PCB四线式测试技术研究

    【集萃网观察】一、前言

　　随着电子技术的迅猛发展，印制线路板（PCB）的制作层数越来越高、线路密度越来越密、焊盘尺寸越做越小，客户对板的要求越来越严。通常情况下，PCB 的开短路测试测试参数值中的开路阻抗设为25Ω，线路阻值大于25Ω时机器判断为开路，小于25Ω时机器判断为合格，对于阻值小于25Ω的线路则无法精确测试出其实际电阻值，25Ω以下的线路成为测试盲区。在实际生产中发现PCB的某些缺陷，如孔内无铜、空洞、铜薄、线幼、线路缺口等问题均会影响到线路阻值，当阻值小于25Ω时，用通常的开短路测试方法来测试以上缺陷板时，测试结果显示PASS，但客户经过高温焊接后阻值发生变化，导致开路问题发生，最终导致客户投诉，严重的还需向客户赔款。

　　二、现状

　　经对我司某客户退回的板进行问题分析发现，在反馈的244 块开路缺陷板中，其中过孔阻值大于25Ω的板有6 块，过孔阻值小于25Ω的板有51 块，其它类型开路问题板187 块，而过孔阻值小于25Ω的51 块板退去元件上机测试后的结果显示为PASS,重新测试这51 块板的开路阻值，阻值分布在1.21Ω-23.4Ω之间，从表中数据可以看出，被退回的244 块开路缺陷板中，阻值小于25Ω的数量共51 块，占总数的比例为20.9%，此部分板是由测试机判断测试结果为PASS 而正常出货的，现有测试机根本无法检测出，我们必须寻找一种新的测试方法，降低客户投诉。

　　三、二线测试与四线测试原理对比

　　1、普通二线测试原理

　　通常的开短路测试方法即为普通二线测试，如下图所示，二线测试是目前普遍应用的一种方案。

　　二线测试只有一个回路，所测得的阻抗为R1+R2+Rpcb，即所测得的阻抗为馈线电阻和待测线路阻值之和，故无法精确测定被测PCB 之低阻值。但因为开路测试的条件一般为20Ω，故馈线电阻影响不大，可以忽略不计。二线测试的精度虽然不高，但是用来判断线路的开短路已经能满足绝大部分的印制线路板的需要。但仅适用于完全断线、完全孔断之测试，对于低阻值测试则无能为力。

　　2、低阻四线测试原理

　　开尔文连接方式（或称四线测试方式）如下图所示，开尔文连接有两个要求：对于每个测试点都有一条激励线和一条检测线，二者严格分开，各自构成独立回路；同时要求检测线必须接到一个有极高输入阻抗的测试回路上，使流过检测线的电流极小，近似为零。激励线即是电流供给回路，检测线即是电压测定回路，电流、电压两回路各自独立。电流供给回路两端子与电压测定回路两端子共计四端子，故称四线测试。

　　V?I1 x Rpcb（因I2 （小电流）再乘上小电阻得到更小的压降），因电压表的内部阻抗非常高（MΩ级），远远大于电压测定回路的馈线电阻R3 和R4（Ω级），使得几乎全部的电流流经过Rpcb， 流经电压表的电流I2 几乎为零，故所量到的电压也几乎是Rpcb 本身的压降，馈线电阻完全可以忽略，使所测得的Rpcb 几乎近似于Rpcb 本身，由此可精确测定被测PCB 之微小阻值，其四线测试的测试精度可达到mΩ级。

　　四、针床低阻四线测试

　　1、目前针床低阻四线测试夹具制作难点

　　针床低阻四线测试是在两线测试的选点结果基础上将需测试的焊盘上设置两根针，即夹具的测试点数比两线测试增加了一倍,但受PCB 线路密度提高的影响，很多测试焊盘因尺寸过小无法设置两个测试点，使四线测试的实现非常困难。如某型号HDI PCB，由于密度高，只有其中很少一部分网络可用于设置两个测试点，四线测试的覆盖率只占总网络数的百分之八左右，几乎没有实际意义。

