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            _________________________________________________________________ 專 題 討 論 _______________________________________________________________

            IC器件的端口、功能、性能測試 ——Ver6.0的hFT測試

            前言:


            市面上有多種IC測試儀器,便宜的以百元計,貴的以萬元、十數萬元計。有的有明確的測試范圍(能測哪些型號),有的聲稱能測試任何器件,有的具有“疑難器件測試”功能,專測各種“疑難器件”(雖然事實上不存在所謂“疑難器件”的定義),等等。


            “能測”是一回事,“測了哪些內容”是另一回事。如果只是“能測”的話,一塊萬用表就“能測”所有的IC——事實上,很多場合就是這么干的!皽y試的內容”才關系到檢測效果,才是除了萬用表,還需要其它測試儀器的原因。


            1.有哪些測試方法及其原理


            1.1 IC的故障類型


            a. 端口故障


            故障落在與IC管腳直接關聯的PN結上,叫做端口故障。就測試而言,端口故障指通過檢測IC管腳的電壓-電流特征可發現的故障。
            器件在使用中,各種干擾、沖擊等首先作用在端口上,所以在維修中,大部分IC故障屬于端口故障,有資料介紹在維修中端口故障大概能占到總故障的80%。

            b.功能故障


            功能故障就是常說的“器件壞了”。就測試而言,功能故障指在任何測試條件下,器件都不能實現規定的電路過程。
            新買來的器件有功能故障的可能性很小,即使是“二手器件”、“水貨”,也不會有功能故障。賣方不可能公開銷售“壞器件”。

            c. 性能故障


            性能故障就是常說的“器件不好”,或者說“劣質器件”。性能故障多指器件完成電路過程的質量不符合規定。例如,不能驅動規定大小的負載、不能工作在規定的最大頻率、漏電流超過規定值等等。


            “二手”、“水貨”、“小廠”器件通常意味著性能不好,也就是器件有參數不達標。


            在電路板維修中,性能故障歷來讓人頭痛。維修中常說的“疑難”故障、不穩定類故障,多數由于性能故障所導致,主要是缺乏測試手段,很少確定為性能故障。

             

            1.2 測試方法及原理


            與三類故障類型相對應有三種測試。無論哪種測試,都分兩步完成。第一步,按照器件型號建庫,保存在電腦中;第二步,按照型號調用電腦中的建庫數據,執行測試。

             

            a.端口測試

             

            目前的端口測試都是通過ASA曲線測試法實現的。

            • 建庫:首先測試一個好器件的管腳ASA曲線,按照器件型號存入電腦;
            • 測試:測試被測IC的管腳曲線,與庫中的曲線數據求差,任何一個管腳的比較差值超過規定大小,提示測試失敗。

             

            ASA曲線測試不加電,逐管腳進行測試,對每個管腳的測試過程都是一樣的,有以下特點:

            • 不受類型(模擬、數字),功能是否已知(例如專用器件、可編程器件)的限制,可用于測試任何器件;
            • 建庫十分容易。只要有一個好器件,可以馬上建庫用于測試。

             

            市面上凡是聲稱能夠測試各種器件的測試儀、所謂專測“疑難器件”的功能,實際上都是利用了ASA曲線測試的上述特點。
            ASA曲線測試的不足在于:

            • 只能發現端口故障。從1.1的介紹可知,用于維修檢測的效果不錯,但不適用于IC器件的入廠檢測和器件篩選(確有產品這樣宣傳);
            • IC規范不規定器件不加電時的端口特征,型號完全相同的器件會有不一樣的端口特征(同型號不同品牌、偶爾不同批次),導致測試失;

             

            b.功能測試

            功能測試檢測IC能否實現規定的電路過程。

            • 建庫:根據器件手冊中規定的器件電路過程編寫測試程序,按照器件型號存入電腦;
            • 測試:按型號調用相應測試程序,檢測器件能否實現電路過程。

             

            例如對一個“雙輸入與非門”,測試程序控制測試儀在器件兩個輸入腳上加“00、01、10、11”,回讀輸出是否為“1、1、1、0”,只要有一拍不符,測試失敗。
            功能測試需要加電、測試信號是并行的,同時施加于所有管腳(不能逐管腳進行測試)。有以下特點:

