PCB 印刷電路板設計與製造交流及分享-測試篇

十六  電測
16.1  前言
在 PCB 的製造過程中，有三個階段，必須做測試
1.內層蝕刻後
2.外層線路蝕刻後
3.成品
隨著線路密度及層次的演進，從簡單的測試治具，到今日的泛用治具測試 及導電材料輔助測 試，為的就是及早發現線路功能缺陷的板子，除了可 rework，並可分析探討，做為制程管理改善， 而最終就是提高良率降低成本。

測試機台

16.2  為何要測試
並非所有制程中的板子都是好的，若未將不良板區分出來，任其流入下 制程，則勢必增加許 多不必要的成本.  縱觀 PCB 製造史，可以發現良率一  直在提高。制程式控制制的改善,  報廢的降 低，以及改善品質的 ISSURE 持續  進行著，因此才會逐次的提高良率。
A. 在電子產品的生產過程中，對於因失敗而造成成本的損失估計，各階段都不同。愈早發現挽 救的成本愈低。普遍被接受的預估因 PCB 在  不同階段被發現不良時的補救成本，稱 之為"The Rule of 10'S"  舉一簡單的例子，空板製作完成，因斷路在測試時因故未測出，則板  子出 貨至客戶組裝，所有零件都已裝上，也過爐鍚及 IR 重熔，卻在測試時  發現。一般客戶會讓空板製 造公司賠償零件損壞費用、重工費、檢驗費。 但若於空板測試就發現，則做個補線即可，或頂多 報廢板子。設若更不幸 裝配後的測試未發現，而讓整部電腦，話機、汽車都組裝成品再做測試才 發 現，損失更慘重，有可能連客戶都會失去。
B. 客戶要求  百分之百的電性測試，幾乎己是所有客戶都會要求的進貨規格。但是 PCB  製造商 與客戶必須就測試條件與測試方法達成一致的規格.  下列是幾個兩  方面須清楚寫下的
1.測試資料來源與格式
2.測試條件如電壓、電流、絕緣及連通性
3.治具製作方式與選點
4.測試章
5.修補規格
C. 制程監控  在 PCB 的製造過程中，通常會有 2~3 次的 100%測試,  再將不良板做重工， 因此， 測試站是一個最佳的分析制程問題點的資料搜集的地方。經由統計 斷，短路及其它絕緣問題的百 分比，重工後再分析發生的原因, 整理這些 資料，再利用品管手法來找出問題的根源而據以解決。 通常由這些資料的  分析，可以歸納下面幾個種類，而有不同的解決方式。
1.  可歸納成某特定制程的問題，譬如連底材料都凹陷的斷路，可能是壓板  環境不潔(含鋼板上 殘膠)造成；局部小面積範圍的細線或斷路比例高， 則有可能是幹膜曝光抬面吸真空局部不良的問題。諸如此類，由品管或  制程工程師做經驗上的判斷，就可解決某些制程操作上的問題。
2.  可歸成某些特別料號的問題，這些問題往往是因客戶的規格和廠內制程  能力上的某些衝 突，或者是資料上的某些不合理的地方，因而會特別  突出這個料號製造上的不良。通常這些問題 的呈現，須經歷一段的時  間及一些數量以上，經由測試顯現出它的問題，再針對此獨立料號加  以 改進，甚至更改不同的制程。
3.  不特定屬於作業疏忽或制程能力造成的不良，這些問題就比較困難去做  歸納分析。而必須 從成本和獲利間差異來考量因為有可能須添購設備  或另做工治具來改善。
D.  品質管制  測試資料的分析，可做品管系統設計的參數或改變的依據,  以不斷的提升  品質,  提 高制程能力,  降低成本.
16.3 測試不良種類
A. 短路 定義：原設計上，兩條不通的導體，發生不應該的通電情形。
B. 斷路 定義：原設計，同一回路的任何二點應該通電的，卻發生了斷電的情形。
C. 漏電(Leakage) 不同回路的導體，在一高抗的通路測試下，發生某種程度的連通情形，屬 於短路的一種。其發生原因，可能為離子污染及濕氣。
16.4 電測種類與設備及其選擇
電測方式常見有三種：1.專用型(dedicated) 2.泛用型(universal) 3.飛針型  (moving probe), 下面 會逐一介紹。決定何種型式，要考慮下列因素：1.待測數量 2.不同料號數量 3.版別變更類頻繁度4.技術難易度  5.成本考量。另外有一些特殊測試方式,  也會簡述一二.
