专利名称：具有已改善故障检测覆盖率的制作缺陷分析仪的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及用于测试印刷电路板的设备，特别涉及用于检测印刷电路板上的制作缺陷的设备。
授与Cilingiroglu的美国专利US-5,124,660公开了一种制作缺陷分析仪，在该分析仪中，形状通常为平板的金属电极置在印刷电路板上的元件的上面。该电极由产生电场的振荡器驱动，在测试中电场耦合到元件的引线结构上。这种类型的耦合称为“电容耦合”。
测试探头连接到印刷电路板上，以测量电容性地耦合到电路板的信号。为了确定在试验中的元件的特定引线是否正确地连接到印刷电路板上，可把在印刷电路板上该引线与该印刷电路板连接的故障测试点连接到电流测量装置上。而将电路板上的其它故障测试点接地，以避免虚假信号，这称之为“屏蔽”。
如果电流测量装置检测出电流，表明从元件的引线结构到印刷电路板是一条通路。如果没有测出电流，则表明在测元件的引线结构和印刷电路板存在断裂，这种断裂表明存在有制作方面的缺陷。
授予Crook等的美国专利US-5,254,953公开了一个类似的系统，按该专利，在测试中测试信号是电容性地耦合在元件的引线结构和呈平板形的导电电极之间。美国专利US-5,124,660和US-5,254,953在此将作为参考文献引入本文。
另一种测试技术是由Sheen等在1994年4月15日申请的，标题为“印刷电路板测试装置”，尚未授权的美国专利申请08/227,854所公开的。
该专利公开的制作缺陷分析仪，其中天线阵列是置于在测印刷电路板上的元件之上。所构成的天线阵列，用以在被测元件内产生磁场。
测试探头以下述方式连接到印刷电路板上，即它形成一个包括在测元件引线的回路。其它的故障测试点也接地。如果将在测元件正确地连接到印刷电路板上时，该回路是一个导电的回路。当用电磁场在该回路感应一个电压时，如果在测元件正确地连接到印刷电路板，就会感应一个电压。如果没有检测到电压，则表明存在制作缺陷。这种把测试信号耦合到印刷电路板上的方法称之为“感应耦合”。
上述的美国专利申请08/227,854在此也作为参考文献引入本文。
已经认识到每种方法，即电容耦合方法和感应耦合方法都有一些缺点。每种方法只可检测某些印刷电路板上的引线故障，在印刷电路板上对于可以检测故障的总的引线的百分比称之为装置的故障检测覆盖率。理想上的故障检测覆盖率应该是100％。然而，电容和感应方法的故障检测覆盖率对于某些类型的印刷电路板都只有80％。
限制这些方法的有效性的因素涉及被测试的特殊类型的元件。电容耦合方式对接地屏蔽的元件是无效的。感应耦合方式对于测试插座中无元件的插座是无效的。
已经证明的其它的缺点涉及具体的在测元件上的引线与印刷电路板的连接方法。电容地耦合到电流测量装置上的实际信号决定于电极和在测元件上的引线结构间的电容与元件网络的静电容之比。通常，电极和引线结构间的电容非常小，因此，电容耦合的信号很小。
通常，感应耦合的信号比电容耦合的信号大，较大的信号能进行更精确的测量。然而，已经发现当感应耦合信号不是很大的情况，当多个元件连接到印刷电路板上的同一节点上时，感应耦合信号会小于电容耦合信号。
正前述美国专利申请08/227,854所描述的，印刷电路板上的导电回路是由施加到印刷电路板上的偏流形成。这个偏流正向偏置在半导体元件中固有存在的基片二极管上。如果在测元件的基片二极管具有比连接到相同节点上的其它元件的基片二极管更高的导通电压，更大的偏流将流入其它的元件而不是流入在测元件。如果流入在测元件的偏流太小，其基片二极管将不形成完全正向偏置。在那种情况下，在电路板上将感应出一个很小的信号。进而，偏流流入在节点上的其它元件，正向偏置其基片二极管。这些正向偏置二极管代表着另一个形成电压分压器的通路，从而进一步减少用于测量的信号。
由此，对于在测元件的具体引线，电容耦合可以提供较大的信号，和更精确的结果。已经发现，可以提供一种既可以采用电容耦合方式也可以使用感应耦合方式测试元件的制作缺陷分析仪而获得显著的优点。还已经发现，显著的优点可以通过可以很容易构成即可用于电容耦合测试也可用于感应耦合测试的结构的制作缺陷分析仪获得，且这种结构重组可以通过引脚与引脚的偏置完成。