            • 功能已知是前提條件,還得是可描述的,否則無法編程建庫。由于建庫有一定難度,通常由儀器廠家完成,以器件庫的形式提供用戶使用(雖然有不少測試儀提供用戶建庫接口);
            • 功能測試不考慮測試條件,原則上屬于定性測試。在功能測試下,74LS00、74HC00、74F00(由于邏輯功能相同)是一樣的。換句話說,如果你選擇了功能測試,庫中沒有74ACT00,按照74LS00測試效果是一樣的。有的測試儀干脆把這些型號都處理成7400;
            • 用于器件入廠檢測、篩選效果較差。

             

            C.性能測試


            性能測試不但檢查器件能否完成規定的電路過程,而且檢查完成的質量。質量指標由參數定義,性能測試通過測試參數實現。

            • 建庫:根據器件手冊中規定的器件電路過程、以及參數指標編寫測試程序,按照器件型號存入電腦;
            • 測試:按型號調用相應測試程序,檢測器件能否實現電路過程,質量參數是否達標。

             

            性能測試包含了功能測試,在功能測試成功的基礎上,檢查參數是否合格。在性能測試下,74LS00、74HC00、74F00是不同器件;性能測試建庫要逐個處理器件參數,比功能測試建庫內容多;對硬件要求高,技術實現困難,因此,在早期電路板維修中,基本沒有人考慮性能測試,近年來有所改變。原因在于:

            • 越是通用器件,水貨的可能性越大。水貨在技術上的定義,就是功能沒問題(否則是“壞”器件),性能不好(有參數不達標)。電子市場買來的器件在上板子前,最好用性能測試;
            • 有些器件已經停產,只能使用拆機件。長期使用也會導致性能下降;
            • 對從板子上拆下來的器件,用性能測試確認更有信心。

             

            一個器件有很多個參數。測試的參數越多,對器件的質量把握越大。能夠測試器件所有參數的集成電路測試儀價格高昂,多用于集成電路研發、制造以及特殊應用場合。在中、小企業器件入廠檢測、電路板維修場合,需要在測試成本和效果之間平衡,選擇測試部分參數(的產品)。


            性能測試必須在規定的條件下測試參數是否達標?偸怯腥烁悴磺宄@一點。例如,某種國產測試儀自稱數字測試頻率達到2兆,“目前足以覆蓋高頻動態參數故障”——原文如此。要知道一般IC器件最高工作頻率都在數十兆以上,比2兆高很多倍。這種說法就好比把最高時速200公里的汽車,僅開到時速20公里,來檢查最高車速是否達標。常識告訴我們,如果開不到20公里,一定是其它問題,最不可能的反而是高速性能不達標。


            還有人認為ASA曲線也能測試參數。理由是如果ASA曲線測試漏電嚴重,器件不能工作,一定有參數不達標。按照這種邏輯,可以證明人的眼睛有參數測試能力:看出器件被燒壞(發黑),不能工作,一定有參數問題,證畢。

             


            2. 關于IC在線測試

            • 在線測試:測試焊接在電路板上的器件;
            • 離線測試:測試脫離了電路板的器件。

             

            a.端口測試

            前面講過,端口測試適用于各種IC的測試。從實施測試方面:

            • 端口測試是逐管腳進行的,在沒有測試夾的情況下,可以用探棒、飛針進行測試,將逐漸成為唯一的在線測試方法;
            • 目前沒有任何技術能夠隔離外電路對端口測試的影響,即使在同一塊電路板上的型號完全相同的器件,也必須分別建庫。

             

            b.功能測試和性能測試

            受器件功能是否已知、測試復雜性和測試成本的限制,目前在面向維修應用的測試儀器中,功能、性能測試范圍主要包括:邏輯器件(74、4000、26等系列為代表)、運放、電壓比較器、光電耦合器等。


            目前沒有任何技術能夠在線測試IC性能是否達標。


            對于邏輯器件和運算放大器,有一般性的在線功能測試的技術。限制功能測試使用、發展的主要是“測試夾”。功能測試是并行測試信號,必須通過“測試夾”,把被測器件的所有管腳都與測試通道相連接,才能進行測試。近年來,隨著器件封裝不斷細小化,嚴重缺乏適用的測試夾,使得在線測試越來越難有用武之地,把器件焊下來離線測試漸成主流。

             

