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PCB电测技术分析

      一、电性测试

  PCB板在生产过程中,难免因外在因素而造成短路、断路及漏电等电性上的瑕疵,再加上PCB不断朝高密度、细间距及多层次的演进,若未能及时将不良板筛检出来,而任其流入制程中,势必会造成更多的成本浪费,因此除了制程控制的改善外,提高测试的技术也是可以为PCB制造者提供降低报废率及提升产品良率的解决方案。

  在电子产品的生产过程中,因瑕疵而造成成本的损失,在各个阶段都有不同的程度,越早发现则补救的成本越低。" The Rule of 10's "就是一个常被用来评估PCB在不同制程阶段被发现有瑕疵时的补救成本。举例而言,空板制作完成后,若板中的断路能实时检测出来,通常只需补线即可改善瑕疵,或者至多损失一片空板;但是若未能被检测出断路,待板子出货至下游组装业者完成零件安装,也过炉锡及IR重熔,然而却在此时被检测发现线路有断路的情形,一般的下游组装业者会向让空板制造公司要求赔偿零件费用、重工费、检验费等。若更不幸的,瑕疵的板子在组装业者的测试仍未被发现,而进入整体系统成品,如计算机、手机、汽车零件等,这时再作测试才发现的损失,将是空板及时检出的百倍、千倍,甚至更高。因此,电性测试对于PCB业者而言,为的就是及早发现线路功能缺陷的板子。

  下游业者通常会要求PCB制造厂商作百分之百的电性测试,因此会与PCB制造厂商就测试条件及测试方法达成一致的规格,因此双方会先就以下事项清楚的定义出来:

        1、 测试资料来源与格式
        2、 测试条件,如电压、电流、绝缘及连通性
        3、 设备制作方式与选点
        4、 测试章
        5、 修补规格
        在PCB的制造过程中,有三个阶段必须作测试:
        1、 内层蚀刻后
        2、 外层线路蚀刻后
        3、 成品

  每个阶段通常会有2~3次的100%测试,筛选出不良板再作重工处理。因此,测试站也是一个分析制程问题点的最佳资料收集来源,经由统计结果,可以获得断路、短路及其它绝缘问题的百分比,重工后再行检测,将数据资料整理之后,利用品管方法找出问题的根源,加以解决。

      二、电测的方法与设备

  电性测试的方法有:专用型(Dedicated)、泛用型(Universal Grid)、飞针型(Flying Probe)、非接触电子束(E-Beam)、导电布(胶)、电容式(Capacity)及刷测(ATG-SCAN MAN),其中最常使用的设备有三种,分别是专用测试机、泛用测试机及飞针测试机。为了更了解各种设备的功能,以下将分别比较三种主要设备的特性。

        1、专用型(Dedicated)测试

  专用型的测试之所以为专用型,主要是因为其所使用的治具(Fixture, 如电路板进行电性测试的针盘)仅适用于一种料号,不同料号的板子就无法测试,而且无法回收使用。测试点数方面,单面板在10,240点、双面各8,192点以内均可作测试,在测试密度方面,由于探针头粗细的关系,较适合运用于 pitch以上的板子。

        2、泛用型(Universal Grid)测试

  泛用型测试的基本原理是PCB线路的版面是依据格子(Grid)来设计,一般所谓线路密度就是指grid的距离,也就是以间距(Pitch)来表示(部份时候也可用孔密度 来表示),而泛用测试就是依据此一原理,依据孔位置以一G10的基材作Mask,只有在孔的位置探针才能穿过Mask进行电测,因此治具的制作简易而快速,而且探针可重复使用。泛用型测试具有极多测点的标准Grid固定大型针盘,可分别按不同料号而制作活动式探针的针盘,量产时只要改换活动针盘,就可以对不同料号量产测试。另外,为保证完工的PCB板线路系统通畅,需在使用高压电(如250V)多测点的泛用型电测母机上,采用特定接点的针盘对板子进行Open/Short电性测试,此种泛用型的测试机称之为「自动化测试机」 (ATE, Automatic Testing Equipment)。

  泛用型测试点数通常在1万点以上,测试密度在 或是 的测试称为on-grid测试,若是运用于高密度板,由于间距太密,已脱离on-grid设计,因此属于off-grid测试,其治具就必须要特殊设计,通常泛用型测试的测试密度可达 QFP。

        3、飞针(Flying Probe)测试

  飞针测试的原理很简单,仅仅需要两根探针作x、y、z的移动来逐一测试各线路的两个端点,因此不需要另外制作昂贵的治具。但是由于是端点测试,因此测速极慢,约为10~40 points/sec,所以较适合样品及小量产;在测试密度方面,飞针测试可适用于极高密度板( ),如MCM。

      三、技术比较

  典型的飞针测试产出大约在1~20 之间,若知道孔密度便可转换成每小时测试的总面积( ),则其测试面积的范围大约是15 (探针20 及32 板)至0.04 (探针1 及600 板),差距375倍的原因在于板子的密度及间距。一般性能较好的飞针测试设备的产出大约维持在10 ~15 之间,可适用于密度为30 的商用板到600 的高密度板,对于多层板而言,在最佳状态下每一部飞针测试机每年测试总面积大约是3,000 ~5,000平方?。

  而针盘式(Bed-of-Nails)的测试设备如专用型及泛用型,在于高密度板的测试能力比不上飞针测试,因此比较少用于高密度板的测试。然而理论上,针盘式的产出面积可达200~400 ,但以目前的生产状况而言,实际生产线上专用型则为30~100 ,而泛用型为15~50 (两者的比较基础在于专用型通常运用于大量产,而泛用型多运用于中小量产),理论与实际的差异除了因设备本身的因素外,还可能包含生产管理上的问题,在此不加以详述。在一般最佳状态下,专用型测试设备平均每年约有300,000 ,泛用型则为150,000 。但是每部设备产量的多寡可能因PCB厂商的生产计划而有显著的差异;例如,若以最先进的ATE检测手机板,每年每部测试设备约可产出600,000 ,但是若用于0.5~0.8mm-pitch的CSP时,测试速率则大约仅达1/4,每年每部测试设备产出为150,000 。

  综合以上的介绍可归纳出:首先,在测试技术的适用目的方面,飞针测试是目前最适合使用于小量产及样品的电性测试设备,但是若要运用于中大量产时,则由于测速慢以及设备价格昂贵,将会使得测试成本大幅提高,而泛用型及专用型无论是用于何种层级的板子,只要产量达到一定的数量,测试成本均可达到规模经济的标准,而且约只占售价的2~4%,这也是为何泛用型及专用型为目前量产型的测试机种的主要原因。但是随着电子产品的变化速度加快,使得单一电路设计版本的产品生命周期变短(如,目前手机板的生命周期大约为6个月),这个现象对于PCB厂商无论在更新泛用测试治具或专用测试设备来说,均会带来极高的成本威胁,根据数据显示,若用于高密度板,当平均产量小于150平方公尺以下时,测试成本将会高于$200(18%)以上,这已经不是一般生产所能承担的成本,因此电子产品的发展趋势将是PCB厂商在选购测试设备时,不容忽视的一个课题。目前尚在积极改良的E-Beam、CEM或电浆放电(Plasma Discharge)技术,若能在测试效率上提升,将是电性测试上良好及可行的解决方案。

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