基于飞针测试的航空产品印制板组件测试技术研究与应用

杨志芹

摘  要：现有的测试设备（AOI和X-ray）很难达到较高的部件测试覆盖率，且印制板组件（PCBA）测试拥有的设备里目前只有AOI和X-ray，AOI和X-ray只能对PCBA元器件的外观、物理结构和焊接质量检测起到一定的作用，但无法检测元器件的参数特性。该文基于飞针测试仪研究印制板组件测试技术，以飞针测试工艺作为单板的动态测试手段之一，主要检测开路、短路、连通性、绝缘性、参数偏差和元器件不良等故障模式，提早发现生产过程的问题，降低航空电子产品质量一致性成本，产线通过静态测试与动态测试结合提升产品质量稳定性。

关键词：印制板组件；飞针；在线测试；测试设备；质量检测

中图分类号：V243     文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）10-000１-0５

Abstract： It is difficult for the existing test equipment （AOI and X-ray） to achieve high component test coverage， and among the devices owned by PCBA component testing， only AOI and X-ray are available. AOI and X-ray play a certain role in testing the appearance， physical structure and welding quality of PCBA components， but they cannot detect the parameter characteristics of PCBA components. In this paper， the PCBA assembly testing technology is studied based on the flying needle tester， and the flying needle testing technology is used as one of the dynamic testing methods of the veneer， which mainly detects the fault modes such as open circuit， short circuit， connectivity， insulation， parameter deviation and bad components， finds the problems in the production process early， reduces the quality consistency cost of avionics products， and improves the product quality stability through the combination of static test and dynamic test.

Keywords： Printed Circuit Board Assembly; flying needle; on-line test; test equipment; quality inspection

目前對于印制板组件（以下简称PCBA）的测试，需要使用万用表、示波器等测试工具并结合PCBA本身功能需要用到的调试软件[1]，在PCBA数量较少、测试时间要求不高的情况下，完全可以由测试工程师完成。但如果PCBA 需要实现批量测试，对测试效率、测试时间以及隐性的故障模式就会有很多限制，单靠一对一的人工去完成，很明显无法达到排除故障的效果和效率，故快速有效的测试技术是保证PCBA质量的前提。目前已投入使用的检测手段有自动光学检测（AOI）[2]和X-ray检测仪是通过金板图像与被测PCBA对比排除一部分外观缺陷，但由于是纯光学检测， 一些功能性、元器件失效等问题无法被诊断[3]。因此迫切需要引入一种自动化测试手段排除潜在故障。而飞针测试可满足这样的需求，可实现不同类型的PCBA独立编程，灵活性较高。本论文内容基于SEICA PILOT V8 NEXT飞针测试仪的应用展开印制板组件测试工艺技术研究与应用。

1  飞针测试简介

飞针测试仪是对传统针床在线测试的一种改进[4]，通用有8根测试探针，4根在正面，4根在背面，可测试最小焊盘间距150 μm。探针连接至测量单元，测量单元包括Aclam板、模数转换板、数字处理板、测量校准板及传感器等。工作时，被测单元（UUT）固定在轨道，伺服电机控制探针在X、Y、Z 3个方向移动，通过探针接触被测电路的焊盘、元器件引脚和测试点，对被测单元上的元器件进行检测。

飞针测试通常可检测开路和短路情况；测量电阻、电容、电感的数值，并将测量值与参考值进行比较，判断元器件装配正确与损坏；通过提供电源测试判断电源逐级输入输出的正确性；通过电容效应、二极管效应及寄生三极管效应测试IC芯片引脚焊接质量。

2  飞针测试技术开发

2.1  飞针测试程序设计流程

测试程序的编制是飞针测试中非常重要的一环， 优化程序一方面可以提高飞针的测试效率、覆盖率， 另一方面可以降低虚警率、漏报率。飞针测试程序设计流程如图1所示，其中，参数文件包含了元器件、网表拓扑结构[5]等信息，是飞针测试的基础。调试测试则是人工对测量中的一些细节进行微调，决定了测试的效率及精度[6]。

2.2  飞针测试程序设计

2.2.1  PCBA物理数据确认

首先测量与观察PCBA物理数据，比如尺寸、厚度、下针深度、安装方向、元器件布局、引脚间距和下针位置等。其次确认待检测印制板组件距板边至少3 mm内无影响夹持的结构件或者元器件，建议保留印制板组件原有的工艺边。最后，印制板组件不能焊接导线束，确保测试探针正常行走[7]。印制板组件表面要清洁干净且不允许三防涂覆，确保测试探针与焊盘充分接触[8]。

