专利名称：用于测试电路板的设备和方法以及用于该设备和方法的测试探头的制作方法
技术领域：
本发明涉及测试电路板的设备和方法以及用于该设备和该方法的测试探头。
背景技术：
测试电路板的测试器通常可以被分成两类，一类带有指状测试器，另一类带有并行测试器。并行测试器是借助适配器同时接触待测试电路板的所有或者至少多数电路板测试点的测试器。指状测试器是测试无元件或者有元件电路板的测试器，它利用两个或者多个指状测试元件顺序或者连续扫描各个接触点。利用指状测试器的连续测试慢于利用并行测试器的并行测试。
指状测试元件通常被固定在可沿横杆移动的滑块上，而横杆可被导轨引导并可沿着导轨移动。因此滑块可以被定位在通常是矩形的测试阵列的任何预期点上。同样，存在具有固定横杆的测试器，在该横杆上设有可移动滑块。指状测试元件被布置在这些滑块上，该指状测试元件具有一定长度并且其一端可转动地固定(枢接)于滑块。通过指状测试元件的旋转运动，可以扫描垂直于横杆的某些区域。利用这两种类型的指状测试器，可以接触和测试待测试电路板的电路板测试点。
EP0468153A1公开了一种指状测试器，EP0853242A1公开了利用指状测试器测试电路板的方法。
指状测试器在市场上畅销的关键因素在于其测试待测试电路板的速度。为了提高测试速率，已经开发了特殊的测试方法(例如，EP0853242A1和对应的US5977776)或者特殊的测试探头(例如，US5804982或US6344751)。US5113133公开了这种快速接触待测试电路板的电路板测试点的测试探头。
利用传统的指状测试器，可以在实际测试待测试电路板之前，执行两个校准处理。在第一测试处理中，关于测试器校准的诸多测试头，其每个测试头包括一个滑块和接触指状测试元件；在第二校准处理中，使待测试电路板的CAD数据与插入测试器的实际电路板相适应。
在第一校准处理中，校准板被插入测试器中。该校准板是一个大电路板，在其表面利用导体路径形成栅格。各个导体路径被布置成彼此相隔例如1-3cm。只是在校准板的边缘区才形成一个非常宽的导体路径，它与所有其它导体路径电接触。在校准处理中，指状测试元件之一被放置在宽导体路径上，并且利用另一个指状测试元件扫描栅格的交叉点。当接触栅格的交叉点时，存储指状测试元件和滑块的坐标，并与校准板的相应交叉点坐标进行互相关。在两个接触指状测试元件和校准板的导体路径上形成导电连接之前，通过逐步逼近交叉点到达各个交叉点的位置。该逐步逼近例如可以以圆或螺旋方式进行。对于每个测试测量，都包括使指状测试元件降低到校准板，然后再从校准板升高。可能需要几十个测试测量来查找一个栅格点。如果已经成功地检测脱离校准板的所有栅格点，则对于测试区域的各个部分确定和存储用于驱动测试器的指状测试元件的不同校正值。这些校正值或者校准值能够使指状测试元件在测试器的坐标系统中被精确驱动，或者使它被放置在测试区域中。
通常为每个待测试电路板执行第二校准处理。在该处理中，一批电路板被插入测试器中，然后利用指状测试元件检测待测试电路板测试点图案中凸出的电路板测试点，并确定它们在测试器中的位置。当已经检测到电路板测试点时，则可以将待测试电路板的电路板测试点的CAD数据与物理电路板的坐标相适应，即，记录被确定为一批电路板标准的电路板测试点图案的畸变和偏差。
当完成两个校准处理时，可以成功地逼近待测试电路板的电路板测试点，并利用指状测试元件进行接触。
当每次重新设置测试器时，即如果置换一个指状测试元件或者如果在工作日开始时重新配置测试器，则需要进行第一校准处理。每当环境温度变化例如3℃以上时，也要执行第一校准处理。
两个校准处理占用不能用于电路板实际测试的可观时间量。因此，在电路板的测试中，这些校准处理对处理量造成不利影响。
WO9211541公开了用于电路板测试装置的成像系统。类似于X-Y录像机，该成像系统具有可移动横杆，横杆上装有带垂直可移动测试针的测试头。在靠近测试针的位置上装有一个成像装置，它包括透镜和CCD元件。在一个监视器上显示由成像装置产生的图像，借助在屏幕上所显示的图像，操作员在讨论会(teach-in)处理期间，跟踪所有待测试接触点并安排有关坐标，由此控制测试头。在测试期间，装置自动跟踪各个接触点并用测试针接触这些接触点。
