PCB电测技术分析

PCB电测技术分析一、电性测试PCB板在生产过程中，难免因外在因素而造成短路、断路及漏电等电性上的瑕疵，再加上PCB不断朝高密度、细间距及多层次的演进，若未能及时将不良板筛检出来，而任其流入制程中，势必会造成更多的成本浪费，因此除了制程控制的改善外，提高测试的技术也是可以为PCB制造者提供降低报废率及提升产品良率的解决方案。在电子产品的生产过程中，因瑕疵而造成成本的损失，在各个阶段都有不同的程度，越早发现则补救的成本越低。TheRuleof10's就是一个常被用来评估PCB在不同制程阶段被发现有瑕疵时的补救成本。举例而言，空板制作完成后，若板中的断路能实时检测出来，通常只需补线即可改善瑕疵，或者至多损失一片空板；但是若未能被检测出断路，待板子出货至下游组装业者完成零件安装，也过炉锡及IR重熔，然而却在此时被检测发现线路有断路的情形，一般的下游组装业者会向让空板制造公司要求赔偿零件费用、重工费、检验费等。若更不幸的，瑕疵的板子在组装业者的测试仍未被发现，而进入整体系统成品，如计算机、手机、汽车零件等，这时再作测试才发现的损失，将是空板及时检出的百倍、千倍，甚至更高。因此，电性测试对于PCB业者而言，为的就是及早发现线路功能缺陷的板子。下游业者通常会要求PCB制造厂商作百分之百的电性测试，因此会与PCB制造厂商就测试条件及测试方法达成一致的规格，因此双方会先就以下事项清楚的定义出来：1、测试资料来源与格式2、测试条件，如电压、电流、绝缘及连通性3、设备制作方式与选点4、测试章5、修补规格在PCB的制造过程中，有三个阶段必须作测试：1、内层蚀刻后2、外层线路蚀刻后3、成品每个阶段通常会有2~3次的100%测试，筛选出不良板再作重工处理。因此，测试站也是一个分析制程问题点的最佳资料收集来源，经由统计结果，可以获得断路、短路及其它绝缘问题的百分比，重工后再行检测，将数据资料整理之后，利用品管方法找出问题的根源，加以解决。二、电测的方法与设备电性测试的方法有：专用型(Dedicated)、泛用型(UniversalGrid)、飞针型(FlyingProbe)、非接触电子束(E-Beam)、导电布(胶)、电容式(Capacity)及刷测(ATG-SCANMAN)，其中最常使用的设备有三种，分别是专用测试机、泛用测试机及飞针测试机。为了更了解各种设备的功能，以下将分别比较三种主要设备的特性。1、专用型(Dedicated)测试专用型的测试之所以为专用型，主要是因为其所使用的治具(Fixture,如电路板进行电性测试的针盘)仅适用于一种料号，不同料号的板子就无法测试，而且无法回收使用。测试点数方面，单面板在10,240点、双面各8,192点以内均可作测试，在测试密度方面，由于探针头粗细的关系，较适合运用于pitch以上的板子。2、泛用型(UniversalGrid)测试泛用型测试的基本原理是PCB线路的版面是依据格子(Grid)来设计，一般所谓线路密度就是指grid的距离，也就是以间距(Pitch)来表示(部份时候也可用孔密度来表示)，而泛用测试就是依据此一原理，依据孔位置以一G10的基材作Mask，只有在孔的位置探针才能穿过Mask进行电测，因此治具的制作简易而快速，而且探针可重复使用。泛用型测试具有极多测点的标准Grid固定大型针盘，可分别按不同料号而制作活动式探针的针盘，量产时只要改换活动针盘，就可以对不同料号量产测试。另外，为保证完工的PCB板线路系统通畅，需在使用高压电(如250V)多测点的泛用型电测母机上，采用特定接点的针盘对板子进行Open/Short电性测试，此种泛用型的测试机称之为「自动化测试机」(ATE,AutomaticTestingEquipment)。