編輯導(dǎo)語(yǔ)：在電子硬件產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，更需要注意很多細(xì)節(jié)，硬件產(chǎn)品不像軟件產(chǎn)品，后續(xù)可改動(dòng)的地方?jīng)]有那么靈活，所以在生產(chǎn)流程中需要經(jīng)過(guò)很多測(cè)試；本文作者分享了關(guān)于硬件產(chǎn)品生產(chǎn)線測(cè)試方案設(shè)計(jì)，我們一起來(lái)了解一下。

電子硬件產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝流程復(fù)雜，尤其是 PCBA 生產(chǎn)流程很容易出現(xiàn)問(wèn)題，因此需要做充分的測(cè)試，以確保組裝過(guò)程順利進(jìn)行。

工廠測(cè)試和研發(fā)測(cè)試有很大區(qū)別，研發(fā)測(cè)試用來(lái)檢查設(shè)計(jì)是否正確，因而也被稱(chēng)為「設(shè)計(jì)確認(rèn)測(cè)試」。

在不同的情況下，進(jìn)行工廠測(cè)試所投入的精力會(huì)有很大差異。

• 有時(shí)測(cè)試很簡(jiǎn)單，只需要技術(shù)人員在產(chǎn)品組裝完成后開(kāi)啟它，檢查能否正常工作即可；
• 而有些工廠測(cè)試需要付出巨大精力，認(rèn)真檢查產(chǎn)品的每個(gè)細(xì)節(jié)，確保產(chǎn)品在出廠前一切正常。

在很大程度上，測(cè)試中投入精力的多少取決于：

• 制造過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題的可能性；
• 產(chǎn)品出廠后出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)所要付出的代價(jià)。

比如，一個(gè)便宜的玩具偶爾出現(xiàn)故障可能不是什么大事，只要沒(méi)有安全問(wèn)題就行，因此可能不會(huì)投入太多精力測(cè)試這類(lèi)產(chǎn)品。

但是對(duì)于一個(gè)控制汽車(chē)剎車(chē)的計(jì)算機(jī)模塊而言，需要做最嚴(yán)格的工廠測(cè)試，因?yàn)檫@個(gè)模塊一旦出現(xiàn)問(wèn)題，后果將非常嚴(yán)重，必須投入大量精力做檢查，以避免出現(xiàn)任何問(wèn)題。

在一些大型工廠里，在測(cè)試中投入的精力有時(shí)與設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)產(chǎn)品所付出的精力相當(dāng)。

針對(duì) PCBA，有三種基本測(cè)試可以做，分別是在線測(cè)試「ICT」、功能測(cè)試「FCT」和老化測(cè)試，它們與所開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品密切相關(guān)。

接下來(lái)分別介紹這三種測(cè)試。

一、在線測(cè)試 ICT

在線測(cè)試「ICT」（ in-circuit test ）通過(guò)分析元件的電氣特征來(lái)檢查 PCBA 過(guò)程是否正確，比如，每個(gè)焊點(diǎn)的電阻。

大規(guī)模在線測(cè)試通常使用針床式測(cè)試儀，這種儀器同時(shí)把大量探針?lè)胖玫?PCBA，有些測(cè)試中動(dòng)用的探針多達(dá)幾千個(gè)。

各種測(cè)試信號(hào)注入一些探針，然后另外一些探針測(cè)量響應(yīng)。

這些探針一般裝有彈簧，安裝在一個(gè)稱(chēng)為測(cè)試夾具的特制板子上，這種板子通常是為特定 PCBA 專(zhuān)門(mén)定制的。

每個(gè)探針通過(guò)電路板上的導(dǎo)電片連接到待測(cè)電路上，這些導(dǎo)電片一般符合以下情況：

• 電路板上專(zhuān)門(mén)用來(lái)做測(cè)試的焊點(diǎn)；
• 電路板設(shè)計(jì)師用來(lái)把信號(hào)從一個(gè) PCB 層傳到另一個(gè) PCB 層的通路，這個(gè)通路也可以用作測(cè)試點(diǎn)。