考虑到上述背景，本发明的目的在于提供一种具有高故障检测覆盖率的制作缺陷分析仪。
再一个目的在于提供一种可以实现电容耦合测试或感应耦合测试的制作缺陷分析仪；又一个目的在于提供一种可以通过引脚与引脚的偏置，使其既可以用电容的方法也可以用感应的方法对于元件测试制作缺陷的制作缺陷分析仪。
还有一个目的是提供一种改善了精度的制作缺陷分析仪。
上述的和其它的目的是由具有带有在两个平行平面中按组配置的天线元件传感器的制作缺陷分析仪实现的。所述的组可以分别用具有相位差的信号驱动，以便产生用于感应耦合测试的磁场。还可以将一个信号施加到两组之间，以产生用于电容耦合测试的电场。
通过下面结合附图所作的详细说明将能更好的理解本发明，其中
图1表示按照本发明的测试系统的示意图；图2表示构成图1中的传感器元件的示意图；图3表示当图2的传感器构成用于电容耦合结构时产生的电场。
图1示出了一个在测印刷电路板100，多个元件102装在电路板100上。如常规的电路板测试系统那样，电路板100装在一个夹具上(未示出)。
传感器104装在待测的每个元件102的上面。传感器104可以以任方便的办法安装，例如安装在夹具的上压板(未示出)上。优选使用柔性支承方式。绝缘材料优选地插在传感器104和元件102之间，它用于防止传感器104与电路板100上的元件间短路。绝缘材料应尽可能的薄，以便使传感器104尽可能的接近元件102。
传感器104将结合上面的图2详细地说明。每个传感器104具有可以通过元件102驱动而产生磁场或是电场的输出，本文所使用的术语“传感器”意指一种在绝缘体内，作为在电导体和电磁场之间转变用的元件。在优选的实施例中，“传感器”是用于激发电场或磁场。然而在另一个实施例中，同样的元件可以用于接收这些场。
电接触是通过钉106连接到印刷电路板100的下侧实施的，钉106最好如在常规电路板测试器那样做成一种钉床，钉106与在印刷电路板100上的导电故障测试点接触，所说的故障测试点与元件102的引线(未标号)相连接。
钉106连接到选择器108上，并通过选择器108连接到电压表114A或电流表114B上，选择器108可以把这些表接到任何一个钉106上，由此，在印刷电路板100上的任一点的电压或电流信号都可以被测量。
选择器108还连接到偏流源112上，偏流电源112可以接到印刷电路板100的任一点上，以便为感应耦合测试建立导电回路。
由电压表114A和电流表114B进行的测量都送入控制器124，控制器114优选的是一台微处理机，且数值是以数字形式传送。
控制器124按编程进行测试程序，它产生所要求的控制输入到选择器108，以便把表114和偏流源112连接到在印刷电路板100上的各点上。进行连接，以测试每个元件102的每个引线是否正确地连接到印刷电路板100上，每根引线可以用电容耦合或感应耦合方式测试。
对于电容耦合测试，如在前述的授予Cilingiroglu的美国专利US-5,124,660所描述的那样，选择器108将电流表114B连接到印刷电路板100的电路节点上。对于感应耦合测试，如前述Sheen等的名称为PrintedCircuil Board Tester的美国专利申请08/227,854所描述的那样，选择器108将电压表114A和偏压源112连接到印刷电路板100的电路节点上。
用于测试的激发信号来自源122A和122B。源122是RF源，它们设计成以相同频率工作，源122的相对相位也应该是可调的。对于感应耦合方式，源的相差最好为90°。对于电容耦合方式，源最好是同相的。
源122A和122B可以通过开关123连接在一起，开关123闭合时适于电容耦合，且有效地使输入功率加倍。
源122连接到选择器118，选择器118连接到每个传感器104，每个传感器104具有多个输入端，下文将作更详细地说明。选择器118是一个开关矩阵，它使源122能同时连接到一个传感器104的各输入端。
