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贴片机的相关概述

点击次数:0  信息来源:  发布时间:2018-08-14 18:00:10  【打印此页】  【关闭
为了能够在现如今激烈的市场竞争中赢得一席之地,电子产品制造厂商必须不断地寻找一条能够降低产品成本和产品导入市场的时间,与此同时又能够不断提升新产品质量的新路。此外还必须改善生产制造工艺和规程,电子产品制造厂商同样也要促使半导体器件制造厂商将更多的功能溶入微型化尺寸的可编程集成电路(programmable integrated circuits 简称PIC)中去。于是,对于高端电子产品的设计和制造,走一条尺寸更小、功能更强和价格更低的道路在我们面前清晰地展示了出来。在此背景下,现如今的可编程集成电路拥有很多的引脚、具有很强的功能,并且采用了具有创新意义的组装形式。但是希望采用最新PIC器件的电子产品制造厂商必须克服在进行编程过程中所遇到的一些问题。简单地说,为了能够顺利地对PCI器件进行编程,需要学习一些新的方法。福好运提供大陆JUKI贴片机技术支持。
行业背景
对于PIC器件来说,以往普遍采用DIP、PLCC或者SOIC的封装形式。然而,随着人们对紧凑型、高性能产品的需求增加,要求引入更为先进的PIC器件。现如今的闪存器件可以采用SOP、TSOP、VSOP、BGA和微小型BGA封装形式。高性能的微型控制器、CPLD器件和FPGA器件一直到可以采用QFP、BGA和微型BGA封装形式,其所拥有的引脚数量范围从44条一直可以达到超过800条以上。
 
由于非常多的引脚数量和很小的外形尺寸,这些元器件中的大部分仅能够采用微细间距的封装形式。微细间距的元器件所拥有的引脚非常脆弱,间距只有0.508mm(20 mils)或者说间隙几乎没有。这样人们就将目光瞄向了使用PIC器件来应对这一挑战。 具有高密度和高性能的PIC器件价格是很昂贵的,要求采用高质量的编程设备,需要拥有非常优异的过程控制,以求将元器件的废弃程度降低到最小的程度。
 
在采用手工编制程序的操作过程中,微细间距元器件实际上肯定会遭遇到来自共面性和其它形式的引脚损伤因素的威胁。如果说引脚受到了损伤的话,那么将可能导致焊接点可靠性出现问题,会提升生产制造过程中的缺陷率。同样,高密度的元器件实际上将化费较长的编程时间,这样就会降低生产的效率。
在电路板上的编程
先进的PIC器件的使用者会面临一项困难的选择:是冒遭受质量问题的风险,采用手工编制程序呢?还是另外寻找一种可以替代的编程方法,从而消除掉手工触摸的方法呢?
 
为了能够实现后者,制造厂商们最初开始采用板上编程(on-board programming 简称OBP)的方式。OBP是一种简单的方法,它是将PIC贴装到印刷电路板(printed circuit board 简称PCB)上以后再进行编程的。一般情况下在电路板上进行测试或者说进行功能测试。闪存、电子式可清除程序化唯读内存(Electrically Erasable ProgrammableRead-Only Memory简称EEprom)、基于EEprom的CPLD器件、基于EEprom的FPGA器件,以及内置闪存或者EEprom的微型控制器,所有这些元器件均采用OBP形式进行编程。
 
为了能够满足闪存和微型控制器的使用要求,在实施OBP的时候最常用的方法就是借助于针盘式夹具(bed-of-nails fixture),使用自动测试设备(automatic test equipment 简称ATE)编程。对于逻辑器件来说进行编程颇为复杂,不太适合利用ATE针盘式夹具来进行编程。
 
一项基于IEEE规范原创开发的新型OBP技术可以支持测试,展现出充满希望的前程。这项规范称为IEEE 1149.1,它详细规定了边界扫描的一系列协议,已经用于许多PIC编程方法中。
 
如果电子产品制造商要使用IEEE 1149.1的编程方法时,他们所依赖的具有知识产权保护的工具主要是由各种各样的半导体制造厂商所提供。但是使用他们的工具进行编程非常慢。同样,因为他们出于保护知识产权的本能,每个工具仅限于单个用户所使用的器件。如果说在一块电路板上的PIC器件是由多个用户所使用的话,这将是一个很大的缺陷。
 