发明内容
本发明基于利用指状测试元件建立测试电路板的设备和方法的问题，可以提高接触式电路板测试点的可靠性，并且使其校准时间的短于传统指状测试器所需的校准时间。
上述问题由具有权利要求1特征的设备、具有权利要求11特征的方法以及具有权利要求18特征的测试探头予以解决。
根据本发明，在测试处理期间由光检测装置监视诸多接触尖端，并且通过光检测装置所确定的结果自动校正至少当逼近待测试电路板的一部分电路板测试点时的诸多接触尖端的运动，由此使诸多接触尖端可靠接触相关电路板测试点。用这种方法，即使还没有校准或者精确校准相关定位数据，也可以确切地接触电路板测试点。
可以依据该处理所提供的校正数据，计算校准数据。
这些校准数据取代通常由传统指状测试器承担的两个校准处理，因为它们清楚地确定了指状测试元件的接触尖端与待测试电路板的物理电路板检测点之间的特定关系。
利用本发明的设备和本发明的方法，可以将校准处理和实际测试或测量处理一起执行，并且对后者没有任何明显延迟。这表明使用指状测试器测试电路板的方法明显加速，并且明显增加了待测试电路板的处理量。
下面借助附图详细解释本发明。
图1是带有照相机芯片的本发明测试探头；图2是带有光纤电缆的本发明测试探头；图3是光纤电缆的横截面图；图4是本发明指状检测器的剖视图；图5是执行本发明方法的测试探头的运动示意图；图6是本发明方法的流程图；图7是本发明测试器的另一个实施例的示意图；图8是待测试电路板的放大详图。
具体实施例方式
图1和图2示出了本发明测试探头1的两个不同实施例。这些测试探头1各自具有光检测装置3的光接收器装置2。德国专利申请DE10160119.0(未公开)描述了与光接收器装置分离的该测试探头1的基本结构，该专利申请在此作为本专利申请的参考。
测试探头1具有测试针4，在本实施例中由直径d为0.3-0.5的针5构成。针5用钢或钨制成。针5涂覆有由聚四氟乙烯制成的绝缘层。该涂覆层又被导电层覆盖。具有导电层的覆盖形成屏蔽6，以使针5与电场隔离。针5的两端从屏蔽6伸出，其一端逐渐变细成尖点并被设计成接触尖端7。在接触尖端的相反端，测试针4或针5连接两个保持臂8、9，以下将其称作上保持臂8、9。两个其它保持臂10、11系到屏蔽6上，与上保持臂8、9和测试针4之间的连接点相距一个短距离。保持臂10、11被称作下保持臂10、11。两对保持臂8、9和10、11的每一对分别由中间弯曲的钢丝元件制成，利用导电连接例如焊接连接，测试针4被连接在弯曲点上。因而，两对保持臂8、9和10、11分别在每一种情况下形成等边三角形，测试针4定位于等边三角形的顶点。
保持臂9-11距测试针4最远的端点固定到座架12上。座架12是电绝缘塑料件，在其顶部设有一列接触垫片13a-13h。上保持臂8、9的各自经由导体路径分别电连接接触垫片13a和13h。下保持臂10、11各自通过形成在座架12上部的接触垫片(未示出)电连接。
这些接触垫片通过其它导体路径(未示出)连接到在座架12上形成的电插头连接器(未示出)。座架12为插入元件，可以被插入到指状测试器的测试头中。在本实施例中，座架12具有槽15，槽15通向相距测试针最远的座架12侧面。座架12还具有与槽15成直角的通孔16。因此可以通过槽将座架12推动到测试头的薄壁17上，并利用穿过座架通孔16和薄壁17内相应通孔的销子来将其固定。当座架12在测试头的薄壁17上滑动或者置位时，连接到接触垫片的导体路径被同时电连接到测试头的对应导体路径上。
