飞针检测及操作.docx

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飞针检测及操作

飞针检测部分是对进厂的电路板进行检测

　　什么是飞针测试:

　　飞针测试——就是利用4支探针对线路板进行高压绝缘和低阻值导通测试（测试线路的开路和短路）而不需要做测试治具，非常适合测试小批量样板。

目前针床测试机测试架制作费用少则上千元，多则数万元，且制作工艺复杂，须占用钻孔机，调试工序较为复杂。

而飞针测试利用四支针的移动来量度PCB的网络，灵活性大大增加，测试不同PCB板无须更换夹具，直接装PCB板运行测试程序即可。

测试极为方便。

节约了测试成本，减去了制作测试架的时间，提高了出货的效率。

　　“飞针”测试是测试的一些主要问题的最新解决办法。

名称的出处是基于设备的功能性，表示其灵活性。

飞针测试的出现已经改变了低产量与快速转换（quick-turn）装配产品的测试方法。

以前需要几周时间开发的测试现在几个小时就可以了。

对于处在严重的时间到市场（time-to-market）压力之下的电子制造服务（EMS,ElectronicManufacturingServices）提供商，这种后端能力大大地补偿了时间节省的前端技术与工艺，诸如连续流动制造和刚好准时的（just-in-time）物流。

快速转换生产的不利之事是，PCB可以在各种环境下快速装配，取决于互连技术与板的密度。

顾客经常愿意对这种表现额外多付出一点。

可是，当PCB已经装配但不能在可接受的时间框架内测试，他们不愿意付出拖延的价格。

不可接受的测试时间框架延误最终发货有两个理由。

一个理由是缺乏灵活的硬件；第二个是在给定产品上所花的测试开发时间。

　　许多原设备制造商（OEM）在做传统上一样快并没有价格惩罚的电路板时，不愿意承担快速转换（fast-turn）装配的费用。

具有快速转换服务的EMS，但是不能在OEM的时间框架内出货的，一定要寻找一个解决方案。

什么是飞针测试？

　　飞针测试机是一个在制造环境测试PCB的系统。

不是使用在传统的在线测试机上所有的传统针床（bed-of-nails）界面，飞针测试使用四到八个独立控制的探针，移动到测试中的元件。

在测单元（UUT,unitundertest）通过皮带或者其它UUT传送系统输送到测试机内。

然后固定，测试机的探针接触测试焊盘（testpad）和通路孔（via）从而测试在测单元（UUT）的单个元件。

测试探针通过多路传输（multiplexing）系统连接到驱动器（信号发生器、电源供应等）和传感器（数字万用表、频率计数器等）来测试UUT上的元件。

当一个元件正在测试的时候，UUT上的其它元件通过探针器在电气上屏蔽以防止读数干扰（图一）。

　　飞针测试机可检查短路、开路和元件值。

在飞针测试上也使用了一个相机来帮助查找丢失元件。

用相机来检查方向明确的元件形状，如极性电容。

随着探针定位精度和可重复性达到5-15微米的范围，飞针测试机可精密地探测UUT。

　　飞针测试解决了在PCB装配中见到的大量现有问题，如在开发时缺少金样板（goldenstandardboard）。

问题还包括可能长达4-6周的测试开发周期；大约$10,000-$50,000的夹具开发成本；不能经济地测试少批量生产；以及不能快速地测试原型样机（prototype）装配。