泛用型测试点数通常在1万点以上，测试密度在或是的测试称为on-grid测试，若是运用于高密度板，由于间距太密，已脱离on-grid设计，因此属于off-grid测试，其治具就必须要特殊设计，通常泛用型测试的测试密度可达QFP。3、飞针(FlyingProbe)测试飞针测试的原理很简单，仅仅需要两根探针作x、y、z的移动来逐一测试各线路的两个端点，因此不需要另外制作昂贵的治具。但是由于是端点测试，因此测速极慢，约为10~40points/sec，所以较适合样品及小量产；在测试密度方面，飞针测试可适用于极高密度板()，如MCM。三、技术比较典型的飞针测试产出大约在1~20之间，若知道孔密度便可转换成每小时测试的总面积()，则其测试面积的范围大约是15(探针20及32板)至0.04(探针1及600板)，差距375倍的原因在于板子的密度及间距。一般性能较好的飞针测试设备的产出大约维持在10~15之间，可适用于密度为30的商用板到600的高密度板，对于多层板而言，在最佳状态下每一部飞针测试机每年测试总面积大约是3,000~5,000平方呎。而针盘式(Bed-of-Nails)的测试设备如专用型及泛用型，在于高密度板的测试能力比不上飞针测试，因此比较少用于高密度板的测试。然而理论上，针盘式的产出面积可达200~400，但以目前的生产状况而言，实际生产线上专用型则为30~100，而泛用型为15~50（两者的比较基础在于专用型通常运用于大量产，而泛用型多运用于中小量产），理论与实际的差异除了因设备本身的因素外，还可能包含生产管理上的问题，在此不加以详述。在一般最佳状态下，专用型测试设备平均每年约有300,000，泛用型则为150,000。但是每部设备产量的多寡可能因PCB厂商的生产计划而有显著的差异；例如，若以最先进的ATE检测手机板，每年每部测试设备约可产出600,000，但是若用于0.5~0.8mm-pitch的CSP时，测试速率则大约仅达1/4，每年每部测试设备产出为150,000。综合以上的介绍可归纳出如表(一)的分析表。首先，在测试技术的适用目的方面，飞针测试是目前最适合使用于小量产及样品的电性测试设备，但是若要运用于中大量产时，则由于测速慢以及设备价格昂贵，将会使得测试成本大幅提高，而泛用型及专用型无论是用于何种层级的板子，只要产量达到一定的数量，测试成本均可达到规模经济的标准，而且约只占售价的2~4%，这也是为何泛用型及专用型为目前量产型的测试机种的主要原因。但是随着电子产品的变化速度加快，使得单一电路设计版本的产品生命周期变短(如，目前手机板的生命周期大约为6个月)，这个现象对于PCB厂商无论在更新泛用测试治具或专用测试设备来说，均会带来极高的成本威胁，根据数据显示，若用于高密度板，当平均产量小于150平方公尺以下时，测试成本将会高于$200(18%)以上，这已经不是一般生产所能承担的成本，因此电子产品的发展趋势将是PCB厂商在选购测试设备时，不容忽视的一个课题。目前尚在积极改良的E-Beam、CEM或电浆放电(PlasmaDischarge)技术，若能在测试效率上提升，将是电性测试上良好及可行的解决方案。表(一)主要测试设备的功能与特性专用型测试泛用型测试飞针测试治具专用型无法回收可更换两根探针PCB料号单一料号各种料号各种料号测试点数单面10,240点双面各8,192点10,000点以上制程技术单面板双面板多层板单面板双面板多层板单面板双面板多层板量产中、大量产样品，小中量产ATE适用大量产最适合样品及小量产设备成本低高ATE极高中优点运转成本低产速快治具成本较低设定时间短可测较高密度板极高密度板不需治具缺点治具贵设定慢技术受限设备成本高较不适合大量产设备昂贵产速极慢