【IoT】創業：硬體產品生產線測驗方案設計

電子硬體產品的生產工藝流程復雜，尤其是 PCBA 生產流程很容易出現問題，因此需要做充分的測驗，以確保組裝程序順利進行，

工廠測驗和研發測驗有很大區別，研發測驗用來檢查設計是否正確，因而也被稱為「設計確認測驗」，

在不同的情況下，進行工廠測驗所投入的精力會有很大差異，

• 有時測驗很簡單，只需要技術人員在產品組裝完成后開啟它，檢查能否正常作業即可；
• 而有些工廠測驗需要付出巨大精力，認真檢查產品的每個細節，確保產品在出廠前一切正常，

在很大程度上，測驗中投入精力的多少取決于：

• 制造程序中出現問題的可能性；
• 產品出廠后出現問題時所要付出的代價，

比如，一個便宜的玩具偶爾出現故障可能不是什么大事，只要沒有安全問題就行，因此可能不會投入太多精力測驗這類產品，

但是對于一個控制汽車剎車的計算機模塊而言，需要做最嚴格的工廠測驗，因為這個模塊一旦出現問題，后果將非常嚴重，必須投入大量精力做檢查，以避免出現任何問題，

在一些大型工廠里，在測驗中投入的精力有時與設計、開發產品所付出的精力相當，

針對 PCBA，有三種基本測驗可以做，分別是在線測驗「ICT」、功能測驗「FCT」和老化測驗，它們與所開發的產品密切相關，

接下來分別介紹這三種測驗，

1 – 在線測驗 ICT

在線測驗「ICT」（ in-circuit test ）通過分析元件的電氣特征來檢查 PCBA 程序是否正確，比如，每個焊點的電阻，

大規模在線測驗通常使用針床式測驗儀，這種儀器同時把大量探針放置到 PCBA，有些測驗中動用的探針多達幾千個，

各種測驗信號注入一些探針，然后另外一些探針測量回應，

這些探針一般裝有彈簧，安裝在一個稱為測驗夾具的特制板子上，這種板子通常是為特定 PCBA 專門定制的，

每個探針通過電路板上的導電片連接到待測電路上，這些導電片一般符合以下情況：

• 電路板上專門用來做測驗的焊點；
• 電路板設計師用來把信號從一個 PCB 層傳到另一個 PCB 層的通路，這個通路也可以用作測驗點，

針床式測驗儀：

用來做測驗的焊點和通路，探針通過它們連接到 PCB 上，

測驗時，電路板和測驗夾具準確地連接在一起，然后啟動測驗軟體，運行預先編制好的程式，

檢查電路板是否存在問題，包括：

• 電路；
• 開路，比如，針腳從焊點脫離；
• 元件朝向（有時 AOI 檢查不出這種錯誤）；
• 元件值；
• 元件缺陷；
• 信號完整性問題，比如，信號傳送到電路板上的目的點時是否過分榷訓了，

