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1、摘要本文分类介绍各类PCB特征及相关测试要求，并从原理上分析了现有PCB电性测试的技术，通过对电性测试方法的比较，总结出PCB电性测试技术的趋势1.序言随着半导体制造技术的高速发展，IC 器件集成度迅速提高，安装技术已经从插装技术（THT）过渡到表面安装技术，并已走向芯片级封装技术(如图 1-1)。同时由于通迅技术的发展需要，要求信号的高速传递，PCB 作为传送信号的主要渠道，致使PCB 向高密度（HDI）发展成为必然。高密度（HDI）PCB 的制程设备发展已经较为成熟。其表现是：第一，激光钻孔技术已经大量应用；第二，高密度（HDI）的主要应用技术，如HDI 制造工艺ALIVH、B2IT 在国
2、外大量应用。但是关于 HDI 的测试手段，却没有太多的文献考究，而且由于PCB 密度的提高，导致开短路故障比率大幅提升。故绝大部分PCB 厂商在投资测试设备时都不具备完善的评估手段。笔者编写本文的宗旨是希望能使PCB 行业同仁们了解到较全面、较系统的PCB 测试现状及未来的发展趋势。表 1-1 电路组装技术的进步组装类型通孔插装技术（THT）表面安装技术（SMT）芯片级封装（CSP）面积比较（组装面积/芯片面积）80：17.8：1 1.2：1 典型代表元件DIP QFP BGA BGA 典型元件I/O 数1664 32304 1211600 1000 图 1-1 电路组装技术的发展名师资料总结
3、-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 14 页 -2、PCB 电性测试技术电性能测试主要是测试基板线路的导通性(Continuity)及绝缘性(Isolation)，导通性测试是指通过测量同一网络内结点间的电阻值是否小于导通阀值从而判断该线路是否有断开现象，即通常所说的开路；绝缘测试是指通过测量不同网络的结点间的电阻值是否大于绝缘阀值从而判断绝缘网络是否有短路现象。随着线路密度的增加，电性能测试的难度也虽之增加，相继产生了新的测试技术以应对 PCB 行业的发展。导致测试难度增加的主要因素有：基板表面的PAD 大小、PAD 跨距（Pitch）、导线间距缩小使导通孔径缩小，PAD 表面
4、镀层的压痕限制、测量阻值精度要求的提高、测试速度要求的提高等因素。下面将从测试原理上对当今PCB 测试的解决方案加以阐述。PCB 电性能测试从原理上可分为两类：电阻法测试和电容法测试；电阻法测试又可分成二端式测试、四端式测试；按照测试探头是否与PCB 完全接触划分又可分为接触式测试和非接触式测试，关系如下图所示：图 2-1 PCB电性测试分类2.1 两端式测试在接触式测试中两端式测试是目前普遍应用的一种方案，测试的精度虽然不高(1),但是用来名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 14 页 -判断线路的开短路已经能满足绝大部分的线路板的需要,因四端式测试还不能满足高密度的
5、线路板测试,只有在密度不高埋阻埋容类的线路板上应用.2.1.1 原理简述其等效电路如图(4)图 2-2等效电路图Vt 为施加在测试两端的电压，通常在导通测试时小于15V，绝缘测试最高达300V。I 为恒电流，保证测试时流过电路的最大保护电流，通常在导通测试时小于 100mA。绝缘测试时为数十微安到不超过10mA。(注：IPC-9252 规定此电流不应超过此范围，否则有可能造成线路损坏。)；KH为高电流端流入的开关，KL为低电流端流入的开关，开关矩阵可以由高压晶体管或场效应管(MOS-FET)配对组成，配对数则为测试机最大可测试点数；V 为测量电路，在图中导通测试时A、B为同一回路中的两个测试点
6、，则 RL+RS=VT/I。RS 为回路接触电阻，实际测试时，则要减去（通常为经验值）。所以此测量方法并不是很准确，通常只能做到最小10 欧姆的最小导通阀值。绝缘测试时，A、B 分别为两个网络端点，V 在实际测量时，要被放大100K 倍左右才能测量出数十微安的漏电。RL=V/VT.A(A为放大倍数)2.1.2 与 PCB 测试点连接的方法主要有三种方式，一是有夹具测试，探针按照线路板的测试点位置排布在测试夹具上与PCB相应的测试点相连；二是无夹具的移动探针式测试（又称飞针测试），该种方式只有几根探针，探针在线路板上快速移动与测试点接触；三是JP 导电胶测试，利用电胶的各向异性实现连接。2.1.
