首頁 技术文库 AI与HPC时代 如何以飞针测试提升PCBA质量

AI与HPC时代 如何以飞针测试提升PCBA质量

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AI与HPC时代 如何以飞针测试提升PCBA质量

by ruby

发布日期:2024/3/19 飞针测试
发布单位:iST宜特

当发现产品有问题时,究竟是组件本身老化?还是组件上板至PCB才发生的异常,该如何厘清?又该如何排除异常呢?
飞针测试

在AI和HPC(高效能运算)等应用蓬勃发展下,IC制造商不断致力于研发效能强大、体积小巧的3D堆栈异质整合芯片,乘载芯片的PCB (印刷电路板,Printed Circuit Board) 因此往往具有高密度、多层数的特性,整体硬件成本极高,并对电气特性的质量提出了极高的要求。 飞针测试

在这样的趋势下,半导体行业迎来了一项关键技术-飞针测试 (Flying Probe Test)。这种技术不仅可帮助IC研发工程师在 PCB 和 PCBA (印刷电路板组件,Printed Circuit Board Assembly)阶段进行初期质量检查,还可以在可靠性应力测试后监控组件上板质量。若可靠性测试结果出现异常,亦可迅速厘清零件上板后(PCBA)产生的异常归责-是组件抑或是PCB等硬件问题,节省上市时间和成本。

飞针测试同样适用于车用市场,尤其在需要保证产品质量、确保人身安全的情况下,车用电子制造商更愿意投入成本,以确保产品一次通过,避免产品意外瑕疵导致客户退货和召回。另外,面对许多高温、高湿和高振动等实验,飞针测试亦能提供实验前后PCB的数值比较,减少人为量测可能出现的错误,提升实验质量。

本期宜特小学堂,我们将透过实际案例与您分享,飞针测试的最佳使用时机,以及它能如何帮助工程师在快速变化的半导体市场,以高效准确、测试覆盖率广的特点,结合数据数据分析,既提升BIB (Burn-In Board,老化测试板) 质量,亦进一步提升后续可靠性实验的通过率。

飞针测试

飞针测试

  • 一、飞针测试原理和种类

    速读飞针测试原理

    飞针测试,是用于测试PCB空板和PCBA的一种自动化测试。飞针测试使用八组独立的机械机构,正面四轴、背面四轴,藉由精密控制的测试探针,快速自动的于XYZ轴方向移动,精准接触到PCB上组件的引脚或接点,并通过信号产生器、注入电压电流、数字万用表和频率计数器,测试电路板和组件的连接性、电阻、电容等电性特性,以此用来取代传统的手动量测。

    飞针测试 飞针测试,是用于测试PCB空板和PCBA的一种自动化测试。飞针测试使用八组独立的机械机构,正面四轴、背面四轴,藉由精密控制的测试探针,快速自动的于XYZ轴方向移动,精准接触到PCB上组件的引脚或接点,并通过信号产生器、注入电压电流、数字万用表和频率计数器,测试电路板和组件的连接性、电阻、电容等电性特性,以此用来取代传统的手动量测。

    飞针测试可分为两大种类:

    (一) BBT飞针测试:

    于尚未上零件的PCB空板,透过飞针导通量测,判断每个线路之间有无开路(Open)、短路(Short)等异常,提高产品可靠性检查,简称BBT ( Bare Boards Test : PCB without components)。

    飞针测试 于尚未上零件的PCB空板,透过飞针导通量测,判断每个线路之间有无开路(Open)、短路(Short)等异常,提高产品可靠性检查,简称BBT ( Bare Boards Test : PCB without components)。

    图一:BBT飞针测试。(图片来源:宜特科技)

    (二) ICT飞针测试:

    ICT飞针测试,简称ICT ( In Circuit Test : PCB with components),即在PCB已安装组件的情况下进行的测试,这也是飞针测试应用的重点。可精确的测量组件引脚与焊盘间的各项电性数值,确切的区分良品、空冷焊和组件异常情况。ICT测试的范畴包括多种组件,主要有电阻(Resistor)、电容(Capacitor)、二极管(Diode)、MOSFET(金属氧化物半导体场效晶体管)、Jumper(短路帽/跳线帽)、Relay(继电器)、Voltage regulator(稳压器 / 电压调节器)。这种测试方式可以判断PCB上的各个组件是否在上板过程中发生故障,提供关键的测试数据,有助于确保工艺质量及组件功能正常运作。