A.  專用型(dedicated)測試 專用型的測試方式之所以取為專用型，是因其所使用的治具  (Fixture)僅適  用一種料號，不同料號的板子就不能測試，而且也不能回收使用. (測試針 除外)
a. 適用
1.測試點數，單面 10,240 點，雙面各 8,192 點以內都可以測
2 測試密度，0.020" pitch 以上都可測,雖然探針的製作愈來愈細, 0.020" pitch 以下也可測,但 一成本極高,且測試穩定度較差,這些都會影響使用何種測試方式的決定.
b.  設備  其價位是最便宜的一種，隨測試點數的多寡價格有所不同，從台幣 40 到 200  萬不 到。若再須求自動上、下板及分類良品，不良品的功能，  則價格更高。
c. 治具製作  治具製作使用的資料，是由 CAD 或 Gerber 的 netlist 所產生，所以選點、 編號、 壓克力測試針盤用的鑽孔帶(含 SMT 各焊墊自動打帶)以及測試程式  等都由電腦來加以處理。
1  製作程式: 選點→壓克力(電木板)鑽孔→壓針套→繞線→插針→套 FR4 板。
2  針的種類及選擇  現有針號 2,1,0,00,….一直到 6 個 0 都有,pitch 愈小須愈多 0 的針.  是各類型探針及適用方式.
d.  測試找出標準板→記憶資料→開始測試
e. 找點、修補 找點方式有兩種
1 是手制點點陣圖，用透明 Mylar 做出和板大小一樣的測試各點位置及編  號，並按順序以 線連接。
2 利用標點機及工作站，在螢幕上，顯示問題之線，即可立即對照板而  找正確的位置  標 示出正確位置後即進行確認修補，而後再進行重測，確認的過程中，  通常會以三用電錶做工具來判斷。
f.  優,缺點
優點:
1Running cost 低 2.產速快
 缺點:
1 治具貴
2.set up 慢
3.技術受限
B. 泛用型(Universal on Grid)測試
a. Universal Grid 觀念早於 1970 年代就被介紹,其基本理論是 PCB 線路 Lay-out 以 Grid(格子) 來設計, Grid 之間距為 0.100",見圖 16.7 或者以密度觀點來看,是 100points/in2,爾後沿用此一觀念,線 路密度,就以 Grid 的距離稱之.  板子電測方式就是取一 G10 的基材做 Mask,鑽滿 on grid 的孔,只有在 板子須測試的點才插針,其餘不插.因此其治具的製作簡易快速,其針且可重複使用
b. On-grid test 若板子之 lay-out,其孔或 pad 皆 on-grid,不管是 0.100",或 0.050"其測試就叫
on-grid 測試,問題不大.
c. Off-grid test 現有高密度板其間距太密,已不是 on-grid 設計,屬 Off-grid 測試,見圖 16.9  其
fixture 就要特殊設計.
d.  先進的測試確認與修補都由技術人員在 CAM Workstation 上執行.由 key- board 或 mouse 來 移動 x,y 座標,多層板各層次之線路以不同顏色重迭顯示  在螢幕上,因此找點確認非常簡易.
e. 優,缺點
優點:
1.治具成本較低
2.set-up 時間短,樣品,小量產適合.
3.可測較高密度板
 缺點:
1 設備成本高
2.較不適合大量產
C. 飛針測試(Moving probe)
a. 不須製作昂貴的治具,其理論很簡單僅須兩根探針做 x,y,z 的移動來逐一測試各線路的兩端
點
b.有 ccd 配置,可矯正板彎翹的接觸不良. c.測速約 10~40 點/秒不等.
d.優,缺點
優點:
1 極高密度板如 MCM 的測試皆無問題
2.不須治具,所以最適合樣品及小量產.
缺點:
1 設備昂貴
2.產速極慢
D.  其他測試方式
a. 非接觸式 E-Bean b.導電布,膠 c.電容式測試
d.最近發表的刷測(ATG-SCAN MAN)