光电开关元件18被安装在座架12上邻近测试针4的侧面上。俯视时，光电开关元件18是具有底部18a和两个翼部18b的U形部件。在两个翼部18b之一的端部的内部设有光源，而另一个翼部18b设有接收光信号的光传感器。因而光源和光传感器构成一个光测量部。固定在测试针4上的是由薄金属片制成的测量翼片19。该测量翼片位于测试探头1纵向中央平面上，翼片与中央平面垂直排列并分别形成保持臂8、9以及10、11的镜面。测量翼片19的上边缘被设计为测量边缘20，并且当测试针4相对座架12移动时，该测量边缘20移入光测量部，所以光测量部的电测量信号重现测试针4相对于座架12的位置。
图1的测试探头具有呈照相机芯片21形状的光接收器装置2，利用两个保持臂22、23将光接收装置2固定到座架12的两个焊接接头24上。保持臂22、23(例如由钢丝制成)充当电导体，其各自借助另一个导体分别从焊接接点24引导到接触垫片13b和13g。保持臂22、23充当到照相机芯片21的电导线。由于照相机芯片通常具有两个以上的电连接，因此最好在保持臂22、23提供其它的电导体以及各自连接。在指向接触尖端7的侧面上，照相机芯片21具有光敏传感器场，该传感器通常是DDD传感器。透镜设置在传感器场上，所以观测圆锥25内的物体被光成像在传感器场上，并由照相机芯片将其转换成电视频信号。照相机芯片21被安排成使接触尖端7位于观测圆锥25上。因而由照相机芯片21光检测接触尖端7。
图2示出了本发明测试探头的一个可替换实施例。该测试探头的结构实质上与图1的探头相同，所以相同部分给予相同标号。照相机芯片的替代物是光纤电缆26，它附着在测试针4上。光纤电缆26具有邻近接触尖端7的自由端27，在自由端27上设有透镜。光纤电缆26由许多平行光纤28(图3)组成。位于光纤电缆26边缘区域的光纤28通过相距接触尖端最远的端部连接光源，使得来自光源的光入射传到接触尖端7的区域。从接触尖端7以及周围区域反射和/或发射的光被另一个光缆28接收并被馈入到照相机(未示出)。因此还可以经由光纤电缆26光检测接触尖端7，而可以生成电信号形式的相应图像。
图4示出了用于电路板30测试的设备29的示意结构。该设备或者测试设备29是指状测试器。待测试电路板30由一个安装架31固定。该安装架31限定一个用于安装电路板的矩形扁平面安装区域。该安装区域构成测试阵列，在测试阵列中可以接触待测试电路板的电路板测试点。安装区域之上和之下设有伸展到安装区域之外的横杆32。在所有情况下，相互平行排列的几个横杆最好被安排在安装区域之上或之下。横杆32的端部保持在轨道33中，垂直于图4的图面运行，即垂直于横杆32并平行于安装区域的平面。横杆32被设计成可在轨道33中移动。
安装在本实施例的每个横杆32每个上安装两个滑块34，该滑块可以沿横杆来回移动。在每个滑块34上面向安装区域的侧面安装测试头35。在每个测试头35上面向安装区域的端部安装测试探头1，如图1所示。测试头35被设计成，可在滑块34上沿着垂直于待测试电路板30和垂直于安装区域平面的方向移动。
为此目的，可以提供一个如德国专利申请DE10160119.0所描述的线性电动机。在原理上，也可以使用另一种类型的调整机构来替代线性电动机。测试探头35还可以设有旋转机构，使得指状测试元件的测试探头1可以围绕垂直于电路板30的轴线旋转。在这种实施例的情况下，横杆32可以做成固定的。
测试设备29具有被链接到一个组合检测/分析单元40的控制单元39。控制单元39通过接线41连接到操作元件(滑块34，测试头35)和测试设备29的传感器(照相机2，测试针5)。控制单元自动控制测试针5的运动，使其接触待测试电路板30上的电路板测试点。检测/分析单元40接收来自照相机2的光信号，然后自动分析这些信号(下面进行详细说明)。控制单元39根据检测/分析单元40所检测的数据控制测试针5的运动。
下面借助图5和图6解释本发明的设备的操作模式。图5示出了图4的测试器细节以及电路板细节的示意结构，其中测试头35被显示为位于离开电路板30最远的位置(阴影线)，并且位于测试针接触电路板表面的一个位置(虚线)。
当电路板特别是一批待测试电路板中的第一电路板已经被插入测试器后，处理开始(步骤S1)。