这些情况说明，传统的针床测试机缺少测试低产量的低成本系统；缺乏对原型样机装配的快速测试覆盖；以及不能测试到屏蔽了的装配。

　　因为具有紧密接触屏蔽的UUT的能力和帮助更快到达市场（time-to-market）的能力，飞针测试是一个无价的生产资源。

还有，由于不需要有经验的测试开发工程师，该系统可认为是节省人力的具有附加价值和时间节省等好处的设备。

测试开发与调试

　　编程飞针测试机比传统的ICT系统更容易、更快捷。

例如，对GenRad的GRPILOT系统，测试开发员将设计工程师的CAD数据转换成可使用的文件，这个过程需要1-4个小时。

然后该新的文件通过测试程序运行，产生一个.IGE和.SPC文件，再放入一个目录。

然后软件运行在目录内产生需要测试UUT的所有文件。

短路的测试类型是从选项页面内选择。

测试机在UUT上使用的参考点从CAD信息中选择。

UUT放在平台上，固定。

在软件开发完成后，该程序被“拧进去”，以保证选择到尽可能最佳的测试位置。

这时加入各种元件“保护”（元件测试隔离）。

一个典型的1000个节点的UUT的测试开发所花的时间是4-6个小时。

　　在软件开发和装载完成以后，开始典型的飞针测试过程的测试调试。

调试是测试开发员接下来的工作，需要用来获得尽可能最佳的UUT测试覆盖。

在调试过程中，检查每个元件的上下测试极限，确认探针的接触位置和零件值。

典型的1000个节点的UUT调试可能花6-8小时。

　　飞针测试机的开发容易和调试周期短，使得UUT的测试程序开发对测试工程师的要求相当少。

在接到CAD数据和UUT准备好测试之间这段短时间，允许制造过程的最大数量的灵活性。

相反，传统ICT的编程与夹具开发可能需要160小时和调试16-40小时。

优点

　　尽管有些缺点，飞针测试还是一个有价值的工具。

优点包括：

快速测试开发；较低成本测试方法；快速转换的灵活性；以及在原型阶段为设计人员提供快速的反馈。

因此，和传统的ICT比较，飞针测试所要求的时间通过减少总的测试时间足以弥补。

　　使用飞针测试系统的好处大于缺点。

例如，装配过程中这样一个系统提供在接收到CAD文件只有几小时就可以开始生产。

因此，原型电路板在装配后数小时即可测试，不象ICT，高成本的测试开发与夹具可能将过程延误几天，甚至几月。

飞针测试系统也减少了新产品的“第一篇文章”的视觉检查时间，这一点是很重要的，因为第一块板经常决定剩下的UUT的测试特性。

　　除此之外，由于设定、编程和测试的简单与快速，实际上非技术装配人员，而不是工程师，可用来操作测试。

也存在灵活性，做到快速测试转换和过程错误的快速反馈。

还有，因为夹具开发成本与飞针测试没有关系，所以它是一个可以放在典型测试过程前面的低成本系统。

并且因为飞针测试机改变了低产量和快速转换装配的测试方法，通常需要几周开发的测试现在数小时就可以得到。

飞针测试机选购指南

一、测试幅面

　　最大测试面积最好要超过18×20″。

特别是经常做超大板的工厂和飞针测试代工中心，则更应考虑这种拥有大的测试幅面的机种。

二、测试机的精度

　　机器精度方面要注意对不同标注法的理解。

通用标注法为：

精准度标称（分辨率，重复精度）、最小测试PAD尺寸、最小焊盘间距。

对于其它方式的标注一定要厂商解释清楚，防止误解。

中高层次的飞针测试机的精准度一般为2mil，最小测试PAD尺寸为6~8mil、最小焊盘间距为10~12mil。

而是小线宽线距是与飞针测试的精度是无关的，无需考虑。

三、测试机的主要部件及耗材

　　测试机的主要部件包括电机、导轨、丝杠、皮带、轴承等。

这些部件对机器精度及稳定性起决定因素。

