在線測試機的系統架構及測試原理
<概述>
對於電子電路板插焊組合的廠家而言¸品質穩定與功能適用的『在線測試機』(In Circuit Tester¸簡稱ICT)¸是大家夢寐以求的·因為電子電路板上的電子零件動輒數十至數千個¸不管使用手動或自動插焊而言¸漏插、錯插、冷焊、錯位或零件故障¸可說很難避免·
上述不良狀態¸若依賴人工檢查既費時且不可靠¸雖然在成品出廠前通常會實施功能測試(Functional Test)來驗證產品品質¸但是這種測試只能判斷電子電路板的合格與否¸並無法指示不良的零件¸仍然須依賴訓練有素的技術人員來檢修之¸依然是費時且費工·
ICT最主要的功能是可以從電路板中¸精確的檢驗與指示出不良的零件¸並可說明其不良原因·因此若在電路板插焊完成時¸先執行ICT檢驗¸則可以解決大部份有關漏插、錯插、冷焊、錯位或零件故障等不良的事件¸藉以提升電路板製作之品管的能力·
<系統架構>
如圖1所示為本公司所推展之ICT-3700NT『在線測試機』的系統架構圖¸茲分別說明各單元的功能¸敘述如下 :
一、直流量測板(DC Measurement Board):
1.產生定電流源(Constant Current Source).
2.產生定電壓源(Constant Voltage Source).
3.執行隔離(Guarding)及高阻量測(High Resister Testing).
4.短路/開路比較(Open/Shirt Compare)及類比數位轉換(ADC).
5.執行電阻及電壓量測.
二、交流量測板(AC Measurement Board):
1. 產生交流波型(AC Waveform)¸頻率可由100Hz ~ 1MHz.
2. 接收AC信號經放大及濾波後轉換成與有效值(RMS)之直流信
號.
3. 執行相位偵測(Phase Detecting).
4. 處理後之DC信號再送至直流量測板.
一、系統板(System Board):
1.連接個人電腦之界面卡( I/O Card).
2.經由兩組50p排線傳送1~27片開關板之解碼.
3.做為直流量測板及交流量測板與電腦間之界面.
二、功能板(Function Board):
1.執行積體電路掃瞄測試(IC Scan Testing).
2.配合惠普公司之HP TestJet¸執行積體電路量測.
3.執行自我測試(Self testing).
4.提供電路板功能測試(Functional Test)之電源與控制.
三、開關板(Relay Boards):
1.做為量測系統與針床之界面
2.交/直流信號源之傳輸·
3.量測信號之傳輸·
4.針點之選擇·
四、個人電腦:
1. 主機 : PC/AT及以上版本皆可適用·
2. 印表機 : 為了解省空間之佔用¸一般使用小型點矩陣印表
機(Dot Matrix Printer)¸如Star DP8340.
3. I/O卡 : 做為量測系統與個人電腦間之傳輸界面·
4. 軟體 : 提供下述之功能 :
(1) 電路板量測執行·
(2) 檔案之讀取、開啟、儲存、刪除、及建立等處理·
(3) 系統及測試狀態設定·
(4) 系統自我診斷·
(5) 探針座標碼偵測·
(6) 電路板短路/開路狀態學習·
(7) 電路板欲測零件特性參數編輯·
(8) 螢幕畫面編輯及調色·
(9) 報表及資訊列印控制·
五、機構: 含壓床及工作桌(如圖2)¸說明如下 :
1. 壓床 : 使用氣壓缸為動力¸帶動壓板及壓條¸將待測電路板
均勻且緊密地與探針接合·
2. 工作桌 : 用以擺置整個卡夾(Card Cage)、電腦及電源供應
器¸並做為壓床的基座·
六、針床 : 針床的製作須依據待測電路板的GERBAL File圖檔¸來
設計安排探針的座標位置·
七、電源供應器 : 用以提供整個系統所需之直流電源¸如+5v、±
12v、+24v及+56v(高壓用)等·
<量測原理>
一、隔離(Guarding)原理 :
隔離為ICT很重要的一種應用技術¸乃是將待測零件相連接
