ICT檢測(cè)技術(shù)原理研究

隨著空調(diào)技術(shù)和元器件集成化技術(shù)的發(fā)展，使得電路板的線路布局有復(fù)雜化、多元化、集成化的特點(diǎn)。電路板中的電子元器件小型化、引腳密集化對(duì)器件質(zhì)量檢測(cè)篩選具有一定的挑戰(zhàn)性。在線測(cè)試技術(shù)(In-Circuit Test，ICT) 作為電子產(chǎn)品印制板元器件的重要測(cè)試手段已被大多數(shù)電子企業(yè)所采用，具有覆蓋率高、定位精準(zhǔn)、易操作等特點(diǎn)。^[1]本文主要介紹了在線測(cè)試原理、測(cè)試優(yōu)化方法以及測(cè)試局限性。

1 在線測(cè)試技術(shù)原理

目前在線測(cè)試技術(shù)（ICT）技術(shù)主要是針對(duì)PCBA（印刷電路板）焊接故障（如開短路、虛焊、脫焊、立碑等）和物料異常（如錯(cuò)插、漏插、反插、多插以及物料內(nèi)部結(jié)構(gòu)異常等）。某公司采用針床式ICT 測(cè)試技術(shù)，借助針床夾具完成測(cè)試過程，精準(zhǔn)測(cè)量PCBA 中組裝的電阻、電容、電感、跳線、二極管、三極管、光耦等通用和特殊元器件的參數(shù)值，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)值判斷故障類型，ICT 對(duì)不同器件的測(cè)試方法原理各不相同。

1.1 電阻測(cè)試原理

電阻“R”的測(cè)試類型元件有碳膜電阻、金屬膜電阻、熱敏電阻、片狀電阻、水泥電阻等，電阻的測(cè)試方法分為三種：分壓測(cè)量法、恒壓測(cè)量法、四針測(cè)試法。

1.1.1 分壓測(cè)量法

由圖1 可得：Rx=Vx*Rs/Is 或Rx=Vx*Rs/(Vs-Vx)，兩公式中前一個(gè)需測(cè)兩個(gè)未知量Is 與Vx，而后一個(gè)只需測(cè)1 個(gè)量Vx 所以后一種算法測(cè)量速度快，但由于它用Vs 作已知量，（12 位的DA 經(jīng)放大后的輸出）相對(duì)Is（14 位的AD 加高精度的儀表放大器）精度較低，所以快速測(cè)量法速度快但精度（3%~5%）不如普通方法（1%）。

圖1 電阻分壓測(cè)量法原理圖

1.1.2 恒壓測(cè)量法

圖2 恒壓測(cè)量法原理圖

由圖2 可知：該法與分壓法區(qū)別為存在并聯(lián)電容，且因Rs 對(duì)信號(hào)穩(wěn)定時(shí)間不利，利用閉環(huán)反饋將其消除，但由于電路采用大回路的閉環(huán)反饋，有時(shí)會(huì)不穩(wěn)定，產(chǎn)生自激（與外電路結(jié)構(gòu)有關(guān)）。

1.1.3 四針測(cè)量法

對(duì)于（0.1~100）Ω 電阻的小電阻使用四針測(cè)量法，測(cè)量原理如圖3 所示。

圖3 四針測(cè)量法原理圖

由于所有探針接觸點(diǎn)都存在接觸電阻，而且在多次重壓及不同的被測(cè)板間這種接觸電阻的變化較大，如果用直接兩針法測(cè)量，這種接觸電阻的變化將直接影響測(cè)量結(jié)果，使小電阻的測(cè)量變得很不穩(wěn)定。

改用四針電橋法測(cè)量后PIN1與PIN2是信源發(fā)出針，PIN3 及GPIN1 是被測(cè)電壓返回探針，由于電壓采樣放大器的輸入電阻極高，所以在“返回探針接觸電阻”上的電流及壓降很小，能準(zhǔn)確測(cè)得被測(cè)電阻的真實(shí)端電壓?；芈冯娏鞯拇笮‰m然與“源接觸電阻”大小有關(guān)，但在每次測(cè)量中，被測(cè)電阻的端電壓與回路電流的比值僅與被測(cè)電阻值有關(guān)。