对其质量品牌要留意，德国、意大利、日本这些基础工业发达的国家产品质量比较好。

飞针测试机的一大优点是耗材少。

主要耗材为测试针，需要考虑其寿命和价格。

一般在3至6个月更换一次测试针，价格在￥1000元/支以下比较合适。

四、测试机的可靠性与稳固性

　　若飞针测试机存在漏测或其它至命缺陷那就会变得毫无意义了。

这与机器的软件、机器自检、实时故障侦测能力密切相关。

在选购时不能盲目追求其速度及操作简单。

另机器的稳固性对精度和测试速度都有很大影响，一般靠牢固的机架和重的平台来保证。

五、测试机软件

　　测试机的软件一定要成熟，否则将会经常性报错、间歇性中止、死机、甚至造成漏测。

还要从兼容性、网络分析能力、操作的简便性等方面综合评估。

六、测试机的环境要求

　　供电要求一般为AC220V50HZ市电，功率在0.5~2KW之间。

对温度要求不高0~30℃均可正常工作。

而湿度对机器的影响要大一些，一般在75％以下。

所以要注意机器放置环境不能太潮湿，否则需要增加抽湿机。

还有极少数的飞针测试机需要供气，须配备空气压缩机。

飞针测试机的重量一般为100~1000kg，对放置地点就没有特殊要求了。

飞针测试上机操作技巧点滴

【摘要】飞针测试机是比较贵重的PCB测试设备，主要用于样板和小批量PCB板的测试。

本文对飞针测试操作中遇到的问题进行了总结，重点介绍了飞针测试操作中的对位、定架、打叉板测试翘曲板的测试等技巧，供同行参考。

【关键词】扫描对位、对位点、定架、翘曲

对于飞针测试来说，上机操作无疑是属于其简单的部分，但其中也不乏一些小技巧，下面是我们在工作中的一点心得，不敢独占，拿出来和大家分享。

一、对位

首先要谈的是关于对位点的选取，一般只挑对角的两个孔作为对位点即可，（自然要选在边上，难道对位时还要数左起的第几个孔？

）而不去理会IC。

这样做的好处是，对位点少，对位花的时间就少，一般来说，蚀刻总是有侧蚀，所以选焊盘做对位点不很准。

如果真的出现很多开路，也不用马上停下来，等开路测完开始进行短路测试时再停，因为这时已经可以查看开路错误，你可以根据报的错误的位置，有针对性的加对位点。

再谈手动对位，严格的说，孔都不是在焊盘的中心，那么对位时是要把点尽量放在焊盘的中心呢，还是尽量和实孔重合？

一般如果要测试的点多为孔，则选择后者，如果多为IC，尤其是IC处容易出现假开路的时候，就需要把对位孔放在焊盘中间。

二、定架

定架就是固定测试托架，带边框的资料是用两个方框表示的，外面的方框就是边框，对于这样的板，直接使用机器给出的尺寸即可，对于不带边框的资料，是用一个方框表示，我们可以用showboard这个命令（在看放板方向时会用到）看看在最靠边上的被测试焊盘是哪个，对照实板，看它到板边的距离是多少，以此来补偿。

三、打叉

对于拼片板，可以测选定的单只，我们可以利用这个功能来实现对焊盘到板边距离过小无法测试的拼片板的测试，方法就是将那些有焊盘被托盘档住无法测试的单只打叉不测，测试后再把托盘放到测试过的单只上固定板，选择测试上次不测的板，这样就能通过2次测试完成整板的测试。

由此，对于设备提供给我们的功能我们应该灵活使用，以完成一些特殊需要。

四、翘曲

有一个方向的尺寸过大，尤其是另一个方向上的尺寸相对较小时，板放在测试机的时候会发生自然的翘曲（重力所致），而我们的飞针机在结构上有一点小问题，X方向的尺寸较大，却只放置有一个放板托片，而在尺寸较小的Y方向却可以放3个放板托片，所以，在机器选择把待测板的长方向置为机器的X方向时，最好手工整理，将板旋转90度，使它的长方向放在Y方向，这样能够在一定程度上的解决板在测试中的翘曲问题。

