電路板PCB測試性技術(shù)發(fā)展之路

　　功能測試技術(shù)的復興是表面貼裝器件和電路板小型化的必然結果。任何系統一旦小到難于探測基內部，所剩下原就只有一些和系統外界打交道的輸入輸出通道了，而這正是功能測試的用武之地。

　　這一情況，和三四十年以前，功能測試發(fā)展的早期一模一樣。然而和過(guò)去不同的是，今天功能測試儀器的國際標準(如PXI、VXI等)已漸趨成熟，標準儀器模塊和虛擬儀器軟件技術(shù)已經(jīng)普遍使用，這大大增加了未來(lái)功能測試儀器的通用性和靈活性，并有助于降低成本。同時(shí)，電路板可測試性設計成果、甚至超大規�；旌霞�成電路的可測試性設計成果都可能被移植到功能測試技術(shù)中去。利用邊界掃描技術(shù)的標準接口和相應的可測試性設計，功能測試儀和在線(xiàn)測試設備一樣可以用來(lái)對系統進(jìn)行在線(xiàn)編程。無(wú)疑，未來(lái)的功能測試儀將告訴我們比“合格或不合格”這樣的判語(yǔ)多得多的信息。

　　表面貼裝器件和電路一直處于無(wú)休止的小型化進(jìn)程中，并無(wú)情地驅使一些相關(guān)測試技術(shù)的淘汰和演變。在電子產(chǎn)品小型化的進(jìn)化壓力之下，技術(shù)也像物種一樣，遵循著(zhù)“適者生存”的簡(jiǎn)單法則。留心看看測試技術(shù)的發(fā)展之路，可以幫助我們預測未來(lái)。

　　自從表面貼裝技術(shù)(SMT)開(kāi)始逐漸取代插孔式安裝技術(shù)以來(lái)，電路板上安裝的器件變得越來(lái)越小，而板上單位面積所包含的功能則越來(lái)越強大。

　　就無(wú)源表面貼裝器件來(lái)說(shuō)，十年前鋪天蓋地被大量使用的0805器件，今天的使用量只占同類(lèi)器件總數的大約10%;而0603器件的用量也已在四年前就開(kāi)始走下坡路，取而代之的是0402器件。目前，更加細小的0201器件則顯得風(fēng)頭日盛。從0805轉向0603大約經(jīng)歷了十年時(shí)間。無(wú)疑，我們正處在一個(gè)加速小型化的年代。再來(lái)看表面貼裝的集成電路。從十年前占主導地位的四方扁平封裝(QFP)到今天的芯片倒裝(FC)技術(shù)，其間涌現出五花八門(mén)的封裝形式，諸如薄型小引腳封裝(TSOP)、球型陣列封裝(BGA)、微小球型陣列封裝(μBGA)、芯片尺度封裝(CSP)等�？v觀(guān)芯片封裝技術(shù)的演變，其主要特征是器件的表面積和高度顯著(zhù)減小，而器件的引腳密度則急聚增加。以同等邏輯功能復雜性的芯片來(lái)講，倒裝器件所占面積只有原來(lái)四方扁平封裝器件所占面積的九分之一，而高度大約只有原來(lái)的五分之一。

　　微型封裝元件和高密度PCB帶來(lái)測試新挑戰

　　表面貼裝器件尺寸的不斷縮小和隨之而來(lái)的高密度電路安裝，對測試帶來(lái)了極大的挑戰。傳統的人工目檢即使對于中等復雜程度的電路板(如300個(gè)器件、3500個(gè)節點(diǎn)的單面板)也顯得無(wú)法適從。曾經(jīng)有人進(jìn)行過(guò)這樣的試驗，讓四位經(jīng)驗豐富的檢驗員對同一塊板子的焊點(diǎn)質(zhì)量分別作四次檢驗。結果是，第一位檢驗員查出了其中百分之四十四的缺陷，第二位檢驗員和第一位的結果有百分之二十八的一致性，第三位檢驗員和前二位有百分之十二的一致性，而第四位檢驗員和前三位只有百分之六的一致性。這一試驗暴露了人工目檢的主觀(guān)性，對于高度復雜的表面貼裝電路板，人工目檢既不可靠也不經(jīng)濟。而對采用微小球型陣無(wú)封裝、芯片尺度封裝和倒裝芯片的表面貼裝電路板，人工目檢實(shí)際上是不可能的。

　　不僅如此，由于表面貼裝器件引腳間距的減小和引腳密度的增大，針床式在線(xiàn)測試也面臨著(zhù)“無(wú)立錐之地”的困境。據北美電子制造規劃組織預計，在2003年后利用在線(xiàn)測試對高密度封裝的表面貼裝電路板檢測將無(wú)法達到滿(mǎn)意的測試覆蓋率。以1998年100%的測試覆蓋率為基準，估計在2003年后這測試覆蓋率將不足50%，而到2009年后，測試覆蓋率將不足10%。至于在線(xiàn)測試技術(shù)還存在的背面電流驅動(dòng)、測試夾具費用和可靠性等問(wèn)題的困擾，已無(wú)需再更多考慮僅僅因為未來(lái)不足10%的測試覆蓋率，就已經(jīng)注定了這一技術(shù)在今后的命運。

　　那么，在人類(lèi)目力無(wú)法勝任，機器探針也無(wú)處觸及的情況下我們能否把電路板交給最后的功能測試?我們能否忍受好幾分鐘的測試卻只知道電路板是發(fā)了是壞，卻不知道這“黑箱”里究竟發(fā)生了什么?