資料來源:參考網路                                                               page 15

PCB 印刷電路板設計與製造交流及分享-成型篇

十五  成型(Outline Contour)

15.1 制程目的 為了讓板子符合客戶所要求的規格尺寸，必須將週邊沒有用的邊框去除之。若此板子是 Panel出貨（連片），往往須再進行一道程式，也就是所謂的 V-cut，讓客戶在 Assembly 前或後，可輕易 的將 Panel 折斷成 Pieces。又若 PCB 是有金手指之規定，為使容易插入，connector 的槽溝，因此 須有切斜邊（Beveling）的步驟。

15.2  製造流程

外型成型(Punching or Routing)→V-cutaBeveling (  倒角  )→清洗

15.2.1 外型成型

外型成型的方式從 PCB 演變大致有以下幾個方式：

15.2.1.1 Template 範本 最早期以手焊零件，板子的尺寸只要在客戶組裝之產品可容納得下的範圍即可，對尺寸的容差

要求較不嚴苛，甚至板內孔至成型邊尺寸亦不在意，因此很多用裁剪的方式，單片出貨。 再往後演變，尺寸要求較嚴苛，則打樣時，將板子套在事先按客戶要求尺寸做好的範本

(Template)上，再以手動銑床，沿 Template 外型旋切而得。若是大量，則須委外製作模具(Die)以衝 床沖型之。這些都是早期單面或簡單雙面板通常使用的成型方式。

15.2.1.2  沖型

沖型的方式對於大量生產，較不 CARE 板邊粗糙度以及板屑造成的影響時，可考慮使  用沖型， 生產成本較 routing 為低，流桯如下:

模具設計→模具發包製作→試沖→First Article 量測尺寸→量產。

a. 模具製作前的設計非常重要，它要考慮的因素很多，例舉如下：

(1) PCB 的板材為何，(例如 FR4，CEM，FRI)等

(2) 是否有沖孔

(3) Guide hole (Aligned hole)的選擇

(4) Aligned Pin 的直徑選擇

(5) 衝床噸數的選擇 (6) 衝床種類的選擇 (7) 尺寸容差的要求

b.  模具材質以及耐用程度 目前國內製作模具的廠商水準不錯，但是材料的選用及熱處理加工，以及可沖次數，尺寸容差等，和日本比較，尚遜一籌，當然價格上的差異，亦是相當的大。

15.2.1.3  切外型

因為板子層次技術的提升，以及裝配方法的改變，再加上模具沖型的一些限制,  例如模具的高 價以及修改的彈性不佳，且精密度較差，因此 CNC Routing 的應用愈來愈普遍。

A.  除了切外型外，它也有幾個應用：

a. 板內的挖空(Blank)

b.  開槽 slots

c. 板邊須部份電鍍。

B. 作業流程：

CNC Routing 程式製作→試切→尺寸檢查(First Article)→生產→清潔水洗→吹乾→烘乾

a.   程式製作

b.   目前很多 CAD/CAM 軟體並沒 Support 直接產生 CNC Routing 程式的功能，所以大部份 仍須按 DRAWING 上的尺寸圖直接寫程式。注意事項如下：

(1) 銑刀直徑大小的選擇，須研究清楚尺寸圖的規格，包括 SLOT 的寬度，圓弧直徑的要 求(尤其在轉角)，另外須考慮板厚及 STACK 的厚度。一般標準是使用 1/8 in 直徑的 Routing Bits。

(2) 程式路徑是以銑刀中心點為准，因此須將銑刀半徑 offset 考慮進去.