　　2、ACF 四线测试夹具制作原理及实际应用方法

　　为了解决上述问题，行业里现有一种ACF 针床制作技术可以很好地解决上述问题。ACF 针床主要由ACF 垂直导电薄膜和转换板组成，ACF 导电薄膜的导电性能具有各向异性的特点，横向绝缘，只在垂直方向受压才可以导电，其垂直导电的单元非常小可达到0.07 平方mm。

　　二端子测试是常用的断线测试方法，是由已知的排线阻抗、电子控制阻抗及接触阻抗再加上被测PCB 之阻抗植，所以无法测出被测PCB 内真正的阻抗，以致孔内微小缺陷及线路微小缺口，更是无法被检测出来。适用于完全断线、完全孔断之检查方法。

　　测试精度：断线判定阻抗值为25Ω。

　　四端子测试ACF 针床转换板方式实现了高精度之测试方法,电流供给回路与电压测定回路完全独立，其排线阻抗与接触阻抗完全忽略，被测PCB 之阻抗值可精密测定出来。

　　测定精度：可达数十毫欧～数百毫欧。被测PCB 孔内微小缺陷及线路微小缺口皆可被检查出来。

　　到目前为止，普遍使用的二端子测试方式是将测试机的排线阻抗、接触阻抗、ACF 内部阻抗同时测定，因此要测得被测PCB 之低阻抗值是相当困难。

　　rL 意指测试机元件阻抗+排线阻抗+探针内部阻抗+接触阻抗

　　rT 指匹配电阻

　　二端子测试时测试机之排线阻抗、探针内部阻抗及接触阻抗同时串联测定，故无法精确测得被测PCB 的低阻抗值。

　　四端子测试时电流供给回路与电压测定回路是个别独立的（电流供给回路2 端子与电压测定回路2 端子，共计4 端子），由于电压测定计内部阻抗非常高，故电压测定回路中排线阻抗、接触阻抗、ACF 内部阻抗皆可忽略，因此可精确测得被测PCB 之微小阻值。

　　四端子测试ACF 针床构造，电流供给回路与电压测定回路完全独立，1 个测点对应2 个ACF 测试端子。

　　3、四端子测试ACF 针床的测试方式

　　四端子测试针床的两种测试方式，方式二比方式一的四端子针床点数多出30-35%测试点，针床成本提高15%-20%，故测试机容量需注意，方式二比方式一的针床设计时间增加1-2 天。

　　以下为四端子测试ACF 针床的测试端子实物图。

　　4、四端子测试ACF针床的测试点细微化能力

　　目前针对更小测试点，ACF 四端子针床的解决方案如下

　　4.1、φ300～φ250μm PAD的对应

　　φ300～φ250μm PAD 的领域中，现行四端子测试点Clearance 距离变小，对应还在开发之中。现在小Clearance 测试点的稳定生产制作方法还在研讨开发中。

　　4.2、0.4pitch PAD 的对应

　　0.4 pitch PAD 的绿油开口（φ220μm）的更小测试点的对应，目前正试验中。对于超微小的接触面积，如何稳定生产，ACF 目前也在改善中。

　　I 端子、V 端子的Clearance 越小，容许的位置偏移度则更大，但ACF 导电薄膜介于其中，本来几乎电流不流通的V 端子，可能会有漏电流的情形，导致四端子测试精度有可能下降。目前镀金板面Clearance 变小，测试精度不会随Clearance 变小而下降已经得到验证，但对于铜板板面的测试精度则还在进一步确认中。

