专利名称：自动多探针印刷电路板测试设备和方法
技术领域：
本发明涉及一种测试印刷电路板的自动设备的新结构和一种新测试方法，这种自动测试设备和测试方法可用于探测印刷电路板的缺陷。被测印刷电路板可以是单面的，双面的，多层的，穿孔安装型的，或表面安装型的印刷电路板。
探测印刷电路板的短路或开路并根据一个已知的标准检验被测试印刷电路板的电气特征是在印刷电路板生产过程中保证质量的一个重要环节。
目前市场上用于探测印刷电路板的短路或开路的测试设备可以分为两种基本类型一种是接触型，另一种是非接触型。传统的飞针型测试设备属于接触型，它通常有两个能在X和Y方向上独立地移动的探针。要探测一个印刷电路网路的开路，(一个印刷电路由多个网路组成，而一个网路由多个支路构成，)这两个探针必须一对一对地接触这个网路的每一个支路的端头并进行测试。而要探测一个网路的短路不是一个直接了当的操作。首先必须确定所有的与被测网路相临的网路，然后两个探针必须分别接触所有相临的网路，也是一对一对地进行测试。很显然，这种测试过程非常费时和低效。有些飞针型测试设备使用多个可在X或Y方向上独立移动的探针来提高测试速度。但是，可移动的探针的数量受价格和空间的限制，因为每个可移动的探针至少需要一个高精度的反馈控制的驱动器或伺服定位系统；并且，把大量的可移动的探针安装在一个小区域内来测试单独的一块被测印刷电路板是不现实的。
还有些飞针型测试设备使用可移动的探针从被测试印刷电路板的各支路端头上测量被测试印刷电路板的网路与一块共同导电板之间的电容。这块共同导电板被安装在被测试印刷电路板的一面，而可移动的探针被安装在被测试印刷电路板的另一面，Robert W.Wedwick在一篇题为“根据电容来测试导通性”的文章中对这种测试方法作了描述。文章被发表在《电路制造》1974年11月，第60-61页。这种测试方法也被专利权人Larry W.Webb发表在美国专利No.3975680，以及被专利权人Robert P.Burr等人发表在美国专利No.4565966。但是，通常共同导电板与在移动探针一侧的被测试印刷电路板的网路之间的电容非常小，特别是当测量一个在移动探针一侧的很细很短的与共同导电板一侧的电路没有任何联接的网路时，要快速取得可靠的测量是非常困难的。
另一种接触型测试设备把许多探针装在一个测试夹具中进行测试。这种测试设备克服了飞针型测试设备的缺点，但需要很长的时间去制造或准备测试夹具，并且受印刷电路板电路间距的限制。因为用于测试小间距印刷电路板的探针非常脆弱，在生产过程中不耐用。另一方面，非接触型的印刷电路板的测试设备用视觉图像技术或X-射线图像技术来探测印刷电路板的短路或开路。但是视觉图像技术只能用于测试单层的印刷电路板。而X-射线图像技术只能用于帮助检验人员用视觉观察多层印刷电路板，所以这种测试过程不是自动化的，通常非接触型的印刷电路板的测试设备比接触型的印刷电路板的测试设备要昂贵得多。
我发现以上所说的传统的测试设备的缺点可以被本发明的测试设备所克服。本发明的测试设备具有大量的集成化的电磁驱动的探针以及两块信号激励板。这两块信号激励板被分别安装在被测印刷电路板的两面，并通过板间电容耦合将高频信号注入被测印刷电路板的电路。集成化的电磁驱动的探针被安装在上部信号激励板上，呈两维矩阵分布。上部信号激励板被钻有许多小孔，使集成化的电磁驱动的探针头可以通过小孔接触被测试印刷电路板，并从印刷电路板上的所有支路端头采集信号。所采集的信号被用于综合成被测试印刷电路板的电气特征。被测试印刷电路板的电气特征与一个已知是无缺陷的同类印刷电路板的电气特征相比较，从而可以判断被测试印刷电路板是否有短路或开路。