浅析在线测中的飞针双面测的技术优势

    摘要:双面贴装的普及,元器件密度的提高和小型化,传统的飞针测试在应用中遇到了一些问题。

关键词:立式机型,两面有移动测针的在线测试仪

随着SMD生产工艺的发展,两面都有元器件的电路板也大量出现了。为了应对这类电路板的检测,不同厂家都在想方设法地满足此类电路板的测试需求。

针床式在线测试仪,通过配备上、下两个针床,应对该类电路板的测试要求。但由于元器件的密度过大,还是会遇到无法植针的难题。虽然飞针式在线测试仪(简称飞针测,下同)无植针之忧,但目前市场上几乎所有的飞针测都只是在一个层面上有移动式测针,而另一面的测试引入,往往需要采用固定式测针的方式。如此,传统意义上的飞针测,当只有单面移动测针时,根本无法做到在一次测试中的100%的测试覆盖率。 

到目前为止,国际上不同厂家研发的大多数型号的飞针测,一般都采用了四个移动测试头的设计。从理论上讲,测针越多(如针床测),越有利于测试;但四个移动测试头是公认性能/价格比******的设计方案。这也是由于在线测的特点所决定的。这种设计的飞针测,当电路板的装配仍停滞在通孔元器件当家的时代,抑或含有少量的贴装元器件,应对起来还是游刃有余的。而当双面是以贴片元器件为主的电路板,由于采用的电路板几乎都是多层板,元器件之间的网络关系仅在一面的状况比比皆是。因此,使用传统设计的飞针测,只能通过二次测试的手段,完成一块电路板的在线测试。姑且不说降低了效率,有时甚至因为无法施加隔离,从而更加降低了测试覆盖率。

另外,大多数厂家的飞针测都采用水平放置的设计,被称为卧式机型。这种设计的优点是:夹板机构简单,可兼顾独立运行(Stand-Alone)和联线方式(In-Line)。也就是说,在这样的设备中,只要装有传送机构和符合SMEMA接口标准的接口,就能与SMD装联生产线联合运行了。

但是,除了仅在一面有测针不足之处外,这种设计还存在着另一缺陷:

当被测电路板尺寸过大(当被测电路板的跨度超过200毫米)或者过薄(厚度小于0.5毫米),由于受重力的影响,会发生些许下沉,即电路板向下产生弯曲现象,加之测针向下触及电路板,会使这种弯曲加剧!除了产生电路板的弯曲,当测针不断接触电路板后抬起时,还会引起电路板在纵向产生震颤。从而影响到测针与电路板测试点的接触力度。这种影响具有双重性:当测针接触电路板测试点的瞬间,若震颤方向是向下运动时,会对测针与测试点的接触的可靠性产生影响;如果震颤的方向在此瞬间是向上运动时,会加重对测试点的损伤。目前,国内在电路板设计中,几乎都不做可测性设计(即在每个网络中添加出一个专用测试盘),使得飞针测的落针点往往要被迫选择在SMD元器件的焊接端,由此因测试对焊接产生的损伤也在所难免。

通行的弥补措施是,在被测电路板的下方、板面的另一侧预先放置支撑杆,以此来减缓因重力和震颤引发的不良影响。如果想要完全消除,还必须在被测板的上方配合有固定措施。但是,在实际操作时,也有一定的困难:

1.    取决于电路板的另一面是否有可以容纳足够多的支撑杆的空间。众所周知,两面贴装的电路板,现在已比比皆是,一旦电路板上的元器件密度达到了一定程度,支撑杆不可能在最合适的位置上找到可以用作支撑的空间;

2.   即便找到了理想和足够的空间,如何放置这些支撑杆,也是一件令人十分头疼的操作:由于被测电路板放到了测试区域后,在无法直接目视的条件下,要想把支撑杆准确地放到位并且牢牢地贴住电路板的底部,几乎是不可能完成的!为此,生产厂家想出了各种的解决方案:将设备测试区域下方的底板设计为升降式的;将设备测试区设计为可移动式,在外部做好支撑等准备工作后,再移送到落针区域处进行测试。但无论如何,还是有一定的操作难度。

