PCBA在線燒寫(xiě)和測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用

楊 清，石云皓

(1.科世達(dá)(上海)智能設(shè)備有限公司，上海 200241；2.國(guó)核示范電站有限責(zé)任公司，山東 威海 264312)

0 引言

伴隨電子科技的進(jìn)步以及表面貼裝技術(shù)(surface mounted technology,SMT)的發(fā)展，印刷電路板組件(printed circuit board assembly，PCBA)上的電子元器件功能越來(lái)越復(fù)雜，性能也越來(lái)越強(qiáng)大。該趨勢(shì)主要體現(xiàn)在體積不變或減少的情況下，元器件引腳密度的急劇增加[1-2]。譬如現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(field programmable gate array,FPGA)芯片，伴隨其產(chǎn)品的迭代和發(fā)展，內(nèi)部邏輯單元數(shù)量逐漸增多，隨之而來(lái)的則是外部I/O口數(shù)量的上升[3]。用戶對(duì)電子產(chǎn)品的需求逐年上升，電子產(chǎn)品廠商如何在保證產(chǎn)能的基礎(chǔ)上提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品的良率、對(duì)不良品進(jìn)行攔截以防止流入客戶，是PCBA生產(chǎn)商面臨的重要問(wèn)題[10]。同時(shí)，隨著電子產(chǎn)品的智能化的普及，需要進(jìn)行固件燒寫(xiě)的產(chǎn)品也在增加。燒寫(xiě)的過(guò)程如果過(guò)于冗長(zhǎng)，可能增加PCBA的不良率并且延長(zhǎng)生產(chǎn)時(shí)間，從而降低生產(chǎn)效率[4]。

本文旨在開(kāi)發(fā)一套可對(duì)PCBA進(jìn)行在線燒寫(xiě)和測(cè)試的設(shè)備，其包含硬件和軟件兩部分。在硬件上，為了保證設(shè)備的功能和拓展性，設(shè)計(jì)了一種可兼容多種PCBA和測(cè)量?jī)x表且可快速更換的針床式治具。在軟件上，基于模塊化開(kāi)發(fā)的前提[5-10]，使用C#開(kāi)發(fā)了配套的測(cè)試客戶端和各類(lèi)儀表對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件，以適應(yīng)多樣化的測(cè)試需求。相較于傳統(tǒng)的PCBA測(cè)試設(shè)備，系統(tǒng)加入了在線燒寫(xiě)的過(guò)程，將燒寫(xiě)和測(cè)試集成于一臺(tái)設(shè)備，減少了生產(chǎn)流程，提高了生產(chǎn)效率。該系統(tǒng)選題來(lái)源于上海某汽車(chē)零部件制造企業(yè)，開(kāi)發(fā)完成后成功應(yīng)用于該企業(yè)的多種汽車(chē)電子類(lèi)零部件產(chǎn)品測(cè)試。同時(shí)，由于在設(shè)計(jì)之初考慮到了拓展性，該設(shè)備可應(yīng)用于其他多種PCBA的燒寫(xiě)和測(cè)試，具有良好的應(yīng)用范圍和前景。

1 研究現(xiàn)狀和方法

隨著電子科技的發(fā)展，電路的復(fù)雜程度和集成度越來(lái)越高。這對(duì)PCBA測(cè)試工作帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。PCBA生產(chǎn)商和用戶都在致力于提升PCBA的檢測(cè)手段，以保證PCBA的出廠良率、返修效率、問(wèn)題定位速率等。目前，市場(chǎng)上常見(jiàn)檢測(cè)手段有人工目測(cè)(manual visual inspection,MVI)、在線測(cè)試(in-circuit test,ICT)、自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)(automatic optical inspection,AOI)，以及自動(dòng)X射線檢測(cè)(automatic x-ray inspection,AXI)。常見(jiàn)的PCBA檢測(cè)手段和特點(diǎn)如表1所示[1-2,6]。考慮到應(yīng)用范圍、成本等因素，本系統(tǒng)采用了ICT測(cè)試技術(shù)。

2 設(shè)計(jì)原則

2.1 PCBA常見(jiàn)故障

PCBA作為電子行業(yè)的重要部件之一，其故障原因和故障率一直是許多人研究的方向。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)踐累積，PCBA故障主要有以下幾個(gè)方面原因[5]。