　　光學(xué)檢測技術(shù)帶來(lái)測試新體驗技術(shù)的發(fā)展絕不會(huì )因為上述困難就停滯不前，測試檢驗設備制造商推出了像自動(dòng)光學(xué)檢驗設備和X-射線(xiàn)檢驗設備這樣的產(chǎn)品來(lái)應對挑戰。

　　事實(shí)上，這兩種設備在被大量用于電路板制造工業(yè)以前，就已經(jīng)在半導體芯片制造封裝過(guò)程中得到了廣泛的應用。不過(guò)，它們還需要進(jìn)一步的創(chuàng )新才能真正應對由表面貼裝器件小型化和高密度電路板帶來(lái)的測試困難。

　　與此同時(shí)，業(yè)界主要的在線(xiàn)測試和功能測試設備廠(chǎng)商已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)發(fā)展的趨勢。他們采取的對策是通過(guò)并購相對較小的自動(dòng)光學(xué)檢驗設備和X-射線(xiàn)檢驗設備廠(chǎng)商，來(lái)使自己迅速掌握相關(guān)的技術(shù)并很快地切入市場(chǎng)。

　　無(wú)論是自動(dòng)光學(xué)檢驗技術(shù)還是自動(dòng)X(jué)-射線(xiàn)檢驗技術(shù)，盡管它們可以幫助完成人工目檢難以勝任的工作，其可靠性還不完全令人滿(mǎn)意。這些技術(shù)都高度依賴(lài)計算機圖像處理技術(shù)，如果原始的光學(xué)圖像或X-射線(xiàn)圖像提供的信息不足，又或者圖像處理算法不夠有效，就可能導致誤判。所幸的是，工程師在光學(xué)和X-射線(xiàn)技術(shù)應用方面已經(jīng)積累了相當豐富的經(jīng)驗，所以在未來(lái)幾年里，預計高分辨率電路板光學(xué)圖像和真三維X-射線(xiàn)圖像生成方面的技術(shù)還將有所進(jìn)展。

　　另外，今天相對廉價(jià)的存儲和計算技術(shù)，使得處理大容量圖像信息成為可能。這一領(lǐng)域亟待創(chuàng )新的是圖像處理的算法，以及將最基本的圖像增強有力和模式識別技術(shù)懷專(zhuān)家系統相結合。這些專(zhuān)家系統以電路板的計算機畏助設計和制造數據(CAD-CAM)為基礎，結合生產(chǎn)線(xiàn)上的經(jīng)驗數據，可以進(jìn)行自我學(xué)習，并自我完善檢驗判別的算法。這一領(lǐng)域的另一個(gè)可能的發(fā)展方向是拓展使用光譜的范圍，目前業(yè)界已經(jīng)開(kāi)始嘗試對板子在加電的情況下，捕捉并分析電路板的紅外圖像。通過(guò)將紅外圖像和標準圖象進(jìn)行比較，找出“過(guò)熱”或“過(guò)冷”的點(diǎn)，從而反映出板子的制造缺陷。

　　在線(xiàn)測試已是強弩之末

　　對在線(xiàn)測試技術(shù)來(lái)說(shuō)，制造商和業(yè)界正在努力尋求這樣一個(gè)目標：通過(guò)盡可能多的電路板電性能缺陷信息。

　　主要有三方面的工作正圍繞這一目標展開(kāi)：

　　第一是加強電路板可測試性設計的研究和實(shí)施應用，包括利用已成為工業(yè)標準的邊界掃描技術(shù)(數字器件：IEEE1149.1;混合器件：IEEE1149.4)和其它內建測試技術(shù)。

　　第二是充分運用電路理論和電路板的計算機輔助設計數據，開(kāi)發(fā)更先進(jìn)的測試算法。這種算法使得通過(guò)測試部分節點(diǎn)，就可以推算其它一些節點(diǎn)的電狀態(tài)。

　　第三是平衡利用在線(xiàn)測試和其他測試設備的資源，優(yōu)化總的測試檢驗架構。

　　不過(guò)，盡管有這些努力，在線(xiàn)測試的重要性和主導地位已經(jīng)動(dòng)搖。相反，曾經(jīng)因為在線(xiàn)測試的興起而相對發(fā)展緩慢的功能測試技術(shù)將重新獲得發(fā)展的動(dòng)力。