个单元还有BGA在顶面与底面,BGA是紧接着的。使用传统的针床测试这个尺寸和复杂性的板,ICT一种方法是不可能的。
  在制造工艺,特别是在测试中,不断增加的PCBA复杂性和密度不是一个新的问题。意识到的增加ICT测试夹具内的测试针数量不是要走的方向,我们开始观察可代替的电路确认方法。看到每百万探针不接触的数量,我们发现在5000个节点时,许多发现的错误(少于31)可能是由于探针接触问题而不是实际制造的缺陷(表一)。因此,我们着手将测试针的数量减少,而不是上升。尽管如此,我们制造工艺的品质还是评估到整个PCBA。我们决定使用传统的ICT与X射线分层法相结合是一个可行的解决方案。

表一、达到可接受的假阴率(false-negative rate)要求探针的接触质量,当夹具有几千个针时是不可能维持的
  5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 6 <=Sigma
针数 31.7 20.6 13.3 8.5 5.4 3.4 <=PPM
0 0 0 0 0 0 0  
500 1.6% 1.0% 0.7% 0.4% 0.3% 0.2%  
1000 3.2% 2.1% 1.3% 0.9% 0.5% 0.3%  
1500 4.8% 3.1% 2.0% 1.3% 0.8% 0.5%  
2000 6.3% 4.1% 2.7% 1.7% 1.1% 0.7%  
2500 7.9% 5.2% 3.3% 2.1% 1.4% .0.9%  
3000 9.5% 6.2% 4.0% 2.6% 1.6% 1.0%  
3500 11.1% 7.2% 4.7% 3.0% 1.9% 1.2%  
4000 12.7% 8.2% 5.3% 3.4% 2.2% 1.4%  
4500 14.3% 9.3% 6.0% 3.8% 2.4% 1.5%  
5000 15.9%

10.3%

6.7% 4.3% 2.7% 1.7%  
5500 17.4% 11.3% 7.3% 4.7% 3.0% 1.9%  
6000 19.0% 12.4% 8.0% 5.1% 3.2% 2.0%  
6500 20.6% 13.4% 8.6% 5.5%

3.5%

2.2%  
7000 22.2% 14.4% 9.3% 6.0% 3.8% 2.4%  
公式:(100 块板 x PPM率 x 针数)/(1M *100) = 100板产生一个误报的%

测试策略
  我们整体测试策略大部分依靠边界扫描,它提供一个部分解决方案。许多元件在ICT不能确认,许多复杂的ASIC有许多必须确认的电源和接地引脚。这些引脚的开路可能造成长期可靠性的问题。我们采用的测试策略是使用自动X射线分层检查系统确认整个板上每个焊接点的可接受性。在这个策略中,生产PCBA都经过X光系统。有缺陷的板经过修理站进行改正行动和重检查。通过检查的PCBA进入在线电路板测试系统作进一步测试。这个策略在对现在生产中的先进技术装配实施的最后阶段。设计的模型或开发/原型阶段的PCBA只通过焊接点完整性的X光检查,因为在线测试机的测试夹具和/或测试程序通常这时还没有。
  使用生产X光检查进行模型评估,允许诊断技术员排除焊点有关的问题,如开路、短路、元件丢失、少锡和一些极性方向问题。这个新工艺已经节省时间与金钱。现在,为模型开发进行的制造测试趋向于大约与生产运行相同的规模。模型运行可能在150个单元的范围,高端PCBA的生产运行在200个单元范围。
  我们的PCBA使用自动贴片机器完成,手工连接器贴装和手工面板装配。使用X光和ICT技术测试完成的装配,来确认我们的工艺。测试程序保证正确的零件已经以正确的位置和方向放在板上,X光决定所有的焊接点已经形成。这时功能还没有确认。接收板的经营单位选择是否做整板的功能测试。这个决定是在单个板的基础上作出的。其次,PCBA安装到架子内,架子放入框内,框与框连接。最后,整个系统功能测试,所有装配在最后系统测试期间接受功能测试。在适当的测试之后,系统发送到最终用户。

X光/ICT相互作用
  超过5200个ICT机器节点限制的PCBA是不可能使用传统的针床夹具ICT测试的。而且,我们没有装配可在在线测试机上完全测试。通常,10~15%的板的核心电路不能测试。例如,旁路电容和ASIC元件的电源与接地引脚对DC级的测量是不可见的。因为这些节点不能用一般的ICT测试,我们使用了X射线分层工艺。在使用X光之前,大板上的覆盖率在60~70%之间。在测试测量中包括X光提供99%的测试覆盖。对于通过X光系统确认的焊点完整性的元件,我们假设遵循了前面的工序保证板上贴装正确的元件。
  另外,我们必须确认板是结构上连接的 - 所有焊接点正确连接并且没有内部短路或开路存在。这是由X射线检查来完成的。
  对于ASIC的ICT,相当广泛地使用边界扫描,它允许我们的测试机快速地读入ASIC的ID寄存器。如果成功,边界扫描显示ASIC在位置上并方向正确。前面确认的焊点结构完整性减少针床夹具需要接触的节点数量。ICT将不需要切换每一个ASIC引脚来确定其是否开路。
  通过使用专门的X射线分层检查系统,我们已经能够平均减少40%所要求的节点数量。ICT节点数减少,降低夹具的复杂性和成本,也得到更少的误报,这使得板更快速地通过我们的返修和制造工序。使用X射线也将ICT处的第一次通过合格率增加20%。使用X射线/ICT结合的测量已经降低整体成本,改善可靠性和输出产品的品质。允许产品更快的出货。