①布局結(jié)構(gòu)不合理，受布線、周?chē)骷姶鸥蓴_。

②PCBA組件損壞，系統(tǒng)無(wú)法正常工作。

③器件自身不穩(wěn)定，導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法穩(wěn)定工作。

④虛焊、漏焊、錯(cuò)焊導(dǎo)致電路開(kāi)路或短路。

PCBA常見(jiàn)的故障類(lèi)型如圖1所示。

圖1 PCBA常見(jiàn)的故障類(lèi)型

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)可知，PCBA中常見(jiàn)的故障通常是器件故障。故本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要以PCBA上的器件作為主要測(cè)試對(duì)象。

2.2 測(cè)試技術(shù)和方法

根據(jù)測(cè)試對(duì)象電氣特性不同，可采用的ICT測(cè)試技術(shù)如下[7-8]。

①電阻：普通電阻，三線法、六線法。

②小電阻：大脈沖電流法、直流恒流源測(cè)量法、低頻交流電流測(cè)量法。

③電容：回路阻抗法、諧振法、振蕩法、充放電法、交流電橋法、雙諧振電容測(cè)量法。

④電感：諧振法、相位差法。

⑤二極管：利用其正向?qū)ǚ聪蚪刂固匦裕瑴y(cè)量正向壓降和反向漏電流。

⑥三極管：測(cè)試其放大倍數(shù)。

⑦互感器：測(cè)試器變比和角差。

⑧變壓器：測(cè)試器源邊和副邊的直流電阻。

⑨門(mén)電路/非時(shí)序集成電路：向量測(cè)試法，根據(jù)數(shù)字電路真值表，在輸入端輸入電平，測(cè)量其輸出是否符合真值表；非向量測(cè)試法，假設(shè)數(shù)字器件功能正常，測(cè)試數(shù)字器件與電路板連接故障。

2.3 測(cè)試流程規(guī)劃

在規(guī)劃測(cè)試流程時(shí)，除了要保證測(cè)試內(nèi)容覆蓋的范圍足夠廣、選擇的測(cè)試技術(shù)有效外，測(cè)試原則作為指導(dǎo)流程的基礎(chǔ)，其制定直接影響了測(cè)試的效率和測(cè)試的準(zhǔn)確性。通常測(cè)試流程按照以下原則規(guī)劃[5]。

①先看后量：在進(jìn)行測(cè)試之前，人工的目視檢查環(huán)節(jié)不可忽略，通過(guò)目視檢查，可以發(fā)現(xiàn)最基本的問(wèn)題(如PCBA完整性，明顯的漏焊、虛焊，引腳錯(cuò)誤等)，可以在正式測(cè)量開(kāi)始之前將部分不良件排除在外。

②先外后內(nèi)：通常情況下，處于外圍和次外圍的元器件最容易導(dǎo)致PCBA的損壞(電源/隔離/保護(hù)/轉(zhuǎn)換/通信等元器件)。優(yōu)先檢測(cè)外圍元器件，有助于快速定位問(wèn)題、節(jié)約檢測(cè)時(shí)間。

③先易后繁：越簡(jiǎn)單的元件，其問(wèn)題往往越容易發(fā)現(xiàn)，因此在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，通常從簡(jiǎn)單元件入手，逐步測(cè)量更加復(fù)雜的元件。同時(shí)，在測(cè)量過(guò)程中采用排除法，即“測(cè)試一個(gè)，通過(guò)一個(gè)”，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。

④先靜后動(dòng)：首先在PCBA未上電的情況下對(duì)電路板上的元器件進(jìn)行檢測(cè)，該檢測(cè)屬于靜態(tài)檢測(cè)；完成靜態(tài)檢測(cè)后，可對(duì)PCBA進(jìn)行上電，再對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，這屬于動(dòng)態(tài)檢測(cè)，動(dòng)態(tài)檢測(cè)偏向于PCBA的功能性能檢測(cè)，需要對(duì)PCBA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(如集成IC各引腳功能)有一定程度的了解才可以進(jìn)行。

3 設(shè)備開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

3.1 概念與開(kāi)發(fā)模型

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程圖

系統(tǒng)采用敏捷模型指導(dǎo)開(kāi)發(fā)過(guò)程，以需求為開(kāi)發(fā)導(dǎo)向，開(kāi)發(fā)內(nèi)容隨著需求變更而變更。同時(shí)，在執(zhí)行開(kāi)發(fā)時(shí)，通過(guò)建立并維護(hù)需求庫(kù)、測(cè)試流程集、軟件模塊庫(kù)實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)的可迭代性和工作量的最小化，并為用戶保留拓展和二次開(kāi)發(fā)的可能。

3.2 系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)分為硬件和軟件兩部分。系統(tǒng)框架圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)框架圖