針床式測(cè)試儀。

用來(lái)做測(cè)試的焊點(diǎn)和通路，探針通過(guò)它們連接到 PCB 上。

測(cè)試時(shí)，電路板和測(cè)試夾具準(zhǔn)確地連接在一起，然后啟動(dòng)測(cè)試軟件，運(yùn)行預(yù)先編制好的程序。

檢查電路板是否存在問(wèn)題，包括：

• 電路；
• 開(kāi)路，比如，針腳從焊點(diǎn)脫離；
• 元件朝向（有時(shí) AOI 檢查不出這種錯(cuò)誤）；
• 元件值；
• 元件缺陷；
• 信號(hào)完整性問(wèn)題，比如，信號(hào)傳送到電路板上的目的點(diǎn)時(shí)是否過(guò)分弱化了。

有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師和開(kāi)發(fā)者在設(shè)計(jì)產(chǎn)品電路板時(shí)會(huì)盡量讓電路板上的每個(gè)電氣觸點(diǎn)都能被探針訪問(wèn)到。

但是由于各種限制，這個(gè)想法往往無(wú)法實(shí)現(xiàn)，比如受到電路板尺寸的限制。

由于在線測(cè)試可以從電氣上訪問(wèn)每個(gè)元件的所有或絕大多數(shù)針腳，因此它也可以為閃存 Flash 等設(shè)備編制程序，進(jìn)行校準(zhǔn)和調(diào)整以及執(zhí)行功能測(cè)試等。

二、功能測(cè)試 FCT

相比于檢查各個(gè)元件是否被正確地焊接到指定位置上，功能測(cè)試主要關(guān)注電路板的高級(jí)功能。

比如，做功能測(cè)試時(shí)，可能需要把測(cè)試固件裝載到待測(cè) PCBA 的處理器中，讓處理器在內(nèi)存和周邊器件上運(yùn)行診斷程序，然后經(jīng)由串口把測(cè)試結(jié)果輸出到個(gè)人計(jì)算機(jī)上。

個(gè)人計(jì)算機(jī)將根據(jù)診斷結(jié)果在屏幕上顯示為“通過(guò)”（綠色）或“失敗”（紅色）字樣，并把詳細(xì)的測(cè)試結(jié)果記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)中，留待進(jìn)一步分析。

功能測(cè)試的目標(biāo)是檢查電路板上的各種元件能否作為一個(gè)整體協(xié)同工作，它也可以測(cè)試那些在線測(cè)試期間因探針接觸不到而未能檢測(cè)到的電路。

比如，當(dāng)一個(gè)測(cè)試點(diǎn)無(wú)法訪問(wèn)某個(gè)芯片的引腳時(shí)，你可以對(duì)該引腳進(jìn)行功能測(cè)試，方法是在引腳上執(zhí)行一個(gè)操作，只有引腳被正確焊接到電路板上并且功能正常時(shí)，操作才能成功。

功能測(cè)試的缺點(diǎn)是它往往不像在線測(cè)試那樣可以徹底地檢查電路板的連接，最保險(xiǎn)的做法是在線測(cè)試和功能測(cè)試都做。

功能測(cè)試既可以作為在線測(cè)試的一部分，也可以作為一個(gè)單獨(dú)的步驟，它通過(guò)串口、USB、以太網(wǎng)或其他接口與 PCBA 通信。

對(duì)大部分產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，最后的功能測(cè)試要等到設(shè)備完全組裝好才會(huì)進(jìn)行。

多數(shù)情況下，在產(chǎn)品制造過(guò)程中的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上也會(huì)做功能測(cè)試。

比如，在多板系統(tǒng)中，每個(gè) PCBA 可能都需要做功能測(cè)試，以保證其組裝正確，最后組裝完成后，再把系統(tǒng)作為一個(gè)整體進(jìn)行測(cè)試，確保全部電路板被正確地組裝在一起。

三、老化測(cè)試

在某些情況下，要求電路板在接受功能測(cè)試時(shí)能夠運(yùn)行幾個(gè)小時(shí)、幾天甚至更長(zhǎng)時(shí)間，有時(shí)是在比較極端的條件下進(jìn)行，比如高溫環(huán)境。

1. 老化測(cè)試的意義和目的

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子器件的集成化程度越來(lái)越高、結(jié)構(gòu)越來(lái)越細(xì)微、工序越來(lái)越多、制造工藝越來(lái)越復(fù)雜，這樣在制造過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生潛伏缺陷。