　　5、四端子测试ACF 针床的局限性：

　　5.1、导电胶在测试过程中会产生静电，易损坏测试机开关卡。

　　5.2、导电胶使用寿命短，在测试一定次数后会粘附PCB上的粉尘，污染待测PCB 表面。

　　5.3、夹具测试效果受测试机机台平整度影响较大，对机器制作要求高。

　　5.4、转接板的制作难度大、制作成本高，不适合小批量板、低测试点数的PCB 订单制作。

　　针对以上四端子测试ACF 针床存在的问题，行业里目前还未能普及使用，目前各PCB 厂家使用较多的四线测试方法还是以飞针四线测试方法为主，接下来将对飞针四线测试作进一步介绍。

　　五、飞针低阻四线测试

　　1、飞针测试探针介绍

　　飞针测试探针有刀型和针型两种形状，刀型探针形状如同一把刀，针型探针形状如同一根针。二线测试探针为单针。

　　飞针四线测试探针为双针，每组探针由两根探针组成,两根探针之间距离非常细微,刀型探针两根探针的间距为100μm 也可达到60μm，针型探针两根探针的间距仅为20μm，用人肉眼看每组探针就好象只是一根探针,但实际上是由两根探针组成。

　　2、飞针低阻四线测试工作过程

　　飞针低阻四线测试其每个测试点对应一组探针，即一个测试点对应两根探针。飞针低阻四线测试时每组探针的两根探针一根探针施加电流另一根探针构成电压测定回路,两组探针就构成了两组回路。飞针四线测试探针除可以用来测试低阻外，也可以用于测试一般的开短路。当使用单针测试一般的开短路时，可将接至探针的两条线路短接在一起，开路最低一般可测至几个Ω；当需要测试低阻时，则将短接的部分分开，使用双针来做测试，其最低一般可测至mΩ级。

　　飞针四线低阻测试需求分析要依据客户的要求及品质部门对品质的要求或客户反馈，一般低阻测试主要测孔偏、孔薄、孔破、针孔、缺口，测低阻前必须是普通测试OK板。测低阻只测开路，可以只测孔的问题，也可依板的情况测相关线路问题。孔内无铜的问题一般测试时（测孔破）就可测出，低阻测试5mΩ以下偏差0.5mΩ（10%）， 5mΩ以上偏差5%。测低阻要换低阻测试针，如果只测孔最好选用刀型低阻针，刀型低阻针比针型低阻针耐用，而针型低阻针可测更小尺寸的PAD。

　　3、四线低阻测试飞针程序制作

　　3.1、通孔电阻测试飞针制作方法

　　只测孔的问题（半成品）NPTH 要删掉，其它的孔如果开窗可全测，一般超79mil孔不可测，有盲埋孔的板要测相关线路问题（和普通测试选点一样）。现以IGI 软件为例来说明四线低阻测试飞针程序制作。对于只有孔测试点而无PAD 测试点的通孔板比如大背板，四线低阻测试飞针程序制作如下：

　　1）调入GERBER资料，只调入PTH钻孔层，然后建立两个假层，取名1A、2A；

　　2）再将钻孔层复制到1A、2A中；

　　3）定义后退出保存,进行NETLIST；

　　4）再点击Test Point Elimination进行选点；

　　5）将两面全选上点；

　　6）输出飞针程序。

　　3.2、板盲孔测试飞针制作方法

　　HDI板的四线低阻测试飞针程序制作步骤：

　　1）在开短路飞针程序做好后，将两面同时开窗的孔全选上点，删除其余PAD上的测试点；

　　2）离盲埋孔、掩盖孔最近的一个PAD选上点，用来测试盲埋孔、掩盖孔问题；

　　3）输出飞针程序。

　　4、测试结果分析

　　4.1、通孔电阻测试分析方法

　　对于通孔阻值的测试结果分析，可以根据公司的PTH电镀能力给出一个合适的低阻开路门槛值，超出该值的板则可以判断为有开路退货风险，可将该部分板进行回流焊实验，如果按照客户的回流焊曲线实验后阻值发生明显的提高，则可以确认该板具有开路风险，需做报废处理，如果回流焊后阻值没有发生明显的变化，可以适当地调整低阻开路门槛值，直至找到一个合理的数值。