回到图2，它示意地示出传感器104之一的一部份。正如前述专利申请08/227,854中所述，每个传感器104由在印刷电路板上的螺旋(调谐〕环形天线元件组构成。图2示出了与螺旋环形天线的电连接。当实际制作时，螺旋回路位于印刷电路板多层表面上，且不具有在图2中所使用的方向性，仅表示电连接。
螺旋天线元件由两组构成，它们由相位相异90°的信号驱动。在每一个组内，相邻的螺旋天线元件是以相反的方向盘绕的。
图2所示是多印刷电路板中的层210和212，一组天线元件形成在层210中，另一组天线元件形成在层212中。如图2所示，各组是交错的，在层212中的一个天线元件位于层210中的各天线元个之间。
在每个组中的天线元件成对构成。对于在层210上形成的组，示出了对215A和215B。对层212上的组，示出了对217A和217B。每对均由反时针螺旋214和顺时螺旋216组成。当在层212上的组以与用来驱动在层210上的组的信号的相位相异90°的信号驱动，这种螺旋天线元件的结构将导致每个天线元件在与相邻天线元件相比在相位上超前了90°。
在每组中的成对的天线元件通过在印刷电路板上的电路交点并联连接，在所述的交点之上形成传感器104，因此，对传感器104有四个输入端点，端点220A连接到在层210上的天线元件的反时针螺旋上，端点220B连接到在层212上的天线元件的反时针螺旋上，端点220C连接到在层210上的天线元件的顺时针螺旋上，端点220D连接到在层212上的天线元件的顺时针螺旋上。
对于感应耦合方式，RF源122A连接在端点220A和220C之间。RF源122B与源122A的相位相异90°，并连接到端点220B和220D这间。磁场按前述专利申请08/227,854所描述的那样产生。
对于电容耦合方式，源122A和122B是同相的并连接在一起。源122的一侧连接到端点220A和220C，其另一侧连接到端点220B和220D上。
图3图解地示出了上述连接所产生的电场310。在层210上的各个天线元件连接在一起且起到类似于导电平板的作用。在层212上的各个天线元件也类似的连接在一起且起到类似的导电平板的作用。第一阶的两个相邻的导电板的电场如图3所示。
电场310延伸到传感器104之外并进入元件102。在这种情况下，信号可以电容地耦合到元件，以便如前述的授与Cilingiroglu的美国专利US-5,124,660所描述的那样测试。
如图1所示，相同的硬件可用于用电容耦合或感应耦合方式来进行测量。硬件可以通过改变选择器108，选择器118和开关123之间的连接方式简单地重组。所有这些元件都是在控制器124的控制下操作。
控制器124存贮着一个测试程序。该测试程序由人或由计算机运行的计算辅助设计软件开发。它包括对构成图1所示硬件的指令，以测试在印刷电路板100上的每个元件102的每个引线。在程序中的进一步的指令是使之进行测量并与阈值比较，阈值之下的测量值表明引线到印刷电路板的连接有故障。测试程序还包括以某种方便的方式向使用者报告有故障的指令，如报告或报警。
因为本发明使每个引线能以电容技术或感应技术测试，所以在测试程序内的指令对于电容方法测试，感应方法测试，或两者可以构成相应的硬件。测试方法优选地选择当引线是正确地连接时，对每个引线可给予最大的信号的方法。这个信息可以当写入测试程序时通过分析印刷电路板的结构的方式得出。
另一方面，该信息也可以在“学习模式”下通过测量一块已知的好板获得。在学习模式中，控制器124被程序化，以便测量电容和感应耦合到每个引线上的信号。可以产生较大信号的电平的技术，可以包括在对那个引线的测试程序内并被识别。还有，测量值可以用于设定一个用来识别故障的阈值，该阈值应该比在已知的好板上的测量值稍低。
可以采用这两种现有测试方法，也可以同时使用，以获得更加精确的测量。例如，还可以不是设置一个阈值，而是对一种方法确立两个阈值。上阈值可以确立一个信号电平，如果测量的信号在其之上，则表明引线是正确连接。下阈值也可以确立一个信号电平，如果测量值低于它，则表明引线未正确地连接。
如果测量值在两个阈值之间，应该用第二种方法测量。如果对第二种方法的测量值在阈值之上，表明没有故障。如在阈值之下，则表明有故障。
