用于制造验证的电路板测试

2021-11-04

用于制造验证的电路板测试

电路板测试通常会让人想起技术人员手持探头和示波器检查和调试组装板的图像。这些技术人员的工作是测试电路板的功能并寻找需要纠正的设计问题或需要增强的电路性能。虽然这种测试方法是电子开发周期的重要组成部分，但它并不是电路板将要经历的唯一验证过程。 

电路板的大规模生产需要结合自动化和手动元件组装过程。这些过程将部件放置在板上，然后将它们焊接到位。验证这些组装过程的工作落在自动电路板测试系统上，该系统确认电路板是否已正确制造。让我们更深入地了解自动化测试，以及电路板布局设计人员需要做什么才能最好地适应这种测试。

自动化电路板组装：需要测试什么

组装印刷电路板可使用三种不同的自动化工艺：波峰焊、回流焊和选择性焊接。

波峰焊

主要用于通孔元件，电路板通过一波熔化的焊料，该焊料通过电路板的孔和插入的引脚周围形成焊点。波峰焊也可用于一些表面贴装元件，但通常这些部件必须与波峰隔离。

回流焊

主要用于表面贴装元件，零件通过由金属焊料颗粒和具有粘性的助焊剂组成的焊膏“粘合”到板的金属焊盘上。一旦所有组件就位，电路板就会通过烤箱并加热，直到焊膏熔化或回流，在零件和电路板之间形成焊点。

选择性焊接

该系统使用通过喷嘴从储罐中泵出的熔融焊料将焊料直接沉积在指定位置。尽管比其他两个系统慢，选择性焊接可以实现波峰焊困难的通孔引脚的自动化组装。

虽然今天没有这些自动化组装过程就无法制造现代电子产品，但总是有可能出现焊接问题。为了发现这些错误，使用自动化测试来检测每个组件引脚是否正确焊接到板上相应的引脚或孔中。以下是在自动化PCB组装过程中可能发生的一些焊接问题：

焊锡短路：由于当今使用的电子元件引脚数较多且引脚间距较小，因此两个或多个引脚之间的焊料桥接的可能性增加。这种情况将导致桥接引脚之间的电气短路。

凹陷的焊点：通孔有时无法保留通过孔吸上来的焊料，然后才能形成良好的焊点。在这种情况下，焊点很容易被破坏或根本不存在。

焊料不足：当元件没有为波峰焊进行最佳放置时，较大的部件有时会阻止它们后面的较小部件获得足够的焊料以实现良好的连接。

不完整的连接：未针对回流焊优化的电路板有时会抑制烤箱中适当的气流，从而阻止某些连接获得足够的热量以形成良好的焊点。

为了发现这些焊点问题，制造商依赖于自动化PCB测试系统。接下来，我们将了解这些系统是什么以及它们是如何使用的。 

PCB CAD系统中标记的测试点位置

自动电路板测试系统的类型

检查电路板的方法有很多种，从技术人员使用各种诊断工具进行的手动测试到不同的自动测试系统。此外，还有用于视觉验证PCB组装的不同检查工具。这些工具包括 X 射线设备和自动光学检测 (AOI) 系统。但是我们关注的自动化测试系统涉及探测板上的指定点以验证焊接连接，这可以分为两种主要类型：在线测试和飞针系统。

在线测试

通常称为 ICT 的在线测试系统使用独特的夹具和精确放置的探针和相关的测试程序来测试开发的每块电路板。夹具的探针将接触板上的每个测试点，允许系统非常快速地同时测试板上的所有连接。尽管大多数电路板是从底部进行测试，但一些 ICT 系统会同时测试电路板的两面。测试夹具旨在将电路板拉到带有真空密封的弹簧加载探针上，以确保探针与电路板上相应测试点的电气连接。

ICT 固定装置的开发和构建既昂贵又耗时，并且难以修改以匹配PCB设计中的增强或修改。出于这个原因，ICT系统通常用于大规模生产经过验证的设计，以快速测试大量电路板。除了组装验证任务外，ICT系统还可用于电路板的某些功能测试。

