飛針測試：革新現代電子製造中的 PCB 品質保證
1 分鐘
- 測試方法：
- 什麼是飛針測試？
- 飛針測試使用可移動探針對 PCB 進行電氣檢查，項目包括：
- 線上測試與飛針測試有何不同？
- 飛針測試如何運作？
- 飛針測試中的導線阻抗量測：
- 四線 Kelvin 測試工作原理：
- 飛針測試的優點
- 飛針測試的缺點
- 結論
- 飛針測試常見問題
飛針測試：革新現代電子製造中的 PCB 品質保證
印刷電路板（PCB）的製造流程中包含一個關鍵的測試階段。每塊電路板都必須經過測試，以確保製造商在出廠前能夠檢測出所有電氣或電路問題。當 PCB 通過這項測試時，更能確保其可靠運作。最常見的測試方法包括線上測試（ICT）與飛針測試（FPT）。
6 支高精度探針（針頭），其中 4 支位於上方、2 支位於下方，可透過程式控制接觸元件接腳（包括細間距元件）或其他接觸點，對印刷電路板或組裝件進行電氣測試。除了電氣測試外，飛針測試儀也能執行功能測試，並可透過 JTAG 介面錄製程式。FPT 是一種無需治具或測試平台即可驗證 PCB 組裝的高精度且極具彈性的技術。本文將深入介紹飛針測試的原理、流程、能力與應用。
四支飛針探針特寫，精準接觸印刷電路板組裝上的元件。
測試方法：
1) 智慧 ICT：短路、開路與元件測試
2) Model-Z 阻抗測試（NZT）：檢測短路並提供網路參數特性，同時考量所有元件。
3) 電場掃描法：透過場強檢查接腳連接並偵測開焊。
4) 光學測試：透過相機影像評估（可擴充）
5) 四線 Kelvin 測試：導線阻抗量測
什麼是飛針測試？
飛針測試（FPT）是一種用於檢查印刷電路板電氣功能的自動化測試方法。它使用可移動的探針「飛越」電路板，接觸各種測試點，量測電阻、電容與連續性等參數。與傳統需固定治具的線上測試不同，飛針測試彈性高，無需客製治具，因此特別適合小量生產、原型及經常變更的設計。
飛針測試機使用一支或多支測試探針，可同時從 PCB 上下方接觸測試點。探針依據程式在電路板上移動，測試多條導線或元件。這些機器使用極精密的針頭，確保 PCB 正常運作。FPT 亦適用於中低量生產。
飛針測試使用可移動探針對 PCB 進行電氣檢查，項目包括：
短路與開路
圖形缺陷
電壓與頻率響應
被動元件數值
連接性與訊號完整性
「飛行」探針安裝於由精密機器人運動控制的臂或頭部上，可鎖定 PCB 表面任何測試點。飛針可為從簡單板子到具數千測試點的複雜多層 PCB 提供完整的電氣測試覆蓋。
線上測試與飛針測試有何不同？
比較使用固定「針床」治具的線上測試與使用可移動機械臂的飛針測試。
線上測試（ICT）是一種評估印刷電路板上個別元件品質與功能的方法。此測試使用稱為「針床」的治具，具有大量探針接觸 PCB 上的指定測試點。
這些探針注入測試訊號並量測電壓、電流、電阻與電容等電氣參數，以驗證元件是否正確放置、正常運作且焊接無缺陷。ICT 特別適用於大量生產，但需要客製測試治具，成本高昂且製作耗時，因此較不適合原型或小量生產。
飛針測試如何運作？
飛針測試循環的八個步驟，從載入 PCB 到顯示通過/失敗結果。
1. 載入 PCB：將 PCB 放置於測試系統的精密治具上。
2. 光學對位：使用光學相機將 PCB 座標系統對準測試機。
3. 匯入測試程式：從 CAD 資料匯入測試參數。
4. 探針接觸測試點：多頭探針接觸已定義的測試節點。
5. 執行電氣測試：測試機依程式進行激發與量測。
6. 移動探針：頭部重新定位探針以涵蓋所有可定義節點。
7. 重複測試：重複步驟 4–6 直到所有點驗證完成。
8. 顯示結果：通過/失敗報告清楚標示缺陷以供維修。
以上可歸納為以下三大步驟：
步驟 1：程式編寫與測試平台產生
開始前，必須建立飛針測試程式。測試程式通常於離線 PC 上使用測試程式產生軟體開發，該軟體需要 Gerber、BOM 與 ECAD 檔案以產生測試點。
步驟 2：載板流程
完成測試程式後，將其載入測試機內的輸送帶。電路板經輸送帶進入測試區，由探針執行測試；可單片或多片，依程式控制。
步驟 3：測試流程
探針依測試程式「飛行」於電路板周圍，使用測試訊號對板端各點進行電氣與功能測試。量測結果將進一步處理，判斷電路是否符合預期。
若結果不達預期或偏離程式設定，探針將標示該單元缺陷，判定為測試失敗。
飛針測試中的導線阻抗量測：
