电容测试法在PCB电性能测试中的应用研究

摘要

在PCB电性能测试中，测试方法多种多样，而电容测试法是一种很重要的手段。文章从电容的基本原理入手，引入电容测试法在PCB电性能测试中的应用。通过与普通的开短路测试法进行对比，找出电容测试法的优势，并以实际案例进行分析，体现出电容测试法在PCB电性能测试中的重要作用。

1. 前言
随着电子产品、工控、航天等行业的高速发展，PCB产品的电性能要求越来越高，同样，我们电测试的难度也越来越大。对于PCB厂商来说，面对大批量产品，我们主要选用夹具针床测试，虽然有制作夹具的成本，但可以大大节省测试时间。而面对样品、小批量产品以及图形密集的HDI产品，我们主要选用飞针测试，一方面可以节省夹具制作成本，另一方面，在精细节距的BGA或MBGA中，夹具测试不能保证其测试精度，所以飞针测试是一个企业不可或缺的测试手段。我们常见的飞针测试法为开短路测试法，也叫电阻测试法，此种方法可满足精密线路测试，但测试时间偏长，需要进行开路和短路两次测试，测试一片产品往往需要10分钟以上的时间，测试效率很低。进而，我们引进电容测试法来改变此现状。

2. 电容测试法简介

2.1 电容的基本原理

电容测试法是根据电容的基本原理进行开短路测试。电容计算公式为：

C=εS/4πd。其中C是电容的容量；ε是介电常数，由绝缘介质的材质决定，介质不变则为恒定值；S是两极板之间相对重叠部分的垂直面积d是两极板之间的距离。

2.2  电容测试法的基本原理

如图1所示，在电容测试法中，根据电容计算公式，绝缘介质ε为板材介电常数，两极板的一极是整个大的测试台面，另一极则是测试网络的铜面，因而S值取决于测试网络的铜面积大小；d在同一型号产品时板厚也为恒定值。由此可以看出，在电容测试法中，电容值的大小最终取决于测试网络的铜面积大小，并与其成正比，所以该方法也叫静电容量比较法。

图1  PCB产品电容测试示意图

2.3  电容测试法开短路的判定方法

2.3.1  电容测试法开路的判定方法

如果导电图形中出现断路，则导电图形面积就会减少，静电容量值也会变小。例如图2所示，合格产品中端点1和端点2所测的静电容量值为100，而断路产品中端点1和端点2所测的静电容量值分别为70和30。通过导电图形面积的变化，可准确检查出图形中断路位置。

图2  电容测试断路示意图

2.3.2  电容测试法短路的判定方法

如果导电图形中出现短路，则导电图形面积就会增加，静电容量值也会变大。例如图3所示，合格产品中端点1和端点2所测的静电容量值为100，端点3和端点4所测的静电容量值为60，而短路产品中端点1、2、3、4所测的静电容量值都为160。通过导电图形面积的变化，可准确检查出图形中短路位置。

2.3.3  电容测试法开短路的现场模拟

如图4所示，为我司飞针电容测试模拟图，我司采用的是水平式电容飞针电容测试，可对较薄的基板起到良好的吸附作用，基板上的导电图形与在电性能上检查用的电极(Sensor Board）之间，存在与其图形面积成正比的静电容量，假设我们对线路端点A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、M测定的静电容量为：A = C = H = K = L = 100，B = 10，D = G = M = 90，E = F = 30，I = J = 30。

图4 电容测试现场模拟图

 

当图形线路发生断路时，如图5所示，测定的静电容量为：A = C = H = 70，B = 10，D = 20，E = F = 30，G = M = 70，I = J = 30，K = L = 30。我们可发现，A、C、H、K、L、D、G、M的电容值变小，可确定这几个端点所在网络发生断路。

图5  电容测试断路模拟图

 

当图形线路发生断路时，如图6所示，测定的静电容量为：A = C = H = K = L =100，B = 10，D = E = F = G = M = 120，I = J = 30。我们可发现，D、E、F、G、M的电容值变大，可确定这几个端点所在网络发生短路。

图6 电容测试短路模拟图

3.电容测试法与普通电阻测试法的对比

电阻测试法，是通过测量两点间阻抗的方法，需要确认同一网络内端点间的导通以及不同端点间的非导通。因为要确认不同线路间全部组合的非导通情况，所以检查数量非常多。而电容测试法，是通过一次测定全线路端点的静电容量（面积），可以同时进行短路和断路的确认，因此检查数量比一般的检测方式大幅度减少，有时可以减少90%以上。

举个例子，当线路总数为100，端点总数为500时，我们对电阻测试方式与电容测试方式的测试次数进行对比，如表1所示，电阻法的测试总次数为5350次，而电容法的测试总次数只有500次，从这个例子我们可看出，电容测试法在测试时间上有很大的优势。

如表2所示，为我司电容测试对某一产品的检测时间，此产品线路总数为364，端点总数为1207，独立焊盘个数为124，单台设备有两个测针探头，可同时测试两片产品。

 

