飞针测试工艺研究及Z轴结构设计

吕磊，谭立杰，赵立华

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176)

电路组件的故障主要来自于3个方面：元器件故障、PCB（Printed Circuit Board,印刷电路板）基板故障和组装故障，其中由于PCB基板制造和焊接缺陷引起的故障占了全部故障的一半。PCB基板故障一般是在制造过程中形成的，最为常见的故障表现为：不同网络导体间的短路和相同网络导体内的开路等。在元件组装时或组装后发现这些故障都将无法修复，而只能把组装好的电路板报废，造成经济损失，因此，必须在组装元件前进行裸板测试。测试的方式有针床（bed-of-nails）方式和飞针方式，两者相比，飞针测试的整体性能要优于针床测试方式，它可以完成某些不能使用针床测试的PCB测试，是对传统针床在线测试设备的一种改进。目前，飞针测试已经成为电气测试一些主要问题的最新解决办法，而这种设备最初就是为裸板测试而设计的。

1 飞针测试

根据飞针测试时固定被测基板的方式，飞针测试机的结构可分为竖立式和水平式。国外飞针设备竖立式和水平式都有，而国内飞针设备大多是竖立式。

双面飞针测试系统是集机、光、电、计算机于一体的高自动化设备，是对PCB基板和LTCC（Low Temperature Co-fired Ceramic，低温共烧陶瓷）(注)基板进行测试，找出基板内的开路、短路、潜在开路和潜在短路的检测设备。按照测试方式的不同可分为开路测试、短路测试和电容测试。该设备适用于PCB基板和LTCC基板的小批量和中等批量的测试，是PCB和LTCC工艺生产线的关键设备之一。

1.1 飞针测试的工作原理

利用4个或8个完全独立的移动测试针在软驱控制下在被测基板两面（前后各两根或前后各4根测试针）进行三维运动并接触到待测点（如图1所示），测试仪通过给测试针施加一定的电压、电流，得到不同的测试信号，从而判断待测基板网络的通断情况，并把测试结果经软件处理后打印输出。

图1 双面飞针测试系统原理

1.2 飞针测试操作步骤

开机→设备初始化→安装测试板→导入测试文件*.IPC→打开测试文件*.NET→设备校准→测试设置→选基准点→基准点对准→选择测试方法→正常测试→生成测试结果→打印测试结果→结束

1.3 主要测试参数

通常测试主要是进行开路、短路测试，它的测试方法是利用两点电流、电压法；也可以选择两针或多针进行电容测试，该方法主要应用于具有标准金板、测试点非常多的情况。测试参数主要有：测试压力、运动速度、Z测试距离、扎针量等重要参数：

（1）测试压力。测试压力是指直线电机带动测试针测试基板时，测试针接触基板的持续压力。测试压力太小，可能是测试针与基板待测点接触不可靠；测试压力太大，可能破坏基板被测点，使被测点上出现测试针留下的小凹坑，影响基板外观。

（2）运动速度。运动速度分为高、中、低3种，高速运动时，测试效率高，但误判率也相应提高；低速运动时，测试效率低，但误判率也相应降低。推荐普通测试时采用中速，错误验证时采用低速。

（3）Z测试距离。Z测试距离是由被测基板开始，测试针往复运动时向上抬起的高度，设置范围为0～3 mm。测试距离影响测试效率，因为测试针抬高的距离长，需要的时间也长，但数值也不能太小，太小的话可能会因为基板表面不平整，使测试针没有抬起就开始移动，严重时可能划伤基板表面、损坏测试针。

（4）扎针量。扎针量是指当测试针接触到被测基板表面后，继续下降的距离，设置范围为0～0.5 mm。一般数值越大，越能确保扎实，但当数值太大时，就会增大扎针压力，有可能破坏基板焊盘。

2 Z轴机构设计

2.1 直线电机

Z轴机构（如图2所示）采用直线电机驱动，相对于伺服电机、同步带驱动主要优势为精度高、反应速度快。Z轴控制采用位移、速度、力量控制模式，其自适应能力强，能够弥补基板产生的变形，测试前先进行基板探高，确定Z轴伸出绝对位移量，在测试过程中大行程采用位移控制模式，接近基板时采用小行程力量控制模式，使测试针以可设置的压力接触基板测试点，到达控制测试压力的目的，同时减小对基板测试点的冲击和损伤。

图2 Z轴机构

2.2 测试针

Z轴机构中比较重要的是测试针和针座结构设计，测试针先后选择两种方式，分别是针床用弹簧针（如图3所示）和定制的实针（材料为铍铜，表面镀金）（如图4所示）。最早采用针床用弹簧针主要原因是采购方便、有统一标准，可替换性很好，但在设备调试过程中，发现其很多缺点，如尖端角度大、弹簧伸缩引起针尖滑移等（针对其缺点将在介绍针座结构设计过程中详细说明）。最后选用定制针，定制针的优点是可以根据我们的图纸设计进行加工，很好的满足设备结构需要，但相对于弹簧针缺点就是需要专门定制、采购不是很方便。

