《软性线路板测试夹具的组装与调试研究》7600字（论文）

软性线路板测试夹具的组装与调试研究摘要：软性线路板(FPC)以其配线密度高、重量轻、厚度薄等特点被广泛应用。为了使电子产品的品质有绝对保障，必须对FPC进行检测和测试。论文首先介绍了ET测试夹具的组装过程，阐述了测试治具的工作流程，分析了夹具测试原理，并进行了针对FPC金手指与优力胶的压强实验，为夹具的有效测试提供了参考。关键词：FPC；测试；治具；组装目录1引言 12FPC测试夹具的组装 22.1治具材料 22.2测试夹具简单介绍 52.3FPC测试夹具的组装 62.3.1夹具的组成 62.3.2各个组成部分基本介绍 62.4设备整体环境搭建 72.4.1治具的架线和准备 82.4.2真空发生器 92.4.3电磁阀 92.5测试治具的工作过程 103FPC测试夹具的调试 113.1测试原理 113.2恒流源大小的选择 133.3软板与产品金手指重合量选定 133.4视觉对位原理与调试 143.4.1视觉对位原理 143.4.2视觉对位调试 143.5针对FPC金手指与优力胶的压强实验 153.5.1实验目的 153.5.2实验器材 153.5.3实验内容 153.5.4实验结果及数据 173.6FPC测试夹具的处理 174结束语 19参考文献 211引言

柔性电路板，也称为“软板”，简称FPC，可以自由弯曲，缠绕和折叠。而且，FPC可以大大降低消费电子的体积和重量，这符合消费电子产品高可靠性，体积小，重量轻的发展方向。目前消费电子市场竞争激烈，电子产品出货要求时效性强。目前，消费者对电子产品的质量要求也越来越高。这两个方面使得客户对产品交付速度和组装良率都有很高的要求。此外，对FPC产品的产量和及时性有严格的要求。对于工厂来说，需要提高FPC的交货良率，缩短交货时间，因此对FPC的测试要求越来越高。一方面要求测试夹具开发时间短，另一方面要求测试效率高，精度准确。FPC测试有多种类型，其中最关键的是功能测试。FPC产品的O/S性能测试主要是测试FPC内部的电路。每两个测试点之间应进行O/S(通路/短路)判断。FPC测试夹具由上位机和下位机组成，在工厂称为测试夹具。测试夹具的现状是夹具基本上是配套使用的。夹具的设计只能针对一种FPC进行测试，其他FPC必须更换相应的测试夹具。针对FPC专机专用的问题。测试夹具装配和调试时间长的问题。夹具报废二次利用率低的问题。夹具内层维修困难的问题。大量购买FPC的ICT测试夹具造成工厂资金浪费的问题，需要一种模块化的O/S测试夹具[1]。本论文主要研究FPC测试治具的组装，调试以及用完后的处理。2FPC测试夹具的组装2.1治具材料FPC金手指是表面镀金：金手指是由许多金黄色的导电触片组成，它的表面镀有传导性、抗氧化性特别强的金。FPC包含了许多种材料，主要由FR4补强和PI基材组成。FPC经常用到两种电镀金工艺，板面镀金和扦头镀金。板面镀金它对金层的要求比较薄，扦头镀金它的耐磨性、硬度都要比于纯金的镀层高[2]。测试软板一般采用的是软金镀层，软金镀层表面质地更软，可以保护FPC的金手指在测试过程中不会出现压伤、划伤[3]。补强材质为FR4玻纤，因为它很高的加工精度，可以控制在0.02mm的范围内,并且它的热膨胀系数小，外形尺寸几乎不跟随温度的变化而变化，拉伸强度高。基材材质为PI聚酰亚胺，因为它耐高低温(-269-260℃长期不变形);绝缘度高;高温下的抗蠕变性能好;热膨胀系数小;因此可以满足FPC的所必须的要求。FPC测试夹具所采用的材料可以分为两大类，一类是治具的材料，另一类为测试模具的材料。治具的材料包括以下几个：亚克力板：亚克力板材料的硬度比较低，容易受到摩擦而产生静电，易损伤IC类零件。一般用于作夹具的载板，作为框架使用，不直接跟FPC接触的部分使用，价格相对较便宜。图2.1亚克力板电木：它有很高性价比，而且不容易产生静电，目前都在广泛使用。