由于大量的集成化的电磁驱动的探针可以同时采集信号，并且每个探针只需从被测印刷电路板的一个小区域中采集信号，本发明的印刷电路板的自动测试设备与传统的飞针型测试设备相比较可以大大提高测试速度，同时保持了测试多层印刷电路板的能力。另一方面，所发明的印刷电路板的自动测试设备与非接触型的印刷电路板的测试设备相比要便宜得多。因为后者(用视觉图像技术或X-射线图像技术的测试设备)需要很高的图像扫描精度和分辨能力，并且需要高速，大容量，和昂贵的计算机系统，以及复杂的软件来处理庞大的图像测试数据，所以非常昂贵。
以下对于本发明的一个实施例的详细图解将会使以上所说的本发明的优越性明显化。
图1-图6用于说明本发明的一个实施例。图1是这个实施例的装配图，图2是这个实施例的右视图，图3是图1中探针装配箱以及有关部件的局部剖视图，图4是图3中通过线A-A的剖视图，用于显示在上部信号激励板上的呈两维矩阵分布的小孔，图5是显示两条印刷电路的支路被一个短路所联接，图6显示一条印刷电路的支路被一个开路所分割，在以下对本发明的实施例的详述中同一个部件在不同视图中用同一个数字或符号来表示。
图1和图2显示本发明的一个实施例，它包括一个固定于支架9的探针装配箱1，支架9安装在Z拖板10上，而Z拖板10被安装在构架8上；一个安装于探针装配箱1底部的上部信号激励板3；一个固定于Y拖板11顶部的夹具台(或真空夹具台)6；一个安装在夹具台上的下部信号激励板4，下部信号激励板4与夹具台6之间是电气绝缘的。Y拖板11被安装在X拖板12的顶部，而X拖板12和构架8被固定于基座7上。被测印刷电路板5被安置于下部信号激励板4上，位于上部信号激励板3下面。上，下部信号激励板3和4由导电材料制成，其表面附有电介质27。集成化的电磁驱动的探针31被装配于探针装配箱1中。X，Y，和Z拖板分别附有位移传感器，并分别由步进电机驱动。步进电机以及探针装配箱1中的电路被联接到一个微型计算机控制系统(图中没有显示)，以实现，X，Y，和Z拖板的反馈控制，信号采集，以及数据分析的测试过程。
图3显示探针装配箱1的一个局部剖视图以及有关部件。探针装配箱1有一个顶盖2和箱壁29，它是一个集成化的电磁驱动的探针总成的外壳。集成化的电磁驱动的探针总成包括大量的安装在上部信号激励板3上的集成化的电磁驱动的探针31，一块装配在集成化的电磁驱动的探针31上部的接地板14，以及一块安装在接地板14上面的传感器信号放大电路板13。如图3和图4所示，集成化的电磁驱动的探针31被安装在上部信号激励板3和接地板14之间，呈两维矩阵分布，即在一个与被测印刷电路板5的表面相平行的平面内，在X和Y方向上等距离地分布。上部信号激励板3被钻有许多小孔33，每个探针头22对准一个小孔33，使探针头22可以通过小孔33接触被测印刷电路板5，并从被测印刷电路板5上的支路端头采集信号。(小孔33的尺寸应尽可能小以减小遗漏的激励面积，但又足够大以避免探针头22在通过小孔33接触被测印刷电路板5并采集信号时不接触上部信号激励板3。)探针头22上附有一个绝缘环17和一个铁环18。当电磁线圈24通电时，铁环18被电磁力吸引并驱动探针头22向下运动。当电磁线圈24断电时，探针头22被弹簧19举起。绝缘环17把探针头22和铁环18绝缘开来。塑料轴承21和端盖16给探针头22起导向作用。探针头22由导电材料制成，或者用镀有单根或双根导线的绝缘塑料制成。导线用于联接探针头22的头部和尾部。单根导线的探针头22可与单端输入的前置信号放大器联接，双根导线的探针头22可与双端输入的差动前置信号放大器联接。