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PCB電測技術分析 
中採網 CNeBuyer.com 2005年11月30日22:36 【 字體:

PCB電測技術分析 
 
一、電性測試
PCB板在生產過程中,難免因外在因素而造成短路、斷路及漏電等電性上的瑕疵,再加上PCB不斷朝高密度、細間距及多層次的演進,若未能及時將不良板篩檢出來,而任其流入制程中,勢必會造成更多的成本浪費,因此除了制程控制的改善外,提高測試的技術也是可以為PCB制造者提供降低報廢率及提升產品良率的解決方案。
在電子產品的生產過程中,因瑕疵而造成成本的損失,在各個階段都有不同的程度,越早發現則補救的成本越低。" The Rule of 10's "就是一個常被用來評估PCB在不同制程階段被發現有瑕疵時的補救成本。舉例而言,空板制作完成後,若板中的斷路能實時檢測出來,通常只需補線即可改善瑕疵,或者至多損失一片空板;但是若未能被檢測出斷路,待板子出貨至下遊組裝業者完成零件安裝,也過爐錫及IR重熔,然而卻在此時被檢測發現線路有斷路的情形,一般的下遊組裝業者會向讓空板制造公司要求賠償零件費用、重工費、檢驗費等。若更不幸的,瑕疵的板子在組裝業者的測試仍未被發現,而進入整體係統成品,如計算機、手機、汽車零件等,這時再作測試才發現的損失,將是空板及時檢出的百倍、千倍,甚至更高。因此,電性測試對於PCB業者而言,為的就是及早發現線路功能缺陷的板子。
下遊業者通常會要求PCB制造廠商作百分之百的電性測試,因此會與PCB制造廠商就測試條件及測試方法達成一致的規格,因此雙方會先就以下事項清楚的定義出來:
1、 測試資料來源與格式
2、 測試條件,如電壓、電流、絕緣及連通性
3、 設備制作方式與選點
4、 測試章
5、 修補規格
在PCB的制造過程中,有三個階段必須作測試:
1、 內層蝕刻後
2、 外層線路蝕刻後
3、 成品
每個階段通常會有2~3次的100%測試,篩選出不良板再作重工處理。因此,測試站也是一個分析制程問題點的最佳資料收集來源,經由統計結果,可以獲得斷路、短路及其它絕緣問題的百分比,重工後再行檢測,將數據資料整理之後,利用品管方法找出問題的根源,加以解決。

