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SMT板级电路组装组合测试策略:
本文分析了SMT板级电路的特点，剖析其内在的各类的缺陷类型及所需的检测方法，指出各种检测方法的缺陷检查覆盖面的不足，讨论了几种目前世界上最常用的几类检测备的能力，最终提出SMT板级电路生产全生命周期的测试策略及其相对应的测试选择考虑。
关键词：表面贴装技术；板级电路；边界扫描
当今世界上在印制电路板方面产生了许多高水平的测试策略，本文围绕整个产品的生命周期，考虑了产品制造的每个过程所实施的主要测试策略的优点与缺点，上市时间、批量生产时间和能获得利润时间，以及怎样改变测试策略以适应产品在生命周期不同阶段的特征，一殷而言，大多数情况下，采取组合综合测试策略是正确的，但不同测试策略对不同的产品所处阶段是最优的。

1 SMT的板级电路现状
现在的PCB在双面有SMC时是非常复杂的，常常有细导线图形和超距细间距IC(引脚中心间距为20mil即0.5mm)，同时器件封装技术也日趋先进，外形趋向于裸芯片大小，BGA已经非常普遍了，CSP和倒装片技术也有所应用，分文元件也向0402发展，而且PCB设计工程师为了追求高频率，往往不设置测试焊盘，以免影响板子的特性，射频模块的安装在回流焊之前，使得在该模块之下的某些元器件不能进行光学检查，除此以外还有：
l 电接触能力受限（Limited Electrical Access)
ICT大多基于针床夹具以得到每一个电气接点,发现制造缺陷，然而超细间距器件、双面SMT组装板和射频特性模块的应用，使得电气接触不可能达到100%，对一些板子类型，如蜂窝电话电路板，其可接触性仅为50％，又如对于0402的元件，其测试焊盘和过孔的尺寸设计将会大于元件本身，从而可以理解今后的PCB上不可能100%的进行电接触性测试。
l 光学检查受限制(Limited Visual Access)
同样由于超细间距器件的应用，光学检查也受很大程度的限制，BGA下的焊点，CSP和倒装片不能进行人工光学检查或自动光学检查(AOI)，RF模块下的器件或焊点同样不能实施光学检查。
l 焊点数量多（Hihg Solder-Joint Count)
应用小形封装器件、数量多，造成板子上的焊点和电气连接点的增加，同时牵扯着两个重要的因素，一是适应多焊点板子的测试设各所用的测试针床越来越昂贵，例如一个6000结点的针床夹具要花费5000美元：二是具有多的焊点和器件的板子，没有任何缺陷简直不可能，举个例子，某PCB有15000个焊点，若要达到一般的缺陷率达100PPM水平，PCB的通过率将只为22％，从另一个角度而言，几乎每块板子都需要进行修复和重新测试。