7、2.1.专用测试使用绕线或电缆连接的方式制做的夹具，通常称为专用夹具。图 2-4 专用测试结构图利用专用夹具测试称为专用测试优点：结构简单，技术难度小，设备成本低。缺点：密度高，点数多时，成本最高，所以在高密度测试时，一般不推荐使用。在日本，由于测试针的尺寸可以做到非常小(0.1mm 所以在小面积的高密度测试时，也较常使用此类测试，但一般配置CCD 系统或移动夹具测试。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 14 页 -2.1.2.2通用测试利用通用测试夹具与具有标准密度点阵的针床进行测试称为通用测试图 2-5 通用测试结构图如图 2-5 其中测试夹具上的探针一侧与线路板
8、的测试Pad相接触，另一侧与针床接触，针床上按照固定间距排列弹簧针点阵，弹簧针再与电子扫描系统相连接。标准网络又分为单密度（100 点/平方英寸），双密度（200 点/平方英寸），四密度（400 点/平方英寸）。（如图 2-6）单密度很难满足高密度PCB 测试需要，双密度和四密度则极为普遍地在高密度PCB 测试上应用。优点：夹具成本低廉，测试针及附件可重复使用，适合大批量生产。缺点：设备成本相对高，不能实现低阻（小于10 欧姆）测试。2.1.2.3 飞针测试飞针测试是测试探头在线路板上快速逐点移动来完成测试，一般是先利用电容法测试,当测得电容不在合格范围内时再用电阻法进行准确确认。每个测试探头
9、由精密的传动系统控制运动位置，位置精度可达到0.01mm,故可以测试密度较高PAD 较小的线路板,飞针测试也无需测试夹具,又节省了夹具制作成本，但是飞针测试的速度与夹具式测试相比,就非常地慢,且探头的寿命也不如人意，只能适合批量较小的生产。飞针测试机按照装板方式分立式和卧式,按照探针头数量分有2 头、4 头、8 头、16 头甚至 32 头.2.1.2.4.JP 夹具（垂直导电橡胶）JP 治具是由一种特殊的导电材料PCR（Pressure sensitive Conductive Rubber）及PTB(Pitch Translation Board)制做而成，该材料的导电性能具有各向异性的特点
10、，PCR 材料只有在Z 轴向下受压的方向形成电流导通，横向绝缘。测试不需要夹具，只需传送板作为介质，因质地较软且与线路板以面相接触，故不会对 PAD 表面造成损伤性压痕。其垂直导电的单元非常小，可达到 0.07mm2所以也可以对密度非常高的线路板进行测试。（如图 2-8）图 2-6 单密度图 2-7 双密度图 2-8 四密度名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 14 页 -2-8 JP 夹具优点：夹具安装时间短，开短路测试通过率高。缺点：导电胶寿命短，要定期更新。否则的话，它会把线路盘严重地污染掉。2.2 四端式测试（四线测量/Kelvin 测量）2.2.1.原理四线测
11、量是将恒流源电流流入被测电阻Rpcb 的两根电流线和电压测量端的两根电压线分离开，使得电压测量端的电压不再是恒流源两端的直接电压，（如图 2-9）所示。图 2-9 四线测量线路图从图中可以看出，四线测量法比通常的测量法多了两根馈线，分开了电压测量端与恒流源两端连线。由于电压测量端与恒流源端断开，恒流源与被测电阻Rpcb、馈线 RL1、RL2 构成一个回路。送至电压测量端的电压只有Rpcb 两端的电压，馈线 RL1、RL2 电压没有送至电压测量端。因此，馈线电阻RL1 和 RL2 对测量结果没有影响。馈线电阻RL3 和 RL4 对测量有影响，但影响很小，由于测试回路的输入阻抗（M级）远大于馈线电
12、阻（级），所以，四线测量法测量小电阻的准确度很高。这是对导通性能测试的最精确的方法（如图）此方法测量精度可分辨到10m，最适合高频线路测试。2.2.2.实现方法由于四线测量需在每个测试点上种两根针，随着PCB 的线路密度不断提高，四线测量的实现将越来越困难，目前公布可以用该方法测试的厂商并不多，主要有移动探针厂商Hioki和PCR PTB 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 14 页 -Microcraft，专用测试则有日本电产READ，专用测试的实现方法是与JSR材料搭配，很多技术数据并未公布，除日本外，其它地区目前并未有使用。2.1.电容法测试如图 2-10 所示