對(duì)于一個(gè)性能良好的電子產(chǎn)品，不但要求具備較高的性能指標(biāo)，而且還要有較高的穩(wěn)定性，通過(guò)老化可以篩選出電子元器件故障。

在電子產(chǎn)品加工過(guò)程中，由于經(jīng)歷了復(fù)雜的加工工序，同時(shí)使用了大量的元器件物料，即便你的設(shè)計(jì)再好，也將引入各種缺陷。

無(wú)論是加工缺陷還是元器件缺陷，都可分為明顯缺陷和潛在缺陷：

• 明顯缺陷指那些導(dǎo)致產(chǎn)品不能正常工作的缺陷，例如，短路、斷路。
• 潛在缺陷導(dǎo)致產(chǎn)品暫時(shí)可以使用，但在使用中缺陷會(huì)很快暴露出來(lái)，產(chǎn)品不能正常工作，例如，焊錫不足，產(chǎn)品雖然可以用，但輕微振動(dòng)可能就會(huì)使焊點(diǎn)斷路。

明顯缺陷可通過(guò)常規(guī)檢驗(yàn)手段（ 在線檢測(cè) ICT、功能測(cè)試 FT 等 ）加以發(fā)現(xiàn)，潛在缺陷則無(wú)法用常規(guī)檢驗(yàn)手段發(fā)現(xiàn)，而是運(yùn)用老化的方法來(lái)剔除。

如果老化方法效果不好，則未被剔除的潛在缺陷將最終在產(chǎn)品運(yùn)行期間以失效（或故障）的形式表現(xiàn)出來(lái)，從而導(dǎo)致產(chǎn)品返修率上升，維修成本增加。

通過(guò)高溫老化可以使元器件的缺陷、焊接和裝配等生產(chǎn)過(guò)程中存在的隱患提前暴露，提前鑒別和剔除產(chǎn)品工藝引起的早期故障。

老化還有一個(gè)更重要的目的（和測(cè)試一樣）：

通過(guò)老化使產(chǎn)品加工工藝不斷改進(jìn)，使產(chǎn)品品質(zhì)不斷改進(jìn)，改進(jìn)到不需要老化為止。

老化結(jié)合可靠性測(cè)試，并與失效分析相結(jié)合，即對(duì)老化過(guò)程中失效的器件進(jìn)行根本原因（ROOT CAUSE）分析：

• 確定器件的失效是物料選擇的問(wèn)題；
• 還是設(shè)計(jì)應(yīng)用不當(dāng)；
• 還是生產(chǎn)加工過(guò)程造成的損傷，并進(jìn)一步改進(jìn)；
• 經(jīng)過(guò) 2-3 個(gè)循環(huán)，產(chǎn)品穩(wěn)定下來(lái)，就可以逐步減少老化時(shí)間直至取消。

2. 老化的定義

嚴(yán)格意義上來(lái)講，老化是指采用高溫方法對(duì)產(chǎn)品施加環(huán)境應(yīng)力。

而環(huán)境應(yīng)力篩選（ ESS：Environment Stress Screen ）則不僅包括高溫應(yīng)力，還包括其他很多應(yīng)力，例如，溫度循環(huán)、隨機(jī)振動(dòng)、恒定高溫等。

所以，老化是屬于環(huán)境應(yīng)力篩選的一種。

但現(xiàn)在很多公司已經(jīng)把“老化”這個(gè)詞的意義擴(kuò)展了，老化就等同環(huán)境應(yīng)力篩選，環(huán)境應(yīng)力篩選俗稱(chēng)為老化。

老化是通過(guò)對(duì)電子產(chǎn)品施加加速環(huán)境應(yīng)力，如，溫度應(yīng)力、電應(yīng)力、潮熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力等，促使?jié)撛谌毕菁铀俦┞冻晒收希_(dá)到發(fā)現(xiàn)和剔除潛在缺陷的目的。