1.2 電容測(cè)試原理

電容“C”的測(cè)試元件類型有瓷片電容、獨(dú)石電容、片狀電容、電解電容、金屬膜電容、風(fēng)機(jī)電容等，電容的測(cè)試方法分為4 種：分壓測(cè)量法、虛地測(cè)量法、恒流源測(cè)量法、三針測(cè)量法。

1.2.1 分壓測(cè)量法

由圖4 可得：Cx=|Is|/（|Vx |*Rs）/2πf-Co； 或Cx=Rs*（Vs2-Vx2）^1/2/ 2πfVx - Co， 當(dāng)被測(cè)電容較小時(shí)（小于1 nF）分布電容Co（容值約1 nF）比被測(cè)電容還大，使測(cè)試精度大大下降，故此法適于測(cè)量1~10 μF 電容。

圖4 電容分壓測(cè)量法原理圖

1.2.2 虛地測(cè)量法

圖5 電容虛地測(cè)量法原理圖

1.2.3 恒流源測(cè)量法

如圖6 所示，Cx=T*Ix/Vx，其中T 是供電時(shí)間，Ix 是恒流源，Vx 是在T 時(shí)間內(nèi)電容兩端的電壓變化量。

圖6 電容恒流源測(cè)量法原理圖

1.2.4 三針測(cè)量法

三針電容極性測(cè)量法原理如圖7 所示，由于電解電容管腳對(duì)外殼的電容量相差較大所以圖中電壓V₁ 與V₂會(huì)有較大差異，由此可判斷電容的極性是否裝反，對(duì)于較大的電容由于容抗較小使得信號(hào)源驅(qū)動(dòng)困難，因此常降低頻率測(cè)量。

圖7 電容三針測(cè)量法原理圖

圖8 電感分壓測(cè)量法原理圖

1.4 跳線測(cè)試原理

跳線”JP”測(cè)試法是測(cè)量通斷，通過測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間直流電阻判斷跨接線的安裝情況，JP0 以兩點(diǎn)間短路為正確，JP1 以兩點(diǎn)間開路為正確。標(biāo)稱值不必輸入，默認(rèn)為20 Ω，當(dāng)給定1~100 間的數(shù)時(shí)，短路的判定將以給定值為準(zhǔn)（誤差10%）。

1.5 二極管、三極管測(cè)試原理

二極管和三極管測(cè)試是通過PN 結(jié)測(cè)試，其結(jié)構(gòu)中具有PN 結(jié)特性，IC、光耦、數(shù)碼管等器件部分引腳可按“PN”測(cè)試，PN 結(jié)的測(cè)試方法有3 種：曲線測(cè)量法、正反向測(cè)量法、電感并聯(lián)測(cè)量法。

1.5.1 曲線測(cè)量法

當(dāng)PN 結(jié)正向?qū)〞r(shí)電流與電壓的關(guān)系是非線性的，如圖9 所示，測(cè)量這種非線性可以區(qū)分雙向PN 結(jié)與普通電阻。所以在判斷某兩電間是否有PN 結(jié)特性時(shí)常用此法。

圖9 PN結(jié)特性曲線

1.5.2 正反向測(cè)量法

本方法用一定的原電阻分別對(duì)被測(cè)點(diǎn)施加正反向兩種電壓，對(duì)普通PN 結(jié)將得到V₁、V₂ 兩個(gè)不相等的電壓，而對(duì)于雙向PN 結(jié)（或反并聯(lián)的兩個(gè)PN 結(jié)）V₁與V₂在絕對(duì)值上是相等的，但某一方向上的PN 結(jié)壞了或反裝了都會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，所以本法可以一步測(cè)量?jī)蓚€(gè)PN 結(jié)。

圖10 雙向PN結(jié)特性曲線

1.5.3 電感并聯(lián)測(cè)量法

用高頻交流源驅(qū)動(dòng)PN 結(jié)及電感，使電感呈現(xiàn)高阻態(tài)，正反向PN 結(jié)兩端電壓波形如圖11 所示，分別讀取正反向峰值可判斷PN 結(jié)的安裝情況。