    飞针测试 ICT飞针测试,简称ICT ( In Circuit Test : PCB with components),即在PCB已安装组件的情况下进行的测试,这也是飞针测试应用的重点。可精确的测量组件引脚与焊盘间的各项电性数值,确切的区分良品、空冷焊和组件异常情况。ICT测试的范畴包括多种组件,主要有电阻(Resistor)、电容(Capacitor)、二极管(Diode)、MOSFET(金属氧化物半导体场效晶体管)、Jumper(短路帽/跳线帽)、Relay(继电器)、Voltage regulator(稳压器 / 电压调节器)。这种测试方式可以判断PCB上的各个组件是否在上板过程中发生故障,提供关键的测试数据,有助于确保工艺质量及组件功能正常运作。

    图二:ICT飞针测试。(图片来源:宜特科技)

  • 二、宜特飞针测试的优点和应用

    以下我们将针对宜特提供的ICT飞针测试,列点说明此服务如何在可靠性实验阶段为工程师提供快速的测试和反馈,以缩短产品上市时间,提高竞争力。

    (一) 宜特ICT飞针测试三大优点:
    1. 不需开模客制ICT治具:
      宜特建置的ICT飞针测试的程序软件极具灵活性,能快速应对多种需求。不需要开模客制ICT治具,即可完成PCBA测试。即使当PCBA需要改版,或需要新增或减少某些被动组件时,也无需修改治具,这大大节省了时间成本及额外的成本开销。
    2. 高覆盖率:
      宜特可靠性实验室透过适当的测试程序和装置设计,可实现相对高的ICT飞针覆盖率,确保测试的全面性。特别是在PCBA的功能测试和连通性测试方面,面对硬件干涉的挑战时,精心设计的测试程序和装置是提高覆盖率的关键。
    3. PCB变形补偿机制:
      考虑到PCB制造过程中可能产生的微量变形(Warpage)而影响飞针测试,宜特提供的ICT飞针测试采用雷射扫描技术,在区块性扫描PCB板弯翘时,能够补偿探针的下针深浅度,以确保飞针测试的准确和可靠性。
    (二)飞针测试的四大使用时机:
    1. 生产流程中验证组件功能:
      ICT飞针测试能够在主被动组件SMT(Surface-mount technology,表面黏着技术)上板后,利用上电测试、连通性测试和组件测试等测试,确保组件是否正常运作,避免将损坏或不良的组件用于实验,并可厘清并过滤组件上板(PCBA)的问题,提高了生产的良率,并进一步确保可靠性实验过程的整体质量。
    2. 故障排除:
      实验过程出现异常时,飞针测试可以协助进行上件板的故障排除。遇到零件质量有疑虑,或产品批次不同,但使用同型号实验的板子,即可调阅实验前飞针测试数据,比对数据差异并加以分析。此外,ICT飞针测试亦适用于返修故障板的检查和维修。
    3. BIB板子老化确认:
      经过高温实验一段时间后,板子及组件难免会有老化问题,可以利用比对实验前飞针测试数据,找出老化的零件。
    4. 实验流程阶段:
      在汽车电子产品验证中常见的BLR (Board Level Reliability,板阶可靠性实验)测试,其实验目的为评估半导体组件在SMT上板后的可靠性和耐久度。在此阶段亦可运用ICT飞针测试来比对实验前后量测数值,针对高温、高湿、高震动等重复性高的实验项目,ICT飞针测试能够立即进行量测,因此较不受环境外在因素的影响而改变,可优化生产流程的可靠性和质量。
  • 三、实际案例分享

    接着,我们将分享宜特可靠性验证实验室,如何运用ICT飞针测试找出零件上板的故障点。以下将以四大案例为各位说明。

    (一) Pin to Pin短路问题

    当产品发现有线路短路的异常情形,需确认是PCB本身异常或是组件导致,本案例(图三)为Pin to Pin(引脚对引脚)的短路问题,以肉眼评估,难以找出异常点,但透过飞针对PCB上的线路进行测试,即能轻易抓出哪条线路存在短路异常。相较之下,若采用人工检测,将花费大量时间和成本,运用飞针机可快速、精准的发现问题,而后续仅需解决溢锡状况即可。