老化不能損壞好的部件或引入新的缺陷，老化應(yīng)力不能超出設(shè)計(jì)極限。

3. 老化的原理

老化的理論基礎(chǔ)是電子產(chǎn)品的故障率曲線，簡(jiǎn)稱(chēng)浴盆曲線。

1）早期失效期

元件在開(kāi)始使用時(shí)，它的故障率很高，但隨著元件工作時(shí)間的增加，故障率迅速降低。

故障率曲線屬于遞減型，這個(gè)階段產(chǎn)品故障的原因大多由于設(shè)計(jì)、材料、制造、安裝過(guò)程中的缺陷造成的。

為了縮短這一階段的時(shí)間，產(chǎn)品在投入運(yùn)行之前進(jìn)行試運(yùn)行，以便于及早發(fā)現(xiàn)、修正和排除缺陷。

2）偶然失效期

這一階段的特點(diǎn)是故障率較低，而且比較穩(wěn)定，故障率曲線屬于恒定型，這段時(shí)間是產(chǎn)品的有效壽命期，人們總希望延長(zhǎng)這一時(shí)期，即在容許的費(fèi)用內(nèi)延長(zhǎng)使用壽命。

3）耗損失效期

這一階段的故障率隨時(shí)間的延長(zhǎng)而急速增加，故障率曲線屬于遞增型。

到這一階段，大部分元件開(kāi)始失效，說(shuō)明元件的耗損已經(jīng)嚴(yán)重，壽命即將終止，若能夠在這個(gè)時(shí)期到來(lái)之前維修設(shè)備，替換或維修某些耗損的部件，就能將故障率降下來(lái)延長(zhǎng)使用壽命，推遲耗損失效期的到來(lái)。

老化是以剔除早期故障為目標(biāo)，其理想的老化點(diǎn)為圖中的 D 點(diǎn)，D 點(diǎn)的選擇主要靠經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖中的 A、B、C 表示老化程度的不同，A 點(diǎn)表示老化不足，老化后仍有較大比率的缺陷流入市場(chǎng)，而 E 點(diǎn)則是過(guò)老化，這樣增加了老化成本，縮短了產(chǎn)品使用壽命。

4. 產(chǎn)品老化方案

1）常溫通電老化

常溫 25℃ 下，產(chǎn)品通電并加負(fù)載進(jìn)行老化，根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)確定老化時(shí)間，一般選擇 48-72 小時(shí)，此方案對(duì)功耗較大的產(chǎn)品經(jīng)常采用。

2）加熱通電老化

將產(chǎn)品在一定的環(huán)境溫度下，通電老化，根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)確定老化時(shí)間，一般選擇 24-36 小時(shí)，溫度通常選用 40℃-45℃。

此方案對(duì)產(chǎn)品中，部分器件耐溫較低（低于50℃）經(jīng)常采用。

3）加熱通電老化（高溫）

將產(chǎn)品在一定的環(huán)境溫度下，通電老化，根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)確定老化時(shí)間，一般選擇 12 小時(shí)，溫度通常選用 60℃-65℃。此方案在產(chǎn)品老化中采用較多。

主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

• 老化時(shí)間短，節(jié)約時(shí)間；
• 老化工作溫度較高，能充分暴露出產(chǎn)品中的一些不足，包括器件質(zhì)量、焊接質(zhì)量等；
• 配合一些通電動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，能監(jiān)控整個(gè)老化過(guò)程中的工作狀態(tài)是否正常。

5. 產(chǎn)品老化示例

你根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際要求，決定采用加熱通電（高溫）老化的方式，并針對(duì)老化過(guò)程中的失效器件進(jìn)行失效分析及可靠性分析，有兩點(diǎn)好處：

• 一方面，可以改進(jìn)以及提升產(chǎn)品可靠性；
• 另一方面可以為生產(chǎn)時(shí)所需要的老化方案積累數(shù)據(jù)。

老化流程如下：

1）試驗(yàn)箱條件

高溫試驗(yàn)是為了驗(yàn)證產(chǎn)品在高溫情況下其使用、運(yùn)輸及貯存的能力。

所以在實(shí)際測(cè)試的過(guò)程中需要模擬高溫條件進(jìn)行試驗(yàn)，你要確保滿(mǎn)足外部溫度環(huán)境可調(diào)的要求。

對(duì)試驗(yàn)箱需有如下要求：

• 需要明確試驗(yàn)箱溫度測(cè)量范圍，溫度波動(dòng)度，空間溫度差等主要指標(biāo)；
• 試驗(yàn)樣品的尺寸和數(shù)量相比，試驗(yàn)箱應(yīng)該足夠大，試驗(yàn)樣品能夠完全納入試驗(yàn)箱的工作空間

