飛針測試工藝研究及Z軸結構設計

呂磊，譚立杰，趙立華

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

電路組件的故障主要來自于3個方面：元器件故障、PCB（Printed Circuit Board,印刷電路板）基板故障和組裝故障，其中由于PCB基板制造和焊接缺陷引起的故障占了全部故障的一半。PCB基板故障一般是在制造過程中形成的，最為常見的故障表現為：不同網絡導體間的短路和相同網絡導體內的開路等。在元件組裝時或組裝后發現這些故障都將無法修復，而只能把組裝好的電路板報廢，造成經濟損失，因此，必須在組裝元件前進行裸板測試。測試的方式有針床（bed-of-nails）方式和飛針方式，兩者相比，飛針測試的整體性能要優于針床測試方式，它可以完成某些不能使用針床測試的PCB測試，是對傳統針床在線測試設備的一種改進。目前，飛針測試已經成為電氣測試一些主要問題的最新解決辦法，而這種設備最初就是為裸板測試而設計的。

1 飛針測試

根據飛針測試時固定被測基板的方式，飛針測試機的結構可分為豎立式和水平式。國外飛針設備豎立式和水平式都有，而國內飛針設備大多是豎立式。

雙面飛針測試系統是集機、光、電、計算機于一體的高自動化設備，是對PCB基板和LTCC（Low Temperature Co-fired Ceramic，低溫共燒陶瓷）(注)基板進行測試，找出基板內的開路、短路、潛在開路和潛在短路的檢測設備。按照測試方式的不同可分為開路測試、短路測試和電容測試。該設備適用于PCB基板和LTCC基板的小批量和中等批量的測試，是PCB和LTCC工藝生產線的關鍵設備之一。

1.1 飛針測試的工作原理

利用4個或8個完全獨立的移動測試針在軟驅控制下在被測基板兩面（前后各兩根或前后各4根測試針）進行三維運動并接觸到待測點（如圖1所示），測試儀通過給測試針施加一定的電壓、電流，得到不同的測試信號，從而判斷待測基板網絡的通斷情況，并把測試結果經軟件處理后打印輸出。

圖1 雙面飛針測試系統原理

1.2 飛針測試操作步驟

開機→設備初始化→安裝測試板→導入測試文件*.IPC→打開測試文件*.NET→設備校準→測試設置→選基準點→基準點對準→選擇測試方法→正常測試→生成測試結果→打印測試結果→結束

1.3 主要測試參數

通常測試主要是進行開路、短路測試，它的測試方法是利用兩點電流、電壓法；也可以選擇兩針或多針進行電容測試，該方法主要應用于具有標準金板、測試點非常多的情況。測試參數主要有：測試壓力、運動速度、Z測試距離、扎針量等重要參數：

（1）測試壓力。測試壓力是指直線電機帶動測試針測試基板時，測試針接觸基板的持續壓力。測試壓力太小，可能是測試針與基板待測點接觸不可靠；測試壓力太大，可能破壞基板被測點，使被測點上出現測試針留下的小凹坑，影響基板外觀。

（2）運動速度。運動速度分為高、中、低3種，高速運動時，測試效率高，但誤判率也相應提高；低速運動時，測試效率低，但誤判率也相應降低。推薦普通測試時采用中速，錯誤驗證時采用低速。

（3）Z測試距離。Z測試距離是由被測基板開始，測試針往復運動時向上抬起的高度，設置范圍為0～3 mm。測試距離影響測試效率，因為測試針抬高的距離長，需要的時間也長，但數值也不能太小，太小的話可能會因為基板表面不平整，使測試針沒有抬起就開始移動，嚴重時可能劃傷基板表面、損壞測試針。

（4）扎針量。扎針量是指當測試針接觸到被測基板表面后，繼續下降的距離，設置范圍為0～0.5 mm。一般數值越大，越能確保扎實，但當數值太大時，就會增大扎針壓力，有可能破壞基板焊盤。

2 Z軸機構設計

2.1 直線電機

Z軸機構（如圖2所示）采用直線電機驅動，相對于伺服電機、同步帶驅動主要優勢為精度高、反應速度快。Z軸控制采用位移、速度、力量控制模式，其自適應能力強，能夠彌補基板產生的變形，測試前先進行基板探高，確定Z軸伸出絕對位移量，在測試過程中大行程采用位移控制模式，接近基板時采用小行程力量控制模式，使測試針以可設置的壓力接觸基板測試點，到達控制測試壓力的目的，同時減小對基板測試點的沖擊和損傷。

圖2 Z軸機構

2.2 測試針

Z軸機構中比較重要的是測試針和針座結構設計，測試針先后選擇兩種方式，分別是針床用彈簧針（如圖3所示）和定制的實針（材料為鈹銅，表面鍍金）（如圖4所示）。最早采用針床用彈簧針主要原因是采購方便、有統一標準，可替換性很好，但在設備調試過程中，發現其很多缺點，如尖端角度大、彈簧伸縮引起針尖滑移等（針對其缺點將在介紹針座結構設計過程中詳細說明）。最后選用定制針，定制針的優點是可以根據我們的圖紙設計進行加工，很好的滿足設備結構需要，但相對于彈簧針缺點就是需要專門定制、采購不是很方便。

