電路板PCB測(cè)試性技術(shù)發(fā)展之路

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

      這一情況，和三四十年以前，功能測(cè)試發(fā)展的早期一模一樣。然而和過去不同的是，今天功能測(cè)試儀器的國際標(biāo)準(zhǔn)(如PXI、VXI等)已漸趨成熟，標(biāo)準(zhǔn)儀器模塊和虛擬儀器軟件技術(shù)已經(jīng)普遍使用，這大大增加了未來功能測(cè)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(cè)試性設(shè)計(jì)成果、甚至超大規(guī)模混合集成電路的可測(cè)試性設(shè)計(jì)成果都可能被移植到功能測(cè)試技術(shù)中去。利用邊界掃描技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)接口和相應(yīng)的可測(cè)試性設(shè)計(jì)，功能測(cè)試儀和在線測(cè)試設(shè)備一樣可以用來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行在線編程。無疑，未來的功能測(cè)試儀將告訴我們比“合格或不合格”這樣的判語多得多的信息。

      表面貼裝器件和電路一直處于無休止的小型化進(jìn)程中，并無情地驅(qū)使一些相關(guān)測(cè)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“適者生存”的簡(jiǎn)單法則。留心看看測(cè)試技術(shù)的發(fā)展之路，可以幫助我們預(yù)測(cè)未來。

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

      就無源表面貼裝器件來說，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器件總數(shù)的大約10%;而0603器件的用量也已在四年前就開始走下坡路，取而代之的是0402器件。目前，更加細(xì)小的0201器件則顯得風(fēng)頭日盛。從0805轉(zhuǎn)向0603大約經(jīng)歷了十年時(shí)間。無疑，我們正處在一個(gè)加速小型化的年代。再來看表面貼裝的集成電路。從十年前占主導(dǎo)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(xiàn)出五花八門的封裝形式，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。縱觀芯片封裝技術(shù)的演變，其主要特征是器件的表面積和高度顯著減小，而器件的引腳密度則急聚增加。以同等邏輯功能復(fù)雜性的芯片來講，倒裝器件所占面積只有原來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的五分之一。

      微型封裝元件和高密度PCB帶來測(cè)試新挑戰(zhàn)

      表面貼裝器件尺寸的不斷縮小和隨之而來的高密度電路安裝，對(duì)測(cè)試帶來了極大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的人工目檢即使對(duì)于中等復(fù)雜程度的電路板(如300個(gè)器件、3500個(gè)節(jié)點(diǎn)的單面板)也顯得無法適從。曾經(jīng)有人進(jìn)行過這樣的試驗(yàn)，讓四位經(jīng)驗(yàn)豐富的檢驗(yàn)員對(duì)同一塊板子的焊點(diǎn)質(zhì)量分別作四次檢驗(yàn)。結(jié)果是，第一位檢驗(yàn)員查出了其中百分之四十四的缺陷，第二位檢驗(yàn)員和第一位的結(jié)果有百分之二十八的一致性，第三位檢驗(yàn)員和前二位有百分之十二的一致性，而第四位檢驗(yàn)員和前三位只有百分之六的一致性。這一試驗(yàn)暴露了人工目檢的主觀性，對(duì)于高度復(fù)雜的表面貼裝電路板，人工目檢既不可靠也不經(jīng)濟(jì)。而對(duì)采用微小球型陣無封裝、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，針床式在線測(cè)試也面臨著“無立錐之地”的困境。據(jù)北美電子制造規(guī)劃組織預(yù)計(jì)，在2003年后利用在線測(cè)試對(duì)高密度封裝的表面貼裝電路板檢測(cè)將無法達(dá)到滿意的測(cè)試覆蓋率。以1998年100%的測(cè)試覆蓋率為基準(zhǔn)，估計(jì)在2003年后這測(cè)試覆蓋率將不足50%，而到2009年后，測(cè)試覆蓋率將不足10%。至于在線測(cè)試技術(shù)還存在的背面電流驅(qū)動(dòng)、測(cè)試夾具費(fèi)用和可靠性等問題的困擾，已無需再更多考慮僅僅因?yàn)槲磥聿蛔?0%的測(cè)試覆蓋率，就已經(jīng)注定了這一技術(shù)在今后的命運(yùn)。