从数据中我们可以看出，电容测试法同时测试两片产品所需时间为119s，相当于测试一片产品所需时间为1分钟，而普通开短路测试，只非导通测试就需364×（364-1）/2=66066 step，加上导通测试时间，测试一片产品至少需要20分钟，是电容法测试时间的20倍以上。

4.电容测试法在PCB电性能测试中的特殊作用

众所周知，电容测试法与电阻测试法的检测效果是一样的，都是对产品中每一网络的通断进行测试，但是，这两种测试方法的检测原理不同。那么我们可不可以对电容测试法的特殊检测原理加以利用呢？

 

通常，在电性能测试后，我们会对不良品进行分析，总的来说，缺陷可分两大类：短路与断路。而这两种缺陷中，我们更侧重于对断路的分析，因为断路位置有可能发生在线上，也有可能发生在孔内。当断路位置发生在孔内，就必须确认造成孔断的原因，当孔断原因为批量因素时，那么整批产品都存在失效的隐患，特别是HDI产品，盲孔所在网络占很大比例，一旦盲孔出现异常，将面临整批产品的报废。如图8所示，为HDI产品电性能测试中，出现断路缺陷的三种主要来源。

 

图7  电性能测试断路缺陷来源示意图

对于一批发生断路的HDI产品，其断路原因可能为上述一种，也可能上述三种原因都存在，如果断路原因之一为盲孔断路，那么此批产品就要具体分析，并将盲孔断路的原因找出，以此来判断整批产品焊接时是否有失效的风险。然而，如何确定盲孔断路是一个复杂的过程。普通的电阻测试法，只能确认某一或某些网络发生断路，要想确认盲孔，需对该网络内的所有盲孔位置进行切片，如果断路产品数量很多，则需对所有断路产品逐片切片进行分析，这将花费很长的时间。

这时，我们可利用电容测试法对HDI产品进行电性能测试。通常情况下，HDI产品网络的起始端点都为盲孔，当盲孔发生断路时，该点的电容值很小，不会超过1fF，而正常导通的网络中，整个网络电容值在几百到几千fF。通常，我们对断短路的判定标准为：当测试电容值＞（1+20%）标准电容值，判定为短路，当测试电容值＜（1-20%）标准电容值，判定为断路。当线路发生断路时，所测电容值至少也会在几十到几百fF。所以，我们只需对小于1fF电容值的盲孔位置进行切片即可，此位置必定为盲孔断路。这种方法可大大减少我们的分析时间，同时在做切片之前，就可对盲孔断路数量及所占比例做出初步判断。

某公司司曾经生产的某一HDI产品，整批产品采用电容法测试，最终检测出5片断路产品，其中有两片为端点电容值小于1fF，对这两片产品的端点盲孔进行切片，可确认为盲孔断路，对缺陷原因进行分析为粉尘堵孔，此现象为个量问题，其余合格产品可放行。从测试—分析—判定，此产品仅用了很短的时间，大大减少了产品的生产周期，提高了生产效率。

某公司曾经生产的另一HDI产品，同样为采用电容法测试，最终检测出20片断路产品，其中有8片为端点电容值小于1fF，对其端点盲孔进行切片，可确认为盲孔位置断路，缺陷原因为埋孔堵孔不实，从而导致了盘中孔位置镀铜凹陷，致使激光钻盲孔未打到底铜。此类问题对产品的电性能有很大隐患，极容易造成盲孔与埋孔的微连接，所以，此批电测试产品，无论合格与否，全部报废处理。正是因为电容测试法的高效性与准确性，为我们快速而准确的分析出了此问题，也为我们重新制作这批产品赢得宝贵时间。

通过以上两个案例，我们可发现，利用电容测试法测试HDI产品，可快速的检测出盲孔断路位置，减少了我们对产品的分析时间，进而提高了生产效率。另一方面，电容测试法可准确定位不良盲孔所在的位置，通过切片能一针见血的找到问题所在，然后根据问题产生的原因，及时制定改善措施，从而避免此类问题的发生。

5.结论

（1）电容测试法对导电图形静电容量的测试主要取决于导电图形的面积。如果导电图形中出现断路，则导电图形面积会减少，静电容量值也会变小。如果导电图形中出现短路，则导电图形面积会增加，静电容量值也会变大。

（2）电容测试法是对导电图形的面积进行测试，可开短路同时进行，并且电容测试机的两个探针可对两片产品同时测试，在测试时间上比普通电阻测试法快很多倍。

（3）电容测试法在HDI产品的电性能测试中起特殊作用，若起始盲孔端点发生断路，则该点的电容值极小，可直接确定该网络中的断路位置为此盲孔。而电阻测试法只能测出一个网络发生断路，不能直接判定某一线断还是孔断，需做大量切片进行分析。因而电容测试法可广泛用于HDI产品的电测试中。
编辑：YYX