图2.2电木优力胶：压头与产品ACF金手指接触，ACF表面测试后不能出现痕迹，不能对产品造成损伤，优选质地较软材料。优力胶，是一种有好的弹性，受到压缩后发生的形变也比较小，是目前应用的比较全面的一种材料。对于ACF压头的工作环境，是最好的选择[4]。图2.3优力胶测试模具的图片如图2.4所示，为关键材料：图2.4测试模具托龙：针模模具所用的材料，耐高温，极不易变形，硬度强。图2.5托龙探针：天板上用来导通FPC金手指钢片跟测试盒，完成数据传输。图2.6探针长探针：测试FPC金手指所用的材料。图2.7长探针2.2测试夹具简单介绍测试夹具主要分为上位机、下位机两部分。上位机：是指计算机，从上位机屏幕上显示各种信号变化，可以直观地了解到FPC测试0/S的情况，出现异常的位置。下位机：下位机就是测试夹具和测试盒。上位机与下位机的数据通讯，一般取决于下位机。本工厂测试盒采用雷赛控制卡来测试。下位机配备有测试治具正常工作所需的机械传动装置。测试盒主要用于测试数据并将数据上传到上位机,上位机配备有主机、显示器和对应的测试软件等。测试软件多数为供应商提供的程序软件,界面设计人性化,操作简单，测试数据一目了然。通过测试软件可以将FPC测试的O/S数据自动显示在显示器上,并将测试结果以及测试fail的位置显示出来，技术人员可快速、准确地找出异常。上位机，下位机与测试盒通过信号线和电源线连接[5]。一个FPC测试模具通常需要64根长探针，通过探针接触FPC的金手指进行线路的O/S测试。不同的FPC,形状和大小不同，测试的金手指位置不同,所以需要的测试模具数量也不同。一副测试治具一般约为10万元。本文介绍了一种将测试治具从整体该进成模块化的测试治具。测试不同的FPC时,只需更换对应的模具和对应的测试软件版本。不仅避免因为更换治具所的浪费时间,也大大降低了治具的维修时间,节约了企业的生产成本。2.3FPC测试夹具的组装2.3.1夹具的组成上位机的组成：测试夹具由天板、针模、载板和测试模具组成。这四个模块可以独立存在而跟其他的模块互不干扰。当其中某个模块出现问题需要更换或修理时，可以单独的拆下来进行维修或更换。如果需要检测不同料号的FPC时，需要将四个模块替换为相应的模块。2.3.2各个组成部分基本介绍(1)测试模块测试模块包括测试模具、液晶屏显示器、测试pass指示灯、测试fail指示灯、电源启动按钮、急停按钮等。治具内部装有气缸,通过气缸控制真空发生器，来完成天板模块的上升、下降、前移、后移和载板对FPC的吸附或释放。测试pass指示灯为绿色、测试fail指示灯为红色。（2）针模针模包含了长探针、定位销、弹簧、Switch板，还设置有可以让FPC金手指被吸附时长探针在对应的孔上探出的凹槽模具。针模安装在载板之间所形成的容纳腔里,当天版下压时，针模上的弹簧受到压力收缩，针模上的探针头露出载板与FPC上的待测金手指充分全面接触。弹簧的另一个用处就是当载板和针模的真空发生器向下吸附FPC时,起缓冲作用。针模上的弹簧分布对称,以保证天半下压，长探针头探出时每个探针头露出的长度一至且受力均衡。维修或更换时可以从载板上轻松地拆掉针模。在针模上用的材料为绝缘材料,起到电磁屏蔽的作用,从而消除了电磁波对FPC测试的影响,提高了测试的精准度[6]。(3)载板模块载板模块包括定位销、模具、载板。载板、天板之间形成容纳腔,通过螺丝和定位销,可以将载板模块固定在测试治具内,载板模块可以拆除,以方便地更换针模。通过安装在针模上的定位销,可以稳定地将针模固定在载板模块上以及将FPC定位在载板和针模上,FPC取出或放置更换方便、效率高。（4）天板模块天板模块包括探针、连接测试盒的线路，以及用来固定的优力胶。通过气缸控制其前后，上下移动，配合载板跟针模完成FPC的测试。当气缸下降时，天板下降，此时安装在天板上的优力胶压向FPC，使FPC上的金手指与测试模具的探针头充分接触，并且金手指背面的钢片也跟天板上的探针充分接触。