2）老化等級(jí)

GB/T?2424.2-2008 提供了如下所示的時(shí)間嚴(yán)酷等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：

• 2h；
• 16h；
• 72h；
• 96h；
• 168h；
• 240h；
• 336h；
• 1000h；

若試驗(yàn)的時(shí)間過(guò)短，試驗(yàn)效果會(huì)打折扣。若試驗(yàn)的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則會(huì)消耗更多的人力成本和時(shí)間成本。

基于目前試驗(yàn)效果和試驗(yàn)成本的考慮，測(cè)試時(shí)間選擇 72 小時(shí)。

3）測(cè)試方案

①初始檢驗(yàn)

初始檢驗(yàn)分為兩部分：

產(chǎn)品生產(chǎn)的常規(guī)測(cè)試以及上機(jī)測(cè)試，所有進(jìn)行高溫試驗(yàn)的產(chǎn)品均需要通過(guò)以上兩種測(cè)試方可開(kāi)始高溫試驗(yàn)。

初始檢驗(yàn)的必要性：

初始檢驗(yàn)的目的是為保證進(jìn)行高溫測(cè)試的產(chǎn)品本身是合格的，不會(huì)因?yàn)榇嬖诓缓细癞a(chǎn)品而影響高溫試驗(yàn)的結(jié)果。

生產(chǎn)的常規(guī)測(cè)試，主要是對(duì)產(chǎn)品的基本功能進(jìn)行了驗(yàn)證，上機(jī)測(cè)試則模擬了產(chǎn)品出廠前進(jìn)行的相關(guān)測(cè)試。

生產(chǎn)常規(guī)測(cè)試：

高溫試驗(yàn)所使用產(chǎn)品需要按照實(shí)際生產(chǎn)流程進(jìn)行，所有產(chǎn)品均需要具有唯一序列號(hào)。

序列號(hào)共包括三個(gè)部分：

• 物料編碼；
• 生產(chǎn)批次號(hào)；
• 序號(hào)。

生產(chǎn)的常規(guī)測(cè)試按照“生產(chǎn)測(cè)試方案”進(jìn)行初始測(cè)試，并出具測(cè)試報(bào)告，保證整個(gè)測(cè)試過(guò)程具有可追溯性。

②老化測(cè)試方案

燒入測(cè)試程序，并搭建好測(cè)試平臺(tái)。為了保障所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，需個(gè)準(zhǔn)備至少 10 套進(jìn)行抽測(cè)。

將產(chǎn)品放入高溫試驗(yàn)箱，上電開(kāi)始運(yùn)行，記錄放入時(shí)間。

關(guān)閉試驗(yàn)箱并開(kāi)始升溫，設(shè)定目標(biāo)溫度，記錄開(kāi)始升溫時(shí)間以及溫度達(dá)到目標(biāo)溫度的時(shí)間。

目標(biāo)溫度達(dá)到后開(kāi)始進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為 72 小時(shí)，白天工作時(shí)間需要兩小時(shí)檢查一次并記錄溫度及產(chǎn)品運(yùn)行狀態(tài)。

夜間運(yùn)行時(shí)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)有人值班，4 小時(shí)檢查一次并記錄溫度及產(chǎn)品運(yùn)行狀態(tài)。

試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間滿(mǎn)足 72 小時(shí)后，試驗(yàn)箱開(kāi)始復(fù)溫，復(fù)溫方式采取自然冷卻方式，復(fù)溫至常溫后產(chǎn)品停止供電，時(shí)間應(yīng)至少持續(xù)一個(gè)小時(shí)，結(jié)束測(cè)試。

試驗(yàn)完成后需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行性能檢測(cè)，冷卻 2 小時(shí)后進(jìn)行生產(chǎn)的常規(guī)測(cè)試。

生產(chǎn)的常規(guī)測(cè)試按照“生產(chǎn)測(cè)試方案”進(jìn)行，并出具測(cè)試報(bào)告，以及與初始檢驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，判斷高溫試驗(yàn)前后是否產(chǎn)生變化。

作者：衛(wèi)Sir，公眾號(hào)：簡(jiǎn)一商業(yè)

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