片式多層陶瓷電容多軌測試分選設備的設計

肖國龍，龔正平，武 果

（中科院廣州電子技術有限公司，廣州 510070）

0 引言

多層片式陶瓷電容有很多尺寸規格，如：0201、0402、0603、0805、1612 等規格，容量從0.5 pF～10 μF，甚至更大。所用材料的不同導致電容的不同特性和不同的用途［1－2］，如高頻電容、低頻電容、高壓電容、低壓電容等。不同的SMD電容測試內容（四參數：耐壓、絕緣、容量、損耗）和測試方法基本上相似，特殊用途的高頻高Q電容測試除外。

早期的SMD電容測試分揀基本上以單軌（單通道）測試為主，以日本Humo 四參數測試機、美國Paloma 測試機為主導。自從美國ESI公司推出了6 軌四參數電容測試分選設備［3－4］后，臺灣、日本的相關企業也先后推出了多軌測試設備。國內尚無其他自主研發的同類測試設備。

多軌測試在單軌測試架構的基礎上，增加了多圈同步測試和分選，其效率成倍提高。因此，研發該類產品，意義重大。從控制電路、可編程電源和測試儀器的通道數和測試效率角度出發，設備多數選擇的軌道數有2 軌、4 軌、6 軌和8軌。

目前國內這類設備基本上依賴進口，尚無自主研發的同類產品。自主研發該類設備在逐步搶占市場的同時，也可以壓低進口設備的價格。

1 設備功能介紹

1.1 電容四參數

電容四參數分別為：耐壓、絕緣、容量、損耗。耐壓［5］和絕緣均為漏電流測試即額定電壓下的漏電流值，或者換算成絕緣電阻（R＝V／ I）［6］。電容兩端加測試電壓，滿電后的電流即為電容的漏電流。容量與損耗［7］則對應為電容的容量值和損耗因子，很多參考文獻和網絡上均有相關資料，本文不作介紹。

絕緣包括正向絕緣和反向絕緣。多層片式陶瓷電容理論上是無極性的，但由于工藝的原因，或者材料、分散劑等原因，會導致電容正反向漏電流不同，一個方向測試合格反過來可能不合格。早在2002年做引線電容測試自動化設備測試的產品進行抽檢時，就發現該類電容存在極性問題，于是在檢測設備中增加了反向絕緣測試。同時期，國外的生產商也發現了此類問題，在設備檢測中，也開始增加了反向絕緣測試。另外，由于電容耐壓絕緣測試需要一步或多步預充電，否則漏電流值遠小于充電電流，導致無法準確測量。

電容測試完成后還需要放電，一般采用恒流放電。該電路較為簡單，但值得注意的一點就是不能過放，否則變成了反向充電。

1.2 多軌（又稱多通道）

常見的多軌測試分選設備分選盤共100n（n為軌道數，圖1所示為8 軌料盤），n組電容同時進行耐壓、反向絕緣、正向絕緣的預充電、測量、放電過程以及容量／損耗的流水作業，得到n個電容的基本測試參數，從而確定對應電容的分倉數據。

圖1 8軌料盤（電容測試盤）

2 硬件介紹

以圖2 所示的2 軌控制架構圖為例，設備的基本控制框架如下。

圖2 2軌控制架構

（1）伺服運動控制卡負責轉盤的運動控制和料斗的左右移動控制。

（2）GPIB卡級聯管理3 臺測試儀器，分別為Sight E4981A和日置的SM7420*2，其中：E4981A 負責容量和損耗兩個參數，通過SCANER通道選擇，控制不同軌道的容量和損耗參數的測試；SM7420 為4 路高阻測試儀，1 臺用于耐壓測試，1 臺用于正反向絕緣測試（漏電流或絕緣電阻）［8－9］。

（3）DI 輸入采集，采集面板按鈕、傳感器、接觸檢測信號等。

（4）DO輸出控制，分選氣缸、真空、恒流充／放電控制信號、振動進料控制、Scaner通道選擇控制等。

（5）COMn，1 臺0～500 V／ 0～400 mA可編程電源、1 臺0～1 kV／ 0～200 mA 可編程電源等，其中電壓、電流的編程、控制和工作狀態采集。傳輸速率選用115200 bit／ s。

下面將從工控機、測試電極、分選倉位以及恒流充放電電路4 部分來依次介紹。

2.1 計算機架構

計算機架構如下：

（1）工控機采用研華的NuPRO－E43（i5）主板；

（2）CONTEC SMC－4DF2－PCI 4 軸伺服驅動控制卡；

（3）CONTEC GP－ IB（PCI）FL × 1 GPIB － 488.2 通信接口卡；

（4）CONTEC PIO－64 ／ 64L（PCI）H × 1，64 路DI 輸入／ 64路DO輸出；

（5）CONTEC PO－32L（PCI）H × 1，32 路DO輸出。

2.2 測試的10 組電極

測試電極采用10 × 2 個獨立的電極，分別對應10 個工位，依次為：（1）耐壓充電；（2）耐壓測試（SM7420－ A）；（3）放電；（4）反向絕緣充電；（5）反向絕緣測試（SM7420－B）；（6）放電；（7）正向絕緣充電；（8）正向絕緣測試（SM7420－B）；（9）放電；（10）容量及損耗測試。

其中，2 軌耐壓（漏電流）測試采用一臺日置的SM7420測試儀（4 路2000 V），2 軌正反向絕緣（漏電流）測試另外采用一臺日置的SM7420 測試儀；容量及損耗測試采用Keysight E4981A，通過Scaner切換完成多通道的測試。