二、電測的方法與設備
電性測試的方法有:專用型(Dedicated)、泛用型(Universal Grid)、飛針型(Flying Probe)、非接觸電子束(E-Beam)、導電布(膠)、電容式(Capacity)及刷測(ATG-SCAN MAN),其中最常使用的設備有三種,分別是專用測試機、泛用測試機及飛針測試機。為了更了解各種設備的功能,以下將分別比較三種主要設備的特性。
1、專用型(Dedicated)測試
專用型的測試之所以為專用型,主要是因為其所使用的治具(Fixture, 如電路板進行電性測試的針盤)僅適用於一種料號,不同料號的板子就無法測試,而且無法回收使用。測試點數方面,單面板在10,240點、雙面各8,192點以內均可作測試,在測試密度方面,由於探針頭粗細的關係,較適合運用於 pitch以上的板子。
2、泛用型(Universal Grid)測試
泛用型測試的基本原理是PCB線路的版面是依據格子(Grid)來設計,一般所謂線路密度就是指grid的距離,也就是以間距(Pitch)來表示(部份時候也可用孔密度 來表示),而泛用測試就是依據此一原理,依據孔位置以一G10的基材作Mask,只有在孔的位置探針才能穿過Mask進行電測,因此治具的制作簡易而快速,而且探針可重復使用。泛用型測試具有極多測點的標準Grid固定大型針盤,可分別按不同料號而制作活動式探針的針盤,量產時只要改換活動針盤,就可以對不同料號量產測試。另外,為保證完工的PCB板線路係統通暢,需在使用高壓電(如250V)多測點的泛用型電測母機上,採用特定接點的針盤對板子進行Open/Short電性測試,此種泛用型的測試機稱之為「自動化測試機」 (ATE, Automatic Testing Equipment)。
泛用型測試點數通常在1萬點以上,測試密度在 或是 的測試稱為on-grid測試,若是運用於高密度板,由於間距太密,已脫離on-grid設計,因此屬於off-grid測試,其治具就必須要特殊設計,通常泛用型測試的測試密度可達 QFP。
3、飛針(Flying Probe)測試
飛針測試的原理很簡單,僅僅需要兩根探針作x、y、z的移動來逐一測試各線路的兩個端點,因此不需要另外制作昂貴的治具。但是由於是端點測試,因此測速極慢,約為10~40 points/sec,所以較適合樣品及小量產;在測試密度方面,飛針測試可適用於極高密度板( ),如MCM。
三、技術比較
典型的飛針測試產出大約在1~20 之間,若知道孔密度便可轉換成每小時測試的總面積( ),則其測試面積的範圍大約是15 (探針20 及32 板)至0.04 (探針1 及600 板),差距375倍的原因在於板子的密度及間距。一般性能較好的飛針測試設備的產出大約維持在10 ~15 之間,可適用於密度為30 的商用板到600 的高密度板,對於多層板而言,在最佳狀態下每一部飛針測試機每年測試總面積大約是3,000 ~5,000平方呎。
而針盤式(Bed-of-Nails)的測試設備如專用型及泛用型,在於高密度板的測試能力比不上飛針測試,因此比較少用於高密度板的測試。然而理論上,針盤式的產出面積可達200~400 ,但以目前的生產狀況而言,實際生產線上專用型則為30~100 ,而泛用型為15~50 (兩者的比較基礎在於專用型通常運用於大量產,而泛用型多運用於中小量產),理論與實際的差異除了因設備本身的因素外,還可能包含生產管理上的問題,在此不加以詳述。在一般最佳狀態下,專用型測試設備平均每年約有300,000 ,泛用型則為150,000 。但是每部設備產量的多寡可能因PCB廠商的生產計劃而有顯著的差異;例如,若以最先進的ATE檢測手機板,每年每部測試設備約可產出600,000 ,但是若用於0.5~0.8mm-pitch的CSP時,測試速率則大約僅達1/4,每年每部測試設備產出為150,000 。
綜合以上的介紹可歸納出如表(一)的分析表。首先,在測試技術的適用目的方面,飛針測試是目前最適合使用於小量產及樣品的電性測試設備,但是若要運用於中大量產時,則由於測速慢以及設備價格昂貴,將會使得測試成本大幅提高,而泛用型及專用型無論是用於何種層級的板子,只要產量達到一定的數量,測試成本均可達到規模經濟的標準,而且約只佔售價的2~4%,這也是為何泛用型及專用型為目前量產型的測試機種的主要原因。但是隨著電子產品的變化速度加快,使得單一電路設計版本的產品生命周期變短(如,目前手機板的生命周期大約為6個月),這個現象對於PCB廠商無論在更新泛用測試治具或專用測試設備來說,均會帶來極高的成本威脅,根據數據顯示,若用於高密度板,當平均產量小於150平方公尺以下時,測試成本將會高於$200(18%)以上,這已經不是一般生產所能承擔的成本,因此電子產品的發展趨勢將是PCB廠商在選購測試設備時,不容忽視的一個課題。目前尚在積極改良的E-Beam、CEM或電漿放電(Plasma Discharge)技術,若能在測試效率上提升,將是電性測試上良好及可行的解決方案。

表(一) 主要測試設備的功能與特性
專用型測試 泛用型測試 飛針測試
治具 專用型無法回收 可更換 兩根探針
PCB料號 單一料號 各種料號 各種料號
測試點數 單面10,240點雙面各8,192點 10,000點以上
制程技術 單面板雙面板多層板 單面板雙面板多層板 單面板雙面板多層板
量產 中、大量產 樣品,小中量產ATE適用大量產 最適合樣品及小量產
設備成本 低 高ATE極高 中
優點 運轉成本低產速快 治具成本較低設定時間短可測較高密度板 極高密度板不需治具
缺點 治具貴設定慢技術受限 設備成本高較不適合大量產 設備昂貴產速極慢

來源:PCBTech (編輯:Janet)

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