13、，测试板下面有一个参考电极板，每个长度不同覆盖面积不同的线路与参考电极之间会产生一个固定的电容量，当有断路或短路发生时，该电容量将会有所变化，将测得的电容值与参考值对照来判断是否合格。当断路发生在距离网络端点很近的位置时，那么线路多的一侧电容变化将非常小，而线路短的一侧产生的电容变化将非常大，所以即使很小的断路也能被检测出来。用电容法进行测试时，每个端点只需要与测试探头接触一次，不象电阻法测试中那样需多次与同一点进行信号注入，省去了很多的测试步数，提高了测试速度。图 2-10 电容法测试从测试原理上看，电容测量是取决线路图形产生电容量大小判断，精度取决于电容分辨率，Hioki 公布的数据为5A
14、f(5 x 10-6 pf)，分辨容量越小，阻值分辨越高，但如果是大型系统PCB（以下为 A 类），其大部分使用电压较高，电流较大，则不推荐使用此方法测试（电容测试并不使用高电压，所以耐压值不能测试）。此方法测试最为适合IC 封装基板，FPC 类 PCB。此测试方法的优点为测试速度快，缺点为测试精度低2.4.非接触式测试目前，应用触脚探针的测试方法在测试高密度电路板时会遇到几个主要问题。第一个问题是探针间距的物理极限。0.2mm 的针间距应该是探针列阵的极限距离，如此高的密度需用特制的专用夹具来实现，这类技术一般都为专利技术，这些夹具的成本是非常昂贵的，往往令 PCB 厂家难以接受。第二个问题
15、是，触脚探针在测试期间可能会遭到严重损坏或污染。要与高密度电路板的每个PAD 进行精密的电接触，要求要有很高的压力,有时难免会产生压痕，对于一些要求高的线路板这当线路不存在断路时，则 Cx=Cx1+Cx2 当线路存在短路时，则C x=Cx1 当线路断路时，电容值低于参考值，当线路短路时，电容值高于参考值。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 14 页 -是不充许的。当有压痕存在的PAD 经焊接后的连接性能很容易受到机械力的影响，尤其是活动的端点。JP 测试系统可以降低对PAD 的损害，但是其寿命却很短，并且要定期更新。否则的话，它会把线路盘严重地污染掉。第三个问题是，在
16、测试时线路板表面如果不够清洁，比如经常会不导电的粉尘介于探针与PAD之间，则有可能导致该线路的短路漏测。而该种现象发生后往往很难找到漏测的根本原因，因粉尘脱落后，测试设备往往又能检测出该短路的存在，会造成疑惑与争议，但又因没有证据而无法追究设备生产厂家的责任，因此而产生的争议往往是以不了了之而告终。总之以接触的方式进行电性能测试要通过各种方法来保证每一个接触点的良好接触，必然会有测试品质和成本的矛盾存在。因此，需要有一个适当的非接触电测试技术来解决接触测试中的技术屏障。2.4.1.非接触测试的基本原理非接触测试除测试夹具外，系统的基本构成同传统的接触式电性测试系统相似。在非接触测试线路设计中，
17、夹具中装有非接触式传感器及信号输出器，代替了原来的探针，信号输出器从被测线路较稀疏的一端注入交流信号，由交流信号所产生的电磁波在线路较密集的另一端发射出来，非接触传感器可侦测到并解读电磁信号，从而判断线路是否断开，可探测到 50 微米线距及间距的高密度回路区域的电压变化。非接触式传感器部分包括Flash Probe、Flash Shock、和 Flash Common，信号注入部分包括夹具及探针（同于接触式测试），探针置于测试点较稀疏的一测。最大测试密度可达1mil 的线宽及1mil 的间距，为日益讲求快速及低测试成本的IC 基板测试提供了有效的解决方案。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精