圖11 電感并聯(lián)測(cè)量波形圖

1.6 光耦測(cè)試原理

光電藕合器“OP”最少是四個(gè)端子，兩個(gè)發(fā)光控制端和兩個(gè)受光被控端，只有真正的進(jìn)行發(fā)光控制才能測(cè)試其好壞，所以我們采取四端測(cè)量方法先在控制側(cè)不驅(qū)動(dòng)，測(cè)量被控測(cè)的電壓，以測(cè)試光藕的關(guān)斷特性，然后以（5~10）mA的電流驅(qū)動(dòng)發(fā)光側(cè)，被控側(cè)電壓將下降，由此可檢測(cè)其導(dǎo)通特性。

圖11 光耦四針測(cè)量法原理圖

1.7 隔離點(diǎn)測(cè)試原理

GUARD是保護(hù)的意思，通常用在多個(gè)器件串并聯(lián)的電路回路中。

電流源信號(hào)時(shí)：電流會(huì)在HI-PIN 通過C₁、R₁ 分流，因此會(huì)提供G₁、G₂ 點(diǎn)隔離，此時(shí)，V_hi = V_G1 = V_G2，因此，GUARD PIN 位于HI-PIN 串聯(lián)點(diǎn)，即高點(diǎn)分支點(diǎn)。電壓源信號(hào)時(shí): 為防止節(jié)點(diǎn)L0 有外電流通過C₁、R₁ 流入，應(yīng)加G₁、G₂ 點(diǎn)隔離，此時(shí)，V_lo = V_G1 = V_G2，因此，GUARD PIN 位于HD PIN 串聯(lián)點(diǎn)，即低點(diǎn)分支點(diǎn)。

比如3 個(gè)電阻首位相接，有3 個(gè)測(cè)試點(diǎn)，每1 個(gè)測(cè)試點(diǎn)放1 個(gè)探針分別是A, B, C；當(dāng)測(cè)試其中1 個(gè)電阻時(shí)，需用到A, B 而GUARD 設(shè)定為C。實(shí)際上是在C 針上加1 個(gè)與A 針相等的電勢(shì)，保證電勢(shì)只從A 流向B 這樣A, B 之間的測(cè)試值只是這1 個(gè)電阻的值，而不是電阻的并聯(lián)值。電勢(shì)是從高電勢(shì)流向低電勢(shì)。

圖12 隔離點(diǎn)測(cè)試原理圖

圖13

2 在線測(cè)試優(yōu)化方法

2.1 元件測(cè)試精調(diào)的常用方法

1）加隔離針，對(duì)阻值偏小的電阻和容值偏大的電容進(jìn)行隔離。

2）加延時(shí)，適當(dāng)增加延時(shí)時(shí)間使信號(hào)穩(wěn)定。

3）增、減測(cè)試電壓，增加電壓可增加信噪比，減少電壓可防止飽和與串?dāng)_。

4）升、降測(cè)試頻率，升高頻率可使電阻對(duì)電容和電感的影響降低，降低頻率可使噪聲減少。

2.2 元器件測(cè)試轉(zhuǎn)化方法

PCB 電路板涉及多種元器件，不僅是電阻、電容、電感、光耦、二極管、三極管這些器件，還會(huì)涉及固態(tài)繼電器、芯片、蜂鳴器、陶振晶振等。ICT 測(cè)試根據(jù)每種元器件的不同引腳所組成的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行轉(zhuǎn)化測(cè)量，以固態(tài)繼電器和芯片為例。

2.2.1 固態(tài)繼電器

固態(tài)繼電器是一種無觸點(diǎn)開關(guān)器件，是全部由固態(tài)電子元件所組成的。列舉某公司經(jīng)常使用的一種固態(tài)繼電器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如下所示，一種AC 型負(fù)載的可控硅輸出光電耦合器，由二極管、雙向二極管、雙向可控硅等組成。ICT 測(cè)試固態(tài)繼電器，針對(duì)不同引腳特性進(jìn)行區(qū)別測(cè)試：①腳和②腳按照二極管特性即PN 結(jié)測(cè)試數(shù)值大?。?① 腳可替換為③ 腳/④腳），③腳和④膠按照跳線JP 方式測(cè)量開短路（①和③、①和④均可），根據(jù)其光電耦合的特性，①腳、②腳、⑥腳、⑧腳4 個(gè)腳按照光耦特性O(shè)P測(cè)試，⑤腳和⑥腳按照電阻特性R 測(cè)試數(shù)值。

