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摘要：双面飞针测试的结构基于固定被测基板的方式分为竖立式和水平式。目前国内大多是竖立式，国外两种都有，比较普遍。本文主要对双面飞针测试机系统的工艺及轴结构设计进行探讨，供同行借鉴参考。
关键词：双面飞针；工艺；轴结构
一、飞针测试
双面飞针测试系统是性能比较高的自动化设备，对PCB基板和LTCC（LowTemperatureCo-firedCeramic）基板进行测试，找出基板内的开路、短路、潜在开路和潜在短路的检测设备。按照测试的方式不同，分为电容测试、开路测试、短路测试等。是生产工艺的关键设备之一。
另外谈谈故障，故障的来源主要电路组件，由于PCB基板制造和焊接缺陷引起的故障占了全部故障的一半，在生产过程中形成的居多。比较常见的故障是不同网络导体间的短路和相同网络导体内的开路等。元件在进行组装或组装后才发现这些故障，是无法进行修复的，只能报废，造成不必要的经济损失。因此，在组装元件前必须进行裸板测试，测试方式有飞针和针床方式，两者相比，飞针测试的整体性能要好于针床测试。目前飞针测试是解决故障的比较先进的解决方法。
二、飞针测试的工作原理
采用4个完全独立的移动测试针，放在被测基板两面，任意2根接触到待测点。测试仪通过测试针施加电压，可以得到不同的测试信号，从而判断待测基板网络的通断状态。
图1双面飞针测试系统原理
（一）飞针测试操作步骤
开机→设备初始化→安装测试板、导入测试文件*.IPC*打开测试文件*.NET→设备校准→测试设置→选基准点、基准点对准→选择测试方法→正常测试→生成测试结果→打印测试结果→结束。
（二）主要测试参数
通常测试主要是进行开路、短路测试，它的测试方法是利用两点电流、电压法；也可以选择两针或多针进行电容测试，该方法主要应用于具有标准金板、测试点非常多的情况。测试参数主要有：测试压力、运动速度、Z测试距离、扎针量等重要参数：
测试一般涉及到开路、短路测试，测试方法是利用两点的电流，选择多针或两针进行电容测试，这种方法应用较多在具有标准金板、测试点非常多的情况，如测试压力、Z测试距离、扎针量、运动速度等重要参数：①测试压力。直线电机带动测试针进行测试时，测试针接触基板的持续压力，如果测试压力过小，有可能会导致测试针与基板待测点接触不好，测试压力太大，可能被测点给破坏，影响基板外观。②Z测试距离。Z测试距离是测试针往复运动时向上抬起的高度，设置在0--3mm。测试距离影响测试效率，因为测试针抬高的距离长，所需要的时间也长，但数值不能太小，否则会导致基板表面不平整，同时也会损坏测试针。③扎针量。扎针量在测试针接触到被测基板表面后，再继续下降距离为0-0.5mm，这种一般数值越大，越能扎实，但要注意的是扎针压力过大时会破坏基板焊盘。④运动速度。运动速度有高中低3种，测试效率高，误判率也高，测试效率低的，虽然误判率相应降低，但不实用。平时用的还是中速，错误验证时再采用低速。
三、Z轴机构设计
（一）直线电机
采用直线电机驱动Z轴机构相对于伺服电机、同步带驱动主要优势为精度高、反应速度快。Z轴控制采用的模式适应力强，为了能有效弥补基板产生的变形，测试前需要进行基板探高，确定Z轴伸出绝对位移量，在测试过程中大行程采用位移控制模式，快接近基板时利用小行程力量控制模式，让压力接触能够准确接触基板测试点，达到控制测试压力的目的，减小基板测试点的冲击及损伤。
（二）测试针
Z轴机构中比较重要的是测试针和针座结构设计，测试针先后选择两种方式，分别是针床用弹簧针（如图2所示）和定制的实针（材料为被铜，表面镀金）（如图3所示）。最早采用针床用弹簧针主要原因是采购方便、有统一标准，可替换性很好，但在设备调试过程中，发现其很多缺点，如尖端角度大、弹簧伸缩引起针尖滑移等（针对其缺点将在介绍针座结构设计过程中详细说明）。最后选用定制针，定制针的优点是可以根据我们的图纸设计进行加工，很好的满足设备结构需要，但相对于弹簧针缺点就是需要专门定制、采购不是很方便。