X射线/ICT测量的未来
  现在,在我们生产线上只有一少部分的板超过5200个节点的ICT限制。我们预计在不久的将来该比例会稳定增长。
  还有,随着我们取得经验和增加X射线的能力,我们可能将我们新的测量应用到节点数低至2500个节点的PCBA。因为现在存在于4000~5000个节点范围的板的合格率问题,这些问题是由于探针接触问题而不是实际装配问题,我们预计使用X射线/ICT相结合的测量可以看到一个改善。
  早在九十年代,我们决定标准化ICT系统的选择,我们的测试工程师可作三种配制,而不是一种开口测量。我们分1900个节点、3900个节点和5200个节点的配制。现在,我们已经升级几乎每一个测试达到3900或5200个节点的设备,倾向于5200个节点的系统。
  X射线分层法与ICT技术相结合的进一步使用是理想的,因为每一个技术都补偿另一技术的缺点。X射线主要集中在焊点的质量。它也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,特别是在大的表面贴装元件包装下面。
  在不久将来,我们希望在看到电路原理图时马上可以决定对新的电路设计的测试测量。这时,对高节点数的原理图,我们可决定哪些节点应该用ICT,哪一些节点应该用X射线。现在,我们直到一个设计在开发过程中相对清楚时才可作出决定。
  理想地,软件可产生X光和在线测试技术,ICT测试程序应该相当地小。测试测量信息可以放在计算机辅助设计(CAD)布局系统,包括较少数量的要求测试焊盘特性的节点。测试焊盘减少的一个附加优点是板面资源节省,使得布局任务更加容易。针床夹具也应该随着接触探针的减少而简化;同样减少测试针与其目标接触不良的可能性。简而言之,用复杂性更低的程序与夹具可达到更好的缺陷覆盖率。

在线测试怎样工作

  在线测试(ICT)是通过探测分布于板的表面的测试点来确认一个电路子装配的电气完整性的过程。对于自动测试,探针是安装于一块厚的苯酚板上的弹簧加力的“针”,分别连线到一个开关矩阵。开关矩阵是继电器的排列,将适当的针连接到测试程序中每一步所要求的电流源和电压测量仪器。
  带有成百上千弹簧针的苯酚板构成一个针床,测试工程师采用了“针床夹具”名词来叫这个板。每个针都有定位,使得当板放在夹具上,由真空装置拉下时,针都接触其目标测试点,而不短路到相邻的电流结构。
  ICT可以确认导电路线的存在,排除短路的可能性,测量单个电阻和电感器,检查二极管、三极管和集成电路的存在与方向。ICT通常不能决定极性电容的极性或确认丢失的旁路电容。可是,它可发现短路的电容和开路的电感器。
  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。
  另一个无矢量技术(vectorless technique)将交流(AC)信号通过针床施加到测试中的元件。一个传感器板靠住测试中的元件表面压住,与元件引脚框形成一个电容,将信号偶合到传感器板。没有偶合信号表示焊点开路。
  用于大型复杂板的测试程序的人工是很大的。幸好,自动测试程序产生(ATPG, automated test program generation)软件可基于PCBA的CAD数据和装配于板上的元件规格库,自动地设计所要求的夹具和测试程序。虽然这些技术帮助简单程序生成时间,但高节点数测试程序的论证还是一个费时和技术挑战性的努力。

X射线分层法怎样工作

  PCBA制造基本上是将预制的元件焊接到预制的印刷电路板上。理论上,只要正确的元件以正确的方向放在正确的位置,并以良好的焊点电气连接,PCBA将按设计一样运行。因此,对于一个PCBA制造商的测试问题归结为保证焊接点的质量 - 一个结构性检查。
  当焊接点隐藏于大的集成电路(IC)包装下面,检查就要求X光。X光可渗透IC包装但被密度大得多的铅基焊锡所吸收,留下影子一样的图象。可是,一个简单的X光影象会被分布在IC内部结构中的和多层电路板层中的金属导体所混淆。当PCBA在两面有电路时情况变得更差。
  X射线分层法,或3维X光,是一个用于隔离PCBA内水平面的技术,使得它们可以分别检查。和阴影图一样,该技术从X射线的平行光源和图象感应器排列开始。不象阴影图技术(shadowgraph),分层的X光束以一个角度穿过板。感应器直接在板的结构底下在视觉范围内,但偏移来截至以一角度来的X射线束。
  在成像的过程中,感应器和光源两者都绕一轴转动,穿过视觉区(FOV, field of view)。图像模糊引起在图象面的结构显得静止,而图像面上或下的物体在圆周运动中快速移动,看上去不聚焦,迅速从视野消失。这个现象类似于“穿过”飞机旋转的螺旋桨来看。
  基于得到图象的细节,计算机运算法则可决定焊点圆角的确切形状,超出焊点内的空洞。它也可计算焊锡量。这些测量都可显示焊接点的品质。该技术也可用来查找可能引起短路的锡桥。

  Ed Crane, is test process and strategy manager, (978) 960-2838, e-mail: fcrane@lucent.com; Edward Kinney is the HP5DX application engineer, (978) 960-6335, e-mail: edkinney@lucent.com; and Bill Jeffrey is an member of the technical staff; (978) 960-2838; e-mail: wfj@lucent.com, at Lucent Technologies, North Andover, MA..

责任编辑: skylee
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