3.2.1 硬件部分

(1)針床式治具。

針床式治具用于固定被測(cè)PCBA，同時(shí)，將其測(cè)點(diǎn)、I/O點(diǎn)(包含AI、DI、AO、DO等)、燒寫(xiě)點(diǎn)等與其他硬件連接。針床式治具三維示意圖如圖4所示。

圖4 針床式治具三維示意圖

主要部件功能如下。

①頂蓋把手：放入被測(cè)PCBA。

②針床：使用透明亞克力板作為底板，根據(jù)PCBA被測(cè)點(diǎn)位置確定探針位置，可根據(jù)被測(cè)件實(shí)際情況進(jìn)行定制和替換，將被測(cè)點(diǎn)引至D、E。

③頂蓋：使用透明亞克力板以方便觀察PCBA可能存在的觀測(cè)點(diǎn)(如LED燈)，根據(jù)PCBA實(shí)際外形和尺寸，確定固定柱位置和長(zhǎng)度，以固定PCBA。

④接插件板：從B引出的測(cè)點(diǎn)、I/O點(diǎn)，連接至繼電器矩陣卡、測(cè)量?jī)x表、電氣設(shè)備等。接插件可根據(jù)被測(cè)件實(shí)際情況進(jìn)行定制和替換。

⑤端口板：從B引出的燒寫(xiě)，連接至特殊信號(hào)等標(biāo)準(zhǔn)端口(如RJ45/RS-232等)，接插件可根據(jù)被測(cè)件實(shí)際情況進(jìn)行定制和替換。

(2)繼電器矩陣卡。

在測(cè)試過(guò)程中，需保證被測(cè)點(diǎn)在需要時(shí)處于連通狀態(tài)，在不需要時(shí)及時(shí)斷開(kāi)，以保證其不會(huì)干擾其他測(cè)點(diǎn)。

本系統(tǒng)使用繼電器矩陣卡實(shí)現(xiàn)上述功能。根據(jù)項(xiàng)目應(yīng)用的實(shí)際情況。選擇Pickering的50-513A-021、50-635-002以及50-132-002等型號(hào)的繼電器矩陣卡。其基于PCI總線，具有速度快、穩(wěn)定性高、耐用性好、二次開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

(3)燒寫(xiě)設(shè)備。

燒寫(xiě)設(shè)備用于被測(cè)件的在線仿真/燒寫(xiě)。本系統(tǒng)采用MicroPE的Cyclone Universal。其可應(yīng)用于如Kinetis、S32、LPC、S12Z、HCS08等多個(gè)8/16/32位架構(gòu)芯片的仿真/燒寫(xiě)。同時(shí)，該設(shè)備支持遠(yuǎn)程控制和多種編程語(yǔ)言的二次開(kāi)發(fā)，具有良好的測(cè)試應(yīng)用場(chǎng)景。用戶也可根據(jù)自身需求選擇其他型號(hào)的仿真器。

(4)測(cè)量?jī)x表。

測(cè)量?jī)x表用于產(chǎn)生測(cè)量所需的各種信號(hào)，并且接收PCBA的反饋信號(hào)。本系統(tǒng)中主要包括：數(shù)字式萬(wàn)用表Agilent 34465A，函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 Keysight 33511B，示波器Agilent DSO-X2012A，電子負(fù)載Chroma 63600等。用戶可根據(jù)測(cè)量?jī)?nèi)容和需求自行配制。

(5)工控計(jì)算機(jī)。

工控計(jì)算機(jī)用于運(yùn)行操作系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)的配套客戶端軟件，同時(shí)連接與客戶端相關(guān)的硬件以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制等操作，包括繼電器矩陣卡、燒寫(xiě)設(shè)備、測(cè)量?jī)x表等。本系統(tǒng)使用的型號(hào)是Advantech IPC-610。

(6)電氣設(shè)備。

電氣設(shè)備用于給硬件供電供氣，在本系統(tǒng)中供電包括220 V AC電源、可控直流電源Keysight E3644A、直流電源MEAN WELL MDR-60-12等。供氣主要用于針床式治具的機(jī)械動(dòng)作，在本系統(tǒng)中包括Bechoff EK110、Bechoff EL1859以及SMC SY3100等。

3.2.2 軟件部分

(1)產(chǎn)品固件。

燒寫(xiě)設(shè)備將固件燒寫(xiě)入被測(cè)PCBA中，產(chǎn)品固件由PCBA生產(chǎn)商提供。

(2)驅(qū)動(dòng)模塊。

驅(qū)動(dòng)模塊主要用于驅(qū)動(dòng)繼電器矩陣卡以及部分治具機(jī)械動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程中所需的通斷連接或治具替換。該部分基于C#開(kāi)發(fā)。