总而言之,使用OBP方法可以消除掉手工操作器件和将编程溶入测试中去,以及制造生产缓慢的现象。然而,编程所需的时间可能也是缓慢的。
ATE针盘式编程
ATE设备最初的使用是用于对PCB组件进行在线测试,以求发现诸如走线开路、短路,元器件缺失和元器件排列不准等制造过程中所产生的缺陷。针盘式夹具是一种阵列配置,具有弹性荷载的测试端点,它可以在PCB和ATE测试设备的信号策动电路之间形成一种机械和电气的连接界面。
 
一旦PCB可靠地与针盘式夹具连接好了以后,ATE测试设备的信号策动电路将会通过针盘式夹具和PCB,发送编程信号到目标器件PIC上面。除了对机械缺陷进行测试以外,ATE设备也能够用于对PIC器件的编程操作。对元器件的编程和消除程序被嵌入到电路板测试程序中去,从而用来对目标器件进行编程。
IEEE 1149.1边界扫描编程
为了提升PCB组件的密度和复杂性,使电路板和元器件的测试工作面临着非常大的困难,尤其是对付空间受到限制的PCB组件。为了能够有效的解决这一问题,一种边界扫描测试协议(IEEE 1149.1)应运而生。
 
IEEE 1149.1测试标准能够通过一台智能化外部设备,对在组装的电路板上的逻辑器件或者闪存器件进行编程。这种编程设备通过标准的测试访问口(Test Access Port 简称TAP)与电路板形成连接界面。所有这些需要采用JTAG硬件控制装置、JTAG软件系统、与JTAG兼容的PCB电路板,和一个四线测试访问口。
 
实现边界扫描工作可以采用一种专业化的专用电路板上编程设备,或者采用另外一种选择方案,利用由美国GenRad、Hewlett-Packard和Teradyne ATE testers等公司提供的一些工具,于是可以在ATE测试设备上实现IEEE 1149.1边界扫描编程工作。
 
采用IEEE标准的最大优点之一就在于,它可以对在同一块PCB上由不同供应商提供的各种各样的元器件进行编程。这样就可以降低整个编程时间,简化生产制造流程。
自动化编程(AP)设备
PIC技术不断地向前发展,所以新的自动化编程设备和技术也保持着相同的发展步伐。举例来说,Data I/O''s ProMaster 970自动化微细间距编程设备能够对采用先进封装形式的PIC器件进行编程,其中包括BGA、微型BGA、SOP、VSOP、TSOP、PLCC、SON和CSP。双重贴装(Dual pick-and-place简称PNP) 端头和可供选择的可插8、10或者12的插座可以最大程度的提高设备的工作效率。该编程设备也可以进一步涉及有关器件的质量控制。举例来说,共平面性问题和引脚的损伤实际上是不会存在的,因为集成了激光视觉系统,所以能够确保非常精确的器件贴装。
 
因为有着多种编程接口和PNP器件的配置,自动集群编程一般可以做到比ATE编程的速度快上5倍到10倍。同样,这些编程工具是专门为了编程而设计的,不是为了对电路板或者说功能进行测试的,所以它们可以提供非常好的编程质量。
 
微细间距的PIC器件可能是非常贵的,所以如果能降低其在生产制造过程中的损伤率,将极大的提升制造商的盈亏平衡点。能够适用于大多数元器的自动编程系统也是非常灵活的,可以适应于先进封装器件形式。由于能够将高生产率、高质量和灵活性综合在一起,导致了每个器件最低可得到的编程价格常常低于ATE编程价格的20%。
选择编程的策略
生产部门的负责人常常会考虑采用编程的不同方式,他们会问:“采用何种编程方式对我来说是最适合的呢?”没有一种可以满足所有的应用事例的答案。他们权衡的内容一般会包含有:所采用的解决方案对生产效率、生产线使用的计划安排、PCB的价格、工艺控制问题、缺陷率水平、供应商的管理、主要设备的成本以及存货的管理是否会带来冲击。
对生产效率带来的冲击
ATE编程会降低生产效率,这是因为为了能够满足编程的需要,要增加额外的时间。举例来说,如果为了检查制造过程中所出现的缺陷现象,需要化费15秒的时间进行测试,这时可能需要再增加5秒钟用来对该元器件进行编程。ATE所起到的作用就像是一台非常昂贵的单口编程器。同样,对于需要化费较长时间编程的高密度闪存器件和逻辑器件来说,所需要的总的测试时间将会更长,这令人头痛。因此,当编程时间与电路板总的测试时间相比较所占时间非常小的时候,ATE编程方式是性价比最好的一种方式。为了提高生产率,以求将较长的编程时间降低到最低的限度,ATE编程技术可以与板上技术相结合使用,例如:边界扫描或者说具有专利的众多方法中的一种。
 