圖14 固態(tài)繼電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 芯片

芯片，是高集成電路部件，內(nèi)部線路包含晶體管、電阻、電容、電感等器件。某公司經(jīng)常使用的2003 控制芯片，為達(dá)林頓管陣列驅(qū)動(dòng)電路，內(nèi)含七組NPN 型達(dá)林頓管，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)電路圖如圖15 所示。

圖15 2003芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖16 為電路中一個(gè)通道的達(dá)林頓管線路圖，其中T₁ 作驅(qū)動(dòng)管，T₂ 為輸出管，D₁ 是輸出端保護(hù)二極管，用于驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載時(shí)作保護(hù)用，虛線連接的是寄生二極管，GND 與圓片P 型襯底相連接最低電位，各端口連圓片N 型區(qū)域，故各端口對(duì)GND 有1 個(gè)寄生的PN 結(jié)二極管。根據(jù)電路管腳特性可知：輸入腳與GND 腳存在電阻關(guān)系，即① ~ ⑦腳與GND 腳按照“R”方式測(cè)量數(shù)值；輸出端、公共端與GND 腳存在二極管連接關(guān)系，即⑨ ~ ?腳按照“PN”方式正反測(cè)量電壓數(shù)值。

圖16 單通道達(dá)林頓管線路圖

3 在線測(cè)試局限性

實(shí)際生活中電器產(chǎn)品多種多樣，產(chǎn)品設(shè)計(jì)電路板不盡相同，各種元器件通過串并聯(lián)方式連接起來，實(shí)際ICT 測(cè)試時(shí)電路板其他元器件會(huì)對(duì)其測(cè)量值存在干擾，實(shí)際值與理論值存在差異性，以下情形中ICT 無法測(cè)試：

1）小電容并聯(lián)大電容，容值相差較大時(shí)，小電容損壞漏件均不可測(cè)；

2）大電阻并聯(lián)小電阻，這種情況不多見，但通過1個(gè)大電容并聯(lián)的關(guān)系較多，由于大電容不易隔離，且穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，干擾較大，且并并聯(lián)后阻值比小電阻略小，這時(shí)大電阻缺件不可測(cè)；

3）IC 的性能無法檢測(cè)，ICT 一般不用于檢測(cè)IC 的功能好壞，只檢查其管腳的焊接質(zhì)量及方向性；

4）NTC 熱敏電阻、壓敏電阻等器件因隨環(huán)境因素變化阻值不穩(wěn)定，無法測(cè)試；

5）放電管無法被ICT 檢測(cè)好壞，其主要作用為限制過電流和過電壓，需外加電壓，而ICT 測(cè)試為弱電無法檢測(cè)。

4 結(jié)束語

綜合來看，對(duì)電阻、電容、電感、跳線、二極管、三極管、光耦等器件測(cè)量單元線路的設(shè)計(jì)不同會(huì)造成ICT 測(cè)試范圍和精度的不同，本文的測(cè)量線路僅供參考。針對(duì)由集成電路組合的元器件，需要針對(duì)其不同管腳之間的電路特性進(jìn)行合理測(cè)量檢測(cè)。實(shí)際生產(chǎn)過程中，各種電路板的設(shè)計(jì)均存在不同，線路上各元器件均會(huì)存在干擾，實(shí)際值與理論值存在差異，以及導(dǎo)致部分元器件無法準(zhǔn)確測(cè)量，需從人員檢查、過程管控、物料篩選等方面進(jìn)行質(zhì)量預(yù)防。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王大偉,龔清萍,張德曉.ICT測(cè)試技術(shù)在航空電子產(chǎn)品PCBA測(cè)試中的應(yīng)用[J].航空電子技術(shù),2014(4):49-57.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年3月期）