(3)算法模塊。

算法模塊主要用于測(cè)量過(guò)程中涉及的被測(cè)值計(jì)算，驗(yàn)收條件判定以及測(cè)量結(jié)果處理等。該模塊的輸入需求主要由生產(chǎn)商提供或用戶自行定義。

(4)顯示模塊。

顯示模塊各子界面功能說(shuō)明如下。

①向用戶提示當(dāng)前測(cè)試步驟執(zhí)行情況和用戶應(yīng)執(zhí)行的操作。

②當(dāng)前測(cè)試所花費(fèi)的時(shí)間，為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)判定效率或產(chǎn)能等提供參考。

③測(cè)試計(jì)數(shù)：通過(guò)計(jì)數(shù)是統(tǒng)計(jì)目前已通過(guò)完整測(cè)試的產(chǎn)品數(shù)量；失敗計(jì)數(shù)是統(tǒng)計(jì)目前未通過(guò)完整測(cè)試的產(chǎn)品數(shù)量；計(jì)數(shù)清零是對(duì)當(dāng)前通過(guò)計(jì)數(shù)和失敗計(jì)數(shù)置零。

④輸入密碼可進(jìn)入管理員模式。管理員模式下，可進(jìn)行一些高級(jí)權(quán)限的操作，如硬件調(diào)試、設(shè)置斷點(diǎn)、查看后臺(tái)通信數(shù)據(jù)等。

⑤控制按鈕：控制軟件的相應(yīng)操作。

(5)燒寫(xiě)模塊。

該部分用于實(shí)現(xiàn)PCBA的仿真/燒寫(xiě)，同時(shí)在動(dòng)態(tài)測(cè)量前和動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)對(duì)其進(jìn)行仿真/燒寫(xiě)，通過(guò)C#調(diào)用Cyclone的API接口，實(shí)現(xiàn)固件的燒寫(xiě)。

(6)數(shù)據(jù)/日志模塊。

數(shù)據(jù)/日志模塊用于保存測(cè)試過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和日志等，數(shù)據(jù)文件以日期和時(shí)間或生產(chǎn)商要求(如產(chǎn)品序列號(hào))命名，作為追溯依據(jù)。

3.3 應(yīng)用

該系統(tǒng)研制成功后，已應(yīng)用于上海某汽車(chē)零部件企業(yè)電子車(chē)間部分PCBA的燒寫(xiě)、標(biāo)定以及測(cè)試，有效降低了產(chǎn)線人工作業(yè)量，并且提高了相關(guān)PCBA的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。同時(shí)，由于在進(jìn)行概念規(guī)劃時(shí)保留了可供拓展的硬件軟件設(shè)計(jì)，在后期進(jìn)行較小工作量的硬件和軟件更改后，該系統(tǒng)即可成功應(yīng)用于多條PCBA產(chǎn)線。

4 結(jié)論

本文介紹了一種可實(shí)現(xiàn)PCBA在線燒寫(xiě)和測(cè)試的系統(tǒng)。相較于傳統(tǒng)的PCBA測(cè)試系統(tǒng)，在概念設(shè)計(jì)上，該系統(tǒng)采用了敏捷開(kāi)發(fā)模型，以用戶需求為導(dǎo)向，通過(guò)建立和維護(hù)需求集、測(cè)試流程以及軟件模塊的方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)用戶需求的快速響應(yīng)，而該系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)上又具有可快速更換以及可拓展的特性。同時(shí)，在軟件上，通過(guò)集成多個(gè)模塊的方式，涵蓋了常規(guī)用戶的主要需求。

在實(shí)際應(yīng)用中，該系統(tǒng)具有成本低、功能全面，結(jié)果準(zhǔn)確可靠、效率高且維護(hù)和二次開(kāi)發(fā)容易的優(yōu)點(diǎn)。

面對(duì)PCBA集成度越來(lái)越高的趨勢(shì)，采用針床式

治具引出測(cè)點(diǎn)的模式執(zhí)行起來(lái)將會(huì)越來(lái)越困難，這就需要在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初就要規(guī)劃后期需求。除此之外，還需要考慮整個(gè)產(chǎn)品線中如PCBA生產(chǎn)制造和針床式治具的加工精度等問(wèn)題。這將是整個(gè)PCBA行業(yè)需要面臨的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。