（此调整须在DPS中处理）。

飞针测试是以移动探针方式检测电路板之新型在线测试仪。

测针在X、Y和Z方向一边移动一边检测电路板，所以无需使用高价针盘和其它检测夹具。

使用本机之后，既可减少制作针盘和测试夹具的成本，又能方便地对试产电路板和中小批量PCB板进行测试。

测针准确接触细小间距之测试点。

对针盘夹具所不能竖针的高密度SMT电路板，机器也能简单、方便的以编程方式测试。

另对光学、目视和功能检测所不能找到的微细焊点短路及组件常数错误等不良，机器都能精确的加以检出。

本机实现了世界最高水准的测试速度和测针定位精度，且测试编程之方式也非常简单。

飞针测试市场之占有率、技术水准、机械可靠性等各方面均居世界第一的TAKAYA研发出最新机型。

既可减少SMT板等各种组装板的测试成本，又能在电路板的产品质量保证上做出卓越贡献。

超群之不良检出能力和使用效果：

1、测试成本削减；

2、管理成本减少；

3、缩短等待时间；

4、减少目视检测人员；

5、测板维修容易；

6、防止发生批量不良；

7、提升生产线的质量；

8、微细间距的检测；

9、微型SMD组件对应；

10、找出隐藏不良之处；

11、品质保证威力超群；

12、电路板之伸缩误差对应；

13、设计变更之随时对应；

14、运行成本低；

追求使用的方便性：

★中文表示；

★功能性设计；

★简单设置；

★丰富的数据输出；

功能中反映千百种用户心声：

※多枚连板的分组指定测试；

※CCD图象扩大目视检测支持系统；

※测针交换后全自动设定原点补偿值；

※电路板表里变换和测试程序一监管理；

※防止测试程序误消误改的各种暗码功能；

※回路的群组检测功能；

※大量生产时简便抽样检测功能；

※以条形码和QR码管理测试数据；

※不良板分析与修板方便的LCRD量表；

※多彩的统计图表和表计算格式数据输出；

回流机部分

　　由于电子产品PCB板不断小型化的需要，出现了片状元件，传统的焊接方法已不能适应需要。

首先在混合集成电路板组装中采用了回流焊工艺，组装焊接的元件多数为片状电容、片状电感，贴装型晶体管及二极管等。

随着SMT整个技术发展日趋完善，多种贴片元件（SMC）和贴装器件（SMD）的出现，作为贴装技术一部分的回流焊工艺技术及设备也得到相应的发展，其应用日趋广泛，几乎在所有电子产品领域都已得到应用，而回流焊技术，围绕着设备的改进也经历以下发展阶段。

　　1．热板（Hot-plate）及推板式热板传导回流焊：

　　　这类回流焊炉依靠传送带或推板下的热源加热，通过热传导的方式加热基板上的元件，用于采用陶瓷（Al2O3）基板厚膜电路的单面组装，陶瓷基板上只有贴放在传送带上才能得到足够的热量，其结构简单，价格便宜。

我国的一些厚膜电路厂在80年代初曾引进过此类设备。

　　2．红外线辐射回流焊：

　　此类回流焊炉也多为传送带式，但传送带仅起支托、传送基板的作用，其加热方式主要依红外线热源以辐射方式加热，炉膛内的温度比前一种方式均匀，网孔较大，适于对双面组装的基板进行回流焊接加热。

这类回流焊炉可以说是回流焊炉的基本型。

在我国使用的很多，价格也比较便宜。

　　3．红外加热风（Hotair）回流焊：

　　这类回流焊炉是在IR炉的基础上加上热风使炉内温度更均匀，单纯使用红外辐射加热时，人们发现在同样的加热环境内，不同材料及颜色吸收热量是不同的，即

（1）式中Q值是不同的，因而引起的温升ΔT也不同，例如IC等SMD的封装是黑色的酚醛或环氧，而引线是白色的金属，单纯加热时，引线的温度低于其黑色的SMD本体。

加上热风后可使温度更均匀，而克服吸热差异及阴影不良情况，IR+Hotair的回流焊炉在国际上曾使用得很普遍。

　　4．充氮（N2）回流焊：

　　　随着组装密度的提高，精细间距（Finepitch）组装技术的出现，产生了充氮回流焊工艺和设备，改善了回流焊的质量和成品率，已成为回流焊的发展方向。

氮气回流焊有以下优点：

（1）防止减少氧化

（2）提高焊接润湿力，加快润湿速度

　　（3）减少锡球的产生，避免桥接，得到列好的焊接质量

　　得到列好的焊接质量特别重要的是，可以使用更低活性助焊剂的锡膏，同时也能提高焊点的性能，减少基材的变色，但是它的缺点是成本明显的增加，这个增加的成本随氮气的用量而增加，当你需要炉内达到1000ppm含氧量与50ppm含氧量，对氮气的需求是有天壤之别的。