2 SMT板级电路组装工艺及其测试方法
典型的制造工艺过程简单地说：①在板子上应该有的地方正确地涂覆焊膏；②正确地放置元器件；②产生好的焊点。在上述所说的三个阶段都可能产生缺陷，正确理解缺陷、缺陷分布和缺陷等级是选择最合适测试策略所必需的。先进的测试策略应该能够适应高速度的表面安装生产线，每个测试策略都应针对可能产生的缺陷类型而设计，大致可以分为结构工艺测试(SPT－structural process test)和电气测试(EPT-electrigal test)。
结构工艺测试主要用于检查PCB上的焊点结构，不需在PCB上加电，也没需要针床夹具等，可进行检查的典型缺陷：元器件丢失、短路、开路、焊膏不足和元器件排列错误。属于该类型的有：
l 人工光学检查（Manual Visual Inspection)
虽然该方法日益感到在先进工艺采用时困难性增大，但仍是当今进行SPT的主流方法，具有投入极少，不需进行测试程序开发，但速度慢、主观性强和需要直观目视被检区域，在高技术性PCB应用的今天，最突出的困难是隐藏焊点的检查，由于人眼力所限，该种方法的实施是非常乏味的。人工目检对于发现丢失元器件是非常有效的，但也不可能100％有效，如经常有的情况是同一块板子可以作为不同品种的产品，对入而言分辨什么类型的板子采用什么样的元器件是很困难的，同时人工目检也不适应高速表面安装生产线，如果要进行细心的检查，则只有很少的板子能被检查到，而要安排大量的检查人员和检查工位。
l 激光检查系统
一般直接用于焊膏涂布后进行排除开路、焊膏不足和短路等缺陷，不能进行焊后产生
的缺陷检查。该类型的检查系统可以跟上高速表面安装生产线节奏。
l 自动光学检查（AOI）
采用电视摄像机和特殊的光源技术，检查元器件放置缺陷，如丢失、位置和基本焊点缺陷等，但用于重要的焊点缺陷检查常常不甚满意，会造成一些虚假的成份在其中。AOI对单面PCB很方便，但对双面PCB需要重新装载，连线的话则需要两台AOI进行全部的光学检查，AOI可以适应高速表面安装生产线的节奏。
l 两维自动X光检查（AXI）
该系统主要对于单面PCB上的焊点分析较适合，对于双面PCB同时仅能进行单面检查和分析焊点。
l 三维自动X光检查系统
同时检查双面PCB焊点情况，特别对于元器件和服模块下的焊点很有效，基本上可以检查所有的焊点类型，但不能检查元器件放置的正确性(位置或方向)，高水平的AXI具有出色的、高的缺陷覆盖率，同时也能适应高速SMT生产线节奏。
电气检测检查不同元器件的电气特征、各类相关的焊点缺陷等，这些缺陷包括元器件丢失、短路、开路、元器件放错和元器件失效。
l 飞
该类系统属于没有针床夹具的制造故障分析设备(MDA)，多用于原型板测试，但测试速度不足与中速SMT生产线匹配。
l MDA
采用针床结构，主要用于检查开路故障缺陷，可以检测模拟元器件特性，一些类型的MDA可以测试IC引脚开路问题。该类型设备几年前很流行，但最近对于高复杂板子而言己很少应用了，MDA大多速度可以适应高速SMT生产线。
l 在线测试（ICT）
对于电气故障缺陷有非常良好的能力，可达覆盖率90％一95％，不适应于并联电源和地的引脚或旁路电容的开路现象。ICT若要具有较高的故障缺陷覆盖率，原则上要求板子上的每一个结点有电气连接，这一点与今天日益增加焊点的复杂PCB相背，也有些ICT对这个情况也提出了一些解决的办法，速度上可以适应调整SMT生产线。
l 边界扫描（Boundary-Scan,IEEE 1149.1)
该技术主要源自于面向测试设计和焊点可接触性越趋困难的解决办法，用于ICT时在焊点可接触性不足的条件下可以大大提高测试覆盖率，但对于非应用该技术的元器件无能为力。

3 SMT板级电路全生命周期分析
组合测试策略要取得良好的效果，需要基于实际的、特定的缺陷覆盖范围和缺陷等级，没有任何一种测试策略可以单独覆盖所有缺陷频谱，对不同数量的板子和上述缺陷内容分析理解是选择正确测试方法的关键，另一个因素是所测试板所处在产品生产生命周期中的哪一个环节，没有一个可以适应所有生命周期的环节的完备的测试策略。产品生产周期的完整描述如下：
l 上市阶段(time to market)，这方面当然是越早越好，该阶段的主要任务是在原型板中找出可能产生的缺陷，方便R&D工程师更改设计方案和避免在发现缺陷的问题上消费时间。 SPT通常是最有利于该方面的工作，因为不需要针床夹具等特殊工具，测试程序开发也明显快于电气测试，飞针设备是该阶段进行EPT的变通方法。
l 批量生产阶段(time to volume)：该阶段需要解决一些复杂问题，诸如性能特色、生产工艺、测试方法、生产节拍和生产率，可靠的包装运输方式，好的缺陷故障覆盖率和分析解决方案是必需的。适合的SPT和EPT都要用到，这点可能是AOI或AXI，后面跟着ICT和功能测试。
l 利润产生阶段(time?to?profits)，要求有高的生产率，单位消耗应该最低，关键是降低成本，包括测试成本，同时保证质量，对于测试方面而言要对缺陷分布有详细的分析，具有好的故障缺陷覆盖率的测试要保留，同时边缘或覆盖率低的的测试要去掉。