利用气缸带动天板模块的升降来吸附或释放FPC，既方便了操作，提高了工作效率，又保证了FPC在测试过程中不会发生位移或变形，保证了测试结果的可靠性[7]。2.4设备整体环境搭建1.win732位或64位操作系统工控机一台（win10系统部分软件不兼容，所以暂不能使用），需配备电源线一根。2.液晶显示器一台，需要搭配电源线一根，VGA信号线一根。3.夹具一台，需配备电源线一根，COM9串口线一根，网线一根(或两根)，直径8气管1～2米[8]。2.4.1治具的架线和准备1.工控机上共需要连接两根网线：eq\o\ac(○,1).工控机跟治具网口的连接，用于上下位机通讯。eq\o\ac(○,2).工控机跟客户内网的连接，用于上传数据到客户服务器。2.接地:使用接地线连接机台到产线接地线；3.B2B转接板接线,通过64PIN牛角转接板64FPC2ICT，接到Switch板上；4.CF软板接线，通过64PIN牛角转接板64FPC2ICT，接到Switch板上；5.钢片以及TP2接线，钢片扎两根针，TP点扎一根针。一共三根针采用成套线，接到4P白色端子公座上，之后与B2B排线上的4P白色母座对接；6.插上电源线，开机;7.在xShell软件中设置软板使用次数∶ceprom_wr32(2000,2024),第一个参数设置为次数，可修改，第二个参数为存储地址，固定为2024不可修改；8.在xShell软件中设置流水线运行时间:Ceprom_wr32西(2，2028)第一个参数为设置的次数，可修改，第二个参数为存储地址，固定为2028不可修改[9]；9．工控机连接治具网口，网络配置为192.168.1.130。10..上位机；10.配置IP与端口号。2.4.2真空发生器真空发生器是指流体在低压附近高速的流动，产生了吸附。如图所示，工作时压缩空气通过（A）接口供给真空发生器，压缩空气经（B）喷嘴流过。在这个过程中，空气流速被加速和压缩。压缩空气流经喷嘴后，流量再次降低，产生了真空，从而通过（D）真空接口吸入空气，通过（C）消音器排出吸入的空气和压缩空气[10]。图3.1真空发生器原理图真空发生器工作状态：真空吸电磁阀程序控制得电打开，压缩空气经过电磁阀到达真空发生器，真空发生器产生文丘里效应，设备中空气经过真空吸盘，推开单向节流阀，从消音器被排出，此过程在产品DUT处形成负压，产品被真空吸盘吸附。破真空工作状态：破真空电磁阀程序控制得电打开，压缩空气经过破真空电磁阀到达真空吸盘，压缩空气吹开产品，完成破真空，吹开产品的气流速度通过调速阀控制。2.4.3电磁阀公司常用项目电磁阀（Electromagneticvalve）型号分为：二位五通・三位五通4V200系列、二位五通・三位五通4V100系列、SM5000系列插管型二位五通。公司常用的电磁阀供电电压一般为DC24V。2.5测试治具的工作过程测试治具的工作过程如下:放料放料放料放料第一次流程结束启动测试第一次流程结束启动测试流水线启动送料相机扫码拍照流水线启动送料相机扫码拍照天板上抬后退放料相机对位拍照天板上抬后退放料相机对位拍照天板下压取料软板前移对位天板下压取料软板前移对位浮动载板上抬软板平移对位浮动载板上抬软板平移对位软板上抬后退软板上抬后退浮动载板下压天板上抬待料天板前进下压天板上抬待料天板前进下压下位机电子测试关闭真空吸下位机电子测试关闭真空吸图3.2测试治具工作流程将待检测的FPC通过标准的手法放在载体模块和针模上，待检测的FPC通过两个模具定位在正确的位置，按下电源启动按钮，测试夹具中的气缸控制真空发生器，通过载体模块的吸气孔向上吸气和针模内的吸气孔吸附FPC使其固定，载板下的扫码摄像机扫描FPC上的二维码，载板上设有可穿过探针的探孔，针模上的探针头伸出载板；天板上的对摄像头准FPC金手指与测试软板，使金手指跟软板对位成功，气缸带动天板模块下压，安装在天板上的优力胶将FPC压紧固定，使FPC上待测的金手指与长探针头充分全面接触，同时天板上的探针与钢片充分接触，FPC各部分的电路与针板上的各探针头相连，测试模块中的测试盒通过电缆与探针尾部的Switch板相连，将电信号传输到测试盒进行测试。