一个管形铁芯32被用于增强电磁线圈的磁力线密度。一个用(非导磁材料)黄铜或铝制成的管形外壳15被用于装配电磁线圈24。在黄铜管形外壳15内，在管形铁芯32和附在探针头22上的绝缘环17和铁环18之间，气室被形成。当探针头22被驱动作快速往复运动时，气室中的空气作用于附在探针头22上的绝缘环17和铁环18上，阻尼探针头22的运动，防止反弹，并稳定探针头22与被测印刷电路板5的接触。传感器信号放大电路板13被绝缘垫圈26，螺栓25，螺帽30，和绝缘塑料管28安装于接地板14上，用于信号放大，数据采集，以及控制电磁驱动的探针31。接地板14把传感器信号放大电路板13和上部信号激励板3隔离开来。被接地板14装配的管形铁芯32以及黄铜管形外壳15也把探针头22与上部信号激励板3隔离开来，以避免电磁干扰。接头20用于联接探针头22与被安装在传感器信号放大电路板13上的前置信号放大器。
本发明的自动测试过程被说明如下第一，被测印刷电路板5被安放在下部信号激励板4上，并由定位针23定位；第二，X拖板12带动被测印刷电路板5使整个被测印刷电路板5被上部信号激励板3所覆盖；然后Z拖板10驱动探针装配箱1并自动调整上部信号激励板3与被测印刷电路板5之间的间隙。当适当的间隙被调整好后，高频电源被接通到上，下部信号激励板3，4上，并通过板间电容耦合激励被测印刷电路板5上的导体电路。然后X拖板12和Y拖板11开始带动被测印刷电路板5按照被测印刷电路板的座标网格的尺寸一步一步地，一行一行地进行扫描。被测印刷电路板5的位移步长与座标网格的尺寸相吻合，并且每个探针头22的扫描行的长度等于按照二维矩阵分布的两个相临的探针头22之间的距离。(座标网格是一种标准的座标尺寸系统，它以0.1，0.05，0.025或别的以0.005英寸为倍数的单位长度作为优先选择的单位长度，用于标注印刷电路板的所有的孔，测试点，和总体尺寸。)每当扫描到一行的端头，X拖板12驱动被测印刷电路板5到下一个扫描行。然后Y拖板11继续驱动被测印刷电路板5向相反的方向一步一步地进行一行的扫描。由于(根据标准MIL-STD-275E，MIL-STD-2118，和IPC-C-300G所推荐)被测印刷电路板5上的所有的支路端头都位于标准座标网格的交点上，所以被测印刷电路板5上的每一个支路端头都有机会与探针头22相对准。当某一个或多个支路端头与探针头22瞬时相对准时，对应的集成化的被电磁驱动的探针31通电，使探针头22接触支路端头并从其上采集信号。为了实现这一扫描和信号采集过程，被测印刷电路板5上的所有支路端头的X-Y座标被存储于一个微型计算机的存储器中，因此微型计算机在任何瞬时都知道哪些支路端头与探针头22相对准，并驱动那些探针头22从对应的支路端头上采集信号。在信号被采集之后，电磁线圈24断电，探针头22被弹簧19举起从而脱离与被测印刷电路板5的接触。这个测试过程持续进行，直到被测印刷电路板5上的所有的支路端头上的信号被采集完为止。然后夹具台6从上部信号激励板3下面的测试区退出，以便更换被测印刷电路板5。如果被测印刷电路板5是双面型的，当其第一面被测试完后，应将其翻面，以便测试所有网路的支路端头。但是，如果一个支路端头，比如说一个镀有导体的穿孔，可以从任何一面测试的话，那么只需从一面进行测试。这里应指出，在这个测试过程中每个电磁驱动的探针31可以同时地，独立地采集信号，并且只需从被测印刷电路板5的一个以四个相临的探针头22为顶角的(约6.25平方厘米的)长方形的小区域中的支路端头上采集信号。一个支路端头被定义为被测印刷电路板5上的只有一个支路入口的结点。如果一个结点有两个或两个以上的支路入口，即使它们从被测印刷电路板5的不同的面或不同的层与该结点相联接，那么该结点也不是一个支路端头。
