用于制造驗證的電路板測試

2021-11-04

用于制造驗證的電路板測試

電路板測試通常會讓人想起技術人員手持探頭和示波器檢查和調試組裝板的圖像。這些技術人員的工作是測試電路板的功能并尋找需要糾正的設計問題或需要增強的電路性能。雖然這種測試方法是電子開發周期的重要組成部分，但它并不是電路板將要經歷的唯一驗證過程。 

電路板的大規模生產需要結合自動化和手動元件組裝過程。這些過程將部件放置在板上，然后將它們焊接到位。驗證這些組裝過程的工作落在自動電路板測試系統上，該系統確認電路板是否已正確制造。讓我們更深入地了解自動化測試，以及電路板布局設計人員需要做什么才能最好地適應這種測試。

自動化電路板組裝：需要測試什么

組裝印刷電路板可使用三種不同的自動化工藝：波峰焊、回流焊和選擇性焊接。

波峰焊

主要用于通孔元件，電路板通過一波熔化的焊料，該焊料通過電路板的孔和插入的引腳周圍形成焊點。波峰焊也可用于一些表面貼裝元件，但通常這些部件必須與波峰隔離。

回流焊

主要用于表面貼裝元件，零件通過由金屬焊料顆粒和具有粘性的助焊劑組成的焊膏“粘合”到板的金屬焊盤上。一旦所有組件就位，電路板就會通過烤箱并加熱，直到焊膏熔化或回流，在零件和電路板之間形成焊點。

選擇性焊接

該系統使用通過噴嘴從儲罐中泵出的熔融焊料將焊料直接沉積在指定位置。盡管比其他兩個系統慢，選擇性焊接可以實現波峰焊困難的通孔引腳的自動化組裝。

雖然今天沒有這些自動化組裝過程就無法制造現代電子產品，但總是有可能出現焊接問題。為了發現這些錯誤，使用自動化測試來檢測每個組件引腳是否正確焊接到板上相應的引腳或孔中。以下是在自動化PCB組裝過程中可能發生的一些焊接問題：

焊錫短路：由于當今使用的電子元件引腳數較多且引腳間距較小，因此兩個或多個引腳之間的焊料橋接的可能性增加。這種情況將導致橋接引腳之間的電氣短路。

凹陷的焊點：通孔有時無法保留通過孔吸上來的焊料，然后才能形成良好的焊點。在這種情況下，焊點很容易被破壞或根本不存在。

焊料不足：當元件沒有為波峰焊進行最佳放置時，較大的部件有時會阻止它們后面的較小部件獲得足夠的焊料以實現良好的連接。

不完整的連接：未針對回流焊優化的電路板有時會抑制烤箱中適當的氣流，從而阻止某些連接獲得足夠的熱量以形成良好的焊點。

為了發現這些焊點問題，制造商依賴于自動化PCB測試系統。接下來，我們將了解這些系統是什么以及它們是如何使用的。 

PCB CAD系統中標記的測試點位置

自動電路板測試系統的類型

檢查電路板的方法有很多種，從技術人員使用各種診斷工具進行的手動測試到不同的自動測試系統。此外，還有用于視覺驗證PCB組裝的不同檢查工具。這些工具包括 X 射線設備和自動光學檢測 (AOI) 系統。但是我們關注的自動化測試系統涉及探測板上的指定點以驗證焊接連接，這可以分為兩種主要類型：在線測試和飛針系統。

在線測試

通常稱為 ICT 的在線測試系統使用獨特的夾具和精確放置的探針和相關的測試程序來測試開發的每塊電路板。夾具的探針將接觸板上的每個測試點，允許系統非?？焖俚赝瑫r測試板上的所有連接。盡管大多數電路板是從底部進行測試，但一些 ICT 系統會同時測試電路板的兩面。測試夾具旨在將電路板拉到帶有真空密封的彈簧加載探針上，以確保探針與電路板上相應測試點的電氣連接。

ICT 固定裝置的開發和構建既昂貴又耗時，并且難以修改以匹配PCB設計中的增強或修改。出于這個原因，ICT系統通常用于大規模生產經過驗證的設計，以快速測試大量電路板。除了組裝驗證任務外，ICT系統還可用于電路板的某些功能測試。

