開爾文四線測試方式在PCB測試機中的應用

劉懿俊

（深圳市地質局，廣東深圳 518023）

0 引言

隨著科技的發展，手機、平板等數碼設備、醫療設備、對安全性要求高的汽車電子設備用線路板（PCB）的制作層數越來越高、線路越來越密、焊盤尺寸越來越小，使得更多的人要求進行低電阻高絕緣的電子測試。因為在這些PCB 中，部分PCB 線路不單是導線，同時還是信號線，線路阻值的變化會造成信號的延滯和衰減，從而引起功能性問題。同時PCB 如果存在孔內無銅、孔破、孔內銅薄、線路缺口等缺陷時會影響產品使用的安全性。

在通常情況下，PCB 開短路測試中的測試參數值-開路阻值設為25 Ω，線路阻值大于25 Ω時測試機判斷為開路，小于25 Ω時判斷為合格，對于阻值小于25 Ω的線路則無法精確測試出實際電阻值，25 Ω以下的線路成為測試盲區。在實際生產中發現PCB 的某些缺陷，如孔內無銅、空洞、銅薄、線過細、線路缺口等問題均會影響到線路阻值，當阻值小于25 Ω時，用通常的開短路測試方法來測試這些缺陷板時，測試結果為合格，當這些PCB 經過高溫焊接后阻值會發生變化，導致開路問題發生，引起產品缺陷。

低電阻測試是指在PCB 測試機在測試過程中將開路阻值設定到1 Ω甚至更低。傳統的兩線測試方法已經無法精確測試出如此小的阻值，現需將開爾文四線測試法應用于PCB 測試機中以達到精細阻值的測量。

1 PCB測量方法原理

PCB 測試機的基本測試原理是歐姆定律，其測試方法是向待測試點間加一定的測試電壓，用測試針選中PCB 板上待測試的兩個點，通過對電流的測定，獲得兩點間的電阻，從而判斷PCB 線路通斷的情況[1]。

1.1 普通二線式測量方法原理

通常的開短路測試方法即為普通二線測試，如圖1 所示，二線測試是目前測試機普遍應用的一種方案。

二線測試只有一個回路，所測得的阻值為r1+r2＋Rpcb，即所測得的阻值為饋線電阻和待測線路阻值之和，故無法精確測定被測PCB 阻值。但是因為線路板開路測試的條件一般為25 Ω，因而饋線電阻影響不大，可以忽略不計。二線測試的精度雖然不高，但是可以用來判斷一般線路因完全斷線、斷孔導致的開路。但是二線測試對低電阻線路的測試則無能為力。

圖1 二線式測量原理圖

1.2 Kelvin四線測量方法原理

Kelvin 四線測量是采用雙電橋線路結構削減附加電阻的影響[2]。

如圖2 所示，在雙電橋線路結構中，待測電阻Rpcb和橋臂電阻RN均為四端接法；R1、R2、R3、R4均為高阻值電阻，其中R3、R4構成雙電橋的“內臂”。

四端電阻外側的兩個接點稱為電流端。圖2（a）中A1、C1接電源回路，從而將其附加電阻折合到電源回路的電阻中。B1、B3兩接點用短而粗的導線相連，設B1、B3 間附加電阻為r。當若R1、R2、R3、R4及RN滿足一定條件時，可消減r對測量結果的影響。

圖2 Kelvin四線測量雙電橋及其等效電路

四端電阻內側的兩個接點稱為電壓端。四端電阻內側的兩個接點接高電阻回路或電流為零的補償回路。圖2（a）中，A2、C2端接觸電阻分別并入R1、R2；B2、B4 端接觸電阻分別并入R3、R4。由于R1、R2、R3、R4本身電阻很高，所以這些附加電阻對它們的影響可以忽略不計。此外，電壓端之間的部分即為低電阻本身，無另外的連接導線，故有效地消除了導線電阻的影響。

調節平衡，就是調節電阻R1、R2、R3、R4和RN，使B、D 兩處等電位，從而檢流計電流Ig=0。由圖2（b）中所示電流方向，由于R1>>r1，R2>>r2，R3>>r3，R4>>r4，可列出方程：

聯立可以解得

由于測試回路的輸入電阻遠大于饋線電阻，所以，此方法測量小電阻的準確度很高。

2 Kelvin測量方法的優點

對比現在兩線測試測試方法，Kelvin 測試方法由于可以精確測試出被測線路的阻值，所以可以檢測到PCB存在以下一些潛在的缺點：

（1）由于線寬不足而導致的微斷路；

（2）線寬正常，但是銅厚不足的線路；

（3）線路被腐蝕而帶有缺口或者凹陷；

（4）導電孔的電鍍銅厚度過薄；

（5）銀或碳灌孔時的缺陷。

這些缺陷可能在兩線測試時滿足設定的參數要求，但是隨著溫度、濕度、時間等因素改變，有可能使得缺陷顯露。而Kelvin 四線測試方法可以將其檢測出來。

3 結束語

開爾文四線測試方法是測試機技術的新發展，彌補了傳統二線測試不能測試低阻的缺陷。在測試機中應用四線式測試方法，可以減低不良PCB 的出貨率，也可以通過阻值檢測表搭配問題PCB 切片及圖片協助找出PCB 的問題點，及時發現流程異常，明確改善對策，減少生產報廢。

［1］趙英偉，龐克儉.Kelvin 四線連接電阻測試技術及應用［J］.半導體技術，2005（11）：43-50.

［2］劉新福，孫以材，劉東升.四探針技術測量薄層電阻的原理及應用［J］.半導體技術，2004（07）：48-52.