本发明的测试过程是基于以下原理被测印刷电路板5上的每个导体网路都与上，下部信号激励板3，4之间有一个本征的耦合电容。从原理上说，这个本征的耦合电容与该网路与上，下部信号激励板3，4之间的有效耦合面积成正比。而从被测印刷电路板5的某一支路端头上采集的信号幅值与该支路端头所在网路的本征的耦合电容成正比。如果这个网路有短路或开路，其有效耦合面积必发生变化，从而使这个网路的所有支路端头上的信号幅值发生变化。因此从一个支路端头上所采集的信号是这个网路的一个电气特征，它可以被用作判断该网路是否有短路或开路的依据。一个被测印刷电路板5的所有网路的电气特征构成该被测印刷电路板5的综合电气特征。用这综合电气特征与一个已知是无缺陷的同类印刷电路板的综合电气特征相比较，从而可以判断被测印刷电路板5是否有短路或开路。这里需指出，这个探测短路或开路的方法要求从被测印刷电路板5的每一个支路端头上采集信号来构成该被测印刷电路板5的综合电气特征。因为一个网路的短路或开路不一定对该网路的每一个支路端头上的信号幅值都有显著的影响，但至少对其中的一个支路端头上的信号幅值有显著的影响。图5和图6显示两个简单的例子，用以说明这种影响。图5显示两条印刷电路的支路被一个短路所联接，图6显示一条印刷电路的支路被一个开路所分割。在这两个例子中，短路或开路只对箭头所指的支路端头有显著的影响。事实上可以作一个结论由短路或开路所引起的网路的有效耦合面积的最大变化比其原来的有效耦合面积的一半要大。相似的结论也可以从对双面型的或多层的印刷电路板的网路分析中得出。因此，一个用于探测被测印刷电路板5的短路或开路的判据可陈述如下如果一个被测印刷电路板的某个网路的电气特征不同于另一个已知是无缺陷的同类印刷电路板的对应网路的电气特征，并且差值大于50％，那么该被测印刷电路板有短路或开路。
这里所说的电气特征的差值计算如下电气特征的差值＝｜A-B｜/B式中A是从被测印刷电路板5的某一网路的支路端头上采集的信号幅值；B是从已知是无的同类印刷电路板的对应网路的支路端头上采集的信号幅值。
这是一个保守的判据，假定短路或开路不同时在临近一个支路端头的部位发生。但是这个作为判据的百分数可以根据实际应用的需要进行修正。由于这个判据是基于被测印刷电路板5与一个已知是无缺陷的同类印刷电路板的电气特征的显著差别，所以它对电噪声的干扰不敏感。
由于由短路或开路所引起的被测印刷电路板5上的网路的有效耦合面积的变化与其原来的有效耦合面积的大小成正比，因此增大被测印刷电路板的网路的有效耦合面积可以提高测试系统的灵敏度。这就说明本发明用上，下部两块信号激励板3，4来增大被测印刷电路板5上的网路的有效耦合面积的优越性。
在图4所显示的本发明的实施例中，总共有576(24×24)个集成化的电磁驱动的探针31被装配在上部信号激励板3上，探针头22呈两维矩阵分布，间距为2.5厘米。但别的探针总数或间距也可行。
在图1和图2所显示的本发明的实施例中，探针装配箱1被固定于支架9上，并由Z拖板10驱动以便调整上部信号激励板3与被测印刷电路板5之间的气隙。但如果需要的话，探针装配箱1也可以被铰接在支架8上，并由自动回转机构驱动，转上或转下，以便安装和更换被测印刷电路板5。而对于每一种被测印刷电路板5，上部信号激励板3与被测印刷电路板5之间的气隙可以用手一次调整好。