测试完成后，气缸自动控制真空发生器释放，天板模块在气缸的驱动下上升，载板模块释放，取出检测后的FPC，放入下一块未检测的FPC进行检测。通过显示器可以准确地发现故障，在FPC取出后可以快速、准确找到故障位置进行维修或更换。3FPC测试夹具的调试3.1测试原理1、OS测试以及二线测试O/S测试原理：O/S测试将测量DUT所有网络的开、短路关系。通过测量所有网络间的电阻，判断DUT线路间是否有开路或短路情况。二线测试原理：被测线路两端各扎一根针，CUR+与VO使用同一根针，CUR-与COM使用同一根针，通过CUR+与CUR-给电流，VO与COM读取电压，运用欧姆定律：R=U/I，计算被测电阻阻值。图4.1二线测试原理2、四线测试真四线测试：A.对于小电阻，或者精度要求高的电阻，需要去除引线电阻和接触电阻的影响，这时需要使用四线测试。B.被测线路的2端各引出2根线，一根线作为恒流源的回路；另一根线作为电压测试回路。C.电路设计中，考虑到接线简化，一般设计成2线制。特殊的测试点才使用四线制。图4.2四线测试原理假四线测试：有些项目植针区域过小时，连接器间距加双针有困难，这样通过在转接板上变成四线的方式，这样就叫做假四线。图4.3假四线测试3.2恒流源大小的选择1、硬件设计有5种恒流源，即：10mA,1mA,100uA,10uA,1uA；2、ADC读取最大电压2.5V，对应上述恒流源测试最大值依次为250ohm、2.5Kohm、25Kohm、250Kohm、2500Kohm；3、由于测试电阻几乎都在250ohm以内，所以使用挡位为10mA挡位，以确保测试的精准性；4、电流流过测试线路，产生电压，读取该电压值，计算电阻。3.3软板与产品金手指重合量选定使用优力胶进行金手指下压测试，对于金手指受力情况、形变破坏、测试稳定性等，是目前最优的选择。重合量在1/3到1之间均可以稳定测试，现场设定重合量为4/5。1.重合量小于1/3会出现压合面积过小，压合不稳定，测试阻值偏高导致测试Fail；2.重合量大于4/5会出现金手指基本全覆盖，产品放置有角度差时会出现测试短路；3.重合量选定4/5是在对位满足要求且尽可能不出现测试短路条件下的最大重合量，重合量越大接触越稳定。3.4视觉对位原理与调试3.4.1视觉对位原理1.金手指向上的情况；·视觉相机捕捉产品金手指上的mark点与pin位置信息；·软板处电机前推（X方向），使得软板与金手指部分重合；·视觉相机捕捉软板上的mark点与pin位置信息；·计算产品金手指pin与软板pin之间的像素偏差；·将像素距离转换为运动脉冲，软板处电机水平移动（Y方向）使得两者pin脚对齐吻合；·对位完成。2.屏蔽模向上的情况；·视觉相机捕捉产品金手指背面屏蔽膜的左、右、下边缘；·根据产品2D图纸推算pin位置信息；·视觉相机捕捉软板上的mark点与pin位置信息；·计算产品金手指pin与软板pin之间的像素偏差；·将像素距离转换为运动脉冲，软板处电机水平移动（Y方向）使得两者pin脚对齐吻合；·对位完成。3.4.2视觉对位调试1.首先框出金手指与软板的大致区域如图示红框；2.设置左/右对位区域。此时左右软板处电机会进行Y方向左右移动，频率10次，计算出10次平移中电机Y方向步进的偏差平均值；3.若偏差平均值在电机自身动作系数55±25%之内，则说明电机水平方向动作无丢步、卡顿等现象；4.水平方向调试完成后接着进行垂直方向的调试；5.左/右补偿值校检。此时左右软板处电机会进行Z方向上下移动，频率10次，计算出10次移动中电机Z方向步进的偏差平均值；6.若偏差平均值在电机自身动作系数±5之内，则说明电机垂直方向动作无异常。