阈值的数值是随印刷电路板上使用另件的型式和印刷电路板的特定结构变化而变化的。
上面已经说明了一个实施例，还可以做出许多不同的实施例或变型。例如，所示的传感器104的构成是适用于电容耦合的，它是通过将连接印刷电路板的两不同层上的天线元件间的信号，连接成与两个非常靠近的平行平板间的信号效果近似的方式实现的。也可以把所有螺旋环天线形成在印刷电路板的一层内，在这种情况下，所有元件的输入和输出可以连接在一起。按这种方式连接，螺旋环形天线元件近似于单个导电板，信号可以以单点连接方式驱动，天线元件因此起到了在授与Cilingiroglu的美国专利US-5,124,660中的测试系统的电极的作用。
在另一个变型中，在其上可形成传感器104的印刷电路板可以包括在螺旋环形天线之上的接地层。如果传感器是用布线构成的，以使信号能连接到那个接地层，则接地层可起到平行平板的作用。它可以是用于构成在美国专利US-5,124,660中的电极的平行平板。另外，它可以是图3所示的两块平板之一。在这种情况下，第二平行平板可以通过在印刷电路板上的一层或多层上组成传感器104的天线元件的互连形成。
另外，图2示出了一种螺旋环形天线元件，虽这样的天线元件是所希望的，因为它们可以幅射磁场，但其它类型的天线元件也可以使用。
图1示出了使用两个源来驱动相位差为90°的天线元件组，但也可以使用与相移网络连接的单个源。
另外，图中示出的天线元件是分成两个组，且每个组内的天线元件分成相位差为180°的线对，但也可以使用任何数目的组，且任何类型的线绕方式可以用在每个组的元件之间。尽管在每个组内的天线元件的相位应该交错排列，以使由所有天线元件产生的信号可以在远场范围内消失。
在一个优选的实施例中，本发明的测试器是钉板测试器台架上的一部分。本发明也可以很容易地制成单独的设备。
此外，如已经说明的，在优选的实施例中的引线即可用感应方法或也可用电容方法测试。还说明了可事先选择所使用的测试方法并可以按测试程序记录。因此，这样的结构减少了总的测试时间。而且，在测试时可以用两种方法测量信号电平，因此，可以选择能提供较大信号的方法。况且，也可以不基于对较大信号的选择，而是基于信噪比或某个其它参数的估计进行选择。
作为另一种变型，正如已说明的，传感器104只是用于对被测印刷电路板100驱动一个信号，但测试信号也可以引入在测电路板100，并通过传感器104实施测量。
此外，如已说明过，对于电容耦合方式，每组大线元件的两个端点是连接在一起并用同一个信号驱动。如果只驱动每个元件的一端，而另一端不连接，本发明仍有上述功能。
因此，本发明应该仅受所附权利要求书的精神和范围限定。
权利要求
1.一种用于测试在其上装有多个元件的印刷电路板的制作缺陷分析仪，其特征在于，该分析仪包括a)多个传感器，每个传感器i)适合于装在印刷电路板上的元件之一上；ii)具有多层，至少在一层上具有导电的故障测试点，所述的导电故障测试点至少在第一点和第二点之间形成一个导电通路；和iii)至少有两个端点，一个连接到第一点，一个连接到第二点；b)测试控制装置，用于i)以使电流能在传感器的两个端点之间流动的方式连接传感器并测量在印刷电路板和传感器之间感应耦合的信号；ii)以防止电流在两个端点之间流动的方式连接传感器并测量在印刷电路板和传感器之间电容耦合的测试信号。
2.按照权利要求1所述的制作缺陷分析仪，其中测试控制装置包括用于连接传感器将传感器的两个端点连接在一起以防止电流在两个端点间流动的开关。
3.按照权利要求1所述的制作缺陷分析仪，其中测试控制装置包括一个信号源和用于把信号连接在两个端点之间以使电流在两个端点间流动的装置。
4.按照权利要求1所述的制作缺陷分析仪，其中测试控制装置包括一个测量仪表和用于把所说的仪表连接在两个端点之间以便使电流在两个端点间流动的装置。
5.按照权利要求1所述的制作缺陷分析仪，其中导电的故障测试点形成为螺旋环形天线。
6.按照权利要求1所述的制作缺陷分析仪，其中测试控装置包括a)一个钉床；b)一个与钉床相连接的选择器；c)一个电流表，一个电压表和一个与选择器相连接的偏置源；和d)一个与电流表、电压表和选择器相连接的微机。