四線 Kelvin 測試（亦稱四線式電阻量測或四點探針量測）是一種可精確量測低電阻的技術，常用於需要高精度與低量測誤差的場合，例如導體、電阻或半導體元件測試。於 PCB 設計中，可利用此方法量測兩點間的電阻。
四線 Kelvin 測試工作原理：
四線 Kelvin 連接電路示意圖，顯示獨立的電流傳導與電壓感測路徑，以消除導線電阻誤差。
1. 電流傳導探針：
兩支電流探針連接至待測元件或材料的兩端，負責通入已知且精確的電流，通常稱為外側探針。
2. 電壓感測探針：
兩支電壓探針置於待測樣本上，通常與電流探針保持特定距離，負責精確量測樣本兩端的電壓降，稱為內側探針。
3. 量測流程：
量測時，透過電流探針於樣本中通入恆定電流，再利用電壓探針量測樣本兩端電壓降。由於電流與電壓探針物理分離，電壓量測不受連接導線或接觸電阻影響；電壓表因輸入阻抗高，接觸針腳上不會產生電壓降，從而可更精確地計算樣本電阻。
4. 計算：
利用歐姆定律（R = V/I）計算樣本電阻，其中 R 為電阻，V 為樣本兩端量測電壓，I 為通過樣本的電流。此方法特別適用於低電阻或需要高精度量測的場合。
飛針測試的優點
使用 FPT 具有多項優勢，以下為導入飛針測試於印刷電路板組裝流程的主要效益：
1) 測試成本較低：FPT 無需客製治具，相較 ICT 成本更低。
2) 適合小至中量生產：因開發成本低且開發時間短，飛針測試非常適合小批量生產；雖不適用於大量生產，但仍可用於樣品與原型。
3) 開發時間短：FPT 運行時間依 PCB 尺寸而異，通常每片板測試時間約 5 至 15 分鐘。
4) 彈性高：FPT 自動化提升了測試變更的彈性，雖部分複雜測試仍有限制，但其應對變化的能力使其極具實用性。
5) 精度與準確度高：測試探針定位精度與可靠度高，有助於防止成品出現問題。
飛針測試的缺點
1) 可能造成物理損傷：飛針直接接觸導通孔與測試焊墊，易在板面留下小凹點，部分 OEM 將其視為製造缺陷。然而隨科技進步，升級版飛針測試機將可解決此問題。
2) 可能造成焊接不良：當飛針測試機於無測試墊的元件上操作時，探針可能碰觸元件引腳，導致引腳鬆脫或焊接不良。
3) 不適用於大量及大型複雜電路板：FPT 僅有少數探針同時作業，須覆蓋板上所有測試點。對於小尺寸板與樣品通常不是問題，但對於大量生產的大型複雜板則不建議使用。
儘管存在上述缺點，FPT 仍被視為 PCB 製造與組裝中的重要測試方法，將持續在引領電子產品實現卓越性能與高可靠性方面發揮關鍵作用。
延伸閱讀： PCBA 測試指南：方法、流程與品質標準
結論
總結而言，飛針測試能夠快速、準確且全面地驗證 PCB 組裝品質，同時大幅降低對客製治具的需求。先進機器人運動控制、探針技術與自動化能力所實現的技術，使飛針測試機能夠檢查絕大多數從製造與組裝廠出貨的組裝板。透過卸載繁瑣的手動測試，飛針測試以高效且具成本效益的方式提供品質與可靠性保證。隨著持續的技術進步擴展其應用範圍，飛針測試解決方案將在電子製造中扮演日益關鍵的角色。
飛針測試常見問題
Q1. 何時應從飛針測試改為線上測試（ICT）？
業界「損益平衡」點通常介於 50 至 250 片板之間。低於此數量時，FPT 更具成本效益，因可節省 2,000–6,000 美元的 ICT 治具費用。然而一旦產量超過約 250 片，FPT 較長的循環時間（每片 15 分鐘）將成為瓶頸，此時 ICT 的快速測試（<1 分鐘/片）儘管有初期治具成本，卻更便宜且快速。
Q2. 飛針測試能否檢查 BGA（球柵陣列）下方的元件？
一般無法。FPT 需物理接觸測試點，若 BGA 焊點隱藏於封裝下方且未透過導通孔或測試墊引出，探針將無法接觸。然而，先進 FPT 機台可使用電容式「TestJet」感測器，無需直接接觸即可偵測 BGA 接腳開路。
Q3. 若沒有 CAD 資料，仍可進行飛針測試嗎？
可行，但不易。此方法稱為「逆向工程」或「黃金樣板學習」。機器先掃描一片良好板，學習所有點的阻抗並據此建立測試程式。相較於使用原始 CAD/Gerber 資料，精度較低且設定費時，但對於資料遺失的老舊板子仍值得採用。
Q4. 探針留下的「凹點」會影響 PCB 可靠性嗎？
絕大多數情況下不會。探針於焊點留下的小凹陷通常僅為外觀問題，符合 IPC 製造標準。然而若探針意外撞擊裸露銅箔或小型電阻體，可能導致損傷。工程師會採用「軟著陸」可程式速度/壓力設定，並限制僅於堅固測試墊或焊點上探針，以避免此問題。
持續學習
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