现在的锡膏制造厂商都在致力于开发在较高含氧量的气氛中就能进行良好的焊接的免洗焊膏，这样就可以减少氮气的消耗。

　　对于中回流焊中引入氮气，必须进行成本收益分析，它的收益包括产品的良率，品质的改善，返工或维修费的降低等等，完整无误的分析往往会揭示氮气引入并没有增加最终成本，相反，我们却能从中收益。

　　在目前所使用的大多数炉子都是强制热风循环型的，在这种炉子中控制氮气的消耗不是容易的事。

有几种方法来减少氮气的消耗量，减少炉子进出口的开口面积，很重要的一点就是要用隔板，卷帘或类似的装置来阻挡没有用到的那部分进出口的空间，另外一种方式是利用热的氮气层比空气轻且不易混合的原理，在设计炉的时候就使得加热腔比进出口都高，这样加热腔内形成自然氮气层，减少了氮气的补偿量并维护在要求的纯度上。

　　5．双面回流焊

　　　双面PCB已经相当普及，并在逐渐变得复那时起来，它得以如此普及，主要原因是它给设计者提供了极为良好的弹性空间，从而设计出更为小巧，紧凑的低成本的产品。

到今天为止，双面板一般都有通过回流焊接上面（元件面），然后通过波峰焊来焊接下面（引脚面）。

目前的一个趋势倾向于双面回流焊，但是这个工艺制程仍存在一些问题。

大板的底部元件可能会在第二次回流焊过程中掉落，或者底部焊接点的部分熔融而造成焊点的可靠性问题。

　　已经发现有几种方法来实现双面回流焊：

一种是用胶来粘住第一面元件，那当它被翻过来第二次进入回流焊时元件就会固定在位置上而不会掉落，这个方法很常用，但是需要额外的设备和操作步骤，也就增加了成本。

第二种是应用不同熔点的焊锡合金，在做第一面是用较高熔点的合金而在做第二面时用低熔点的合金，这种方法的问题是低熔点合金选择可能受到最终产品的工作温度的限制，而高熔点的合金则势必要提高回流焊的温度，那就可能会对元件与PCB本身造成损伤。

对于大多数元件，熔接点熔锡表面张力足够抓住底部元件话形成高可靠性的焊点，元件重量与引脚面积之比是用来衡量是否能进行这种成功焊接一个标准，通常在设计时会使用30g/in2这个标准，第三种是在炉子低部吹冷风的方法，这样可以维持PCB底部焊点温度在第二次回流焊中低于熔点。

但是潜在的问题是由于上下面温差的产生，造成内应力产生，需要用有效的手段和过程来消除应力，提高可靠性。

　　以上这些制程问题都不是很简单的。

但是它们正在被成功解决之中。

勿容置疑，在未来的几年，双面板会断续在数量上和复杂性性上有很大发展。

　　6．通孔回流焊

　　　通孔回流焊有时也称作分类元件回流焊，正在逐渐兴起。

它可以去除波峰焊环节，而成为PCB混装技术中的一个工艺环节。

一个最大的好处就是可以在发挥表面贴装制造工艺的优点的同时使用通孔插件来得到较好的机械联接强度。

对于较大尺寸的PCB板的平整度不能够使所有表面贴装元器件的引脚都能和焊盘接触，同时，就算引脚和焊盘都能接触上，它所提供的机械强度也往往是不够大的，很容易在产品的使用中脱开而成为故障点。

　　尽管通孔回流焊可发取得偿还好处，但是在实际应用中仍有几个缺点，锡膏量大，这样会增加因助焊剂的挥了冷却而产生对机器污染的程度，需要一个有效的助焊剂残留清除装置。

另外一点是许多连接器并没有设计成可以承受回流焊的温度，早期基于直接红外加热的炉子已不能适用，这种炉子缺少有效的热传递效率来处理一般表面贴装元件与具有复杂几何外观的通孔连接器同在一块PCB上的能力。