7.用于测试在其上有多个元件的印刷电路板的自动测试装置，其特征在于，该装置包括a)多个传感器，每个传感器具有多层，至少在两层上形成导电元件，至少在一层上的导电元件是电连接到一个输入点和一个输出点的故障测试点；b)一个RF信号源；c)第一开关装置，具有一个控制输入端，并响应于在其控制输入端的信号，用于把RF信号连接在输入点和输出点之间或传感器不同层上的导电元件之间；d)多个适合于能接触到被测印刷电路板上各点的探头；e)用于测量电压的装置；f)用于测量电流的装置；g)第二开关装置，具有一个控制输入端，并响应于在其控制输入端的信号，用于把电压测量装置和电流测量装置可切换地连接到所选择的多个探头之一上；h)控制装置，耦合到第一开关装置和第二开关装置的控制输入端，用于当RF信号源连接在输入和输出点之间时，产生控制信号，以便把电压测量装置连接到所选择的多个探头之一上，并用于当RF信号源连接在传感器不同层上的导电元件时产生控制信号，以便把电流测量装置连到到所选择的多个探头之一上。
8.按照权利要求7所述的自动测试装置，还包括一个连接到第二开关装置的偏置源，其中，当RF信号源连接到输入和输出点之间时，控制装置产生指令，以便把偏置源连接到所选择的多个探头之一上。
9.按照权利要求7所述的自动测试装置，还包括用于处理测量电压的装置的输出和测量电流的装置的输出的装置，以便鉴别是否存在制作缺陷。
10.按照权利要求7所述的自动测试装置，其中多个传感器中的每一个包括多层的印刷电路板。
11.按照权利要求7所述的自动测试装置，其中导电元件之一包括一个接地平面。
12.按照权利要求7所述的自动测试装置，其中导电元件之一包括一个螺旋环形天线元件。
13.按照权利要求12所述的自动测试装置，其中导电元件之一包括两上连接在一起的螺旋环形天线，且第一个按顺时针方向盘绕，第二个按反时针方向盘绕。
14.按照权利要求7所述的自动测试装置，其中在至少两层上的导电元件包括一个导电故障测试点。
15.一种测试具有多个元件且每个元件具有多个连接到印刷电路板上的导电故障测试点的引线的印刷电路板的方法，包括如下步骤a)在多个元件的第一个元件附近构成一个传感器，以便在第一元件附近产生一个磁场；b)测量在包括第一元件的第一个引线在内的印刷电路板上的回路中由磁场感应的电压；c)在第一元件附近形成相同的传感器，以产生一个电场；d)测量由传感器经第一元件的一个引线电容耦合到印刷电路板上的一个故障测试点的电流；e)当测量电压低于阈值时或测量的电流低于阈值时检测在印刷电路板上的缺陷。
16.按照权利要求15所术的方法，其中测量电压的步骤包括首先把偏置源连接在回路中。
17.按照权利要求15所述的方法，其中测量在一个包括有一个引线的回路中的电压和测量流经引线的电流的步骤中，包含同一个引线。
18.按照权利要求15所述的方法，其中测量一个包括有一个引线的回路中的电压和测量流经一个引线的电流的步骤中包含不同的引线。
19.按照权利要求15所述的方法，其中构成传感器以产生磁场的步骤包括在传感器内的第一导电故障测试点的两个端部上施加一个RF信号。
20.按照权利要求19所述的方法，其中形成传感器以产生电场的步骤包括把第一导电故障测试点的两个端点连接在一起。
21.按照权利要求19所述的方法，其中形成传感器以产生电场的步骤包括把RF信号施加在第一导电故障测试点和第二导电故障测试点之间，第一和第二导电故障测试点是位于平行的平面内。
全文摘要
一种用于印刷电路板的制作缺陷分析仪,它可以检测元件的引线和印刷电路板之间开路故障。制作缺陷分析仪可以按感应耦合模式或电容耦合模式操作。相同的传感器可用于两种模式,以便使在同一部分的不同引线能用任一种方法测试。本发明还公开了一种使装置可以快速且精确地检测制作缺陷的方法。
文档编号G01R31/04GK1178582SQ9619258
公开日1998年4月8日 申请日期1996年2月2日 优先权日1995年3月16日
发明者蒂莫西·W·希恩 申请人:特拉达因公司