然后执行定位运动(S2)，其中将测试探头平行于待测试电路板30的平面移动，直至接触尖端7被近似定位在位于电路板测试点36之上的焊剂37的区域中。如果测试器还没有被校准，则定位运动的触发导致焊剂37与接触尖端7之间在与电路板30相隔的位置上出现类似于图5所示的偏差，。
利用光检测装置，即照相机芯片21以及合适的估算装置，可以形成以电路板为背景的探头尖端图像(S3)，并利用该图像确定探头尖端7相距电路板测试点36中心的距离。然后进行校正运动，使探头尖端7接近焊剂37。在校正运动的同时或之前或之后，朝着电路板30短距离移动测试探头。在执行这两个运动分量之后，探头尖端7到达点P1，少许接近焊剂37以及少许接近待测试电路板30。在该点上，靠这待测试电路板30的背景再次检测探头尖端，并确定相距待接触电路板测试点中心的距离以及到达该中心的方向。然后伴随着朝向电路板30的运动，进行进一步的校正运动。探头尖端7此时位于另一个点P2，该点P2比P1更接近焊剂37和电路板30。在此靠着待测试电路板30的背景再一次记录探头尖端7，并确定相距电路板测试点36的距离。其后跟随进一步校正运动，使测试探头继续向电路板30前进，直至探头尖端7落在电路板测试点36上。测试探头1借助测量翼片19和光电开关元件18(图1和图2)检测探头尖端7或测试针4对电路板30的接触。
所有校正运动的矢量之和提供接触尖端7原始位置相距焊剂37的距离的量和方向。该距离值被存储并且被用于计算校准数据(S4)，该校准数据用于测试探头到电路板测试点的新运动。
该方法用于待测试电路板30的电路板测试点36的预定选择。这些电路板测试点36很独特，即当未校准测试器靠近时，不会将其与其它电路板测试点混淆。某些电路板测试点位于具有单独安排的电路板测试点的大区域中。大区域被理解为1cm2或1cm2以上的区域。此外，这种独特的电路板测试点36可以是定位于一组电路板测试点的边缘的电路板测试点，因此容易在由照相机芯片21记录的图像(图8)上识别。在步骤S5中，检查是否已经测试所有选择的电路板测试点36。如果没有测试，则测试探头接近另一个所选电路板测试点36，并再次执行上述的校正运动，使得接触尖端7可以可靠地接触电路板测试点。依据有关的距离值再次确定校准数据。
步骤S5确定所有所选电路板测试点已经被测试，即已经确定所有校准数据。因而可以结束接近所选电路板测试点的处理(S6)。然后，以常规方式测试其它电路板测试点和一批电路板中的其它电路板。
在本发明的方法中，自动地接近各个电路板测试点，同时借助包含探头尖端和待接触电路板测试点的已记录图像，自动确定探头尖端相距电路板测试点中心的距离，并自动执行合适的校正运动。用这种方法，即使没有精确校准位置数据或者电路板测试点的位置偏离其理想位置，也能够正确接触电路板测试点。因此，本发明的方法能够显著提高接触电路板测试点的可靠性。
将测试器的控制单元设计成，通过输入定义的输入坐标，使测试探头移动到一个特定点。利用本发明的方法，将这些输入坐标链接到所选电路板测试点的实际位置，并由此计算校准数据。用这种方法，既校准测试器本身又将其与待测试电路板的CAD数据链接起来。因此，用单一校准处理替代了前述的两个校准处理，在电路板的实际测试中也执行单一校准处理。逼近所选电路板测试点的本发明方法仅仅比采用已校准设备的逼近长半秒至两秒钟，，使得与已校准设备所作的测试相比，整个测试过程延迟了约半分钟至3分钟(这取决于所选电路板测试点的数量)。这表明与必须先校准测试器然后再开始实际测试的传统方法相比，采用指状测试器的测试明显加速。
在借助图5和图6所述的方法中，每种情况下在逼近电路板测试点36中可以抓拍并分析三幅图像。然而，在本发明的范围内，如果照相机分辨率足够高，也能够只抓拍一幅图像，然后立即正确地逼近电路板测试点36。然而，如果偏差较大或者光检测装置的分辨率较低，则最好记录几幅图像并采取相应数量的校正步骤。照相机芯片记录一幅图像大约花费30毫秒。这表明图像的记录仅仅略微延迟了整个处理。