18、心整理-第 7 页，共 14 页 -图 2-11 Non-Contact Capacitive Sensor测试表 1-1 非接触式测试数据测试内容测试数据开路测试探针间测试阀值范围:10-20 kOhm 探针对 Flash Probe阀值范围:+/-10.5dB 短路测试探针间测试阀值范围:6-100 kOhm 漏电测试50 kOhm 100MOhm（电压 50 200V）测试速度探针间测试短路时间:200 ms 探针间测试开路时间:200 ms 探针&传感器测试开路时间:400ms 探针间测试漏电时间:800 1000 ms 测试点数标准点数:2048 特殊点数:4096 图 2-12 非
19、接触测试优点：非接触式传感器不需要完全按照测试板上的线路排布，使夹具结构简化。探测短路及漏电测试都可通过探针完成。开短路探测时间短。非接触测试不会造成压痕，这按原来传统的电测试方法是无法做到。提供了一个成本相对较低的测试高密度线路的方法。缺点：非接触测试中，存在有0.8mm 宽的区域不能探测的缺陷，如果线路分布较复杂，线路分布在线路板的两面及内层上，将影响到传感器探测信号的准确性，这个问题需要对线路板的布线及传感器设计进行改善。3.1.各类 PCB 特征以及相关测试要求详见附表（一）名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 14 页 -3.2.各类 PCB 电性测试的方法与
20、趋势详见附表（二）结论：从以上分析可知，不同类型的PCB 测量，可采用的测试方法不能千篇一律，线路板的生产者必须在测试的品质与成本之间做出选择和让步,具体测试方法的采用，主要取决于以下几个要素：PCB 类型PCB 性能要求量产能力综合测试成本针对不同的市场需求，将各种测试方法组合在一起，互相补充不足之处,发展不同类型PCB 测试设备，则是大势所趋，未来 PCB 测试设备的发展趋势，应当会在以下几个方面有所突破：密度瓶颈克服 CSP、COF、COG 封装。位置精度的瓶颈精度单位将为 m 级。测试阻值精度的瓶颈将要突破0.1，并需满足无源元件测量。压痕要求无压痕。参考文献：1 林金堵、梁志立、陈培
21、良.现代印制电路先进技术.中国印制电路行业协会CPCA 及印制电路信息杂志社PCI 发行2 LG PCB.LG Electronics Inc.Brief Introduction3 IPC9252.4 Yuji Odan&Shogo Ishioka 非接触测试文献附表一：各类 PCB特征以及相关测试要求分类应用范围典型相关测试技术参数及发展趋势面积层数测试点中心距线径/线距阻抗控制埋阻/埋容A 背板 /高密度大型主板（HDI）光纤网络系统CDMA/UMTS 系统名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 14 页 -传输系统1ft 8ft 438(86)8000 10000
22、0 20(mil)8(mil)4/4(mil)2/2(mil)10%5%/互联网设施服务器等图例：Backplane(38 Layers)HDI(12 Layers)B.混合埋容埋阻板数据库网络RF电源放大器航天航海系统/438 8000 20(mil)4/4(mil)10%5%R:1010M CDMA 互联网设施100000 8(mil)2/2(mil)C:10Pf-450Pf 图例：Buried Resistor ZBC(26 Layers)Telflon+Epoxy/Getek Rogers+Epoxy/Getek 附表（一）：（承接上表）分类应用范围典型相关测试技术参数及发展趋势面积层
23、数测试点中心距线径/线距阻抗控制埋阻/埋容C.挠性 PCB数码相机LCD 2/2(mil)名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 14 页 -PDP/28/20(mil)/手机等8(mil)0.6/0.6(mil)图例：Main Chip on Glass FPCB for Mobile Image Sensor Main Chip on Film Type (Mobile)(LCD Module)(3 6 Layers)(Camera Module)Folder (PDP TV)D.封装基板存储咔(MMC、XD.)LSI 逻辑板DDR/SRAM/24/20(mil)1