2.2.2  测试文件准备与转换

飞针测试系统主要需要PCB板的网表文件与BOM文件信息，其中网表文件包含PCB网络交联关系与元器件尺寸、位置信息等，BOM文件包括了所有元器件参数、位号、数量和封装信息等，编程人员需准备好PCB文件。

SEICA PLOTV8 NEXT 运行编程环境VIVA8.0，只能读取“*.nod，*.par，*.odb++”，无法直接读取“*.pcb”或“*.pcbdoc”， 而Altium designer绘制PCB文件，文件后缀名是“*.pcbdoc”，需在Altium designer 软件环境中导出ProtelPCB2.8 ASCII文件，后缀名为“*.pcb”，然后使用VIVA3.0软件将“*.pcb”转换成“*.nod”和“*.par”文件，才能使用VIVA8.0进行编程。

2.2.3  PCB下针点设置

对PCB板上所有元器件参考电容C、电阻R、电感L、集成电路U、二极管D、三极管Q、继电器J顺序，根据焊盘的实际情况设置强制下针点。设置规则为由难到易，即先设置接触稳定性最差的焊盘或测试点，最后设置接触稳定性最好的焊盘或测试点[9]。一般情况去除测试探针无法下针的位置，主要有以下位置：①有阻焊层的过孔；②通孔元器件焊盘；③BTC底部焊盘元器件（参考IPC—7093《底部端子元器件（BTC）设计和组装工艺的实施》定义类型，如BGA、QFN、SMD-1等封装器件）、CAK45系列电容、P6SMB系列二极管；④间距小于0.5 Pitch集成电路；⑤其他特殊封装器件导致无法落针情况。

设置好下针点之后，可点击Board Setup，再点击Coordinates Check and Autolearn进行下针点检查，确认飞针落针位置，应无扎偏、无错位、未扎至元器件本体情况。飞针测试下针点设置如图2所示。

2.2.4  设置禁飞区

如果一个板子上只有一个元器件比较高，其他的都非常低，为了提高测试效率，可以将元器件高的区域设置禁飞区，另外板厚和抬针高度两者相加不能超过40 mm。

2.3  飞针测试程序调试

飞针测试程序调试包括各类元器件参数、节点测试、绝缘测试和充放电测试等二十几类，下面以主要的几个方面阐述调试技巧与经验。

2.3.1  调试电阻类参数

电阻检测的关键参数有阻值、容差范围、检测电压、检测采样率、循环次数和隔离点等，其中阻值选取电阻的标称值或者多块合格印制板组件检测平均值。容差需要根据电阻在电路中的位置和电阻的质量等级综合考虑，一般选取10%。检测电压选取要求小于1 V，一般选取0.3 V，确保电路中元器件在加电信号测试过程中不损伤。检测采样率一般选取50%，过高的采样率会导致检测中的误报频发，影响检测效率。循环次数一般选择10次，即每次进行10次检测，确保检测成功性的同时还不影响检测效率。

2.3.2  调试电容类参数

电容的检测容差，根据电容的等级和网络影响进行设定，一般选择±15%适应大部分情况。电容的检测延迟时间，一般选择0 s，但遇到较大容值的钽电容则设定为1 s，确保钽电容完成充电过程，检测值的准确性才能有所保证。检测电压，一般设置为0.3 V，最大不能超过1 V，不超过极性电容的反向击穿电压，确保检测电容的安全性。

2.3.3  集成电路

飞针通过对集成电路引脚关联的二极管进行测量， 可以间接判断引脚的焊接质量， 该方法称为结电压扫描（junction-scan）。测量原理示意图如图3所示。在VIVA中设置AUTIC类型测试，使用无向量技术检查IC。二极管阳极接在被测单元的参考地（GND），二极管阴极连接在IC被测引脚。如果引脚焊接无误， 那么该信号通过保护二极管和GND 之间会形成回路， 探针即可检测到二极管的导通电压Von， 如果存在虚焊，探针则检测不到Von。

2.3.4  节点测试FNODE

FNODE用于测试被测单元与信号相关或相连的网络的情况，测试原理是使用电偶极子。它由恒定电阻、电容、电感组成，信号端输入一定频率的正弦波，另一个引脚连接GND，测量电流的大小及相位，FNODE利用FFT变换进行谐波分析测试。在VIVA中测试框图如图4所示，在调试环境中右下角可观察电流、电压及波形。

2.3.5  隔离调试技术

正常情况下，运用基本的电学原理， 即可完成对于LCR 的测量，在实际电路中，电路结构比较复杂，在基本电路原理上还要增加一些辅助方法进行调试。添加隔离点可以有效降低电路复杂度，能够精确检测被测元件，隔离调试技术如图5所示。Rx为目标器件，其右边的复杂电路会影响Rx的测量，实际测量中，通过将A、B两点等电势的方法，对Rx右边的电路隔离，从而得到Rx的测量值。