在本发明的范围内，测试器最好利用具有多个例如10至100个已选电路板测试点的一批电路板的第一电路板进行校准。对于其它待测试电路板，根据本发明方法仅仅逼近两到100个已选电路板测试点，所以用这种方法校验每个待测试电路板的测试器的位置。在利用10至100个电路测试点的校准过程中，确定电路板测试点的布置中的未对准、扭曲和/或畸变。电路板测试点的布置中的这种未对准、扭曲和/或畸变在国际专利申请WO02/21893 A2中有详细说明，因此通过参考将WO02/21893 A2并入本专利申请中。最好在各个阶段减少在校准处理中将考虑的电路板测试点的数量，例如在每种情况中为5至20个电路板测试点。如果在测试电路板期间，不良接触发生在指状测试元件与电路板测试点之间，则可以再次增加校准中考虑的电路测试点的数量。甚至最好在不良接触后，还原到在校准中考虑的电路板测试点的最大数量。
待考虑电路板测试点的最大数量是电路板每侧各两个，因为利用两个测试点能够精确确定电路板测试点在测试平面中的布置。如果希望在三维空间精确确定电路板的布局，则在校准中至少需要考虑三个电路板测试点。然而，最好利用至少4至10个电路板测试点校准每个电路板。
使用具有积分光接收器装置的测试探头不需要用于照相机操作的附加机构，利用照相机来校准测试器的传统指状测试器就是这样。
在上述设备的实例中，光接收器装置在所有情况下被安装在测试探头1上。图7示出了为安装区域的每个侧面提供照相机38的实施例，该照相机被静态安装在横杆32之外的区域中。每个照相机38可以检测测试探头1的接触尖端7。与上述的设备变化相比，该设计在机械方面更简单。然而需要具有优质透镜的高分辨率照相机，所以可以利用例如0.05mm的必要精度来检测接触尖端7的点。此外，所选电路板测试点必需如此选择当逼近这些测试点时，接触尖端与照相机38之间不能被测试器的横杆或其它部分遮挡。另外，可以采用与上述相同的方式执行本发明的方法。
权利要求
1.电路板测试的设备，具有固定待测试电路板(30)的安装区域；指状测试元件(1)，该指状测试元件利用接触尖端(7)连续接触待测试电路板(30)的电路板测试点(36)，其中可以借助移动装置(32、34、35)使指状测试元件沿待测试电路板表面移动，并且可以降低所述指状测试元件而使其接触尖端到达电路板(30)；光检测装置(2、21、26、38)，用于光检测指状测试元件的接触尖端(7)中的至少一个；分析单元，记录接触尖端的图像并确定探头尖端(7)相距待接触电路板测试点(36)中心的距离；和控制单元，根据由分析单元确定的探头尖端(7)相距待测试电路板测试点(36)的距离，控制探头尖端(7)的运动。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，近似垂直于待测试电路板(30)表面移动接触尖端(7)的装置。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，近似垂直于电路板(30)表面移动接触尖端(7)的装置具有线电动机。
4.根据权利要求1至3任一项所述的设备，其特征在于，横跨安装区域的横杆(32)，在所有情况下，在该横杆上可移动地安装至少一个滑块(34)，在每个滑块(34)上装有至少一个指状测试元件(1)。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，横杆(32)可以垂直于其纵向范围移动，和/或指状测试元件(1)被设计成垂直于横杆(32)的纵向范围移动。
6.根据权利要求1至5所述的设备，其特征在于，指状测试元件的接触尖端(7)在所有情况下形成于测试探头(1)上，并且至少一个测试探头(1)设有光检测装置(3)的接收器装置(2)。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，接收器装置是照相机芯片(21)。
8.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，接收器装置是光纤电缆(26)。