飞针系统

这些测试系统使用探针来测试ICT系统使用的电路板上的相同测试点。然而，不同之处在于飞针系统不使用昂贵的测试夹具。相反，它会在电路板上移动一些探针来依次测试每个网络。

每个测试点的单独测试导致飞针系统比ICT慢得多，并且没有多个同时连接，它无法进行功能测试。然而，飞针测试的亮点在于设置和费用，这是最小的。不仅电路板可以快速准备好进行测试，而且对PCB设计的任何更改都可以轻松地重新编程到系统中。这使得飞针测试系统非常适合在开发过程中经历多次设计变更和交互的电路板原型生产。飞针测试对于 ICT 无法容纳的电路板或更大电路板的有限生产运行也很有用。

既然我们已经讨论了用于验证PCB组装的测试系统类型，现在是时候将我们的注意力转移到用于此测试的电路板设计要求上。

在Cadence Allegro中设置可用于测试点的焊盘

为自动测试准备电路板布局

我们一直在谈论自动化测试系统的探针接触板上每个电路的位置，这些接触位置称为测试点。需要明确的是，测试点与实际探测点不同，实际探测点是技术人员可以轻松访问的位置，以探测电路板的关键网络。探针点通常用它们的网标记，例如“GROUND”，并且通常焊接有接线柱供技术人员的测试线夹在上面。

另一方面，测试点是电路板上暴露的金属区域，周围有足够的间隙供测试系统的探针接触。如果板上有通孔部件，通孔引脚通常是测试点的首选。否则，可以将现有通孔标记为测试点，或者可以根据需要添加新金属焊盘并标记为测试点。在上图中，您可以看到一些可用于典型 PCB CAD系统中测试点的焊盘组选择。测试点焊盘通常是圆形的，但设计人员有时会使用方形形状，以便在成品PCB上更容易找到它们。许多不同类型的探针可用于自动测试，包括锥形、扁平、球形或其他类型，具体取决于测试点是金属焊盘、通孔还是通孔引脚。

在将通孔或过孔标记为测试点或添加测试点焊盘时，PCB布局工程师需要牢记一些设计规则：

网格：一些制造商更喜欢测试点在网格上，因此在开始电路板布局之前，请与您的组装商核对。

间距：这将根据您的制造商而变化，但测试点之间的间距为75密耳是一个很好的值。但是，安全的赌注是先检查。

间隙：这些也随着制造电路板的人员而变化，但制造商通常需要50密耳的组件和焊盘间隙，以及电路板边缘100 密耳的间隙，以实现良好的真空压降。

板面：很多厂商可以同时测试板的两面，但一定要先检查。

覆盖范围：对于完整的测试覆盖范围，设计的每个网络都需要有一个测试点。

一旦测试点完全安装在印刷电路板布局上，您就可以创建制造商构建测试夹具或对系统进行编程所需的测试点文件。该数据通常包含一个XY位置文件，其中包含电路板上的每个测试点及其分配到的网络以及设计的完整网表。通常，可以从您正在使用的PCB CAD系统中自动提取这些数据，以及我们接下来将探讨的许多其他有用的测试点功能。

可以在Cadence的Allegro PCB编辑器中设置的一些测试点参数

让您的PCB设计工具发挥作用

在开始向设计添加测试点之前，CAD系统将具有多个可以设置的参数。这些将包括诸如指定测试点网格（如果需要）、选择可以标记为测试点的设计元素以及可以考虑将哪些焊盘堆栈转换为测试点位置等项目。您还可以设置将用于表示测试点标识参考的文本（同样，仅当您需要它们时），以及与其他设计对象的唯一测试点间隙。您可以在Cadence的Allegro PCB编辑器的自动测试准备选项中看到其中一些选项，如上所示。

设置好参数后，您可以开始标记测试点位置。通常，这是自动完成的，但您也可以手动选择将标记为测试点的设计元素。电路板测试完成后，您可以以制造商要求的文件格式导出测试点设计数据。