本文介绍，群集方法(cluster approach)可以提高测试效率和为OEM与EMS供应商减少坏品的堆积...

　　测试与检查的成本在其运作上限制了原设备制造商(OEM)和电子制造服务(EMS)提供商。尽管有这些开支，OEM还要不断地以越来越快的速度介绍新产品，以对市场的压力作出反应。无数的经济与制造问题迫使OEM将其产品发外加工(outsource)，许多刚起步的OEM公司已经发现参与竞争和将新产品介绍到市场是非常困难的。

　　EMS提供商的限制在于选择其OEM顾客，因为传统测试、检查、返工和其它品质支持活动的设计与维护成本较高。按照一项调查，现在50%的所有EMS运作是在测试与返工上面。

　　因为在线测试(ICT, in-circuit test)原本是用来帮助功能测试(functional test)孤立集成电路(IC)的失效的，所以ICT对于以前的元件封装是有意义的。可是，今天的倒装芯片(flip chip)、BGA、CSP和其它高密度互连的封装使得ICT的使用优势减小了。ICT变得优势越来越少是由于对焊盘的探测无能为力，以及产品的密度和要测试的节点数量绝对增加了。

　　具有讽刺意味的是，所有上面的成本和努力只能覆盖到生产缺陷与偏离。在一个传统的印刷电路板(PCB)工艺中，制造商还需要不断地测试和修理电路板。否则，坏卡(失效的板)的堆积会失去控制，产品不得不报废。测试和返工都负面地影响EMS提供商的表现，是现代PCB技术中效率最差的方面。

为什么ICT对比功能测试？

　　在EMS工业，补偿品质行动的高成本的一个方法是设备、生产流程和劳力的强化。可是，如果设备与生产流程强化，在设备与人员的可靠性方面会造成更多的问题，同样增加维护成本和品质问题。

　　几乎所有的品质支持运作，如测试、故障分析、返工和外观检查，由于其单个的特性、非常有限的生产率与可靠性，都是与大规模生产概念相矛盾的。还有，所有这些运作在支持新的封装技术中都是重要的。例如，为了支持CCGA(ceramic column grid array)，必须在生产场所建立专门的测试检验、返工和X射线检查车间。不管其低下的可靠性，这些技术现在提供处理坏品堆积的唯一方法。

　　另一个减少ICT开支的方法是不寻常的，但是可以产生好的结果。现在，所有板都首先经过ICT，然后功能测试。功能测试作用更大，在功能测试之后的板都认为是好的。可是如果功能测试在ICT之前进行，那么ICT的维护成本就可以大大地减少了。

　　功能测试将检查出好的板，不需要ICT，这样可以到达50%的所有产品物流。当然，功能测试和ICT测试都应该调整到这样一个新的顺序。例如，功能测试应该包括一些ICT的特征，如电源短路的确认、边界扫描和过滤器失效。

　　尽管如此，使用两种方法都不会给EMS工业带来十分美好的未来前景。在寻找任何ICT替代时，管理者们一般考虑飞针测试、X射线或自动视觉检查(AVI)。另一个替代的方法是群集方法(cluster approach)，在这个方法中，以一个简化的功能测试来替代ICT。这个方法对于EMS工业可能是非常有吸引力的。

群集方法(The Cluster Approach)

　　一个群集(cluster)是一组具有完全关连的相近特性的物体。群集的一个特征就是，其零部件都可以单独操纵。控制单个的零件比操纵整个群集要容易的多。

　　事实上，ICT就是要将功能测试分成较小的、对PCB每个部分的测试，以使测试尽可能完整。ICT是测试方面的一种群集方法。

　　完整的测试是非常昂贵的，随着产品的复杂性与性能要求的增加，成本会甚至更高。在PCB装配中为了满足新的元件封装的任何进一步的努力都将造成测试、检查和返工费用成指数地增长，以及延误到达市场的时间。

　　减少PCB与IC技术之间的差距的一个方法是多芯片封装技术(MCP, multi-chip package)，该技术最近已经在有CSP的PCB装配中使用。在某种方式上，MCP是PCB装配的一个理想方案。无论如何，该方法还是太贵，以至不能解决到把PCB转换成一个大封装的整个问题。

　　减少PCB与IC技术之间的差距的另一个方法是群集方法，其中PCB在物理上划分为几个零部件。把PCB看作是由不同的、小的微型板所组成的群集。技术上，这些群集可以基于一个具有一些正常PCB功能的框架，或者可以包括另外的功能，如机箱、微型PCB之间的互连、和与外部设备及其他框架的连接。每个框架将含有一定数量的单元来容纳微型PCB。每个微型板将有几个IC或几个无源元件，将通过基于框架的群集来与周围的微型板连接。因此，群集方法的基本原理是，产生出许多小的组合的微型板，装配在一个大的最终的电路板上。

　　在群集方法中，每个功能完整的单元(一个群集)被分成几个可以移动的零部件(微型板)。通常，群集是一个看上去象一块正常PCB的、平整的、简单的单元。微型板的数量决定于整个技术链的可靠性和板的复杂性；如果可靠性越小，复杂性越高，那么微型板的数量越大。

　　初一看，群集方法类似于板上卡(card-on-board)的技术。在今天很高的电路速度下，板上卡的界面存在高电容，造成电路速度减慢、信号反射和其它制造问题。而，群集方法可以解决一些在PCB装配中的设计与生产问题。一个简单的群集具有正常的电气特性，只要其框架适当设计。群集方法允许一个单元用较少的内层数设计，这可以减少设计成本和到达市场时间的延误。