(3). 考慮多片排版出貨，客戶折斷容易，在程式設計時，有如下不同的處理方式

(4). 若有板邊部份須電鍍的規格，則在 PTH 前就先行做出 Slot

(5) Routing Bit 在作業時，會有偏斜(deflect)產生，因此這個補償值也應算入

銑刀

b.  銑刀的動作原理

一般銑刀的轉速設定在 6,000~36,000 轉/分鐘。由上向下看其動作，應該是順時鐘轉的動作， 除在板子側面產生切削的作用外，還出現一種將板子向下壓迫的力量。若設計成反時針的轉向， 則會發生向上拉起的力量，將不利於切外形的整個制程。

1  銑刀的構造

銑刀的橫切面以及各重點構造的介紹. Relief Angle 浮離角：減少與基材的摩擦而減少發熱. Rake Angle(摳角):讓 chip(廢屑)切斷摳起，其角度愈大時，使用的力量較小，反之則較大。Tooth Angle(Wedge Angle)楔尖角：這是 routing bit 齒的楔形形狀，其設計上要考慮銳利及堅固耐用。

2.  偏斜  ( deflect )

在切外型的過程中，會有偏斜的情形，若是偏斜過多將影響精准程度，因此必須減少偏斜值。 在程式完成初次試切時，必須量出偏斜的大小，再做補償,  待合乎尺寸規格後，再大量生產.

影響偏斜的因素大致有如下幾個：

－板子厚度

－板材質

－切的方向

－轉速  根據這些因素，下面探討如何減少偏斜，以降低其造成的偏差。

－銑刀必須標準化，如直徑、齒型等

－針對不同板材選擇適用的銑刀

－根據不同的材質，找出不同的轉速及切速，如 FR4 材質可以 24,000 轉/分鐘；至於切速一 般而言速度愈快，偏斜值愈大；反之愈小。

－若有必要，可設定兩次同樣的路徑，將因偏斜而較大尺寸的部份銑除。

－銑刀進行的路徑遵守一個原則：切板外緣時，順時針方向，切板內孔或小片間之槽溝時， 以逆時針方向進行。

B.  輔助工具

NC ROUTING 設備評估好壞，輔助工具部份的重要所占比例非常高。輔助工具的定義是如何 讓板子正確的定位，有效率的上、下板子，以及其排屑渣的功能。

1 機械臺面(Machine Plate)必須讓工作面板對位 PIN 固定於其上，尺寸通常為 1/4 in 左右

2.工作面板(Tooling Plate)通常比機械臺面稍小，其用途為 bushings 並且在每支 SPINDLE 的中 心線下有槽構(Slot)

3.Sub-plates：材質為 Benelax 或亞麻布及酚醛樹脂做成的，其表面須將待切板子的形狀事先切 出，如此可以在正式切板時，板屑(chips)可以由此排掉同時其上也必須做出板子固定的 PIN 孔。其 孔徑一般為 1/8 in。每次生產一個料號時，先將 holding-pins 緊密的固定于 pin 孔(ping 孔最好選擇 於成型內)，然後再每片板套上(每個 piece 2 到 3 個 pin 孔)，每 STACK1~3 片，視要求的尺寸容差， PIN 孔的位置，應該在做成型程式時，一起計算進去，以減少誤差。

D.作業小技巧

因為外型尺寸要求精度，依不同 P/N 或客戶而有所不同，就如不同 P/N，會設定不同定位孔一 樣，因此有幾種切型及固定方法可以應用。不管何種方法，最小單一 piece(分離的)最小尺寸必須

0.15 in 以上。(用一般 1/8in Router)

1.無內 Pin 孔的方法：若無法找出成型內 Pin 孔時，可依圖 15.6  方式作業 a.先切單 piece 三邊。 b.再以不殘膠        膠布如圖貼住已切之所有 piece 所剩另一邊就可切除，TAPE 拉起  時，也道將單 Piece 取出。此法之特徵：