2.3 分選的10 個倉位

分選BIN倉位依次對應：RI（重測：C－ IR／接觸檢測不合格等）、D－ NG（損耗不合格）、TV.IR－ NG（耐壓／絕緣不合格）、C－NG（容量偏低NG）、OK1、OK2、OK3、OK4、OK5、C ＋NG（容量偏大NG）。2 軌則依此對應10 × 2 個獨立的分選氣缸（Bin1.1、Bin1.2……Bin1.10 ＆ Bin2.1、Bin2.2……Bin2.10）。

2.4 電容恒流充放電及測試電路

圖3 所示為恒流電路，對充電、測量和放電均適用的電路，其中電流的可編程范圍為0～50 mA，通過DA 編程可實現設定的恒流作業。而1～9 個工位通過不同的測試板的地址選通實現各自的控制。在充／放電電路中，還需要增加一個接觸檢測檢查，可有效保證充電過程的有效性，接觸檢測可以通過繼電器和Photo－MOS切換實現。再預充電和測量工位時，HV ＋為高壓電源輸入，HV＿ OUT1 為被測電容的正端輸入。預充電工位，電容的負端接地（同HV－）；測量工位時，電容的負端直接接入SM7420（I／ V）測試；放電工位時HV ＋接地，即可實現恒流放電。

圖3 可編程恒流充放電及測試電路

3 軟件部分

軟件部分將分別介紹主流程框圖、分倉判斷依據、數據記錄以及柱形圖管理等。

3.1 測試分選主流程

測試分選主流程如圖4 所示，需要考慮很多因素，如：（1）多通道測試時，如何實時地進行容量電橋的多通道測試的切換、數據采集；（2）如何避免GPIB總線上的數據沖突；（3）是否有電容殘留需要強制清除；（4）依據NC、CPD、TV／ IR等數據如何判斷對應的分選倉位；（5）如何實現分時管理和鍵盤、按鈕等外部操作的實時響應。

圖4 測試分選主流程

3.2 分倉管理

10 個倉位：RI（重測：C－IR／接觸檢測不合格等）、D－NG（損耗不合格）、TV.IR－NG（耐壓／絕緣不合格）、C－ NG（容量偏低NG）、OK1、OK2、OK3、OK4、OK5、C ＋NG（容量偏大NG）。

分倉判斷依據：

（1）電容在10 個工位中，有接觸不良，或者容量測試為C－IR，則進入重測倉；

（2）電容在10 個工位中，無接觸不良，但耐壓／絕緣（漏電流）有不合格（超限），則分到TV.IR－NG；

（3）電容在10 個工位中，無接觸不良，耐壓／絕緣（漏電流）亦合格，則按照容量損耗測試來分揀。如：容量損耗測試儀的BIN1 ～Bin7 依次對應C － NG、OK1、OK2、OK3、OK4、OK5、C ＋NG，BIN10 對應D－NG倉位等。

3.3 電容測試數據記錄及分倉、分軌查詢等

每一個電容所包含的數據信息包括：軌道號／耐壓充電NC／耐壓測量NC／耐壓絕緣（漏電流）值／耐壓絕緣（漏電流）OK＿ NG／放電NC／反向絕緣充電NC／反向絕緣測量NC／反向絕緣（漏電流）值／反向絕緣（漏電流）OK＿ NG／放電NC／正向絕緣充電NC／正向絕緣測量NC／正向絕緣（漏電流）值／正向絕緣（漏電流）OK＿ NG／放電NC／容量Cp／損耗Df／ CPDBIN（儀表分倉）／ BIN（綜合分倉）。其中，CH 為通道（軌）號，TV 為耐壓，RIR為反向絕緣，HIR 為正向絕緣，NC 為接觸檢測，NG為合格／不合格的判斷，BIN 為分倉（BIN1 － BIN10）。如圖5所示。

圖5 電容測試數據記錄

根據完整的數據記錄，可以分軌查詢，通過該功能可以了解該軌的進料、電極、該軌預充電電路／測試儀器運行狀態等數據信息；另外也可以分BIN倉位查詢各BIN 的統計數據，用于核對分倉數據。

3.4 柱形圖（直方圖）

柱形圖顯示是一個很重要的軟件功能，通過柱形圖可以了解耐壓／正向絕緣／反向絕緣（TV／ HIR／ RIR）和容量／損耗（CP／ DF）等數據分布情況，可以了解電容的質量、設備運行狀態以及設定的工藝參數是否合理等數據信息。圖6 所示為容量分布柱形圖，最左邊一列為容量值分布區間，每行柱形圖對應該區間的容量分布；另外，左邊一個柱形圖為總體分布柱形圖，其他的依次為第1 軌、第2 軌……的電容分布柱形圖。

圖6 容量分布柱形圖

4 結束語

本文從電容的基本參數容量／損耗、耐壓／絕緣四參數出發，結合單個電容經過多工位預充電－測量－放電以及耐壓、反向絕緣、正向絕緣以及容量／損耗共10 個工位的接觸檢測結果、耐壓／絕緣數據范圍比對、容量／損耗分倉等數據，確定該電容的分倉。多軌（多通道）為多個電容同步充電／測試／放電作業以及容量損耗的Scaner多軌切換測試，效率成倍提高，同時介紹了測試分選控制流程以及恒流充電電路。在單通道或者多通道的電容、電感、二極管、發光二極管（LED）等SMD產品測試分選設備的開發和應用中，均具有很高的參考價值。