　　群集方法也类似于多芯片封装。可是，它是基于PCB装配技术，而不是IC技术。该方法允许具有可重新编程互连的新IC容易被接受。因此，IC制造商可以支持群集方法，并且可编程的微型板 - 互连IC - 也将是可能的。

群集方法的例子

　　在现实世界中，在进行恢复之前的PCB装配的缺陷率可以达到20-60%的范围，决定于板的复杂性。

　　对于象网络路由器(net router)和开关总线(switch bus)这样的非常复杂的、大型电路板，这个缺陷率可能达到70%或更高。在这种情况中，平均每两块板中就有一块必须返回到检查、测试、缺陷分析和返工。很明显，较小的缺陷率可以产生更多的收入。

　　为了证明群集方法，使用了几个方程。缺陷率(D)、缺陷生产流量(DP)和生产流量(P)可以用下列方程表达：DP = D x P。包装和发货的产品(收益，R)与其它三个变量有关，如下：

R = P - DP = P - (D x P) = P x (1-D)

　　如果该群集由一块板组成，那么群集度(C)等于1。群集越多，群集度越高；例如，一个五块微型板的群集将有一个5的群集度。假设在PCB上有相同的缺陷分布，上述方程变为：

DP = (D x P)/C
R = P x (1 - D/C)

　　因此，如果该群集只是一块板(C=1)，缺陷率为70%(d=0.7)，那么收益只有30%。可是，如果产品含有10块微型板(C=10)，那么缺陷生产减少10倍，收益从30%增加到93%，不需要任何的技术改进。

　　尽管如此，群集不能解决技术差的问题。例如，30%(合理)与70%(差)的缺陷率之间的差别造成C=3和C=7的群集度，以达到相同的90%收益。换句话说，差的技术要求太多的群集，以增加性能(收益)。

好处与成本

　　当考虑与群集方法有关的优缺点时，几个因素变得很明显。首先，必须为群集建立一个框架设计，它必须是稳健的和有技术的。这个任务不是一个比建立现代多层印刷电路板更大的挑战。

　　其次，在一个群集中微型板和框架之间的许多额外的互连可能出现可靠性和电气性能上的问题。这个问题主要是通过为诸如EEPROM和SIMM这样的元件设计底座来解决。在PWB上建立这种大的“底座”可能是对该工业的一大挑战。

　　总的来说，使用群集方法的优点包括：

• 将不需要在线测试、返工、传统的故障分析和视觉检查

• 建立或者关闭一条生产线可以在数天或数小时内完成，而不是数周和数月

• 许多设计和工艺问题可以在行进中解决

• 故障分析过程将完全“自动化”

• 坏品堆积将减少到几乎为零

• 微型板的复杂性将减少

• 从传统焊接转换到其它技术将会容易

• 供应将被简化，货仓存货将会减少

• 为制造和测试的设计将被简化

• 通过集合制造元件，合格率将提高

　　另一个间接的好处包括通过相似的产品流程提高表面贴装和流动焊接工艺的可靠性。所有这些优点在价值上超过由于群集方法实施所引起的许多可能的问题。

　　故障分析和ICT将不再需要，因为这个简化的程序(更适合于大规模生产)可以替代开销较大的正常工艺。

　　在群集方法中，故障分析只是几次将一个群集一分为二的顺序分割，直达找到失效的模块。在使用功能测试时，群集如果失效，就要进一步部分割。然后两个群集都补充好的零件，再测试。如果其中一个新的群集通过，而另一个失效，那么失效的群集含有一个失效的微型板。群集中最初失效的部分再分割，这个过程重复几次，直到失效的微型模块被找到。

　　该故障分析程序的最好部分是，将得到两个自动分开的物流：准备发货的群集和失效的零部件。正如所提到的，得到了分开的、理想的生产与信息流。再也不需要象现在PCB装配中所发生的对整个群集进行故障分析和修理的额外努力。这个故障分析工艺的另一个好处是，它使现在的自动设备，包括贴片机和自动测试机，可以装配这些群集。因此，可以在整个技术链上消除不可靠的人为因素，如静电放电。

　　可是，有一个问题用群集方法还没有被消除：微型板的失效或多或少地经常发生在传统的焊接工艺中。尽管如此，这些是没有必要修理的，因为一个模块不再是最终产品了。唯一的任务是分析所有这些微型板，找出失效的原因。一旦失效分析从商业产品流分开，得到的是可靠的结果，技术可以有效地提高。

　　在传统焊接技术的构架中，群集方法将改善工艺品质和性能。在现代焊接技术中的转换工艺在产生缺陷和工艺偏离中起主要作用。一个转换工艺经常迫使工艺参数的改变，包括板的复杂性和元件和供应商变化。群集方法可以减少这些因素，并使产品物流更加单一化。因此，它减少这些转换因素、缺陷和工艺的偏离。

结论

　　在测试期间降低成本的一个方法就是要使一个工艺不产生任何的缺陷。这个完美的工艺现在还达不到。可是，一些行业人士相信，这个完美的工艺可以通过使用成熟的管理工具，如统计过程控制，和通过在制造和品质控制中使用非常奉献的人们来达到。

　　另一个非常有力的方法是群集方法(cluster approach)，它可以完全改变在EMS工业中的设计、生产、服务、测试和检查的策略。具有较低产前与产后成本的新的PCB前景将吸引更多的OEM，扩大外发加工的EMS市场。群集方法还不完善，但是它更靠近成为现代技术的理想解决方案。

Acknowledgments
Special thanks to Tracy Vaught of St Diamond Technology for her help with the article.

　　Slav Ligai is a quality engineer with SI Diamond Technology Inc., Austin, TX; e-mail: sligai@carbontech.net.   

(Aaron 08/28/2001)