片式多层陶瓷电容多轨测试分选设备的设计

肖国龙，龚正平，武 果

（中科院广州电子技术有限公司，广州 510070）

0 引言

多层片式陶瓷电容有很多尺寸规格，如：0201、0402、0603、0805、1612 等规格，容量从0.5 pF～10 μF，甚至更大。所用材料的不同导致电容的不同特性和不同的用途［1－2］，如高频电容、低频电容、高压电容、低压电容等。不同的SMD电容测试内容（四参数：耐压、绝缘、容量、损耗）和测试方法基本上相似，特殊用途的高频高Q电容测试除外。

早期的SMD电容测试分拣基本上以单轨（单通道）测试为主，以日本Humo 四参数测试机、美国Paloma 测试机为主导。自从美国ESI公司推出了6 轨四参数电容测试分选设备［3－4］后，台湾、日本的相关企业也先后推出了多轨测试设备。国内尚无其他自主研发的同类测试设备。

多轨测试在单轨测试架构的基础上，增加了多圈同步测试和分选，其效率成倍提高。因此，研发该类产品，意义重大。从控制电路、可编程电源和测试仪器的通道数和测试效率角度出发，设备多数选择的轨道数有2 轨、4 轨、6 轨和8轨。

目前国内这类设备基本上依赖进口，尚无自主研发的同类产品。自主研发该类设备在逐步抢占市场的同时，也可以压低进口设备的价格。

1 设备功能介绍

1.1 电容四参数

电容四参数分别为：耐压、绝缘、容量、损耗。耐压［5］和绝缘均为漏电流测试即额定电压下的漏电流值，或者换算成绝缘电阻（R＝V／ I）［6］。电容两端加测试电压，满电后的电流即为电容的漏电流。容量与损耗［7］则对应为电容的容量值和损耗因子，很多参考文献和网络上均有相关资料，本文不作介绍。

绝缘包括正向绝缘和反向绝缘。多层片式陶瓷电容理论上是无极性的，但由于工艺的原因，或者材料、分散剂等原因，会导致电容正反向漏电流不同，一个方向测试合格反过来可能不合格。早在2002年做引线电容测试自动化设备测试的产品进行抽检时，就发现该类电容存在极性问题，于是在检测设备中增加了反向绝缘测试。同时期，国外的生产商也发现了此类问题，在设备检测中，也开始增加了反向绝缘测试。另外，由于电容耐压绝缘测试需要一步或多步预充电，否则漏电流值远小于充电电流，导致无法准确测量。

电容测试完成后还需要放电，一般采用恒流放电。该电路较为简单，但值得注意的一点就是不能过放，否则变成了反向充电。

1.2 多轨（又称多通道）

常见的多轨测试分选设备分选盘共100n（n为轨道数，图1所示为8 轨料盘），n组电容同时进行耐压、反向绝缘、正向绝缘的预充电、测量、放电过程以及容量／损耗的流水作业，得到n个电容的基本测试参数，从而确定对应电容的分仓数据。

图1 8轨料盘（电容测试盘）

2 硬件介绍

以图2 所示的2 轨控制架构图为例，设备的基本控制框架如下。

图2 2轨控制架构

（1）伺服运动控制卡负责转盘的运动控制和料斗的左右移动控制。

（2）GPIB卡级联管理3 台测试仪器，分别为Sight E4981A和日置的SM7420*2，其中：E4981A 负责容量和损耗两个参数，通过SCANER通道选择，控制不同轨道的容量和损耗参数的测试；SM7420 为4 路高阻测试仪，1 台用于耐压测试，1 台用于正反向绝缘测试（漏电流或绝缘电阻）［8－9］。

（3）DI 输入采集，采集面板按钮、传感器、接触检测信号等。

（4）DO输出控制，分选气缸、真空、恒流充／放电控制信号、振动进料控制、Scaner通道选择控制等。

（5）COMn，1 台0～500 V／ 0～400 mA可编程电源、1 台0～1 kV／ 0～200 mA 可编程电源等，其中电压、电流的编程、控制和工作状态采集。传输速率选用115200 bit／ s。

下面将从工控机、测试电极、分选仓位以及恒流充放电电路4 部分来依次介绍。

2.1 计算机架构

计算机架构如下：

（1）工控机采用研华的NuPRO－E43（i5）主板；

（2）CONTEC SMC－4DF2－PCI 4 轴伺服驱动控制卡；

（3）CONTEC GP－ IB（PCI）FL × 1 GPIB － 488.2 通信接口卡；

（4）CONTEC PIO－64 ／ 64L（PCI）H × 1，64 路DI 输入／ 64路DO输出；

（5）CONTEC PO－32L（PCI）H × 1，32 路DO输出。

2.2 测试的10 组电极

测试电极采用10 × 2 个独立的电极，分别对应10 个工位，依次为：（1）耐压充电；（2）耐压测试（SM7420－ A）；（3）放电；（4）反向绝缘充电；（5）反向绝缘测试（SM7420－B）；（6）放电；（7）正向绝缘充电；（8）正向绝缘测试（SM7420－B）；（9）放电；（10）容量及损耗测试。

其中，2 轨耐压（漏电流）测试采用一台日置的SM7420测试仪（4 路2000 V），2 轨正反向绝缘（漏电流）测试另外采用一台日置的SM7420 测试仪；容量及损耗测试采用Keysight E4981A，通过Scaner切换完成多通道的测试。