3.5针对FPC金手指与优力胶的压强实验3.5.1实验目的在FPC测试过程中，按照标准压强测试时，FPC金手指出现过压印异常，且次数超过了规定的合格标准（规定标准：5/1000ps），导致QC工序过不了，压印异常的FPC只能进行报废处理，会造成生产成本的提高并且良率及效率下降。针对这一现象，对FPC金手指与优力胶的压强进行试验。3.5.2实验器材一台调试完好，可正常生产的FPC测试夹具；对应料号但内部弹簧数量不一的FPC;15/25倍显微镜。3.5.3实验内容首先，检查FPC测试治具的情况，确保其正常。然后对FPC测试治具进行清洁，保证其没有脏污。确保ACF金手指接触面积为2mm*28mm，且FPC金手指所有线路充分接触：1.金手指表面压强为1Mpa，选用弹性系数为3.0N/mm弹簧进行试验：将装有1个弹簧的FPC放入测试夹具内，关闭数据记录程序，按下启动按钮，进行测试，测试完成后将其取出，放入15、25倍显微镜下观察，发现压印异常。将装有2个弹簧的FPC放入测试夹具内，进行测试，测试完成后将其取出，放入15、25倍显微镜下观察，发现压印异常。依次放入3、4、5个弹簧的FPC进行测试，均发现不同程度的压印异常。将装有6个弹簧的FPC放入测试夹具内，关闭数据记录程序，按下启动按钮，进行测试，测试完成后将其取出，放入15倍显微镜下观察，发现无压印异常。又将其放入25倍显微镜下观察，也没有发现压印异常，后连续测试50ps（片），发现有1ps压印异常。未达到合格标准。2.金手指表面压强1Mpa乘以安全系数0.54，设定表面压强P=0.54Mpa；选用弹性系数为1.5N/mm弹簧进行试验：将装有1个弹簧的FPC放入测试夹具内，关闭数据记录程序，按下启动按钮，进行测试，测试完成后将其取出，放入15、25倍显微镜下观察，发现压印异常。将装有2个弹簧的FPC放入测试夹具内，进行测试，测试完成后将其取出，放入15、25倍显微镜下观察，发现压印异常。依次放入2、3、4、5个弹簧的FPC进行测试，发现压印异常的ps数量有所下降，但仍达不到规定的标准。将装有6个弹簧的FPC放入测试夹具内，关闭数据记录程序，按下启动按钮，进行测试，测试完成后将其取出，放入15倍显微镜下观察，发现无压印异常。又将其放入25倍显微镜下观察，也没有发现压印异常，后连续测试1000ps（片），发现有2ps压印异常。达到规定的合格标准。完成实验。3.5.4实验结果及数据1.实验验证及经验总结表明，金手指表面压强为1Mpa时接触最稳定，鉴于FPC生产中出现过压印异常，乘以安全系数0.54，设定表面压强P=0.54Mpa；将原有弹性系数为3.0N/mm的弹簧更改为1.5N/mm的弹簧使用[11]。2.产品金手指为测试稳定，所有线路部分必须充分接触，该ACF金手指接触面积为2mm*28mm；3.该ACF金手指表面所需受到的力：F=2mm*28mm*0.54Mpa=30.2N；4.在该金手指长度范围内尽可能多的分布弹簧，减少单个弹簧受力，延长使用寿命，发现可排布6个标准弹簧；5.单个弹簧的压缩量=30.2N/（6*1.5N/mm）=3.35mm；单个金手指处:弹簧数量：6PCS；系数：1.5N/mm；压缩量：3.35mm；金手指接触力：1.5*6*3.35=30.15N；压合面积：2mmx28mm；压强：1.5*6*3.35/(2*28)=0.54Mpa；3.6FPC测试夹具的处理当某个料号FPC生产完成不再生产，需要生产其他料号或引进新的夹具来测试新料号时，此时原来的治具就不能在用，需要进行处理，公司对测试治具的处理方法有：1.对治具进行返厂，将不用的治具返还给原来的供应商，由供应商跟公司沟通好后，进行自我处理。2.如需测试同种类型的料号时，只需更换夹具的天板、载板、针模、测试模具等，将新的模具装好后，重置测试盒的数据，将上位机的测试软件更换到相对应的版本，由供应商派来的工程师调试好后，便可进行测试。3.在公司开会做出决定之后，由本项目负责人联系设备制造公司，将需要更换的夹具寄过去后，由设备制造公司根据本公司要求将其改成自动化设备。4结束