基于飛針測試的航空產品印制板組件測試技術研究與應用

楊志芹

摘? 要：現有的測試設備（AOI和X-ray）很難達到較高的部件測試覆蓋率，且印制板組件（PCBA）測試擁有的設備里目前只有AOI和X-ray，AOI和X-ray只能對PCBA元器件的外觀、物理結構和焊接質量檢測起到一定的作用，但無法檢測元器件的參數特性。該文基于飛針測試儀研究印制板組件測試技術，以飛針測試工藝作為單板的動態測試手段之一，主要檢測開路、短路、連通性、絕緣性、參數偏差和元器件不良等故障模式，提早發現生產過程的問題，降低航空電子產品質量一致性成本，產線通過靜態測試與動態測試結合提升產品質量穩定性。

關鍵詞：印制板組件；飛針；在線測試；測試設備；質量檢測

中圖分類號：V243? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）10-000１-0５

Abstract： It is difficult for the existing test equipment （AOI and X-ray） to achieve high component test coverage， and among the devices owned by PCBA component testing， only AOI and X-ray are available. AOI and X-ray play a certain role in testing the appearance， physical structure and welding quality of PCBA components， but they cannot detect the parameter characteristics of PCBA components. In this paper， the PCBA assembly testing technology is studied based on the flying needle tester， and the flying needle testing technology is used as one of the dynamic testing methods of the veneer， which mainly detects the fault modes such as open circuit， short circuit， connectivity， insulation， parameter deviation and bad components， finds the problems in the production process early， reduces the quality consistency cost of avionics products， and improves the product quality stability through the combination of static test and dynamic test.

Keywords： Printed Circuit Board Assembly; flying needle; on-line test; test equipment; quality inspection

目前對于印制板組件（以下簡稱PCBA）的測試，需要使用萬用表、示波器等測試工具并結合PCBA本身功能需要用到的調試軟件[1]，在PCBA數量較少、測試時間要求不高的情況下，完全可以由測試工程師完成。但如果PCBA 需要實現批量測試，對測試效率、測試時間以及隱性的故障模式就會有很多限制，單靠一對一的人工去完成，很明顯無法達到排除故障的效果和效率，故快速有效的測試技術是保證PCBA質量的前提。目前已投入使用的檢測手段有自動光學檢測（AOI）[2]和X-ray檢測儀是通過金板圖像與被測PCBA對比排除一部分外觀缺陷，但由于是純光學檢測， 一些功能性、元器件失效等問題無法被診斷[3]。因此迫切需要引入一種自動化測試手段排除潛在故障。而飛針測試可滿足這樣的需求，可實現不同類型的PCBA獨立編程，靈活性較高。本論文內容基于SEICA PILOT V8 NEXT飛針測試儀的應用展開印制板組件測試工藝技術研究與應用。

1? 飛針測試簡介

飛針測試儀是對傳統針床在線測試的一種改進[4]，通用有8根測試探針，4根在正面，4根在背面，可測試最小焊盤間距150 μm。探針連接至測量單元，測量單元包括Aclam板、模數轉換板、數字處理板、測量校準板及傳感器等。工作時，被測單元（UUT）固定在軌道，伺服電機控制探針在X、Y、Z 3個方向移動，通過探針接觸被測電路的焊盤、元器件引腳和測試點，對被測單元上的元器件進行檢測。

飛針測試通?？蓹z測開路和短路情況；測量電阻、電容、電感的數值，并將測量值與參考值進行比較，判斷元器件裝配正確與損壞；通過提供電源測試判斷電源逐級輸入輸出的正確性；通過電容效應、二極管效應及寄生三極管效應測試IC芯片引腳焊接質量。

2? 飛針測試技術開發

2.1? 飛針測試程序設計流程

測試程序的編制是飛針測試中非常重要的一環， 優化程序一方面可以提高飛針的測試效率、覆蓋率， 另一方面可以降低虛警率、漏報率。飛針測試程序設計流程如圖1所示，其中，參數文件包含了元器件、網表拓撲結構[5]等信息，是飛針測試的基礎。調試測試則是人工對測量中的一些細節進行微調，決定了測試的效率及精度[6]。

2.2? 飛針測試程序設計

2.2.1? PCBA物理數據確認

首先測量與觀察PCBA物理數據，比如尺寸、厚度、下針深度、安裝方向、元器件布局、引腳間距和下針位置等。其次確認待檢測印制板組件距板邊至少3 mm內無影響夾持的結構件或者元器件，建議保留印制板組件原有的工藝邊。最后，印制板組件不能焊接導線束，確保測試探針正常行走[7]。印制板組件表面要清潔干凈且不允許三防涂覆，確保測試探針與焊盤充分接觸[8]。