还有一种解决方案是在电路板进行测试的时候,仅对目标器件的boot码进行编程处理。器件余下的编程工作在处于不影响生产率的时候才进行,一般来说是在设备进行功能测试的时候。然而,除非超过了ATE的能力,功能测试的能力是足够的,对于高密度器件来说性能价格比最好的编程方法是一种自动化的编程设备。举例来说:ProMaster 970设备配置有12个接口,每小时能够对600个8兆闪存进行编程和激光标识。与此形成对照的是,ATE或者说功能测试仪将化费60至120小时来完成这些编程工作。
生产线使用计划安排
由于电子产品愈来愈复杂和先进,所以对具有更多功能和较高密度的可编程元器件的需求量也愈来愈高。这些先进的元器件在OBP的环境之中,常常要求化费较长的编程时间,这样就直接降低了产品的生产效率。
 
同样,由不同的半导体器件制造商所提供的相同密度的元器件,在进行编程的时候所化费的时间差异是非常大的,一般来说具有最快编程速度的元器件,价格也是最贵的。所以人们在考虑是否支付更多的钱给具有快速编程能力的元器件时,面临着两难的选择是提升生产率和降低设备的成本,还是采用具有较慢编程时间的便宜元器件,并由此忍受降低生产率的苦恼。
 
此外,制造厂商必须记住,为了能够对付在短期内出现的大量产品需求,他们不可能依赖采用最适用的半导体器件。缺少可获得最佳的元器件,会迫使制造厂商重新选择可替换的编程元器件,每个元器件具有不同的编程时间、价格和可获性。对于OBP来说,这种情形对于实行有效的生产线计划安排显然是相当困难的。
 
因为自动编程拥有比单接口OBP解决方案快捷的优势,所以对编程时间变化的影响可以完全不顾。同样,由于自动编程方案一般支持来自于不同供应厂商的数千款元器件,可以缓解使用替代元器件所产生的问题。
PCB的费用
对先进PIC的编程和测试需求有了令人瞩目的增长。这是因为芯片供应商使用新的硅技术来创建具有最高速度和性能的元器件。认真仔细的程序设计必须考虑到传输线的有效性问题、信号线的阻抗情况、引针的插入,以及元器件的特性。如果不是这样的话,问题可能会接二连三的发生,其中包括:接地反射(ground bounce)、交扰和在编程期间发生信号反射现象。
 
自动化高质量的编程设备通过良好的设计,可以将这些问题降低到最小的程度。为了能够进行ATE编程,PCB设计师必须对付周边的电路、电容、电阻、电感、信号交扰、Vcc和Gnd反射、以及针盘夹具。所有这一切将极大的影响到进行编程时的产量和质量。因为增加了对电路板的空间需求,以及分立元器件(接线片、FET、电容器)和增加对电源供电能力的需求,从而最终增加了PCB的成本。尽管每一块电路板是不同的,PCB的价格一般会增加2%到10%。
编程规则系统的选择
许多电子产品制造厂商还没有认识到闪存、CPLD和FPGA器件仍然要求采用编程规则系统(programming algorithms)。每一个元器件是不同的,在不同半导体供应商之间编程规则是不能交换的。因此,如果他们要使用ATE编程方式,测试工程师必须对每一个元器件和所有的可替换供应商(现有的和开发的)写下编程规则系统。
 
如果说使用了不正确的规则系统将会导致在编程期间或者电路板测试期间,以及当用户拥有该产品时面临失败(这是所有情形中最坏的现象)。最难对付的事情是,半导体供应商为了能够提高产量、增加数据保存和降低制造成本,时常变更编程规则。所以即使今天所编写的编程规则系统是正确的,很有可能不久该规则就要变化了。另外,不管是ATE供应商,还是半导体供应商当规则系统发生变化的时候都不会及时与用户接触。
工艺过程管理和问题的解决
基于ATE的编程工作的完成要求人们详细了解编程硬件和软件,以及对于可以用于编程的元器件的专业知识。为了能够正确的创建编程规则,测试工程师必须仔细了解有关PIC编程、消除规则系统和查证规则系统的知识。但不幸的是,这种知识范围一般超出了测试工程师的专业范围,一项错误将会招至灾难性的损失。
 
