电容测试法在PCB电性能测试中的应用研究

赵 宇（天津普林电路股份有限公司，天津 300308）

电容测试法在PCB电性能测试中的应用研究

Paper Code: S-147

赵 宇
（天津普林电路股份有限公司，天津 300308）

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。

电性能测试；电容；开短路；盲孔

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3 电容测试短路示意图

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。

表1 电阻与电容测试法测试次数的对比

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。

表2 电容测试法在生产中对某一产品的检测时间

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。

我司曾经生产的某一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。

我司曾经生产的另一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。

[1]张怀武. 现代印制电路原理与工艺[M]. 2010.

[2] HIOKI 1116 型电容测试机. 2005.

[3] Toshiba. New Polymeric Multilayer and Packaging[J]. Proceedings of the Printed Circuit World ConferenceV, Glasgow, Scotland, January 1991.

赵宇，工学学士，工艺工程师

Application of capacitance measurement in electrical performance test in PCB

ZHAO Yu

In the PCB electric performance test, there are a variety of methods, and capacitance measurement is a very important means of. In this paper, from the basic principle of application of capacitance,capacitance test method introduced in PCB electrical performance test of. Compared with the ordinary open and short circuit testing method, find out the capacitance test method, and the actual case analysis,reflecting the important role of capacitance measurement inelectrical performance test in PCB.

Electrical Performance Test; Capaitance; Open and Short Circuit; Blind Hole

TN41

A

：1009-0096（2015）03-0146-05