      那么，在人類目力無法勝任，機(jī)器探針也無處觸及的情況下我們能否把電路板交給最后的功能測(cè)試?我們能否忍受好幾分鐘的測(cè)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(cè)技術(shù)帶來測(cè)試新體驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展絕不會(huì)因?yàn)樯鲜隼щy就停滯不前，測(cè)試檢驗(yàn)設(shè)備制造商推出了像自動(dòng)光學(xué)檢驗(yàn)設(shè)備和X-射線檢驗(yàn)設(shè)備這樣的產(chǎn)品來應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)。

      事實(shí)上，這兩種設(shè)備在被大量用于電路板制造工業(yè)以前，就已經(jīng)在半導(dǎo)體芯片制造封裝過程中得到了廣泛的應(yīng)用。不過，它們還需要進(jìn)一步的創(chuàng)新才能真正應(yīng)對(duì)由表面貼裝器件小型化和高密度電路板帶來的測(cè)試?yán)щy。

      與此同時(shí)，業(yè)界主要的在線測(cè)試和功能測(cè)試設(shè)備廠商已經(jīng)無法滿足未來發(fā)展的趨勢(shì)。他們采取的對(duì)策是通過并購相對(duì)較小的自動(dòng)光學(xué)檢驗(yàn)設(shè)備和X-射線檢驗(yàn)設(shè)備廠商，來使自己迅速掌握相關(guān)的技術(shù)并很快地切入市場(chǎng)。

      無論是自動(dòng)光學(xué)檢驗(yàn)技術(shù)還是自動(dòng)X-射線檢驗(yàn)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意。這些技術(shù)都高度依賴計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，如果原始的光學(xué)圖像或X-射線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(dǎo)致誤判。所幸的是，工程師在光學(xué)和X-射線技術(shù)應(yīng)用方面已經(jīng)積累了相當(dāng)豐富的經(jīng)驗(yàn)，所以在未來幾年里，預(yù)計(jì)高分辨率電路板光學(xué)圖像和真三維X-射線圖像生成方面的技術(shù)還將有所進(jìn)展。

      另外，今天相對(duì)廉價(jià)的存儲(chǔ)和計(jì)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(qiáng)有力和模式識(shí)別技術(shù)懷專家系統(tǒng)相結(jié)合。這些專家系統(tǒng)以電路板的計(jì)算機(jī)畏助設(shè)計(jì)和制造數(shù)據(jù)(CAD-CAM)為基礎(chǔ)，結(jié)合生產(chǎn)線上的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行自我學(xué)習(xí)，并自我完善檢驗(yàn)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)開始嘗試對(duì)板子在加電的情況下，捕捉并分析電路板的紅外圖像。通過將紅外圖像和標(biāo)準(zhǔn)圖象進(jìn)行比較，找出“過熱”或“過冷”的點(diǎn)，從而反映出板子的制造缺陷。

      在線測(cè)試已是強(qiáng)弩之末

      對(duì)在線測(cè)試技術(shù)來說，制造商和業(yè)界正在努力尋求這樣一個(gè)目標(biāo)：通過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(biāo)展開：

      第一是加強(qiáng)電路板可測(cè)試性設(shè)計(jì)的研究和實(shí)施應(yīng)用，包括利用已成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描技術(shù)(數(shù)字器件：IEEE1149.1;混合器件：IEEE1149.4)和其它內(nèi)建測(cè)試技術(shù)。

      第二是充分運(yùn)用電路理論和電路板的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，開發(fā)更先進(jìn)的測(cè)試算法。這種算法使得通過測(cè)試部分節(jié)點(diǎn)，就可以推算其它一些節(jié)點(diǎn)的電狀態(tài)。

      第三是平衡利用在線測(cè)試和其他測(cè)試設(shè)備的資源，優(yōu)化總的測(cè)試檢驗(yàn)架構(gòu)。

      不過，盡管有這些努力，在線測(cè)試的重要性和主導(dǎo)地位已經(jīng)動(dòng)搖。相反，曾經(jīng)因?yàn)樵诰€測(cè)試的興起而相對(duì)發(fā)展緩慢的功能測(cè)試技術(shù)將重新獲得發(fā)展的動(dòng)力。