            • 邏輯器件在線功能測試技術

            外國人發明的:

            1. 后驅動技術:一種硬件技術,用來隔離與被測器件關聯的數字器件對測試的影響;
            2. 自適應技術:一種軟件技術,用來解決被測器件管腳被鎖定對測試的影響。
            • 運算放大器在線功能測試技術

             

            筆者發明的“等效隔離測試”專利技術。


            詳細討論這些技術超出本文范圍。有興趣者可索閱相關資料。

             


            3. IC器件測試與電路維修測試儀


            a. 端口測試

            • 模擬通道數

            端口測試使用測試儀的模擬通道。模擬通道越多,一次測試能夠測試的引腳越多,除此之外,不再有別的限制。在以下場合進行端口測試時用到模擬通道:

            1. 測試夾在線測試IC。超過40腳的測試夾很少好用,所以,40個通道足以;
            2. 測試座離線測試IC。通道數最好多于要測試的IC的腳數;
            3. 定制轉接板通過電路板外接插件快速測試板上接口器件。通道數最好多于電路板插件腳數。
            • 模擬測試頻率

            注意端口測試是不加電的。在不加電的情況下,IC可看成一堆PN結的串并聯。用幾赫茲、幾百赫茲、還是幾兆赫茲的ASA曲線測試差別不大。實際測試時較高頻率下曲線的變化是由于測試通道的分布參數造成的,與器件沒什么關系

            。
            離線測試時,頻率低影響測試效率,頻率高增加實現成本、難度。


            在線測試時,要考慮到關聯的電容、電感(頻率相關),頻率過高或過低時不能得到有意義曲線。


            綜上所述,模擬頻率一般在十赫茲到數百赫茲之間即可。除非有其它用途,否則超出這個范圍沒有實用價值。

             

            • 模擬測試幅度

            端口測試的幅度最好處于略大于實際工作電壓,小于它的最大工作電壓之間,所以信號幅度有以下幾檔可滿足一般要求:4V/7V/15V/28V。
            《匯能》測試儀有256個檔,是為了滿足在線測試RCL、IC參數測試要求。

             

            b. 數字器件功能測試

             

            • 數字通道數

            首先,數字通道數必須多于被測器件管腳數,其次,器件功能必須是已知的、可描述的,兩者缺一不可。從當前實際情況來看,超過40腳的器件基本屬于專用器件、可編程器件,很難搞清楚器件功能;即使有說明,也會因為過于復雜,無法描述而無法測試。
            上述情況是《匯能》測試儀停產80數字通道的型號的原因。

             

            • 數字通道測試頻率

            當前市場上的電路維修測試儀的結構、所用的測試電纜、使用方式等決定了它是一種低頻儀器。當測試頻率遠低于器件最高工作頻率時,測試頻率與測試結果無關。這里唯一需要考慮測試頻率的,是邏輯器件在線功能測試。后驅動隔離技術限制測試時間不得超過20ms,測試頻率越高,在一定時間內執行的測試代碼就越多,能夠測試越復雜的器件。例如,測試一個雙輸入與非門,需要4拍。假如測試頻率1K,最多可執行20拍測試,10K就能測試200拍。最高幾十K即可滿足功能測試的需要。

             

            • 數字通道電平范圍

            在實際測試時,測試代碼中的0和1被轉換成具體電壓值。這個電壓值與數字器件的工作電壓相關。對于5V TTL系列,0定義為大于0V小于0.8V的電平;1定義為大于2.4V小于5V的電平。類似的,有5V CMOS系列、12V 系列、3V系列、EIA(±12V)系列,各自有相應的信號電平標準。


            1)5V通道


            通道輸出、接受的數字信號電平范圍,滿足5V TTL和5V CMOS的標準,不能改變。例如《匯能》測試儀的HN1600系列,以及市面上大多數的其它電路維修測試儀。這當然是因為這類器件應用最為廣泛;


            2)全電平通道


            指通道輸入、輸出信號電平可以設置,能夠支持各種電平系列標準的數字通道;例如《匯能》測試儀的HN2600系列,電平范圍可設置為滿足測試3.3V系列至±12V系列的標準 ;