2.3 分选的10 个仓位

分选BIN仓位依次对应：RI（重测：C－ IR／接触检测不合格等）、D－ NG（损耗不合格）、TV.IR－ NG（耐压／绝缘不合格）、C－NG（容量偏低NG）、OK1、OK2、OK3、OK4、OK5、C ＋NG（容量偏大NG）。2 轨则依此对应10 × 2 个独立的分选气缸（Bin1.1、Bin1.2……Bin1.10 ＆ Bin2.1、Bin2.2……Bin2.10）。

2.4 电容恒流充放电及测试电路

图3 所示为恒流电路，对充电、测量和放电均适用的电路，其中电流的可编程范围为0～50 mA，通过DA 编程可实现设定的恒流作业。而1～9 个工位通过不同的测试板的地址选通实现各自的控制。在充／放电电路中，还需要增加一个接触检测检查，可有效保证充电过程的有效性，接触检测可以通过继电器和Photo－MOS切换实现。再预充电和测量工位时，HV ＋为高压电源输入，HV＿ OUT1 为被测电容的正端输入。预充电工位，电容的负端接地（同HV－）；测量工位时，电容的负端直接接入SM7420（I／ V）测试；放电工位时HV ＋接地，即可实现恒流放电。

图3 可编程恒流充放电及测试电路

3 软件部分

软件部分将分别介绍主流程框图、分仓判断依据、数据记录以及柱形图管理等。

3.1 测试分选主流程

测试分选主流程如图4 所示，需要考虑很多因素，如：（1）多通道测试时，如何实时地进行容量电桥的多通道测试的切换、数据采集；（2）如何避免GPIB总线上的数据冲突；（3）是否有电容残留需要强制清除；（4）依据NC、CPD、TV／ IR等数据如何判断对应的分选仓位；（5）如何实现分时管理和键盘、按钮等外部操作的实时响应。

图4 测试分选主流程

3.2 分仓管理

10 个仓位：RI（重测：C－IR／接触检测不合格等）、D－NG（损耗不合格）、TV.IR－NG（耐压／绝缘不合格）、C－ NG（容量偏低NG）、OK1、OK2、OK3、OK4、OK5、C ＋NG（容量偏大NG）。

分仓判断依据：

（1）电容在10 个工位中，有接触不良，或者容量测试为C－IR，则进入重测仓；

（2）电容在10 个工位中，无接触不良，但耐压／绝缘（漏电流）有不合格（超限），则分到TV.IR－NG；

（3）电容在10 个工位中，无接触不良，耐压／绝缘（漏电流）亦合格，则按照容量损耗测试来分拣。如：容量损耗测试仪的BIN1 ～Bin7 依次对应C － NG、OK1、OK2、OK3、OK4、OK5、C ＋NG，BIN10 对应D－NG仓位等。

3.3 电容测试数据记录及分仓、分轨查询等

每一个电容所包含的数据信息包括：轨道号／耐压充电NC／耐压测量NC／耐压绝缘（漏电流）值／耐压绝缘（漏电流）OK＿ NG／放电NC／反向绝缘充电NC／反向绝缘测量NC／反向绝缘（漏电流）值／反向绝缘（漏电流）OK＿ NG／放电NC／正向绝缘充电NC／正向绝缘测量NC／正向绝缘（漏电流）值／正向绝缘（漏电流）OK＿ NG／放电NC／容量Cp／损耗Df／ CPDBIN（仪表分仓）／ BIN（综合分仓）。其中，CH 为通道（轨）号，TV 为耐压，RIR为反向绝缘，HIR 为正向绝缘，NC 为接触检测，NG为合格／不合格的判断，BIN 为分仓（BIN1 － BIN10）。如图5所示。

图5 电容测试数据记录

根据完整的数据记录，可以分轨查询，通过该功能可以了解该轨的进料、电极、该轨预充电电路／测试仪器运行状态等数据信息；另外也可以分BIN仓位查询各BIN 的统计数据，用于核对分仓数据。

3.4 柱形图（直方图）

柱形图显示是一个很重要的软件功能，通过柱形图可以了解耐压／正向绝缘／反向绝缘（TV／ HIR／ RIR）和容量／损耗（CP／ DF）等数据分布情况，可以了解电容的质量、设备运行状态以及设定的工艺参数是否合理等数据信息。图6 所示为容量分布柱形图，最左边一列为容量值分布区间，每行柱形图对应该区间的容量分布；另外，左边一个柱形图为总体分布柱形图，其他的依次为第1 轨、第2 轨……的电容分布柱形图。

图6 容量分布柱形图

4 结束语

本文从电容的基本参数容量／损耗、耐压／绝缘四参数出发，结合单个电容经过多工位预充电－测量－放电以及耐压、反向绝缘、正向绝缘以及容量／损耗共10 个工位的接触检测结果、耐压／绝缘数据范围比对、容量／损耗分仓等数据，确定该电容的分仓。多轨（多通道）为多个电容同步充电／测试／放电作业以及容量损耗的Scaner多轨切换测试，效率成倍提高，同时介绍了测试分选控制流程以及恒流充电电路。在单通道或者多通道的电容、电感、二极管、发光二极管（LED）等SMD产品测试分选设备的开发和应用中，均具有很高的参考价值。