9.根据权利要求1至5任一项所述的设备，其特征在于，光检测器装置(3)是固定的，并且被设计成用于一个或多个探头尖端(7)的光检测。
10.根据权利要求1至9任一项所述的设备，其特征在于，光检测装置(3)具有照相机。
11.利用测试电路板的设备测试电路板的方法，所述设备包括固定待测试电路板的安装区域；指状测试元件，该指状测试元件利用接触尖端连续接触待测试电路板的电路板测试点，其中可以借助移动装置使指状测试元件沿待测试电路板表面移动，并且可以通过其接触尖端将其放置到电路板上；其中所述方法包括用接触尖端逼近所选电路板测试点的以下步骤执行接触尖端之一的定位运动，所述一个接触尖端布置成相距待测量电路板表面一定距离，其中所述一个接触尖端平行于电路板表面移动，直至接触尖端近似定位到垂直位于电路板测试点中心的焊剂上，垂直于待测试电路板的表面移动接触尖端，其中借助光检测装置，至少检测一次探头尖端相对于待接触电路板测试点的位置，并以使接触尖端朝焊剂移动的方式驱动移动装置，以执行沿着平行于待测试电路板表面方向的校正移动。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，依据校正移动的方向以及移动量确定校准数据，以用于后续定位移动。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，在几个移动步骤中执行校正接触尖端位置的校正运动，其中在各个移动步骤之间，在所有情况下检测探头尖端相对于待接触电路板测试点的位置。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，对于每批待测试电路板，借助10至100个电路板测试点确定这批待测试电路板的第一电路板的校准数据，该校准数据用于测试这批电路板的其它电路板。
15.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在测试这批电路板的其它电路板中，借助多个电路板测试点确定校准数据，其中在测试每个电路板之间的步骤中减少这些电路板测试点。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在测试这批电路板的其它电路板中，借助2个至10个电路板测试点确定校准数据。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其特征在于，在测试这批电路板的其它电路板中，如果指状测试元件在接触电路板测试点中发生故障，则借助数量增加的电路板测试点确定校准数据。
18.根据权利要求11至17所述的方法，其特征在于，使用权利要求1至10的设备。
19.用于指状测试器的测试探头，其中测试探头可以被安装在测试头(35)上，所述测试头可以朝着待测试电路板移动，以便利用接触电路板测试点的接触尖端接触电路板测试点，其特征在于，测试探头(1)具有光检测装置(2)，借助该光检测装置可以光检测接触尖端。
20.根据权利要求19所述的测试探头，其特征在于，检测装置(3)具有呈照相机芯片(21)形式的接收器装置(2)。
21.根据权利要求19所述的测试探头，其特征在于，检测装置(3)具有呈光纤电缆(26)形式的接收器装置(2)。
全文摘要
本发明涉及测试印刷电路板的装置和方法，以及用于所述装置和方法的测试探头。根据本发明，在测试期间借助光检测装置监视指状测试器的指状测试元件的接触尖端，并且至少在逼近待测试印刷电路板的部分测试点时，根据光检测装置确定的结果，以接触尖端可靠地接触有关电路板测试点的方式校正接触尖端的移动。由此可以在校准数据的计算中使用所获得的校正数据。
文档编号G01R1/06GK1650181SQ03810114
公开日2005年8月3日 申请日期2003年4月29日 优先权日2002年5月7日
发明者罗特哈格·乌韦, 尤舒克·奥勒 申请人:德商·Atg测试系统股份有限公司