的零件給予隔離¸使待測零件的量測不受影響¸如圖3所示¸應
用電壓隨耦器(Voltage Follower)之輸出電壓與其輸入電壓相
等¸及運算放大器之兩輸入端間虛地(Virture Grund)的原理¸
使得與待測零件相連的零件之兩端同電位¸而不會產生分流來影
響待測零件之量測·
經由隔離之實施後¸流經R2的電流幾近零¸不致影響R1之
量測·
二、電阻的測試原理 :
1. 定電流測量法 : 如圖4所示¸為常被使用之電阻的測量法¸
須實施配合隔離配合之·
2.定電壓測量法: 對於與大電容並聯的電阻而言¸如果使用前
述之定電流測量法¸須要較長之充電時間¸
因此使用如圖5所示¸應用運算放大器之反相
放大器原理¸實施定電壓測量法較佳·
3.相位測量法 : 當電阻與電容並聯¸或電阻與電感並聯時¸使
用相位測量法可一併測量出電阻與電容(或電
感) ; 此法為送出交流電壓源至待測零件¸利
用相位差來分別量測出電阻與電抗所形成之電
壓¸而計算出電阻與電容(或電感)之值·
三、電容的測試原理 :
1. 交流定電壓測量法 : 如圖6所示應用運算放大器(OPA)之反相
放大原理¸可計算出電容之值·
2. 直流定電流測量法 : 對於較大值之電容(3uF以上)¸使用直流
定電流對電容充電¸由於充電電壓與其
充電時間成線性關係¸故可由之斜率(如
圖7所示)¸來計算出電容之值·
3. 相位測量法 : 與上述量測電阻之相位測量法相同·
三、 電感的測試原理 : 使用上述之相位測量法·
四、 二極體的測試原理 :
1.普通二極體採用如圖8a所示之順向電壓測量法¸來辨別
二極體的好壞·
2. 若為Zener二極體¸則採用如圖8b所示之反向崩潰電壓測量
法¸來辨別Zener二極體的好壞·
五、 電晶體的測試原理 :
如圖9所示¸分別從電晶體的集極(Collector)與基極(Base
)各送電壓¸再由集極與射極之間的電壓(Vce)¸來辨別電晶體的
好壞·
六、光耦合晶體的測試原理 : 如圖10所示¸
1. 輸入端 : 應用二極體的測試原理為之·
2. 輸出端 : 於輸入端加上順向電壓¸由集極與射極之間的電壓
(Vce)¸來辨別光耦合晶體的好壞·
七、積體電路掃瞄測試(IC Scan Testing) :
一般的積體電路(IC)在其輸入端¸皆有電壓夾止二極體(
Clamping Diode)¸如圖11所示¸因此量測該電壓夾止二極體
¸可辨別積體電路的好壞·
但是積體電路的輸入端常會多個並聯¸因此須如圖11所示
¸利用二極體內阻並聯會降低阻值的原理¸當加上定電流電源
後¸可由量得之順向電壓來辨別積體電路是否有斷線或故障·
八、HP TestJet 測試技術 :
美國惠普(Hewlett Packard)科技公司於1994年發表『
HP TestJet Technology』測試技術¸大大改善了ICT 對積體電
路(尤其是SMD型IC)的測試¸ICT製造者須向惠普公司購買專利
許可¸才可使用該技術·
如圖12所示¸為HP TestJet 測試技術的示意圖¸其原理說
明如下 :
1. 經由探針加200mV/10kHz的信號於測試點·
2. 由於IC內核至IC腳之間的佈線¸與TestJet 測試板所形成
微小電容(約200 femto Farads¸即200 fF)¸femto表示10
之-15次方·
3. 經由上述微小電容的耦合¸若IC內部未斷線及接腳焊點正常
¸則在TestJet 測試板上可收到10kHz的信號¸若無信號則
表示IC內部斷線及接腳焊點不正常·
<未來展望>
·使用視窗平台或圖控軟體¸使之更具親和性¸讓使用者更
容易操作·
·依客戶需求¸增建功能測試¸提供客戶更完整的測試服務·
·隨新零件等出現¸不斷研究改進測試方法·
·應用人工智慧(Artificial Intelligence)¸或光學影像處
理等先進技術¸來提升ICT的軟體技術¸及測試之廣度·
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