    飞针测试 当产品发现有线路短路的异常情形,需确认是PCB本身异常或是组件导致,本案例(图三)为Pin to Pin(引脚对引脚)的短路问题,以肉眼评估,难以找出异常点,但透过飞针对PCB上的线路进行测试,即能轻易抓出哪条线路存在短路异常。相较之下,若采用人工检测,将花费大量时间和成本,运用飞针机可快速、精准的发现问题,而后续仅需解决溢锡状况即可。

    图三: 肉眼难以发现的pin脚溢锡异常,运用飞针测试即可快速发现问题。(图片来源:宜特科技)

    另一起案例(图四)为产品socket(芯片测试插座)上的引脚发现有线路短路的异常情形,运用飞针测试排除了PCBA的异常后,最终发现了其机构件存在的问题。

    飞针测试 另一起案例(图四)为产品socket(芯片测试插座)上的引脚发现有线路短路的异常情形,运用飞针测试排除了PCBA的异常后,最终发现了其机构件存在的问题。

    图四: 以飞针测试快速排除了PCB板材问题,找出短路真因。(图片来源:宜特科技)

    (二) 被动组件损坏导致电阻量测异常

    因PCBA上的被动组件损坏导致电阻异常,若以传统方法客制ICT测试治具需耗时数天至数周,运用ICT飞针测试透过探针精确接触待测组件上的测试点位,进而量测被动组件(电阻、电容),即可快速发现组件数值是否异常。

    飞针测试 因PCBA上的被动组件损坏导致电阻异常,若以传统方法客制ICT测试治具需耗时数天至数周,运用ICT飞针测试透过探针精确接触待测组件上的测试点位,进而量测被动组件(电阻、电容),即可快速发现组件数值是否异常。

    图五: 组件损坏,导致电阻值量测出现异常。(图片来源:宜特科技)

    飞针测试 因PCBA上的被动组件损坏导致电阻异常,若以传统方法客制ICT测试治具需耗时数天至数周,运用ICT飞针测试透过探针精确接触待测组件上的测试点位,进而量测被动组件(电阻、电容),即可快速发现组件数值是否异常。

    图六: 电容立碑,造成量测电容值产生异常。(图片来源:宜特科技)

    (三) Jumper错位导致导通异常

    先进工艺中PCBA上的电子组件通常繁杂、密集,即使仅有一颗Jumper未上件,也会导致异常。在这种情况下,使用飞针进行开路和短路测试,精确的测试各个联机点之间的连通性,快速且有效的方法找出问题所在。一旦找到了开路或短路的问题点,只需补回Jumper即可解决问题,无需对整个PCBA进行大范围的检查,节省了时间和人力成本。

    飞针测试 先进工艺中PCBA上的电子组件通常繁杂、密集,即使仅有一颗Jumper未上件,也会导致异常。在这种情况下,使用飞针进行开路和短路测试,精确的测试各个联机点之间的连通性,快速且有效的方法找出问题所在。

    图七: Jumper未插,导致量测导通异常。(图片来源:宜特科技)

    飛針測試 一旦找到了开路或短路的问题点,只需补回Jumper即可解决问题,无需对整个PCBA进行大范围的检查,节省了时间和人力成本。

    图八: Jumper错位,导致量测导通异常。(图片来源:宜特科技)

    (四) 脚位空焊问题导致量测到异常电压

    宜特可靠性验证实验室以ICT飞针测试进行Voltage regulator量测时,发现导通出现异常,即可精准定位出空焊的IC脚位位置。

    飞针测试 宜特可靠性验证实验室以ICT飞针测试进行Voltage regulator量测时,发现导通出现异常,即可精准定位出空焊的IC脚位位置。

    图九: 脚位空焊问题,导致量测电压异常。(图片来源:宜特科技)

宜特可靠性实验室观察,随着先进工艺和新技术的不断演进,IC堆栈技术日益成熟。在这样的背景下,愈来愈多的消费性或车用电子IC制造商,已采用ICT飞针测试技术,发挥其高效准确和测试覆盖率广的特点,结合数据数据分析,有效提升了故障组件的定位率,以及后续可靠性实验的通过率。

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