高速PCB設(shè)計指南（8）：如何掌握IC封裝的特性
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高速PCB設(shè)計指南（7）：PCB的可靠性設(shè)計
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隨著微型化程度不斷提高，元件和布線技術(shù)也取得巨大發(fā)展，例如BGA外殼封裝的高集成度的微型IC，以及導(dǎo)體之間的絕緣間距縮小到0.5mm，這些僅是其中的兩個例子。電子元件的布線設(shè)計方式，對以后制作流程中的測試能否很好進行，影響越來越大。下面介紹幾種重要規(guī)則及實用提示。

 

通過遵守一定的規(guī)程（DFT-Design for Testability，可測試的設(shè)計），可以大大減少生產(chǎn)測試的準備和實施費用。這些規(guī)程已經(jīng)過多年發(fā)展，當然，若采用新的生產(chǎn)技術(shù)和元件技術(shù)，它們也要相應(yīng)的擴展和適應(yīng)。隨著電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸越來越小，目前出現(xiàn)了兩個特別引人注目的問題：一是可接觸的電路節(jié)點越來越少；二是像在線測試（In-Circuit-Test）這些方法的應(yīng)用受到限制。為了解決這些問題，可以在電路布局上采取相應(yīng)的措施，采用新的測試方法和采用創(chuàng)新性適配器解決方案。第二個問題的解決還涉及到使原來作為獨立工序使用的測試系統(tǒng)承擔附加任務(wù)。這些任務(wù)包括通過測試系統(tǒng)對存儲器組件進行編程或者實行集成化的元器件自測試（Built-in Self Test，BIST，內(nèi)建的自測試）。將這些步驟轉(zhuǎn)移到測試系統(tǒng)中去，總起來看，還是創(chuàng)造了更多的附加價值。為了順利地實施這些措施，在產(chǎn)品科研開發(fā)階段，就必須有相應(yīng)的考慮。

 

可測試性的意義可理解為：測試工程師可以用盡可能簡單的方法來檢測某種元件的特性，看它能否滿足預(yù)期的功能。簡單地講就是：

 

檢測產(chǎn)品是否符合技術(shù)規(guī)范的方法簡單化到什么程度？

編制測試程序能快到什么程度？

發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品故障全面化到什么程度？

接入測試點的方法簡單化到什么程度？

為了達到良好的可測試必須考慮機械方面和電氣方面的設(shè)計規(guī)程。當然，要達到最佳的可測試性，需要付出一定代價，但對整個工藝流程來說，它具有一系列的好處，因此是產(chǎn)品能否成功生產(chǎn)的重要前提。

 

過去，若某一產(chǎn)品在上一測試點不能測試，那么這個問題就被簡單地推移到直一個測試點上去。如果產(chǎn)品缺陷在生產(chǎn)測試中不能發(fā)現(xiàn)，則此缺陷的識別與診斷也會簡單地被推移到功能和系統(tǒng)測試中去。

 

相反地，今天人們試圖盡可能提前發(fā)現(xiàn)缺陷，它的好處不僅僅是成本低，更重要的是今天的產(chǎn)品非常復(fù)雜，某些制造缺陷在功能測試中可能根本檢查不出來。例如某些要預(yù)先裝軟件或編程的元件，就存在這樣的問題。（如快閃存儲器或ISPs：In-System Programmable Devices系統(tǒng)內(nèi)可編程器件）。這些元件的編程必須在研制開發(fā)階段就計劃好，而測試系統(tǒng)也必須掌握這種編程。

 

測試友好的電路設(shè)計要費一些錢，然而，測試困難的電路設(shè)計費的錢會更多。測試本身是有成本的，測試成本隨著測試級數(shù)的增加而加大；從在線測試到功能測試以及系統(tǒng)測試，測試費用越來越大。如果跳過其中一項測試，所耗費用甚至會更大。一般的規(guī)則是每增加一級測試費用的增加系數(shù)是10倍。通過測試友好的電路設(shè)計，可以及早發(fā)現(xiàn)故障，從而使測試友好的電路設(shè)計所費的錢迅速地得到補償。

 

只有充分利用元件開發(fā)中完整的數(shù)據(jù)資料，才有可能編制出能全面發(fā)現(xiàn)故障的測試程序。在許多情況下，開發(fā)部門和測試部門之間的密切合作是必要的。文件資料對測試工程師了解元件功能，制定測試戰(zhàn)略，有無可爭議的影響。

 

為了繞開缺乏文件和不甚了解元件功能所產(chǎn)生的問題，測試系統(tǒng)制造商可以依靠軟件工具，這些工具按照隨機原則自動產(chǎn)生測試模式，或者依靠非矢量相比，非矢量方法只能算作一種權(quán)宜的解決辦法。

 

