为新制定PCB设计测试程序

2020-12-29

当今的电子产品具有许多关键的性能特征。它们以高频率运行，移动大量数据，并且比以往任何时候都更快。这给产品开发人员带来巨大的压力，以确保他们的设计能够检查所有零件，作为原型以及在批量生产中使用，并满足关键的成本和产品交付要求。

考虑到所有这些参数，在制造新设计之前开发PCB测试程序是明智的技术和商业决策。可以在向板上装载组件之前使用PCB上的测试结构，这将有助于确保板能够按照规定和制造的方式运行。

PCB中的测试结构

推动在板上构建测试结构的因素基于以下几点：

假设来自制造商的电路板是“好”的，只是因为制造商表示它们是“好”的。

即使您与信誉良好的制造商打交道，在制造过程中也有可能出现问题的地方，例如：

图层顺序错误（有关更多信息，请参见下文）。

阻抗不正确。

使用了错误的层压板，或者制造商以“省钱”为幌子，用替换的层压板替换了您指定的层压板。

层压板中的玻璃编织是错误的，从而导致倾斜。

对于具有真正高数据速率的产品，这是一个巨大的问题。

直到组装过程，偏斜问题才会变得明显。

如上所述，必须通过使用板边缘上的堆叠条纹来验证板中的层堆叠。这似乎是一个简单的问题或平凡的做法，但是如果不这样做，可能会导致可怕的后果。如果电路板层混乱，则无法轻松修复，并且可能会产生大量成本和进度问题，因为唯一的选择就是报废电路板并重新开始。

图1描绘了堆栈条测试结构。以这种方式绘制结构中使用的铜条，以便从面板上切割PCB时，肉眼可见。每层中的条带比上面的条长。通过简单地看到阶梯进入PCB的每一层的时间越长，就可以确定所有层的顺序正确。

在设计和制造过程中有很多地方，层的顺序可能会被错误处理。一种是准备用于蚀刻PCB层的照相工具和模版。在层压过程中层叠各个层时，可能会发生其他情况。显然，电路板上的层数越多，堆叠条纹测试结构就越重要。

图2显示了通过使用测试结构检测到的故障的示例。第11层应位于第22层。两者都是动力飞机。错位层用堆叠条纹表示，在板的侧面可见。

图2. PCB的层数顺序错误。

在这种情况下，所有阻抗都是正确的，因为交换的层包含电源和接地层。我们在测试结构中发现的其他故障包括组装，其中在物料清单上标出了不正确的旁路电容器。堆叠条纹也可用于检测不正确的阻抗值。

图3展示了一组实际的堆叠条纹的放大视图，其中可以看到每个介电层中的玻璃纤维，铜的厚度和5密耳的迹线从PCB伸出。

图3.堆叠条纹的放大图。

PCB测试程序

与任何过程一样，在向PCB加载组件之前，需要在PCB上采取特定步骤。该PCB测试程序超出了在线测试范围。这些步骤包括：

拿起叠图，并在计算出的阻抗旁边记录每个信号层的实际阻抗。（确保使用125-175 pSec的边缘进行测量。）

抛光堆叠条纹以确保其清晰。接下来，要保护它们，它们应该用透明的漆覆盖。

确保每一层的条纹都比上面的条纹长。

使用带刻度的显微镜，测量每个介电层的厚度，并将此信息记录在堆叠图中。

测量并记录每个铜层的厚度。

测量每个堆叠条旁边的走线宽度并进行记录。

使用普通的电容表，测量每个电源电压的平面电容，并将该信息与计算得出的信息进行比较。

使用网络分析仪或带有跟踪信号发生器的频谱分析仪，可以扫描每个电源电压的阻抗与频率的关系。然后，应将每个扫描的示波器图像相互比较。（执行此操作的方法在本文结尾的参考1，第2卷中进行了说明。）

应当对收到的每一批新PCB执行上述步骤1-7，并应检查每块PCB以验证堆叠条纹的顺序正确，如上面的步骤3所述。

如果上述测量值在规格范围内，则下一个任务涉及验证旁路电容器组是否为每个电源电压产生了适当的阻抗与频率响应。这是通过发送一个PCB使其仅加载旁路电容器，然后执行以下测试来完成的：

如上面的步骤8所述，扫描每个电源电压的阻抗与频率的关系，并将该信息与预测阻抗与频率的关系进行比较。如果达到了阻抗目标，则可以将PCB发送出去进行最终组装。如果存在“阻抗孔”，则必须重新计算消除这些孔所需的电容器数量。

如果需要，执行高压锅测试。

列出每个电压使用的旁路电容器，其参数如表1所示。

表1.电路板上每个电压使用的旁路电容器列表。

在前述之后，执行以下测试以检查在最坏情况下的IC封装和电源的性能。

使用适当的软件代码，使所有处理器以操作中发生的最慢和最快的速度从待机模式进入活动模式。必须监控处理器内核的Vdd并记录最坏情况的纹波。结果示波器图像应保留。验证PDN上测得的纹波是否在设计规格之内也很重要。

使用适当的软件代码，使最宽的数据总线首先从全0切换到全1，然后再从全1切换到全0。保留示波器图像，并根据设计规范验证纹波。

使用上面第2步中使用的相同代码，通过将示波器连接到安静的输出端来测量Vcc和接地反弹非常重要，该安静的输出端与要交换的数据总线在IC封装内共享相同的电源轨。在这里，示波器图像也应保留，并且Vcc和接地反弹应验证为在设计规范的要求之内。

背板的特殊测试

通常，背板除了原始直流电压（例如48 V）外没有电源。但是，它们很可能在选定的线路上具有特殊的平面电容器来控制EMI。用于背板的测试步骤包括：如上所述，对裸露的PCB进行步骤1-6。

测量每个具有嵌入式电容器的信号的值。这是通过普通电容表完成的，并将结果与设计目标进行了比较。

根据需要执行高压锅测试。

其他特殊测试

不同长度的测试迹线：在某些PCB上，同一层中可能有两条不同长度的测试迹线。通过测量时间差并将其除以长度差，可将每个时间延迟的测量值用于计算速度。这使得能够计算该层的有效介电常数。

直流电压降：在电流非常大的PCB上，建议使用万用表并从调节器的端子到最远的负载运行电压降曲线，以确保直流电压降在极限范围内。当今的许多设计都无法承受很大的电压跌落。由于开始时没有太多余量，因此在超出限制之前不必有很大的差异。