為新制定PCB設計測試程序

2020-12-29

當今的電子產品具有許多關鍵的性能特征。它們以高頻率運行，移動大量數據，并且比以往任何時候都更快。這給產品開發人員帶來巨大的壓力，以確保他們的設計能夠檢查所有零件，作為原型以及在批量生產中使用，并滿足關鍵的成本和產品交付要求。

考慮到所有這些參數，在制造新設計之前開發PCB測試程序是明智的技術和商業決策?？梢栽谙虬迳涎b載組件之前使用PCB上的測試結構，這將有助于確保板能夠按照規定和制造的方式運行。

PCB中的測試結構

推動在板上構建測試結構的因素基于以下幾點：

假設來自制造商的電路板是“好”的，只是因為制造商表示它們是“好”的。

即使您與信譽良好的制造商打交道，在制造過程中也有可能出現問題的地方，例如：

圖層順序錯誤（有關更多信息，請參見下文）。

阻抗不正確。

使用了錯誤的層壓板，或者制造商以“省錢”為幌子，用替換的層壓板替換了您指定的層壓板。

層壓板中的玻璃編織是錯誤的，從而導致傾斜。

對于具有真正高數據速率的產品，這是一個巨大的問題。

直到組裝過程，偏斜問題才會變得明顯。

如上所述，必須通過使用板邊緣上的堆疊條紋來驗證板中的層堆疊。這似乎是一個簡單的問題或平凡的做法，但是如果不這樣做，可能會導致可怕的后果。如果電路板層混亂，則無法輕松修復，并且可能會產生大量成本和進度問題，因為唯一的選擇就是報廢電路板并重新開始。

圖1描繪了堆棧條測試結構。以這種方式繪制結構中使用的銅條，以便從面板上切割PCB時，肉眼可見。每層中的條帶比上面的條長。通過簡單地看到階梯進入PCB的每一層的時間越長，就可以確定所有層的順序正確。

在設計和制造過程中有很多地方，層的順序可能會被錯誤處理。一種是準備用于蝕刻PCB層的照相工具和模版。在層壓過程中層疊各個層時，可能會發生其他情況。顯然，電路板上的層數越多，堆疊條紋測試結構就越重要。

圖2顯示了通過使用測試結構檢測到的故障的示例。第11層應位于第22層。兩者都是動力飛機。錯位層用堆疊條紋表示，在板的側面可見。

圖2. PCB的層數順序錯誤。

在這種情況下，所有阻抗都是正確的，因為交換的層包含電源和接地層。我們在測試結構中發現的其他故障包括組裝，其中在物料清單上標出了不正確的旁路電容器。堆疊條紋也可用于檢測不正確的阻抗值。

圖3展示了一組實際的堆疊條紋的放大視圖，其中可以看到每個介電層中的玻璃纖維，銅的厚度和5密耳的跡線從PCB伸出。

圖3.堆疊條紋的放大圖。

PCB測試程序

與任何過程一樣，在向PCB加載組件之前，需要在PCB上采取特定步驟。該PCB測試程序超出了在線測試范圍。這些步驟包括：

拿起疊圖，并在計算出的阻抗旁邊記錄每個信號層的實際阻抗。（確保使用125-175 pSec的邊緣進行測量。）

拋光堆疊條紋以確保其清晰。接下來，要保護它們，它們應該用透明的漆覆蓋。

確保每一層的條紋都比上面的條紋長。

使用帶刻度的顯微鏡，測量每個介電層的厚度，并將此信息記錄在堆疊圖中。

測量并記錄每個銅層的厚度。

測量每個堆疊條旁邊的走線寬度并進行記錄。

使用普通的電容表，測量每個電源電壓的平面電容，并將該信息與計算得出的信息進行比較。

使用網絡分析儀或帶有跟蹤信號發生器的頻譜分析儀，可以掃描每個電源電壓的阻抗與頻率的關系。然后，應將每個掃描的示波器圖像相互比較。（執行此操作的方法在本文結尾的參考1，第2卷中進行了說明。）

應當對收到的每一批新PCB執行上述步驟1-7，并應檢查每塊PCB以驗證堆疊條紋的順序正確，如上面的步驟3所述。

如果上述測量值在規格范圍內，則下一個任務涉及驗證旁路電容器組是否為每個電源電壓產生了適當的阻抗與頻率響應。這是通過發送一個PCB使其僅加載旁路電容器，然后執行以下測試來完成的：

如上面的步驟8所述，掃描每個電源電壓的阻抗與頻率的關系，并將該信息與預測阻抗與頻率的關系進行比較。如果達到了阻抗目標，則可以將PCB發送出去進行最終組裝。如果存在“阻抗孔”，則必須重新計算消除這些孔所需的電容器數量。

如果需要，執行高壓鍋測試。

列出每個電壓使用的旁路電容器，其參數如表1所示。

表1.電路板上每個電壓使用的旁路電容器列表。

在前述之后，執行以下測試以檢查在最壞情況下的IC封裝和電源的性能。

使用適當的軟件代碼，使所有處理器以操作中發生的最慢和最快的速度從待機模式進入活動模式。必須監控處理器內核的Vdd并記錄最壞情況的紋波。結果示波器圖像應保留。驗證PDN上測得的紋波是否在設計規格之內也很重要。

使用適當的軟件代碼，使最寬的數據總線首先從全0切換到全1，然后再從全1切換到全0。保留示波器圖像，并根據設計規范驗證紋波。

使用上面第2步中使用的相同代碼，通過將示波器連接到安靜的輸出端來測量Vcc和接地反彈非常重要，該安靜的輸出端與要交換的數據總線在IC封裝內共享相同的電源軌。在這里，示波器圖像也應保留，并且Vcc和接地反彈應驗證為在設計規范的要求之內。

背板的特殊測試

通常，背板除了原始直流電壓（例如48 V）外沒有電源。但是，它們很可能在選定的線路上具有特殊的平面電容器來控制EMI。用于背板的測試步驟包括：如上所述，對裸露的PCB進行步驟1-6。

測量每個具有嵌入式電容器的信號的值。這是通過普通電容表完成的，并將結果與設計目標進行了比較。

根據需要執行高壓鍋測試。

其他特殊測試

不同長度的測試跡線：在某些PCB上，同一層中可能有兩條不同長度的測試跡線。通過測量時間差并將其除以長度差，可將每個時間延遲的測量值用于計算速度。這使得能夠計算該層的有效介電常數。

直流電壓降：在電流非常大的PCB上，建議使用萬用表并從調節器的端子到最遠的負載運行電壓降曲線，以確保直流電壓降在極限范圍內。當今的許多設計都無法承受很大的電壓跌落。由于開始時沒有太多余量，因此在超出限制之前不必有很大的差異。