測試前的完整的文件資料包括零件表，電路設(shè)計圖數(shù)據(jù)（主要是CAD數(shù)據(jù)）以及有關(guān)務(wù)元件功能的詳細資料（如數(shù)據(jù)表）。只有掌握了所有信息，才可能編制測試矢量，定義元件失效樣式或進行一定的預(yù)調(diào)整。

 

某些機械方面的數(shù)據(jù)也是重要的，例如那些為了檢查組件的焊接是否良好及定位是否所需要的數(shù)據(jù)。最后，對于可編程的元件，如快閃存儲器，PLD、FPGA等，如果不是在最后安裝時才編程，是在測試系統(tǒng)上就應(yīng)編好程序的話，也必須知道各自的編程數(shù)據(jù)。快閃元件的編程數(shù)據(jù)應(yīng)完整無缺。如快閃芯片含16Mbit的數(shù)據(jù)，就應(yīng)該可以用到16Mbit，這樣可以防止誤解和避免地址沖突。例如，如果用一個4Mbit存儲器向一個元件僅僅提供300Kbit數(shù)據(jù)，就可能出現(xiàn)這種情況。當然數(shù)據(jù)應(yīng)準備成流行的標準格式，如Intel公司的Hex或Motorola公司的S記錄結(jié)構(gòu)等。大多數(shù)測試系統(tǒng)，只要能夠?qū)扉W或ISP元件進行編程，是可以解讀這些格式的。前面所提到的許多信息，其中許多也是元件制造所必須的。當然，在可制造性和可測試性之間應(yīng)明確區(qū)別，因為這是完全不同的概念，從而構(gòu)成不同的前提。

 

 

如果不考慮機械方面的基本規(guī)則，即使在電氣方面具有非常良好的可測試性的電路，也可能難以測試。許多因素會限制電氣的可測試性。如果測試點不夠或太小，探針床適配器就難以接觸到電路的每個節(jié)點。如果測試點位置誤差和尺寸誤差太大，就會產(chǎn)生測試重復(fù)性不好的問題。在使用探針床配器時，應(yīng)留意一系列有關(guān)套牢孔與測試點的大小和定位的建議。   

 

 

電氣前提條件對良好的可測試性，和機械接觸條件一樣重要，兩者缺一不可。一個門電路不能進行測試，原因可能是無法通過測試點接觸到啟動輸入端，也可能是啟動輸入端處在封裝殼內(nèi)，外部無法接觸，在原則上這兩情況同樣都是不好的，都使測試無法進行。在設(shè)計電路時應(yīng)該注意，凡是要用在線測試法檢測的元件，都應(yīng)該具備某種機理，使各個元件能夠在電氣上絕緣起來。這種機理可以借助于禁止輸入端來實現(xiàn)，它可以將元件的輸出端控制在靜態(tài)的高歐姆狀態(tài)。

 

雖然幾乎所有的測試系統(tǒng)都能夠逆驅(qū)動（Backdriving）方式將某一節(jié)點的狀態(tài)帶到任意狀態(tài)，但是所涉及的節(jié)點最好還是要備有禁止輸入端，首先將此節(jié)點帶到高歐姆狀態(tài)，然后再“平緩地”加上相應(yīng)的電平。

 

同樣，節(jié)拍發(fā)生器總是通過啟動引線，門電路或插接電橋從振蕩器后面直接斷開。啟動輸入端決不可直接與電路相連，而是通過100歐姆的電阻與電路連接。每個元件應(yīng)有自己的啟動，復(fù)位或控制引線腳。必須避免許多元件的啟動輸入端共用一個電阻與電路相連。這條規(guī)則對于ASIC元件也適用，這些元件也應(yīng)有一個引線腳，通過它，可將輸出端帶到高歐姆狀態(tài)。如果元件在接通工作電壓時可實行復(fù)位，這對于由測試器來引發(fā)復(fù)位也是非常有幫助的。在這種情況下，元件在測試前就可以簡單地置于規(guī)定的狀態(tài)。 

 

不用的元件引線腳同樣也應(yīng)該是可接觸的，因為在這些地方未發(fā)現(xiàn)的短路也可能造成元件故障。此外，不用的門電路往往在以后會被利用于設(shè)計改進，它們可能會改接到電路中來。所以同樣重要的是，它們從一開始就應(yīng)經(jīng)過測試，以保證其工件可靠。

 

 

使用探針床適配器時，改進可測試性的建議

 

 

呈對角線配置

定位精度為±0.05mm （±2mil）

直徑精度為±0.076/-0mm （+3/-0mil）

相對于測試點的定位精度為±0.05mm （±2mil）

離開元件邊緣距離至少為3mm

不可穿通接觸

 

 