图3 弹簧针

图4 定制针

2.3 针座结构设计

由于飞针测试主要是电性能测试，针座结构设计时必须考虑测针与设备主体的绝缘性；直线电机在力量模式下，在相同推力时，其运动部分加速度与运动部分质量成反比，在允许范围内运动部分加速度越大，达到测试基板面时间越小，因此需要运动部分质量近可能小；测试针有一定的使用寿命，当测试针出现磨损、弯曲时，可能影响测试数据，此时就需要更换测试针，同需要求针座结构能方便更换测试针。因此针座结构，需要达到的目的就是夹持测试针简单、更换测试针方便、质量轻、不影响测试效率和不干扰测试结果，针对以上要求，在设备调试过程中持续改进了几种方案：

（1）聚碳酸酯针架+铝合金针座。最早采用的是聚碳酸酯的针架和铝合金的针座（如图5所示），聚碳酸酯的电绝缘性、高硬度及低密度，铝合金的低密度，采用这两种材料使Z向机构运动部分（这里的运动部分不包括直线电机线圈、导轨滑块等固有的部分）质量很轻（大约10 g），但测试针更换不方便，铝合金针座加工性不好，尤其装针的针孔精度不容易保证，显得比较笨重。

图5 聚碳酸酯针架+铝合金针座

（2）聚碳酸酯针架+分体式铝合金针座。相对于上一种结构设计，这种采用分体式铝合金针座（如图6所示），这样提高了铝合金针座的可加工性，夹持测试针比较牢固，更换测试针的方便性有所提高，但还是方便。

图6 聚碳酸酯针架+分体铝合金针座

（3）一体式聚甲醛针座。采用一体式聚甲醛针座（如图7所示）的最大改进是重量大幅减轻（大约5 g），更换测试针也比较方便。但是在直线电机高速运动过程中，由于聚甲醛针座臂比较长，会发生变形，影响测试针扎针定位精度。从CCD中会发现针尖有明显偏移。

（4）铝合金针架+聚甲醛针座。相对于上一种结构的缺点，我们更改为铝合金针架和聚甲醛针座（如图8所示），针架部分强度有大改进，不会因为高速运动产生变形，提高了扎针精度，但同时我们发现，测试针扎下瞬间是正确的，当加上测试压力后，发现弹簧针发生回缩，由于测试针相对垂直方向20°倾斜，回缩的同时针尖发生偏移，对于设备的精度有很大的影响。

图7 一体式聚甲醛针座

图8 铝合金针架+聚甲醛针座

（5）铝合金针架+聚丙烯针座。对于上面产生的不利影响，我们改进为铝合金针架和聚丙烯针座（如图9所示），同时使用定制的实针。聚丙烯针座结构设计采用平行四边形法则，具有弹性的针座使测试针相对于针座固定面近似于上下运动，很大程度减小针尖的偏移，针座的变形很好的吸收了测试针与基板接触时产生的震动。定制的实针针尖锥度为12°，相对于弹簧针针尖部分30°的锥度，无论是扎针精度还是CCD观测都有明显改善。但铝合金针架的加工性不好，高速运动时聚丙烯针座的老化现象也比较严重。

（6）分体式铝合金针架+聚四氟乙烯针座+扭簧。这种设计（如图10所示）是目前我们认为比较实用的方案，分体式铝合金针架加工性很好，聚四氟乙烯针座去掉了夹针用的开口，使测试针与针孔过渡配合，加工性提高的同时，也使更换测试针更加方便。在聚四氟乙烯的后侧增加了一个扭簧（如图11所示），在测试过程中，使针座变形能够快速恢复，提高针座的使用寿命。

图9 铝合金针架+聚丙烯针座

图10 分体式铝合金针架+聚四氟乙烯针座+扭簧

图11 聚四氟乙烯针座+扭簧

3 结束语

PCP基板和LTCC基板正朝着高精密、细间距、多层化方向发展，使得其产品的测试难度越来越大。传统的针床测试放大，由于受针床夹具测试间距的限制，越来越难以适应PCB和LTCC产品测试的需要。特别对具有批量小、产品更新快特点的军品来说，如采用针床测试，必须频繁更换针床夹具，这不仅增加了费用，还不利于产品的快速更新。因此，能够测试微间距（0.1mm）的飞针测试设备是将来发展的趋势。

本文通过对最新研发的双面飞针测试系统的介绍，简单介绍了飞针测试的主要工艺技术，并详细介绍了Z轴机构的设计改进过程，为以后飞针设备的技术发展有重要参考价值。

[1]吴兆华，周德俭.表面组装技术基础[M].北京：国防工业出版社，2002.

[2]鲜飞.飞针测试的特点及应用[J]，世界电子元器件，2002(6):60-61.

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