SMT制程几种PCBA测试技术介绍
SMT制程几种PCBA测试技术介绍
在高度复杂线路板测试中采用组合式AXI／ICT测试方法的优点，而这项技术本身也在不断改进使它愈加引人注目，比如AwareTest。在过去的两三年里，应用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，因为有更多的待业领先生产厂家意识到了这项
一、在线测试仪
ICT（ln-CircuitTester)
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及大规模生产的测试，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人工生成很费时费力，但自动测试程序产生(ATPG，automated testprogramgeneration)软件的出现解决了这一问题，该软件基于PCBA和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。虽然这些技术有助于缩短简单程序的生成时间，但高节点数测试程序的论证还是费时和具有技术挑战性。
飞针式测试仪是对针床在线测试仪的一种改进，它用探针来代替针床，在X-Y机构上装有可分别高速移动的4个头共8根测试探针，最小测试间隙为0．2mm。工作时根据预先编排的坐标位置程序移动测试探针到测试点处，与之接触，各测试探针根据测试程序对装配的元器件进行开路／短路或元件测试。与针床式在线测试仪相比，在测试精度、最小测试间隙等方面均有较大幅度提高，并且无需制作专门的针床夹具，测试程序可直接由线路板的CAD软件得到，但测试速度相对较慢是其最大不足。
2、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，对其提供输人信号，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。
3、自动光学检查AOI (Automatic Optical Inspection)
随着线路板上元器件组装密度的提高，给电气接触测试增加了困难，将AOI技术引入到SMT生产线的测试领域也是大势所趋。AOl不但可对焊接质量进行检验，还可对光板、焊膏印刷质量、贴片质量等进行检查。各工序AOI的出现几乎完全替代人工操作，对提高产品质量、生产效率都是大有作为的。当自动检测(A01)时，AOI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。
现在的AOI系统采用了高级的视觉系统、新型的给光方式、增加的放大倍数和复杂的算法，从而能够以高测试速度获得高缺陷捕捉率。AOI系统能够检测下面错误；元器件漏贴、钽电容的极性错误、焊脚定位错误或者偏斜、引脚弯曲或者折起、焊料过量或者不足、焊点桥接或者虚焊等。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。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。
4、自动X射线检查AXI(AutomaticX-raylnspection)
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。
3DX-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（BallGridArry,焊球陈列）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。同进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。
二、未来SMT测试技术展望
预测今后二十年里那一种测试技术会取得成功或者被淘汰不是一件简单的工作，因为这不仅需要总结过去，还需要清楚地了解未来的应用情况。从近几年的发展趋势来看，使用多种测试技术，特别是AXI与ICT组合测试会很快成为这一领域的测试首选。
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。AXI技术则不受上述因素的影响，其对工艺缺陷的覆盖率很高，通常达97％。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。