盡可能為正方形

測試點間隔盡可能為2.5mm

測試點直徑至少為0.88mm （35mil）

測試點大小精度為±0.076mm （±3mil）

測試點之間間隔精度為±0.076mm （±3mil）

鍍錫，端面可直接焊接

距離元件邊緣至少為3mm

所有測試點應(yīng)可能處于插件板的背面 

測試點應(yīng)均勻布在插件板上

每個節(jié)點至少有一個測試點（100％通道）

備用或不用的門電路都有測試點

供電電源的多外測試點分布在不同位置

 

標志文字同一方向

 

型號、版本、系列號及條形碼明確標識

 

元件名稱要清晰可見，且盡可能直接標在元件近旁

 

 

快閃存儲器的編程時間有時會很長（對于大的存儲器或存儲器組可達1分鐘）。因此，此時不容許有其它元件的逆驅(qū)動，否則快閃存儲器可能會受到損害。為了避免這種情況，必須將所有與地址總線的控制線相連的元件置于高歐姆狀態(tài)。同樣，數(shù)據(jù)總線也必須能夠被置于隔絕狀態(tài)，以確保快閃存儲器為空載，并可進行下步編程。

 

系統(tǒng)內(nèi)可編程元件（ISP）有一些要求，如Altera，XilinX和Lattuce等公司的產(chǎn)品，還有其它一些特殊要求。除了可測試性的機械和電氣前提條件應(yīng)得到保證外，還要保證具有編程和確證數(shù)據(jù)的可能性。對于Altera和Xilinx元件，使用了連串矢量格式（Serial Vector Format SVF），這種格式近期幾乎已發(fā)展成為工業(yè)標準。許多測試系統(tǒng)可以對這類元件編程，并將連串矢量格式（SVF）內(nèi)的輸入數(shù)據(jù)用于測試信號發(fā)生器。通過邊界掃描鍵（Boundary-Scan-Kette JTAG）對這些元件編程，也將連串數(shù)據(jù)格式編程。在匯集編程數(shù)據(jù)時，重要的是應(yīng)考慮到電路中全部的元件鏈，不應(yīng)將數(shù)據(jù)僅僅還原給要編程的元件。

 

編程時，自動測試信號發(fā)生器考慮到整個的元件鏈，并將其它元件接入旁路模型中。相反，Lattice公司要求用JEDEC格式的數(shù)據(jù)，并通過通常的輸入端和輸出端并行編程。編程后，數(shù)據(jù)還要用于檢查元件功能。開發(fā)部門提供的數(shù)據(jù)應(yīng)盡可能地便于測試系統(tǒng)直接應(yīng)用，或者通過簡單轉(zhuǎn)換便可應(yīng)用。

 

 

由基于復(fù)雜元件組成精細網(wǎng)格的組件，給測試工程師只提供很少的可接觸的測試點。此時也仍然可能提高可測試性。對此可使用邊界掃描和集成自測試技術(shù)來縮短測試完成時間和提高測試效果。

 

對于開發(fā)工程師和測試工程師來說，建立在邊界掃描和集成自測試技術(shù)基礎(chǔ)上的測試戰(zhàn)略肯定會增加費用。開發(fā)工程師必然要在電路中使用的邊界掃描元件（IEEE-1149.1-標準），并且要設(shè)法使相應(yīng)的具體的測試引線腳可以接觸（如測試數(shù)據(jù)輸入-TDI，測試數(shù)據(jù)輸出-TDO，測試鐘頻-TCK和測試模式選擇-TMS以及ggf.測試復(fù)位）。測試工程師給元件制定一個邊界掃描模型（BSDL-邊界掃描描述語言）。此時他必須知道，有關(guān)元件支持何種邊界掃描功能和指令。邊界掃描測試可以診斷直至引線級的短路和斷路。除此之外，如果開發(fā)工程師已作規(guī)定，可以通過邊界掃描指令“RunBIST”來觸發(fā)元件的自動測試。尤其是當電路中有許多ASICs和其它復(fù)雜元件時，對于這些元件并不存在慣常的測試模型，通過邊界掃描元件，可以大大減少制定測試模型的費用。

 

時間和成本降低的程度對于每個元件都是不同的。對于一個有IC的電路，如果需要100％發(fā)現(xiàn)，大約需要40萬個測試矢量，通過使用邊界掃描，在同樣的故障發(fā)現(xiàn)率下，測試矢量的數(shù)目可以減少到數(shù)百個。因此，在沒有測試模型，或接觸電路的節(jié)點受到限制的條件下，邊界掃描方法具有特別的優(yōu)越性。是否要采用邊界掃描，是取決于開發(fā)利用和制造過程中增加的成本費用。衽邊界掃描必須和要求發(fā)現(xiàn)故障的時間，測試時間，進入市場的時間，適配器成本進行權(quán)衡，并盡可能節(jié)約。在許多情況下，將傳統(tǒng)的在線測試方法和邊界掃描方法混合鹽業(yè)的方案是最佳的解決方式。