图2弹簧针
图3定制针
（三）针座结构设计
由于飞针测试主要是电性能测试，针座结构设计时必须考虑测针与设备主体的绝缘性；直线电机在力量模式下，在相同推力时，其运动部分加速度与运动部分质量成反比，在允许范围内运动部分加速度越大，达到测试基板面时间越小，因此需要运动部分质量近可能小；测试针有一定的使用寿命，当测试针出现磨损、弯曲时，可能影响测试数据，此时就需要更换测试针，同需要求针座结构能方便更换测试针。因此针座结构，需要达到的目的就是夹持测试针简单、更换测试针方便、质量轻、不影响测试效率和不干扰测试结果，针对以上要求，在设备调试过程中持续改进了几种方案：
（1）聚碳酸醋针架+铝合金针座。最早采用的是聚碳酸酷的针架和铝合金的针座，聚碳酸酷的电绝缘性、高硬度及低密度，铝合金的低密度，采用这两种材料使Z向机构运动部分（这里的运动部分不包括直线电机线圈、导轨滑块等固有的部分）质量很轻（大约10g），但测试针更换不方便，铝合金针座加工性不好，尤其装针的针孔精度不容易保证，显得比较笨重。
（2）聚碳酸醋针架+分体式铝合金针座。相对于上一种结构设计，这种采用分体式铝合金针座（如图4所示），这样提高了铝合金针座的可加工性，夹持测试针比较牢固，更换测试针的方便性有所提高，但还是方便。
图4聚碳酸醋针架+分体铝合金针座
（3）一体式聚甲醛针座。采用一体式聚甲醛针座（如图5所示）的最大改进是重量大幅减轻（大约5g），更换测试针也比较方便。但是在直线电机高速运动过程中，由于聚甲醛针座臂比较长，会发生变形，影响测试针扎针定位精度。从CCD中会发现针尖有明显偏移。
图5一体式聚甲醛针座
（4）铝合金针架+聚甲醛针座。相对于上一种结构的缺点，我们更改为铝合金针架和聚甲醛针座，针架部分强度有大改进，不会因为高速运动产生变形，提高了扎针精度，但同时我们发现，测试针扎下瞬间是正确的，当加上测试压力后，发现弹簧针发生回缩，由于测试针相对垂直方向200倾斜，回缩的同时针尖发生偏移，对于设备的精度有很大的影响。
（5）铝合金针架+聚丙烯针座。对于上面产生的不利影响，我们改进为铝合金针架和聚丙烯针座，同时使用定制的实针。聚丙烯针座结构设计采用平行四边形法则，具有弹性的针座使测试针相对于针座固定面近似于上下运动，很大程度减小针尖的偏移，针座的变形很好的吸收了测试针与基板接触时产生的震动。定制的实针针尖锥度为120，相对于弹簧针针尖部分300的锥度，无论是扎针精度还是CCD观测都有明显改善。但铝合金针架的加工性不好，高速运动时聚丙烯针座的老化现象也比较严重。
（6）分体式铝合金针架+聚四氟乙烯针座+扭簧。这种设计（如图6所示）是目前我们认为比较实用的方案，分体式铝合金针架加工性很好，聚四氟乙烯针座去掉了夹针用的开口，使测试针与针孔过渡配合，加工性提高的同时，也使更换测试针更加方便。在聚四氟乙烯的后侧增加了一个扭簧（如图7所示），在测试过程中，使针座变形能够快速恢复，提高针座的使用寿命。
图6分体式铭合金针架+聚四氟乙烯针座十扭簧
图7聚四氟乙烯针座+扭簧
四、结束语
综上所述，飞针测试机比传统的针床测试节省不少费用，有利于产品的更新换代，通过上文对z轴机构的设计改进过程，为以后飞针设备的技术发展提供参考意义。
参考文献：
[1]付旭．MPP4504飞针测试机计算机控制系统的开发[J]．微特电机，2007（5）：29-31．
[2]张沛泓，王松林，姜建国，黄战武．飞针测试仪的数据分析和采集[J]．中国科技信息，2008（10）：113-114．