有經驗的設計師和開發者在設計產品電路板時會盡量讓電路板上的每個電氣觸點都能被探針訪問到，

但是由于各種限制，這個想法往往無法實作，比如受到電路板尺寸的限制，

由于在線測驗可以從電氣上訪問每個元件的所有或絕大多數針腳，因此它也可以為閃存 Flash 等設備編制程式，進行校準和調整以及執行功能測驗等，

2 – 功能測驗 FCT

相比于檢查各個元件是否被正確地焊接到指定位置上，功能測驗主要關注電路板的高級功能，

比如，做功能測驗時，可能需要把測驗韌體裝載到待測 PCBA 的處理器中，讓處理器在記憶體和周邊器件上運行診斷程式，然后經由串口把測驗結果輸出到個人計算機上，

個人計算機將根據診斷結果在螢屏上顯示為“通過”（綠色）或“失敗”（紅色）字樣，并把詳細的測驗結果記錄到資料庫中，留待進一步分析，

功能測驗的目標是檢查電路板上的各種元件能否作為一個整體協同作業，它也可以測驗那些在線測驗期間因探針接觸不到而未能檢測到的電路，

比如，當一個測驗點無法訪問某個芯片的引腳時，你可以對該引腳進行功能測驗，方法是在引腳上執行一個操作，只有引腳被正確焊接到電路板上并且功能正常時，操作才能成功，

功能測驗的缺點是它往往不像在線測驗那樣可以徹底地檢查電路板的連接，最保險的做法是在線測驗和功能測驗都做，

功能測驗既可以作為在線測驗的一部分，也可以作為一個單獨的步驟，它通過串口、USB、以太網或其他介面與 PCBA 通信，

對大部分產品來說，最后的功能測驗要等到設備完全組裝好才會進行，

多數情況下，在產品制造程序中的某個時間點上也會做功能測驗，

比如，在多板系統中，每個 PCBA 可能都需要做功能測驗，以保證其組裝正確，最后組裝完成后，再把系統作為一個整體進行測驗，確保全部電路板被正確地組裝在一起，

3 – 老化測驗

在某些情況下，要求電路板在接受功能測驗時能夠運行幾個小時、幾天甚至更長時間，有時是在比較極端的條件下進行，比如高溫環境，

3.1 – 老化測驗的意義和目的

隨著電子技術的發展，電子器件的集成化程度越來越高、結構越來越細微、工序越來越多、制造工藝越來越復雜，這樣在制造程序中會產生潛伏缺陷，

對于一個性能良好的電子產品，不但要求具備較高的性能指標，而且還要有較高的穩定性，通過老化可以篩選出電子元器件故障，

在電子產品加工程序中，由于經歷了復雜的加工工序，同時使用了大量的元器件物料，即便你的設計再好，也將引入各種缺陷，

無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：

• 明顯缺陷指那些導致產品不能正常作業的缺陷，例如，短路、斷路，
• 潛在缺陷導致產品暫時可以使用，但在使用中缺陷會很快暴露出來，產品不能正常作業，例如，焊錫不足，產品雖然可以用，但輕微振動可能就會使焊點斷路，

明顯缺陷可通過常規檢驗手段（ 在線檢測 ICT、功能測驗 FT 等 ）加以發現，潛在缺陷則無法用常規檢驗手段發現，而是運用老化的方法來剔除，

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品運行期間以失效（或故障）的形式表現出來，從而導致產品返修率上升，維修成本增加，

通過高溫老化可以使元器件的缺陷、焊接和裝配等生產程序中存在的隱患提前暴露，提前鑒別和剔除產品工藝引起的早期故障，

老化還有一個更重要的目的（和測驗一樣）：

通過老化使產品加工工藝不斷改進，使產品品質不斷改進，改進到不需要老化為止，

老化結合可靠性測驗，并與失效分析相結合，即對老化程序中失效的器件進行根本原因（ROOT CAUSE）分析：

• 確定器件的失效是物料選擇的問題；
• 還是設計應用不當；
• 還是生產加工程序造成的損傷，并進一步改進；
• 經過 2-3 個循環，產品穩定下來，就可以逐步減少老化時間直至取消，

3.2 – 老化的定義

嚴格意義上來講，老化是指采用高溫方法對產品施加環境應力，

而環境應力篩選（ ESS：Environment Stress Screen ）則不僅包括高溫應力，還包括其他很多應力，例如，溫度回圈、隨機振動、恒定高溫等，

所以，老化是屬于環境應力篩選的一種，

但現在很多公司已經把“老化”這個詞的意義擴展了，老化就等同環境應力篩選，環境應力篩選俗稱為老化，

老化是通過對電子產品施加加速環境應力，如，溫度應力、電應力、潮熱應力、機械應力等，促使潛在缺陷加速暴露成故障，達到發現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，老化應力不能超出設計極限，

3.3 – 老化的原理

老化的理論基礎是電子產品的故障率曲線，簡稱浴盆曲線，

# 1 – 早期失效期

元件在開始使用時，它的故障率很高，但隨著元件作業時間的增加，故障率迅速降低，

故障率曲線屬于遞減型，這個階段產品故障的原因大多由于設計、材料、制造、安裝程序中的缺陷造成的，

為了縮短這一階段的時間，產品在投入運行之前進行試運行，以便于及早發現、修正和排除缺陷，

# 2 – 偶然失效期

這一階段的特點是故障率較低，而且比較穩定，故障率曲線屬于恒定型，這段時間是產品的有效壽命期，人們總希望延長這一時期，即在容許的費用內延長使用壽命，

# 3 – 耗損失效期

這一階段的故障率隨時間的延長而急速增加，故障率曲線屬于遞增型，

到這一階段，大部分元件開始失效，說明元件的耗損已經嚴重，壽命即將終止，若能夠在這個時期到來之前維修設備，替換或維修某些耗損的部件，就能將故障率降下來延長使用壽命，推遲耗損失效期的到來，