2.2.2? 測試文件準備與轉換

飛針測試系統主要需要PCB板的網表文件與BOM文件信息，其中網表文件包含PCB網絡交聯關系與元器件尺寸、位置信息等，BOM文件包括了所有元器件參數、位號、數量和封裝信息等，編程人員需準備好PCB文件。

SEICA PLOTV8 NEXT 運行編程環境VIVA8.0，只能讀取“*.nod，*.par，*.odb++”，無法直接讀取“*.pcb”或“*.pcbdoc”， 而Altium designer繪制PCB文件，文件后綴名是“*.pcbdoc”，需在Altium designer 軟件環境中導出ProtelPCB2.8 ASCII文件，后綴名為“*.pcb”，然后使用VIVA3.0軟件將“*.pcb”轉換成“*.nod”和“*.par”文件，才能使用VIVA8.0進行編程。

2.2.3? PCB下針點設置

對PCB板上所有元器件參考電容C、電阻R、電感L、集成電路U、二極管D、三極管Q、繼電器J順序，根據焊盤的實際情況設置強制下針點。設置規則為由難到易，即先設置接觸穩定性最差的焊盤或測試點，最后設置接觸穩定性最好的焊盤或測試點[9]。一般情況去除測試探針無法下針的位置，主要有以下位置：①有阻焊層的過孔；②通孔元器件焊盤；③BTC底部焊盤元器件（參考IPC—7093《底部端子元器件（BTC）設計和組裝工藝的實施》定義類型，如BGA、QFN、SMD-1等封裝器件）、CAK45系列電容、P6SMB系列二極管；④間距小于0.5 Pitch集成電路；⑤其他特殊封裝器件導致無法落針情況。

設置好下針點之后，可點擊Board Setup，再點擊Coordinates Check and Autolearn進行下針點檢查，確認飛針落針位置，應無扎偏、無錯位、未扎至元器件本體情況。飛針測試下針點設置如圖2所示。

2.2.4? 設置禁飛區

如果一個板子上只有一個元器件比較高，其他的都非常低，為了提高測試效率，可以將元器件高的區域設置禁飛區，另外板厚和抬針高度兩者相加不能超過40 mm。

2.3? 飛針測試程序調試

飛針測試程序調試包括各類元器件參數、節點測試、絕緣測試和充放電測試等二十幾類，下面以主要的幾個方面闡述調試技巧與經驗。

2.3.1? 調試電阻類參數

電阻檢測的關鍵參數有阻值、容差范圍、檢測電壓、檢測采樣率、循環次數和隔離點等，其中阻值選取電阻的標稱值或者多塊合格印制板組件檢測平均值。容差需要根據電阻在電路中的位置和電阻的質量等級綜合考慮，一般選取10%。檢測電壓選取要求小于1 V，一般選取0.3 V，確保電路中元器件在加電信號測試過程中不損傷。檢測采樣率一般選取50%，過高的采樣率會導致檢測中的誤報頻發，影響檢測效率。循環次數一般選擇10次，即每次進行10次檢測，確保檢測成功性的同時還不影響檢測效率。

2.3.2? 調試電容類參數

電容的檢測容差，根據電容的等級和網絡影響進行設定，一般選擇±15%適應大部分情況。電容的檢測延遲時間，一般選擇0 s，但遇到較大容值的鉭電容則設定為1 s，確保鉭電容完成充電過程，檢測值的準確性才能有所保證。檢測電壓，一般設置為0.3 V，最大不能超過1 V，不超過極性電容的反向擊穿電壓，確保檢測電容的安全性。

2.3.3? 集成電路

飛針通過對集成電路引腳關聯的二極管進行測量， 可以間接判斷引腳的焊接質量， 該方法稱為結電壓掃描（junction-scan）。測量原理示意圖如圖3所示。在VIVA中設置AUTIC類型測試，使用無向量技術檢查IC。二極管陽極接在被測單元的參考地（GND），二極管陰極連接在IC被測引腳。如果引腳焊接無誤， 那么該信號通過保護二極管和GND 之間會形成回路， 探針即可檢測到二極管的導通電壓Von， 如果存在虛焊，探針則檢測不到Von。

2.3.4? 節點測試FNODE

FNODE用于測試被測單元與信號相關或相連的網絡的情況，測試原理是使用電偶極子。它由恒定電阻、電容、電感組成，信號端輸入一定頻率的正弦波，另一個引腳連接GND，測量電流的大小及相位，FNODE利用FFT變換進行諧波分析測試。在VIVA中測試框圖如圖4所示，在調試環境中右下角可觀察電流、電壓及波形。

2.3.5? 隔離調試技術

正常情況下，運用基本的電學原理， 即可完成對于LCR 的測量，在實際電路中，電路結構比較復雜，在基本電路原理上還要增加一些輔助方法進行調試。添加隔離點可以有效降低電路復雜度，能夠精確檢測被測元件，隔離調試技術如圖5所示。Rx為目標器件，其右邊的復雜電路會影響Rx的測量，實際測量中，通過將A、B兩點等電勢的方法，對Rx右邊的電路隔離，從而得到Rx的測量值。