将AXI检测技术和传统的ICT在线测试方法相结合，则可以取长补短，使SMT检测技术达到完美的结合，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，特别是焊点在封装体底部的元件，如BGA、CSP等。图2为AXI和ICT测试方法检查范围互补图。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。
三、结束语
以上详细说明了在高度复杂线路板测试中采用组合式AXI／ICT测试方法的优点，而这项技术本身也在不断改进使它愈加引人
注目，比如AwareTest。在过去的两三年里，应用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，因为有更多的待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。
来源: 线路板新闻网
采用X射线视像解决PCBA测试问题---SMT测试专题
来源:FULLUN 日期2011/06/28
采用 X 射线视像解决 PCBA 测试问题
缺陷覆盖率之比较
X 射线技术
用 X 射线取代 ICT
显示不可见焊点
避免过早失效
印制板组件(PCBA) 测试面临着微封装(0402) 、“不可见”焊点( 如BGA 、 CSP 和倒装晶片组件FCA) 、在电路测试(ICT) 空间不断缩小的挑战。同时，随着技术的发展，组装与焊接的难度也日益增加；然而，你还必须在保持成本下降的同时，满足客户高品质、短交货期的要求。
希望寄托到结构制程测试方法SPT(structural process test) 上。尽管如此，大多数PCBA 制造商都设有专门的电气测试工程部，进行ICT 测试、功能测试(FT) 和制造缺陷分析(MDA) ，但很少在SPT 研究、优化和使用上来做工作。
SPT ，如其名字所示，并不包括电气测试。它是对回流焊或波峰焊所形成( 或将要形成) 焊点的结构完整性进行评估， PCBA 制造商常用的SPT 技术包括：
焊膏检验 ( 激光或光学方法 )
人工视觉检验
自动光学检验 (AOI)
2D 或透射 (transmissive)X 射线
3D 或断层 X 射线
PCBA 工厂中最为普遍的方法毫无疑问是人工视觉检验。但无疑它是最不精确和重复性最差的SPT 技术。更糟糕的是，几乎所有的PCBA 制造还在继续使用这种低效的测试方法。因此，许多PCBA 制造商正在考虑回流后的自动SPT 技术(AOI 和X 射线检验) 。
缺陷覆盖率之比较
图1 ： AOI 、 X 射线和ICT 的缺陷覆盖相互重叠，但各有长处
AOI 和X 射线检验具有各自的功效和局限( 图1) 。 ICT 的长处是电气缺陷测试，如器件的功能不正常或错值； X 射线检验可对许多焊点进行综合检验；而AOI 系统可以X 射线系统通常达不到的速度，对器件贴装位置和多种焊点缺陷进行检验。
PCBA 自动X 射线检验具有许多优点和独特的性能，可满足目前乃至未来所面临的挑战。 PCBA 自动X 射线检验系统的典型工作过程是：在PCBA 上方的X 射线管中产生X 射线， X 射线穿过PCBA ，被置于测试板下面的探测器所接收。由于焊点中通常都包含有铅，而铅可以大量地吸收X 射线，因此与穿过玻璃纤维、铜、矽及其它PCBA 材料的X 射线相比，照射在焊点上的X 射线被大量吸收，从而产生良好“讯号” ( 焊点) 与“噪音” (PCB 、器件等) 比的X 射线视像。
图2 ： X 射线检验视像只包含焊点，因此很容易实现自动缺陷检验
这是PCBA 的X 射线检验的基本优点，即只有焊点本身可在X 射线视像中显示，从而使得分析变得相当简单。器件、引线、各层PCB 、焊盘等在X 射线视像中基本上看不见( 图2) 。因此简单的图像分析算法便可自动而且可靠地检验焊点的缺陷。
X 射线技术
有两种自动的X 射线检验技术可用于检验PCBA ：一种是2D 或透射X 射线检验法，这与简单的X 射线胸透类似。对于单面PCBA 检验，板上器件面的焊点可产生清晰的视像，因此检验效果很好。然而，若采用此方法对双面板进行检验，会因上下两面焊点视像的重叠，使图像极难分辨；这就象是你与你的朋友一起做胸透时，一人站在另一人前面，显然其结果是两人胸透视像的叠合。
另一种X 射线技术是断层或3D X 射线检验法，目前PCBA 制造商正在使用的、可实现3D X 射线检验的技术被称作X 射线断层照像机。 X 射线断层照像机之所以能够检验双面PCBA ，因为它可以对两侧的焊点独立成像。
用 X 射线取代 ICT
随着PCBA 数量的增加，特别是在可携式消费电子产品中的应用，设计时对于ICT 测试节点仅留有很小的空间，甚至被取消。这就意味着你将面临大量的潜在问题，对于复杂的电路板，直接从SMT生产线送至FT ，不仅会导致合格率的下降、返修量与故障诊断费用的增加，而且会造成生产的延误。此时，可用X 射线检验取代ICT ，保持高的FT 生产率，并减少故障诊断与返修工作。