24、.5/1.5(mil)/RF 设备等8(mil)0.6/0.6(mil)/图例：RS MMC PBGA CSPImage Sensor SiP(4 Layers)BoC(4 Layers)(4 Layers)(2 Layers)(0.06mm Thin Core)(System in Package)(2 Layers)附表（一）：（承接上表）分类应用范围典型相关测试技术参数及发展趋势面积层数测试点中心距线间/线距阻抗控制埋阻/埋容ENMBI(积层板)数码相机主板手机主板3/3(mil)数码录像机主板/28/20(mil)/RF模块主板等8(mil)0.8/0.8(mil)名师资料总结-精品资
25、料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 14 页 -图例：NMBI Structure(1+4+1)Bump Interconnection NMBI Structure(2+4+2)Bump Interconnection Mobile Phone(6 Layers)(0603 Chip Mount)Mobile Phone(8 Layers)BGA mount+OSP)(0.5 Pitch名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 12 页，共 14 页 -附表二：各类 PCB电性测试的方法与趋势分类测试要求测试困难度典型测试方法及优缺点导通性绝缘压痕专用（固定式及移动式）通用测
26、试优点缺点优点缺点A类高密度主板及背板1（IPC-9252要求为 50，但不能满足高频线路）10M 100M Vt100Vt250Vt (IPC-9252 Level C)测试针压力120g(除特别要求外）1.面积较大，一般通用测试最大为 2419.2，大于此面积要用专用夹具1.可测面积较大1.夹具成本高1.夹具成本低1.面积大于2419.2 不能测试2.设备成本低2.夹具安装维护困难2.夹具装拆快2.密度（含 20mil pitch BGA3.适应大批量3.导通最小密度只能实现 103.适应大批量2.导通最小只能实现 103.点数（部分测试要分拆两次测试或移动探针测试）B类混合埋阻埋容板1（
27、IPC-9252要求为 50，但不能满足高频线路）10M 100M Vt100Vt250Vt (IPC-9252 Level C)测试针压力120g(除特别要求外）1.面积较大，一般通用测试最大为 2419.2，大于此面积要用专用夹具暂不支持暂不支持电容测量2.密度（含 20mil pitch BGS)3.点数（部分测试要分拆两次测试或移动探针测试）但阻容元件需另选ICT 测试或选择有阻容元件测量的设备。（部分移动探针有此功能）（阻容测量除外）名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 13 页，共 14 页 -附表二：（承接上表）分类测试要求测试困难度典型测试方法及优缺点导通性绝缘压痕
28、专用（固定式及移动式）通用测试优点缺点优点缺点C类挠性板1（IPC-9252要求为 50，但不能满足高频线路）10M 耐压要求大于使用电压 2 倍无压痕1.密度：接点密度大的部分无法用探针1.固定夹具式可适用低端PCB 部分高密度无法测试不适用2.挠性变形3.无压痕2.移动精密夹具，可测试高密度 PCB，适应量产及100%还原电性D类封装基板110M 耐压要求大于使用电压 2 倍无压痕1.密度仅能作绝缘测试，另加AOI 测试不能作导通测试，影响品质不适用2.无压痕E类积层板110M 100M 耐压 100250V 不明显1.密度1.可测面积较大最适用双/四密度2.设备成本低3.适应批量名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 14 页，共 14 页 -