当然,这些支撑杆还可以兼做固定测针,这样,除了支撑作用之外,不但可以提高测试速度,还可以减少移动测针对电路板的接触,从而减缓了对测试点的损伤。

基于上述的种种缺陷和不便,意大利Seica公司研发出了一种新型飞针测。该飞针测的型号为PILOT V8(V,代表立式;8,表示其******移动测针数)。

被测电路板的放置方式-垂直放板,也叫做立式机型。这种设计的优点是:被测电路板不会因重力影响而产生弯曲;可以将移动测针排布在被测电路板的两侧;有多种测针排布组合(如4+4、4+2、2+2等)可选。从而在一次性测试中,真正实现了测试覆盖率达到100%(见图1)。图2及图3所示的是该款飞针测的落针状态。

图1:双面落针示意图



图2:两面落针的状态(侧视)



图3:两面落针的状态(俯视)


在不加外部辅助手段的前提下,落针产生的震颤,不论在幅度还是在周期上,均大大减弱和缩短了(见图4);设备硬件开放率达到了100%,易于保养和维修;具有若干种不同测针排布方式的衍生型号;占地面积也大大小于水平放置被测电路板的设备,等等。

4:两种放板方式,在测试时的震颤曲线对比


由于这种机型的特殊布局,还具有以下一些独到之处:

-并行测试

无论怎样的精心设计,都很难做到双面电路板上,两面元器件数量的均衡。因此,两面移动测针在利用率上也会产生差异。所以,Seica公司在软件上略作处理,可以在此款飞针测上,同时测试正反放置的、两块相同的电路板。这样,不但均衡了测针的使用效率,更重要的是,提高了测试效率(见图5)。

图5:并行测试


-BGA测试

在通常情况下,BGA器件焊接质量一般都采用X光检测仪来完成。传统的在线测中,有一种测量方法,成为脚开焊测试(Openfix,也有的公司称为Frame Scan),其测试原理如图6所示。

图6:脚开焊测量原理

 

 只要我们在有BGA器件的电路板中稍作处理,即可测试到BGA器件的引脚(植球)的焊接状况了。

 由于引出的需要,在每个BGA的引脚旁均有一个过孔。只要在另一面上,将这些过孔均不涂覆阻焊层,使之成为可测点。当脚开焊探头落在BGA的封装上时,另一面的移动测针即可注入测试信号,从而测出逐个引脚的焊接状况。

 

-光板测试

众所周知,飞针式光板测试仪为双面有移动测针的配置,这样才能测量出完整的印制线的导通关系,而PILOT V8也是如此。Seica公司提供了一套光板测试的专用测试头,供用户选装。这样,实现了一机多用,为用户拓展了应用领域。

 

-反求工程

 对于一些科研院所,早期设计的电路板并非是用CAD设计的,如果要使用在线测或其它一些需要通过CAD文件导入生成测试的应用,会有一定的障碍。两面有移动测针的PILOT V8,可以反求出此类电路板的网络关系,再使用该飞针测软件中的若干功能,即可生成测试程序。更进一步的话,甚至可以导出电路板的原理图,为其它的测试提供了便利。

 

最后,我们再归纳一下PILOT V8的特点:

-一次性测试中,真正的100%的测试覆盖率;

-降低了因落针产生的震颤,从而改善了落针对测试点的损伤;

-并行测试,提高了测试效率;

-可转化为光板测试,实现一机多用;

-反求工程,变不能测为可测。

 

同样,这种设计也有其自身的不足:

1.  无法配置通道式传送机构,目前只能采取单端进出的送板/收板方式;

2.  即便是具有了通道式的传送机构,但时下大多数SMD装联生产线上的设备都是采用水平放板的设计,所以,如果要与它们衔接会是一件较为复杂的事情。

无论如何,PILOT V8的面世,因其特有的布局,确实有它的自身优势,也为用户在采购飞针式在线测试仪时,多了一种选择。


                                      作者: 谢锋 (北京世迈腾科技有限公司)