4 组合测试策略
SMT的生产可大致分为三个阶段：产品原型制造、试生产、批量生产，这几个阶段对检测要求不尽相同。下面从保证产品制造质量角度和考虑一定的经济承受能力，结合前述测试技术及设备进行介绍分析。
4．1产品原型制造
新产品原型(Prototype)的检测一般结合工艺参数调整、时间性、经济性、可靠性进行规划，其检测步骤构想如下：
l 焊膏涂覆效果检查：利用激光焊膏检查仪对全部或关键焊膏涂覆点(如细间距、超细间距器件QFP)进行检测，并提取、记录焊膏参数值。
l 人工辅助光学检查：对于关键器件贴装质量使用光学放大镜、显微镜进行目检，保障原型组装板焊接前质量符合工艺设计要求：
l 飞针式在线检测：由于原型产品生产数量有限，时间要求紧，而飞针式在线检测仪不用制作针床、夹具，省去了这个环节的工作和时间，可直接从CAD系统接受PCB设计数据自动生成相应的检测程序，最适宜进行组装焊接后检查工作。
l 功能测试：进行以上步骤工作后，这步主要是验证产品设计指标并加以调试，可以发现元器件失效、电原理设计合理性等问题。
一般原型产品生产检测各环节如图l所示。
对于有BGA、flip－chip封装器件产品的原型生产，还应能力允许条件下在飞针检测前面再利用X光检测仪对该类型器件的焊点或关键焊点进行检测，以保证焊点内在质量。
4．2试生产
试生产的主要目的是验证工艺参数稳定性，原型产品生产的检测完全适用于试生产阶段。基本检测手段如下：
l 焊膏涂覆监测：
l 人工辅助光学检查；
l 飞针式在线检测；
l 功能测试；
4．3　批量生产
批量生产可分为大、中、小三类，在数量概念上没有确切的规定，以下为与此三种类型生产相匹配的检测策略。
l 大批量生产
SMT最适合于大批量的生产，在一定程度上可以承受相当损失(如不可修复等)，是最经济、最合算的生产模式，在完成组装生产所有准备条件后，完全可以考虑用较高级的自动检测设备代替人工检测工作，保证产品组装质量受到严格监测，提高生产线和检测效率，增加投资回报率。在此以最复杂类型(含有各种可能的先进封装器件)产品批量生产为主要研究对象，相应的检测策略如图2所示。若没有类似BGA、flip－chip封装器件组装的产品生产，AOI的应用完成可以取代图2中的X光检测降低生产及检测成本。
对于组装产品工艺要求焊膏印刷质量严格控制情况下，还应在X光自动检测前面设置自动激光焊膏检查仪TriScan，对每块PCB焊膏印刷情况进行检查，以保证丝印机印刷效果的一致性，保障印刷工艺参数随时根据情况进行调整。
l 中、小批量生产
随着电子产品生命周期缩短，新产品从推出到更新非常快，而某些类型的产品数量不能保持稳定很高，这两种类型的SMT生产模式这两年来越来越多，许多OEM(Original Equipment Manufacturing,原设备制造)、合同制造厂商也进行了针对性的研究，提出很多生产组织的见解。同时涉及生产制造的中间软件商也推出许多配合柔性制造(FMS)的调度、分析、监测、统计软件，代表性的有Mitron、FABmaster、UNICAM、F4G等，大大提高了中、小批量生产的转换效率。
配合中、小批量生产成本相对较高，应考虑一定的经济承受能力，相应的检测方案从可靠性、可信度、质量、经济性角度出发，针对一般元器件组装产品和先进封装器件组装产品两大类分别进行考虑。
①一般元器件组装产品：最复杂器件为细间距、超细间距QFP等。
②先进封装器件组装产品：包括BGA、flip－chip等表面看不到焊点、平均焊点密度很高，有无测试点设置电路存在。

5 结论
对于高质量要求的产品，考虑所有可能的缺陷故障是重要的，要周全，特别是一些非电气因素的缺陷，针对产品所处生命周期的不同阶段、缺陷分类和分布频谱等，选择合适的、正确的组合测试策略，几乎在所有情形下，组合测试策略对于要求有效投入、大批量生产过程?准时生产、高质量要求产品是必须的。

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