飛針系統

這些測試系統使用探針來測試ICT系統使用的電路板上的相同測試點。然而，不同之處在于飛針系統不使用昂貴的測試夾具。相反，它會在電路板上移動一些探針來依次測試每個網絡。

每個測試點的單獨測試導致飛針系統比ICT慢得多，并且沒有多個同時連接，它無法進行功能測試。然而，飛針測試的亮點在于設置和費用，這是最小的。不僅電路板可以快速準備好進行測試，而且對PCB設計的任何更改都可以輕松地重新編程到系統中。這使得飛針測試系統非常適合在開發過程中經歷多次設計變更和交互的電路板原型生產。飛針測試對于 ICT 無法容納的電路板或更大電路板的有限生產運行也很有用。

既然我們已經討論了用于驗證PCB組裝的測試系統類型，現在是時候將我們的注意力轉移到用于此測試的電路板設計要求上。

在Cadence Allegro中設置可用于測試點的焊盤

為自動測試準備電路板布局

我們一直在談論自動化測試系統的探針接觸板上每個電路的位置，這些接觸位置稱為測試點。需要明確的是，測試點與實際探測點不同，實際探測點是技術人員可以輕松訪問的位置，以探測電路板的關鍵網絡。探針點通常用它們的網標記，例如“GROUND”，并且通常焊接有接線柱供技術人員的測試線夾在上面。

另一方面，測試點是電路板上暴露的金屬區域，周圍有足夠的間隙供測試系統的探針接觸。如果板上有通孔部件，通孔引腳通常是測試點的首選。否則，可以將現有通孔標記為測試點，或者可以根據需要添加新金屬焊盤并標記為測試點。在上圖中，您可以看到一些可用于典型 PCB CAD系統中測試點的焊盤組選擇。測試點焊盤通常是圓形的，但設計人員有時會使用方形形狀，以便在成品PCB上更容易找到它們。許多不同類型的探針可用于自動測試，包括錐形、扁平、球形或其他類型，具體取決于測試點是金屬焊盤、通孔還是通孔引腳。

在將通孔或過孔標記為測試點或添加測試點焊盤時，PCB布局工程師需要牢記一些設計規則：

網格：一些制造商更喜歡測試點在網格上，因此在開始電路板布局之前，請與您的組裝商核對。

間距：這將根據您的制造商而變化，但測試點之間的間距為75密耳是一個很好的值。但是，安全的賭注是先檢查。

間隙：這些也隨著制造電路板的人員而變化，但制造商通常需要50密耳的組件和焊盤間隙，以及電路板邊緣100 密耳的間隙，以實現良好的真空壓降。

板面：很多廠商可以同時測試板的兩面，但一定要先檢查。

覆蓋范圍：對于完整的測試覆蓋范圍，設計的每個網絡都需要有一個測試點。

一旦測試點完全安裝在印刷電路板布局上，您就可以創建制造商構建測試夾具或對系統進行編程所需的測試點文件。該數據通常包含一個XY位置文件，其中包含電路板上的每個測試點及其分配到的網絡以及設計的完整網表。通常，可以從您正在使用的PCB CAD系統中自動提取這些數據，以及我們接下來將探討的許多其他有用的測試點功能。

可以在Cadence的Allegro PCB編輯器中設置的一些測試點參數

讓您的PCB設計工具發揮作用

在開始向設計添加測試點之前，CAD系統將具有多個可以設置的參數。這些將包括諸如指定測試點網格（如果需要）、選擇可以標記為測試點的設計元素以及可以考慮將哪些焊盤堆棧轉換為測試點位置等項目。您還可以設置將用于表示測試點標識參考的文本（同樣，僅當您需要它們時），以及與其他設計對象的唯一測試點間隙。您可以在Cadence的Allegro PCB編輯器的自動測試準備選項中看到其中一些選項，如上所示。

設置好參數后，您可以開始標記測試點位置。通常，這是自動完成的，但您也可以手動選擇將標記為測試點的設計元素。電路板測試完成后，您可以以制造商要求的文件格式導出測試點設計數據。