在图3所显示的本发明的实施例中，只有一块传感器信号放大板13被安装在接地板14上并与接地板14相平行，用于信号放大和数据采集。但如果需要的话多块传感器信号放大板13可被安装在接地板14上并与接地板14相垂直，用于信号放大和数据采集。
虽然本发明涉及一个接触型的探测印刷电路板的短路或开路的设备，集成化的电磁驱动的探针31可以被电容性传感器所取代，从而构成非接触型测试设备。这种改变需用不同的探测短路或开路的判据，并会导致不同的测试系统特征，但测试设备的基本结构不变。
虽然本发明的特征已由它的一个实施例和附图所说明。内行的人显然可以对其作各种各样的修改。但应指出，除非所作的修改具有不同的特征，都应包括在本发明所要求的专利保护范围之内。
权利要求
1.一种自动测试设备；这种自动测试设备可用于探测印刷电路板的短路或开路，并可根据一个已知的检验标准验证被测试印刷电路板电气特征；这种自动测试设备由如下部件组成(a)两块表面附有电介质的信号激励板，被安放在被测试印刷电路板的两面，通过两信号激励板与被测试印刷电路板之间的电容耦合将高频信号注入被测印刷电路板，其中一块信号激励板被钻有许多小孔，被放在被测试印刷电路板的上面，称为上部信号激励板，另一块信号激励板被放在被测试印刷电路板的下面，称为下部信号激励板；(b)一个集成化的电磁驱动的探针总成，包括大量的(至少4个)电磁驱动的探针，它们被安装在上部信号激励板上，呈两维矩阵分布，在一个平行于被测试印刷电路板表面的平面内，在X和Y方向上等距离地分布，电磁驱动的探针可以在Z方向上被独立地驱动，从被测印刷电路板上的支路端头采集信号，但不能在X和Y方向上独立地移动；(c)一块或多块传感器信号放大板，它属于集成化的电磁驱动的探针总成的一个部件，用于信号放大和数据采集；(d)被电机驱动的X和Y拖板，用于驱动被测印刷电路板和下部信号激励板，按照一步一步，一行一行的顺序，跟随被测印刷电路板的座标网格在X和Y方向上移动，因此，安装在上部信号激励板上的集成化的电磁驱动的探针可以从与探针头瞬时相对准的被测印刷电路板的支路端头上采集信号，以实现扫描，信号采样，和数据采集的测试过程；(e)一个调节装置，用于调整并保持上部信号激励板与被测印刷电路板之间的气隙；(f)一个安装在X和Y拖板上的夹具台；(g)用于把被测印刷电路板安放到下部信号激励板上并使其定位的装置，以及把被测印刷电路板从下部信号激励板上拆下来的装置；(h)用于数据采集，分析，并验证被测试印刷电路板电气特征的计算机系统。
2.权利要求1中所定义的自动测试设备，其中每一个电磁驱动的探针由如下原件组成一个用非导磁材料制成的管形外壳，一个管形铁芯，一个线圈绕组，一个附有绝缘环和铁环的探针头，一个弹簧，以及用绝缘塑料做成的导向轴承和端盖。当线圈绕组通电时，探针头被驱动向下运动；当线圈绕组断电时，探针被弹簧举起。
3.权利要求1和2所定义的自动测试设备，其中在每一个电磁驱动的探针中，在用非导磁材料制成的管形外壳内，在管形铁芯和附在探针头上的绝缘环和铁环之间，气室被形成。当探针头被驱动作快速往复运动时，气室中的空气作用于探针头上的绝缘环和铁环，阻尼探针头的运动，防止反弹，并稳定探针头与被测印刷电路板的接触。