            3)組合通道


            由于全電平通道比較復雜,固定電平通道相對簡單,可以把多種固定電平通道組合使用。


            例如某國產測試儀有80路5V通道,20路12V通道。為了加以區別,把12V通道稱作“高壓”通道。


            c. 性能測試


            器件的性能參數通常分為兩類:靜態參數(或直流參數)——與時間無關的參數;動態參數(或交流參數)——時間相關的參數。限于測試成本、技術難度和應用特點,筆者尚未見到適用于維修場合的、具有測試器件動態參數的測試儀。


            直流參數包含了功能測試,在對測試儀硬件要求方面,除了與功能測試相同的部分外,還需要較高的測試精度。例如,《匯能》模擬測試信號幅度多達256個、可以動態構成恒壓源、恒流源;測試電流跨度從±3微安至±150mA、恒壓輸出從±3mV至±12V等等,都是為測試器件直流參數的。


            4. Ver6.0 的 hFT測試


            hFT 測試包括:端口ASA測試、功能測試、主要直流參數測試。根據條件具體選用。


            端口ASA測試建庫對所有IC都是一樣的,并且十分簡單,一分鐘就能掌握建庫操作;只要測試儀的通道數多于器件的管腳數、并且有好器件就能建庫。本文不再介紹。

            功能建庫相對性能建庫簡單很多?梢韵冉üδ軠y試庫用于眼下測試,有機會再完善性能測試庫。

            IC的功能、性能庫分類、子類建立,建庫前先要確定IC類別、子類。下面介紹目前已經完成的類別。

             

            a.光耦器件


            光耦器件按照電路結構劃分子類。目前已經完成了6個子類。

             

            1)PC817類

            只要光耦的電路結構與下圖相同,即歸入此類。分類與一個封裝中有多少個同結構光耦無關。 下同。

             


             

            • 功能庫

             

            只需給出下面參數。具體數值隨器件型號不同。


             

            • 性能庫

             

            需給出下面參數。具體數值隨器件型號不同。

             



            @:測試條件;典型:平均取值;最大/最。鹤顗那闆r。下同。


            2)4N35類

             


            功能庫參數


            性能庫參數。在PC817類參數上增加了:


             

             

            3)HCPL4504類


             

            功能參數


            性能參數。在PC817基礎上增加:
            輸出低電源電流Iccl:輸出高電源電流Icch: 測試CTR增加電源條件:

             

             

            4)HCPL2503類

             


             

            功能參數


            性能參數: 等于HCPL4504和4N35的合并

             

             

            5)HCPL M456類

             

             

             

            功能參數:


            性能參數:輸出端有:


             

            6)HCPL2201類

             


             

            功能參數:


            性能參數:輸出端有:


             

             

            b.運算放大器

             

            目前只能測試電壓型運算放大器。分為單電源、雙電源兩類。

             

            1)單電源類

             

             

            功能參數



             

             

            性能參數:


             

             

             

            2)雙電源類

             

             

             

            功能參數:



             

             

            性能測試參數:


             

             

             

            c.邏輯器件

             

            邏輯器件按照生產工藝分類。各類的功能描述部分是一樣的。

             

            • 功能描述部分

            下面通過7403的邏輯功能描述說明一下格式。7403是一個集電極開路輸出四雙輸入與非門。邏輯圖如下和功能描述如下:

             

             

             

             

             

            a)首先,給管腳換名便于后面引用。這項完成在左邊一列。

            b)看中間一列,從第一行開始:

            行1:說明共有8個輸入腳;
            行2:說明共有4個輸出腳;
            行3:說明4個集電極開路腳;


            從第4行開始,是從真值表得到的測試代碼。為了閱讀方便,一個門寫在一組。仔細檢查,每個門的測試代碼都一樣,都滿足一個輸入為0,輸出為高;都為1,輸出為低。


            //:注釋行
            Iccl:7,Icch:1: 在第一拍測試輸出低時的電源電流;第7拍測輸出高時的電源電流。0拍表示不測試電源電流。

             

            c)右邊一列中,若為要求測試電源電流,不用輸入電流值。其它很清楚。不再說明。

             

            • 性能參數部分

             

            1)TTL系列

             

             

            2)4000系列

             

             

             

            3)HC(T)系列

             

             

            4)AC(T)系列

             

             

            d.模擬電壓比較器

             

            已經實現了LM393型功能測試。其它類型正在擴充之中。

            功能參數:


             

             
             
             

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