　　4.2、HDI板盲孔测试分析方法

　　如果要测HDI板的盲孔阻值问题，则还需考虑与盲孔相连的线路的阻值对测试结果的影响。首先取10片左右普通开短路测试OK的板，再测量出每条网络的阻值，然后通过masterprint软件，除去最大值和最小值，然后求出平均电阻值，最后找出一个合适的参数上限值value。公式如下：value=average*1.2+0.02。

　　一般来讲低阻测试时对每条网络的电阻值有一个允许范围，含上限和下限，value是指上限的值（单位是Ω），average是指选取普通测试OK的板读取的每条网络的平均电阻值（一般除去最大值和最小值，单位是Ω），1.2是加权系数，0.02是指加上0.02Ω的偏差，value=average*1.2+0.02应该综合来看，加权系数并非固定不变，因为每片板、每批板之间存在差异，所以要乘以一个加权系数， 加上0.02是避免因某条网络的电阻过小，加权系数不能反应其正常变化。此value参数需通过制作大量的切片分析后找出一个合适的，在绝大部分有问题的板和有小部分误测的板之间获得一个平衡值作为最终的测试上限值。

　　结论：在实际运用四线测试的过程中,通常采用通孔电阻测试的方式测试，该测试方式直接对孔电阻进行测试，测试数据更直观、更准确，有利于找到问题点。而HDI板盲孔测试分析方法测试出来的阻值为HDI盲孔阻值和相连线路阻值之和，其阻值的大小主要受线路长度和线宽影响，线路越长阻值越大，线路越宽阻值越小，线路缺口符合线宽的+/-20%范围要求时，阻值变化很小可以忽略不计。一般情况下我们采用通孔电阻测试的方式进行四线测试。

　　六、飞针低阻四线测试实验分析（通孔电阻测试方式）

　　现有一客户投诉我司某型号板via 孔开路，选取此型号进行低阻四线测试实验。目前可以用于针床四线测试的机器为日本电产的READ 之V3.V5.GATS 测试机，我司目前暂未配置该类测试机，故无法用针床做低阻四线测试实验。我司已配备的EMMA 飞针测试机具备四线测试功能，直接用于飞针低阻四线测试。

　　将问题板上机测试后并进行切片分析，将问题板退绿油过回流焊做普通开短路测试OK，再做飞针低阻四线测试。此PCB 板厚0.8mm， 做四线飞针测试程序时，只选点所有小于0.4mm 的过孔（0.25mm 孔287 个，0.4mm 孔4个）。用飞针机测出低阻，结果发现大部分孔阻值在0.8――2.8mΩ之间，少数孔阻值大于2.8mΩ。对各种孔阻值的孔标点做切片并确认孔铜。

　　根据以上切片对比分析发现，孔铜厚度大于0.7mil 时，阻值小于2.8mΩ，孔铜OK；而孔铜厚度小于0.7mil 时，阻值大于2.8mΩ时，孔铜不OK；孔铜厚度越薄，阻值越大，孔阻值与孔铜厚度成反比关系。

　　对于该投诉型号，采用过孔测试方式时，EMMA 飞针机四线测试的低阻设定值为2.8mΩ时可以较好地发现开路问题，2.8mΩ为低阻测试的开路门槛值安全可行。

　　七、结论

　　1、阻值与铜厚关系

　　电阻值的大小与孔壁铜厚成反比，铜厚越大，阻值越小。

　　2、过孔测试方式，2.8mΩ可以作为低阻测试的开路门槛值。

　　3、含线路的低阻测试方式可以采用实际阻值的相对比例的20%来设定开路门槛值（value=average*1.2+0.02 ）。

　　八、结束语

　　低阻四线测试技术是测试技术的新发展,弥补了二线测试技术不能测试低阻的缺陷,目前低阻四线测试技术还在发展完善中,随着时间的推移,低阻四线测试技术必将发挥越来越重要的作用。

来源：greattong