準確度：±0.005in

速度：慢（最好用在極小 piece 且需切開的板子)

每個 STACK：每 STACK 僅置１panel

2.單一 Pin 方法：見圖 15.7 所指示，且須依序切之，此法的特徵 準確度：±0.005in

速度：快

每個 STACK：每 STACK 可多片置放

3.雙 pins 方法：見圖 15.8  ，此法準確度最高，且須銑兩次，第一次依一般標準速度，  因有 偏斜產生，      因此須切第二次，但第二次速度加快至 200in/min。其特徵：

準確度：±0.002in

速度：快（上、下板因 pin 較緊，速度稍慢于單 pin） 每個 STACK：多片

15.2 V-cut（Scoring ,V-Grooving）

V-cut 一種須要直、長、快速的切型方法，且須是已做出方型外型（以 routing 或 punching）才 可進此作業。時常在單 piece 有複雜外型時用之。

成型時一般疊構

15.2.1 相關規格

A. V-Groove 角度，見圖 15.10  ，一般限定在 30°~90°間，以避免切到板內線路或太接近之。

B. V-cut 設備本身的機械公差，尺寸不准度約在±0.003in,深度不准度約在±0.006in。因此，公司的 業務,品管人員與客戶討論或制訂相關的制程能力或規格，應該視廠內的設備能力。勿訂出做不到 的規格。

C.不同材質與板厚，有不同的規格，以 FR4 來說，0.060in 厚則 web 厚約為 0.014in。當然深度是 上、下要均等        否則容易有彎翹發生。CEM-3 板材 0.060in 厚，約留 web 0.024in；CEM-1 則留 web 0.040in，這是因含紙質，較易折斷。

D.至於多厚或多薄的板子可以過此制程，除了和設備能力有關外，太薄的板子，走此流程並無意 義（通常        0.030in 以下厚度就不做 V-cut 設計）。有些客戶對成型板邊粗糙度不要求，PCB 廠也 有於切或沖 PANEL 後，設計 V-cut 制程，切深一些，再直接折斷成 piece 出貨。

E. V-cut 深度控制非常重要,  所以板子的平坦度及機台的平行度非常重要.有專用 IPQC 量測深度 之量規可供使用.

15.2.2 設備種類

A.  手動：一般以板邊做基準，由皮帶輸送，切刀可以做 X 軸尺寸調整與上、下深度的調整。

B. 自動 CNC：此種設備可以板邊或定位孔固定，經 CNC 程式控制所要 V-cut 板子的座標，並可 做跳刀(Jumpscoring)處理，深度亦可自動調整，同一片板子可處理不同深度。其產出速度非常快。

15.3 金手指斜邊(Beveling)

PCB 須要金手指(Edge connectors )設計，表示為 Card 類板子，它在裝配時，必須插入插槽， 為使插入順利，因此須做斜邊，其設備有手動、半自動、自動三種。幾個重點規格須注意，一般客 戶 DRAWING 會標清楚。

A. θ°角一般為 30°、45°、60°

B.    Web 寬度一般視板厚而定，若以板厚 0.060in，則 web 約在 0.020in

C.    H、D 可由公式推算，或客戶會在 Drawing 中寫清楚。

15.4 清洗

經過機械成型加工後板面,孔內及 V-cut,slot 槽內會許多板屑,一定要將之清除乾淨.一般清洗設 備的流程如下:

loading→高壓沖洗→輕刷→水洗→吹乾→烘乾→冷卻→unloading

15.4.1 注意事項

A.  此道水洗步驟若是出貨前最後一次清洗則須將離子殘留考慮進去. B. 因已 V-cut 須注意輕刷條件及輸送.

C. 小板輸送結構設計須特別注意.

15.5  品質要求

由於尺寸公差要求越趨嚴苛因此 First Article 要確實量測,設備的維護更要做到隨時保持容許 公差之內.接下來之制程為電測與外觀檢驗 

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