3? 可測試性設計

原理圖及PCB原始文件中對元器件命名及電氣參數表示方法要求如下。

①阻容值表示方法應為數值和單位符號，如R1阻值應為10 K，不可記為103；②元器件位號命名方法為電阻類為R字母開頭命名，排阻類為RP，電容類為C，電感類為L，二極管類為D，三晶管類為Q，集成電路類為U，連接器類為J，測試點類為TP等；③PCB電子文件中的元件標識/電氣網絡、數值應與原理圖中保持一致。

電源網絡、地網絡、基準電壓、通訊信號，每面每類網絡應各加2～10個測試點。

電源的變換電路，可以各級輸出端增加測試點，原理如圖6所示。

高于7 mm的元器件會產生陰影區域，一般情況下測試點設置在距高元器件本體距離D以外，D取值范圍為5.5～11.5 mm，計算公式如圖7所示（供設計人員參考計算）。一般高于28 mm的元器件將設置禁飛區，不進行飛針測試，根據其重要性可考慮在相同網絡其他元器件設置測試點。

注：h表示元器件標稱高度；h'表示探針距離元器件頂部的最小高度，一般取3 mm；a表示探針與元器件高度之間的夾角；x表示由于探針投影產生的陰影距離；x'表示探針距離元器件側邊的最小距離，一般取2.5 mm；D表示元器件與“測試點或接觸點”的最小距離（測試點需定義在尺寸D之外），一般建議取5.5～11.5 mm。

4? 飛針測試應用

4.1? 飛針測試判定原則

實際生產中，PCBA的情況比較復雜，選擇飛針測試的PCBA，一是基于復雜度原則（復雜度定義如下）。

復雜度定義（參考）

Ci=（（Cz+Jz）/100）×S×M×D，

式中：Cz為板上元件總數；Jz為焊點總數；S為PCB單雙面系數，單面板S=0.5，雙面板S=1.0；M為器件混合程度，低混合度M=0.5，高混合度M=1.0（制造過程從封裝進行考慮）；D為單板焊點密度，D=Jz/（L×W），L為單板長度，W為單板寬度測試過程從程序難度考慮。

低復雜度L：Ci<50。中等復雜度M：50≤Ci<125。高復雜度H：Ci≥125。

二是基于工藝流程確定了飛針測試判定基本原則：①清洗后，不能三防涂覆；②分板后需留有4 mm，否則不可分板；③帶冷板的PCBA可分板可鉚接扳手但不能安裝鎖緊機構；④冷板粘貼不能擋住Mark點和測試點了，Mark點設計位置不能太靠近扳手之類的機械零件；⑤不能焊接導線；⑥引腳間距小于0.5 mm和大型器件如電源模塊、浪涌抑制器等通孔器件需要引出測點；⑦焊接面的條碼、標簽、絲印及扳手等不要擋住測試點。

4.2? 驗證程序

飛針測試程序的可行性、有效性和魯棒性，可以從覆蓋率、故障檢出情況（虛警率、漏報率）、可重復性幾個維度考量，本文因篇幅有限，以故障檢出情況探究飛針測試的應用價值。

為了驗證飛針測試程序的故障檢出情況，選取某產品PCBA用于驗證（如圖8所示），數量28塊，包括IC、阻容類、二級管、三極管等類型，抽取其中5塊PCBA設置相同故障（序列號：0001、0008、0013、0014、0056），人為故障類型設置如下：①C2和C16調換；②R39和R57調換；③DD12二極管極性錯；④U6的1#和2#腳短路；⑤Rw1和R41對調。

最終程序調試好之后，測試5塊PCBA的5種故障類型分別保留測試報告，其中1份報告如圖9所示。

驗證結論：在某產品上運用飛針測試程序設計的方法，設置故障除DD12外其他故障現象都能檢測出，其中DD12為P6SMB6.8CA雙向TVS管，故無法檢測為故障。

5? 結論

本文以公司現有PILOT V8 NEXT飛針測試儀為研究對象，通過論述飛針測試原理，飛針測試技術以及可測試性設計，在某產品PCBA驗證飛針測試程序的有效性、可行性和魯棒性?？偨Y了應用中的編程、調試經驗，提煉出開展飛針測試的工藝流程判定及可測試性設計的要求，以便工藝人員、編程人員、設計人員應用飛針測試技術提供借鑒。通過大量PCBA測試證明，飛針測試技術可檢測出大部分的器件焊接、LCR 故障， 大大提高了后級工序的生產效率，排除了部分潛在故障， 提高了PCBA的質量。

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