圖3 彈簧針

圖4 定制針

2.3 針座結構設計

由于飛針測試主要是電性能測試，針座結構設計時必須考慮測針與設備主體的絕緣性；直線電機在力量模式下，在相同推力時，其運動部分加速度與運動部分質量成反比，在允許范圍內運動部分加速度越大，達到測試基板面時間越小，因此需要運動部分質量近可能??；測試針有一定的使用壽命，當測試針出現磨損、彎曲時，可能影響測試數據，此時就需要更換測試針，同需要求針座結構能方便更換測試針。因此針座結構，需要達到的目的就是夾持測試針簡單、更換測試針方便、質量輕、不影響測試效率和不干擾測試結果，針對以上要求，在設備調試過程中持續改進了幾種方案：

（1）聚碳酸酯針架+鋁合金針座。最早采用的是聚碳酸酯的針架和鋁合金的針座（如圖5所示），聚碳酸酯的電絕緣性、高硬度及低密度，鋁合金的低密度，采用這兩種材料使Z向機構運動部分（這里的運動部分不包括直線電機線圈、導軌滑塊等固有的部分）質量很輕（大約10 g），但測試針更換不方便，鋁合金針座加工性不好，尤其裝針的針孔精度不容易保證，顯得比較笨重。

圖5 聚碳酸酯針架+鋁合金針座

（2）聚碳酸酯針架+分體式鋁合金針座。相對于上一種結構設計，這種采用分體式鋁合金針座（如圖6所示），這樣提高了鋁合金針座的可加工性，夾持測試針比較牢固，更換測試針的方便性有所提高，但還是方便。

圖6 聚碳酸酯針架+分體鋁合金針座

（3）一體式聚甲醛針座。采用一體式聚甲醛針座（如圖7所示）的最大改進是重量大幅減輕（大約5 g），更換測試針也比較方便。但是在直線電機高速運動過程中，由于聚甲醛針座臂比較長，會發生變形，影響測試針扎針定位精度。從CCD中會發現針尖有明顯偏移。

（4）鋁合金針架+聚甲醛針座。相對于上一種結構的缺點，我們更改為鋁合金針架和聚甲醛針座（如圖8所示），針架部分強度有大改進，不會因為高速運動產生變形，提高了扎針精度，但同時我們發現，測試針扎下瞬間是正確的，當加上測試壓力后，發現彈簧針發生回縮，由于測試針相對垂直方向20°傾斜，回縮的同時針尖發生偏移，對于設備的精度有很大的影響。

圖7 一體式聚甲醛針座

圖8 鋁合金針架+聚甲醛針座

（5）鋁合金針架+聚丙烯針座。對于上面產生的不利影響，我們改進為鋁合金針架和聚丙烯針座（如圖9所示），同時使用定制的實針。聚丙烯針座結構設計采用平行四邊形法則，具有彈性的針座使測試針相對于針座固定面近似于上下運動，很大程度減小針尖的偏移，針座的變形很好的吸收了測試針與基板接觸時產生的震動。定制的實針針尖錐度為12°，相對于彈簧針針尖部分30°的錐度，無論是扎針精度還是CCD觀測都有明顯改善。但鋁合金針架的加工性不好，高速運動時聚丙烯針座的老化現象也比較嚴重。

（6）分體式鋁合金針架+聚四氟乙烯針座+扭簧。這種設計（如圖10所示）是目前我們認為比較實用的方案，分體式鋁合金針架加工性很好，聚四氟乙烯針座去掉了夾針用的開口，使測試針與針孔過渡配合，加工性提高的同時，也使更換測試針更加方便。在聚四氟乙烯的后側增加了一個扭簧（如圖11所示），在測試過程中，使針座變形能夠快速恢復，提高針座的使用壽命。

圖9 鋁合金針架+聚丙烯針座

圖10 分體式鋁合金針架+聚四氟乙烯針座+扭簧

圖11 聚四氟乙烯針座+扭簧

3 結束語

PCP基板和LTCC基板正朝著高精密、細間距、多層化方向發展，使得其產品的測試難度越來越大。傳統的針床測試放大，由于受針床夾具測試間距的限制，越來越難以適應PCB和LTCC產品測試的需要。特別對具有批量小、產品更新快特點的軍品來說，如采用針床測試，必須頻繁更換針床夾具，這不僅增加了費用，還不利于產品的快速更新。因此，能夠測試微間距（0.1mm）的飛針測試設備是將來發展的趨勢。

本文通過對最新研發的雙面飛針測試系統的介紹，簡單介紹了飛針測試的主要工藝技術，并詳細介紹了Z軸機構的設計改進過程，為以后飛針設備的技術發展有重要參考價值。

[1]吳兆華，周德儉.表面組裝技術基礎[M].北京：國防工業出版社，2002.

[2]鮮飛.飛針測試的特點及應用[J]，世界電子元器件，2002(6):60-61.

[3]劉光壯，申永革.飛針測試儀伺服系統的研究，桂林電子工業學院學報，1996,16(4):60-65.