3  可测试性设计

原理图及PCB原始文件中对元器件命名及电气参数表示方法要求如下。

①阻容值表示方法应为数值和单位符号，如R1阻值应为10 K，不可记为103；②元器件位号命名方法为电阻类为R字母开头命名，排阻类为RP，电容类为C，电感类为L，二极管类为D，三晶管类为Q，集成电路类为U，连接器类为J，测试点类为TP等；③PCB電子文件中的元件标识/电气网络、数值应与原理图中保持一致。

电源网络、地网络、基准电压、通讯信号，每面每类网络应各加2～10个测试点。

电源的变换电路，可以各级输出端增加测试点，原理如图6所示。

高于7 mm的元器件会产生阴影区域，一般情况下测试点设置在距高元器件本体距离D以外，D取值范围为5.5～11.5 mm，计算公式如图7所示（供设计人员参考计算）。一般高于28 mm的元器件将设置禁飞区，不进行飞针测试，根据其重要性可考虑在相同网络其他元器件设置测试点。

注：h表示元器件标称高度；h'表示探针距离元器件顶部的最小高度，一般取3 mm；a表示探针与元器件高度之间的夹角；x表示由于探针投影产生的阴影距离；x'表示探针距离元器件侧边的最小距离，一般取2.5 mm；D表示元器件与“测试点或接触点”的最小距离（测试点需定义在尺寸D之外），一般建议取5.5～11.5 mm。

4  飞针测试应用

4.1  飞针测试判定原则

实际生产中，PCBA的情况比较复杂，选择飞针测试的PCBA，一是基于复杂度原则（复杂度定义如下）。

复杂度定义（参考）

Ci=（（Cz+Jz）/100）×S×M×D，

式中：Cz为板上元件总数；Jz为焊点总数；S为PCB单双面系数，单面板S=0.5，双面板S=1.0；M为器件混合程度，低混合度M=0.5，高混合度M=1.0（制造过程从封装进行考虑）；D为单板焊点密度，D=Jz/（L×W），L为单板长度，W为单板宽度测试过程从程序难度考虑。

低复杂度L：Ci<50。中等复杂度M：50≤Ci<125。高复杂度H：Ci≥125。

二是基于工艺流程确定了飞针测试判定基本原则：①清洗后，不能三防涂覆；②分板后需留有4 mm，否則不可分板；③带冷板的PCBA可分板可铆接扳手但不能安装锁紧机构；④冷板粘贴不能挡住Mark点和测试点了，Mark点设计位置不能太靠近扳手之类的机械零件；⑤不能焊接导线；⑥引脚间距小于0.5 mm和大型器件如电源模块、浪涌抑制器等通孔器件需要引出测点；⑦焊接面的条码、标签、丝印及扳手等不要挡住测试点。

4.2  验证程序

飞针测试程序的可行性、有效性和鲁棒性，可以从覆盖率、故障检出情况（虚警率、漏报率）、可重复性几个维度考量，本文因篇幅有限，以故障检出情况探究飞针测试的应用价值。

为了验证飞针测试程序的故障检出情况，选取某产品PCBA用于验证（如图8所示），数量28块，包括IC、阻容类、二级管、三极管等类型，抽取其中5块PCBA设置相同故障（序列号：0001、0008、0013、0014、0056），人为故障类型设置如下：①C2和C16调换；②R39和R57调换；③DD12二极管极性错；④U6的1#和2#脚短路；⑤Rw1和R41对调。

最终程序调试好之后，测试5块PCBA的5种故障类型分别保留测试报告，其中1份报告如图9所示。

验证结论：在某产品上运用飞针测试程序设计的方法，设置故障除DD12外其他故障现象都能检测出，其中DD12为P6SMB6.8CA双向TVS管，故无法检测为故障。

5  结论

本文以公司现有PILOT V8 NEXT飞针测试仪为研究对象，通过论述飞针测试原理，飞针测试技术以及可测试性设计，在某产品PCBA验证飞针测试程序的有效性、可行性和鲁棒性。总结了应用中的编程、调试经验，提炼出开展飞针测试的工艺流程判定及可测试性设计的要求，以便工艺人员、编程人员、设计人员应用飞针测试技术提供借鉴。通过大量PCBA测试证明，飞针测试技术可检测出大部分的器件焊接、LCR 故障， 大大提高了后级工序的生产效率，排除了部分潜在故障， 提高了PCBA的质量。

参考文献：

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