老化是以剔除早期故障為目標，其理想的老化點為圖中的 D 點，D 點的選擇主要靠經驗資料，

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

3.4 – 產品老化方案

1）常溫通電老化

常溫 25℃ 下，產品通電并加負載進行老化，根據產品特點確定老化時間，一般選擇 48-72 小時，此方案對功耗較大的產品經常采用，

2）加熱通電老化

將產品在一定的環境溫度下，通電老化，根據產品特點確定老化時間，一般選擇 24-36 小時，溫度通常選用 40℃-45℃，

此方案對產品中，部分器件耐溫較低（低于50℃）經常采用，

3）加熱通電老化（高溫）

將產品在一定的環境溫度下，通電老化，根據產品特點確定老化時間，一般選擇 12 小時，溫度通常選用 60℃-65℃，此方案在產品老化中采用較多，

主要有以下優點：

• 老化時間短，節約時間；
• 老化作業溫度較高，能充分暴露出產品中的一些不足，包括器件質量、焊接質量等；
• 配合一些通電動態試驗，能監控整個老化程序中的作業狀態是否正常，

3.5 – 產品老化示例

你根據產品實際要求，決定采用加熱通電（高溫）老化的方式，并針對老化程序中的失效器件進行失效分析及可靠性分析，有兩點好處：

• 一方面，可以改進以及提升產品可靠性；
• 另一方面可以為生產時所需要的老化方案積累資料，

老化流程如下：

3.5.1 – 試驗箱條件

高溫試驗是為了驗證產品在高溫情況下其使用、運輸及貯存的能力，

所以在實際測驗的程序中需要模擬高溫條件進行試驗，你要確保滿足外部溫度環境可調的要求，

對試驗箱需有如下要求：

• 需要明確試驗箱溫度測量范圍，溫度波動度，空間溫度差等主要指標；
• 試驗樣品的尺寸和數量相比，試驗箱應該足夠大，試驗樣品能夠完全納入試驗箱的作業空間

3.5.2 – 老化等級

GB/T 2424.2-2008 提供了如下所示的時間嚴酷等級標準：

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

若試驗的時間過短，試驗效果會打折扣，若試驗的時間過長，則會消耗更多的人力成本和時間成本，

基于目前試驗效果和試驗成本的考慮，測驗時間選擇 72 小時，

3.5.3 – 測驗方案

1）初始檢驗

初始檢驗分為兩部分：

產品生產的常規測驗以及上機測驗，所有進行高溫試驗的產品均需要通過以上兩種測驗方可開始高溫試驗，

初始檢驗的必要性：

初始檢驗的目的是為保證進行高溫測驗的產品本身是合格的，不會因為存在不合格產品而影響高溫試驗的結果，

生產的常規測驗，主要是對產品的基本功能進行了驗證，上機測驗則模擬了產品出廠前進行的相關測驗，

生產常規測驗：

高溫試驗所使用產品需要按照實際生產流程進行，所有產品均需要具有唯一序列號，

序列號共包括三個部分：

• 物料編碼；
• 生產批次號；
• 序號，

生產的常規測驗按照“生產測驗方案”進行初始測驗，并出具測驗報告，保證整個測驗程序具有可追溯性，

2）老化測驗方案

燒入測驗程式，并搭建好測驗平臺，為了保障所得試驗資料具有統計學意義，需個準備至少 10 套進行抽測，

將產品放入高溫試驗箱，上電開始運行，記錄放入時間，

關閉試驗箱并開始升溫，設定目標溫度，記錄開始升溫時間以及溫度達到目標溫度的時間，

目標溫度達到后開始進行試驗，試驗持續時間為 72 小時，白天作業時間需要兩小時檢查一次并記錄溫度及產品運行狀態，

夜間運行時實驗室應有人值班，4 小時檢查一次并記錄溫度及產品運行狀態，

試驗持續時間滿足 72 小時后，試驗箱開始復溫，復溫方式采取自然冷卻方式，復溫至常溫后產品停止供電，時間應至少持續一個小時，結束測驗，

試驗完成后需要對產品進行性能檢測，冷卻 2 小時后進行生產的常規測驗，

生產的常規測驗按照“生產測驗方案”進行，并出具測驗報告，以及與初始檢驗的測驗結果進行對比，判斷高溫試驗前后是否產生變化，

作者：衛Sir，公眾號：簡一商業

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