值得注意的是， X 射线检验可以查出许多原由ICT 检验的结构缺陷( 图1) ，因此这些缺陷在Ｘ射线检验过程中不会被漏掉。同时，虽然X 射线不能查出器件的电气缺陷，但这些缺陷却可在FT 中检出。总之，不会漏掉制造过程产生的任何缺陷。更好的是， X 射线检验还能够查出一些ICT 查不出的缺陷。
显示不可见焊点
采用3D X 射线技术除了可以检验双面电路板外，还可以对一些相对较高的焊点，如BGA 和穿孔(PTH) 器件的焊点，产生多层图像“切片”。采用这种方法能够对焊点连接处的顶部、中部与底部进行彻底检验。这一独特的性能可以测试PTH 焊点，检查通孔中的焊料是否充实，从而极大地提高焊点连接的品质。
图3 ： BGA 焊点的3D X 射线视像能显示出气孔和不充实的焊点
同样，还可有效地对BGA 封装器件与PCB 连接的“不可见”焊点成像，而不必考虑其上方的引线球或凸点( 图3) 。值得注意的是大的空穴、不充实的焊点以及诸如此类的缺陷能轻易地藉由电气测试而不被注意。
避免过早失效
图4 ：焊点没有底部倒角，严重影响翼型引线焊点的强度，自动X 射线检验系统能即时检验出该缺陷
尽管ICT 和FT 能够检测出封装器件引脚与焊盘间的电气连接是否有效，但这些技术却不能检验出品质低劣和/ 或可能产生过早失效的焊点。藉由对每一焊点的尺寸、形状及特性进行评估，自动X 射线检验能够自动检验出免强合格但品质不高的所谓边界(marginal) 焊点( 图4) 。图4 中，在底部你会注意到有一个偏小的焊点，这就是会导致产品过早失效的边界焊点；然而，电气测试和大多数的AOI 系统可能将此焊点判断为“良好”焊点。
自动X 射线检验有助于解决你所面临的许多关键问题。此外，未来PCBA 产业的诸多趋势，如ICT 空间的减小、不可见焊点以及提高品质的要求等等，将有力地推动X 射线检验的应用。
X 射线检验的经济学
结构制程测试是生产测试和检验的分支，其目的是发现制造过程中产生的缺陷。这些缺陷包括：元件漏失与错位、倒转、部件立起、浮脚、焊接空穴等。因此， SPT 系统检验PCBA 的机械结构来发现缺陷，可作为传统检验方法的补充。
许多PCBA 制造商采用自动X 射线检验，它是SPT 的基本方法，可以获得广泛的经济效益，其中包括：
最小程度的人工视觉检查
无夹具和快速的原型板测试
使用 SPT 监控并改善焊接制程
藉由早期发现缺陷，可减少返修与故障诊断时间
在节点式测试不可行时替代 ICT
可测试“不可见”焊点 ( 如 BGA 等 )
藉由检验边界焊点，增加PCBA 的可靠性
然而， X 射线检验系统价格昂贵。但从长期收益的角度来看，进行初期投资还是有足够的刺激动力。根据《 EE-Evaluation Engineering 》 1996 年第11 期中的一篇文章介绍，由于行动电话PCBA 上ICT 测试节点的消失， Mitsubishi Consumer Electronics America 在几年前就遇到了测试困难。藉由对几种可选SPT 的评估，他们选择了全自动X 射线检验代替过去的ICT 。采用自动X 射线检验使FT 生产率提高了7% ，与以前的人工视觉检验和FT 相比， Mitsubishi 每年可节约75 万美元。
如果你了解公司产品的故障返修和/ 或保修期维修的数据，你会发现大量的部件故障归因于焊点缺陷。《 PC Magazine 》 1997 年7 期刊登的读者调查表明，有多少读者在购机12 个月内需要将其电脑送回维修，回答有30% 的笔记本电脑和32% 的台式电脑有类似的情况。勿须置疑，这样高的返修率造成大量的保修开支，如果PC 超出了保修期，则会引起客户的不满。
当然，其中有许多PC 的维修只涉及键盘、显示器和其它问题，并不牵涉PCBA 焊点。然而，保守的估计，如果有10% 的维修涉及焊点，那么，在制造过程对这些“失效”焊点的检验将会使产品的故障率下降3 个百分点。如果PC 每年的故障率由30% 下降到27% 甚至更低，那么所节约的保修费用和减少客户的不满将会显示出一个巨大的商机。
加拿大Newbridge Networks 在《 Circuits Assembly 》 1997 年11 期上撰文写道“减小使用故障最有效的措施就是X 射线断层照像机，它可以检验边界焊点的完整性。所谓边界焊点，就是那些具有一定连接能藉由电气测试，但却没有完善的结构，在现场使用中常常出现故障的焊点。它往往会导致昂贵的返修费用，并失去良好的信誉。”