测试工程师对所涉及的编程问题,也必须有及时的了解,诸如:元器件的价格和可获性、所增加的元器件密度、测试的缺陷率、现场失效率,以及与半导体供应厂商保持经常性的沟通。
 
同样,由于半导体供应商或者说ATE供应商将不会对编程的结果负责,解决有关编程器件问题的所有责任完全落在了测试工程师的肩上。
 
举例来说,如果失效是由于可编程控量突然增加,测试工程师必须首先确定问题的根源,然后着手解决这个问题。如果说这个问题是由于元器件的问题所引起的、由于ATE编程软件所引起的、该PCB设计所引起的,或者说是因为测试夹具所引起的呢?
 
这些复杂的问题可能需要化费数周的时间去分解和解决,与此同时生产线只能够停顿下来待命。
 
与此形成对照的是,在器件编程领域处于领先位置的公司将直接与半导体供应厂商一起合作,来解决编程设备中所存在的问题,或者说自己设计设备,所以能够较快的识别问题的根源。
产出率
一个经过良好设计的编程设备能够提供优化的编程环境,并且能够确保最大可能的产量。然而,在编程过程中存在着很小比例的器件将会失效。不同的半导体供应商之间的这个比例是不同的,编程产出率的范围将会在99.3%到99.8%之间。自动化的编程设备被设计成能够识别这些缺陷,于是在PCB实施装配以前就可以将失效的元器件捕捉出来,从而实现将次品率降低到最小的目的。经过比较,编程的失效率一般会高于在ATE编程环境中的。
 
对于制造厂商而言如果能够事先发现问题,可以在长期的经营中减少成本支出。编程设备不仅可以拥有较低的PIC失效率,它们经过设计也可以发现编程有缺陷的PIC器件。在现实环境中作为目标的PIC器件被溶入在PCB的设计中,设计成能够扮演另外一个角色的作用(电话、传真、扫描仪等等),作为一种专门的编程设备可以简单地做这些事情,而无需提供相同质量的编程环境。
供应商的管理
ATE编程潜在的可能是锁定一个供应商的可编程元器件。由于ATE要求认真仔细的PCB设计,以及为了能够满足每一个不同的PIC使用需要专用的软件,随后所形成的元器件变更工作将会是成本非常高昂的,同时又是很花时间的。通过具有知识产权的一系列协议方法,可以让数家半导体供应商一起工作,从而形成一种形式的可编程器件。
 
由IEEE 1149.1边界扫描编程所提供的方法具有很大的灵活性,它允许在同一PCB上面混装由不同半导体供应商所提供的元器件。然而,自动化编程设备可以最大灵活地做这些事情。借助于从不同的供应商处获得的数千个PIC器件的常规器件支持,他们能够非常灵活地保持与客户需求变化相同的步伐。
主要设备的费用
取决于使用ATE的百分比以及对生产率的要求,为了实现PIC编程可能会要求增添ATE设备。关于ATE价格的范围从15万美元至40万美元不等,购置一台新的设备或者更新现有的设备使之适合于编程的需要是非常昂贵的事情。一种方式是使用一台AP设备来提供编程元器件到多条生产线上。这种做法可以降低ATE的利用率,从而降低设备方面的投资。
结束语
通过选择正确的设备以及挑选最有效的编程方式来满足特殊的应用需求,制造厂商能够实现高质量、低成本和缩短产品进入市场的时间,以适应现如今激烈的市场竞争局面。然而,让我们看一下所有不同的编程方式,每一种编程方法都拥有优点和缺点,所以对我们来说选择编程方法可能是一件令人十分头痛的事情。
 
愈来愈多的制造厂商将需要评估不同的编程解决方案对生产效率、生产线的计划调度、PCB的价格、工艺过程控制、客户管理和主要设备的价格等所带来的冲击。最全面的解决方案可能是一种综合了自动化编程、ATE和IEEE边界扫描编程方法的组合体。
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