只有大容量的具有高的热传递的强制对流炉子，才有可能实现通孔回流，并且也得到实践证明，剩下的问题就是如何保证通孔中的锡膏与元件脚有一个适当的回流焊温度曲线。

随着工艺与元件的改进，通孔回流焊也会越来越多被应用。

　　影响回流焊工艺的因素很多，也很复杂，需要工艺人员在生产中不断研究探讨，将从多个方面来进行探讨。

　　1、温度曲线的建立

　　温度曲线是指SMA通过回流炉时，SMA上某一点的温度随时间变化的曲线。

温度曲线提供了一种直观的方法，来分析某个元件在整个回流焊过程中的温度变化情况。

这对于获得最佳的可焊性，避免由于超温而对元件造成损坏，以及保证焊接质量都非常有用。

温度曲线采用炉温测试仪来测试，如SMT-C20炉温测试仪。

　　2、预热段

　　该区域的目的是把室温的PCB尽快加热，以达到第二个特定目标，但升温速率要控制在适当范围以内，如果过快，会产生热冲击，电路板和元件都可能受损；过慢，则溶剂挥发不充分，影响焊接质量。

由于加热速度较快，在温区的后段SMA内的温差较大。

为防止热冲击对元件的损伤，一般规定最大速度为4℃/s。

然而，通常上升速率设定为1-3℃／s。

典型的升温速率为2℃／s。

　　3、保温段

　　保温段是指温度从120℃-150℃升至焊膏熔点的区域。

其主要目的是使SMA内各元件的温度趋于稳定，尽量减少温差。

在这个区域里给予足够的时间使较大元件的温度赶上较小元件，并保证焊膏中的助焊剂得到充分挥发。

到保温段结束，焊盘、焊料球及元件引脚上的氧化物被除去，整个电路板的温度达到平衡。

应注意的是SMA上所有元件在这一段结束时应具有相同的温度，否则进入到回流段将会因为各部分温度不均产生各种不良焊接现象。

　　4、回流段

　　在这一区域里加热器的温度设置得最高，使组件的温度快速上升至峰值温度。

在回流段其焊接峰值温度视所用焊膏的不同而不同，一般推荐为焊膏的熔点温度加20-40℃。

对于熔点为183℃的63Sn／37Pb焊膏和熔点为179℃的Sn62／Pb36／Ag2焊膏，峰值温度一般为210-230℃，再流时间不要过长，以防对SMA造成不良影响。

理想的温度曲线是超过焊锡熔点的“尖端区”覆盖的面积最小。

　　5、冷却段

　　这段中焊膏内的铅锡粉末已经熔化并充分润湿被连接表面，应该用尽可能快的速度来进行冷却，这样将有助于得到明亮的焊点并有好的外形和低的接触角度。

缓慢冷却会导致电路板的更多分解而进入锡中，从而产生灰暗毛糙的焊点。

在极端的情形下，它能引起沾锡不良和减弱焊点结合力。

冷却段降温速率一般为3-10℃／s，冷却至75℃即可。

　　6、桥联

　　焊接加热过程中也会产生焊料塌边，这个情况出现在预热和主加热两种场合，当预热温度在几十至一XX范围内，作为焊料中成分之一的溶剂即会降低粘度而流出，如果其流出的趋势是十分强烈的，会同时将焊料颗粒挤出焊区外的含金颗粒，在熔融时如不能返回到焊区内，也会形成滞留的焊料球。

除上面的因素外，SMD元件端电极是否平整良好，电路线路板布线设计与焊区间距是否规范，阻焊剂涂敷方法的选择和其涂敷精度等都会是造成桥联的原因。

　　7、立碑（曼哈顿现象）

　　片式元件在遭受急速加热情况下发生的翘立，这是因为急热使元件两端存在温差，电极端一边的焊料完全熔融后获得良好的湿润，而另一边的焊料未完全熔融而引起湿润不良，这样促进了元件的翘立。

因此，加热时要从时间要素的角度考虑，使水平方向的加热形成均衡的温度分布，避免急热的产生。

防止元件翘立的主要因素有以下几点：

　　①选择粘接力强的焊料，焊料的印刷精度和元件的贴装精度也需提高；

　　②元件的外部电极需要有良好的湿润性和湿润稳定性。