4.权利要求1所定义的自动测试设备，其中集成化的电磁驱动的探针总成由如下部件组成(a)大量的(至少4个)电磁驱动的探针，它们被安装在上部信号激励板上，呈两维矩阵分布，在一个平行于被测试印刷电路板表面的平面内，在X和Y方向上等距离地分布，电磁驱动的探针可以在Z方向上被独立地驱动，从被测印刷电路板的支路端头上采集信号，但不能在X和Y方向上独立地移动；(b)被钻有许多小孔的上部信号激励板；(c)一块或多块传感器信号放大板，它们被安装在集成化的电磁驱动的探针的上部，很接近电磁驱动的探针；(d)一块接地板，它被安装于传感器信号放大板和集成化的电磁驱动的探针之间，用于装配电磁驱动的探针并起屏蔽作用，避免上部信号激励板与传感器信号放大板之间的信号干扰；(e)用于把上部信号激励板，电磁驱动的探针，接地板，和传感器信号放大板组装起来并绝缘开来的绝缘件和紧固件；(f)一个探针装配箱，用作集成化的电磁驱动的探针总成外壳，并把集成化的电磁驱动的探针总成与调节装置联接起来。
5.权利要求1和4所定义的自动测试设备，其中上部信号激励板被固定于探针装配箱的底部，其上被钻有许多小孔。上部信号激励板上的小孔与探针相对准，每个探针头对准一个小孔，因此探针头可以被驱动通过小孔接触被测印刷电路板上的支路端头并采集信号。
6.权利要求1和4所定义的自动测试设备，其中上部信号激励板被钻有许多小孔。小孔尺寸尽可能地小，从而减小被遗漏的激励面积，但又足够地大，因此当探针头通过小孔接触被测印刷电路板上的支路端头并采集信号时不会接触上部信号激励板。
7.权利要求1所定义的自动测试设备，其中下部信号激励板被固定在夹具台上，而夹具台被固定在被电机驱动的X和Y拖板上。下部信号激励板和夹具台上有定位装置，因此被测印刷电路板可以被安放在下部信号激励板上的一个确定的位置上。
8.一种用于探测印刷电路板的短路或开路的方法，包括如下步骤(a)把上部信号激励板和下部信号激励板安放在被测试印刷电路板的两面，并通过两信号激励板与被测试印刷电路板之间的电容耦合将高频信号注入被测印刷电路板的电路中；(b)用大量的集成化的电磁驱动的探针从被测印刷电路板的所有的支路端头上采集信号；(c)每个电磁驱动的探针只从被测印刷电路板上的一个以四个相临的探针头为顶角的小区域中的支路端头上采集信号；(d)用被电机驱动的X和Y拖板带动被测印刷电路板和下部信号激励板，按照一步一步，一行一行的顺序，跟随被测印刷电路板的座标网格在X和Y方向上移动，并用安装在上部信号激励板上的集成化的电磁驱动的探针从与探针头瞬时对准的被测印刷电路板的支路端头上采集信号，从而实现扫描，信号采样，和数据采集的测试过程；(e)用从被测印刷电路板的所有支路端头上采集的信号幅值(该幅值在原理上与两信号激励板与被测试印刷电路板之间的耦合电容成正比)综合成被测印刷电路板的电气特征；(f)把被测印刷电路板的电气特征与一个已知是无缺陷的印刷电路板的电气特征相比较，并根据如下缺陷探测判据来确定被测印刷电路板是否有短路或开路，如果一个被测印刷电路板的某个网路的电气特征不同于另一个已知是无缺陷的同类印刷电路板的对应网路的电气特征，并且差别大于一个给定的差值，那么该被测印刷电路板有短路或开路。
9.权利要求8所定义的用于探测印刷电路板的短路或开路方法，其中给定的差值可为50％。
全文摘要
一种测试印刷电路板的自动设备的新结构以及一种测试方法。这种自动测试设备可用于探测印刷电路板的缺陷。自动测试设备具有两块信号激励板，被分别安放在被测印刷电路板的上，下两面。通过上，下信号激励板与被测印刷电路板之间的电容耦合把高频信号注入印刷电路。自动测试设备用大量的集成化的电磁驱动的探针从被测印刷电路板的各支路端头上采集信号。电磁驱动的探针被装配在上部信号激励板上面呈两维矩阵分布。
文档编号G01R31/28GK1167921SQ9711078
公开日1997年12月17日 申请日期1997年4月22日 优先权日1996年4月23日
发明者钟国桢 申请人:钟国桢