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武汉

PCB测试中机械不对准引起的测量误差基于主成分分析的补偿

Xin He¹ , Yashwant Malaila² , Anura P. J ayasumana¹ 1 Kenneth P. Parker³ and Stephen Hird³

（¹计算机科学系，²计算机工程系，科罗拉多州立大学，柯林斯堡，805203

³安捷伦科技公司，洛夫兰，CO 80537）

摘要：电容引线框测试能够检测印刷电路板（PCB）中的开路焊料缺陷。主成分分析（PCA）的方法已被证明在使用电容引线框测试来识别异常值方面是有效的。在实践中，当感测板取向偏移或倾斜时，所导致的测量变化使得检测离群值更难。引入方法来补偿由于感应板变化引起的“异常”测量。基于PCA技术的开发以估计感测板中的倾斜和位移的相对量。这样的估计可以用于补偿机械失准。它还可以从数据中的缺陷信息中隔离未对准信息。使用来自实验室设置的实验测量来说明在两种常见形式的机械变化的情况下该技术的有效性。该方法对引脚的顺序不敏感，并且因此示出了检测由感测板未对准引入的复杂的系统误差的前景。

1 介绍

对印刷电路板中的缺陷的测试必须解决诸如参数变化和增加的电路密度的挑战。电容引线框测试（在工业中也称为TestJetreg;）在检测PCB中的开放焊料缺陷方面非常有效。在最近的研究中证明了基于主成分分析（PCA）的异常检测技术能够进一步增强故障检测。基于PCA的方法以整体方式处理来自连接器的多变量测量，以克服测试数据中固有的测量和组件参数变化。可以通过选择物理上相邻的针的窗口来增强该方法的灵敏度。

当在被感测板的机械对准变化的不同固定装置下测试良好的板时，测量值可根据未对准的程度而变化。 通过补偿不同夹具的测量差异的方法，以提高异常值检测的准确性。 我们分析在实验室中进行的测量由于倾斜的变化和感测板的垂直位移的影响。 针对包含不同对准模式的数据集提出了基于PCA的技术，说明了其识别未对准程度的能力。 呈现和评估用于补偿在测试PCB中感测板的倾斜和偏移的技术。 所提出的技术显示出能够处理复杂的系统误差模式的重要前景，例如那些由夹具 - 夹具变化引入。

第2节描述了电容性引线框架测试，并说明了夹具的机械变化的问题。 第3节概述了基于PCA的异常值检测算法。 第4节研究传感器板倾斜和位移变化对测量数据的影响。 第5节包含了本文的主要贡献：基于PC的方法，用于从测量中提取倾斜和偏移信息，以及补偿测试PCB中的这种变化。 使用电容引线框架测试期间两种潜在类型的机械未对准的影响的数据集来评估这些方法。 主要意见和未来研究在最后一节中被确定。

2 电容引线框架测试

电容性引线框架测试测量引脚和感测板之间的电容，如图1所示，以识别开放焊接缺陷。 当AC信号刺激测试引脚时，悬置在连接器上的感测板将电容性耦合的信号传输到缓冲器中，然后传输到测试器，其中信号被转换为电容的测量量。 测量的电容可能相当小，通常低于100飞法（fF）。 如果在板和连接器引脚之间存在开放的焊料缺陷，则由测试器检测到的电容通常显着降低，可能为10fF甚至更小。 必须考虑这些测量中的变化，以避免假通过/失败指示。

图1电容引线框测试机械结构

连接器或感测板中的机械变化引起测量值的变化，尽管连接器本身及其连接没有缺陷。 当连接器高度相对于连接器内的插脚高度存在变化，或者连接器球形连接的共面性偏斜导致感测板倾斜或垂直位移时，可能发生这种情况。

图2模拟感应板上的机械“倾斜”

图2示出了在测试板上的具有机械变化的一个正常连接器，其中感测板相对于连接器在其平面性方面具有变化，即其左侧略高于右侧。我们将其称为右倾斜的感测板。这又打开感测板的左侧和连接器之间的间隙。在图2中，为了说明，夸大了感测板倾斜的角度。实验中的实际角度小于0.26度，模拟很难控制的非常小的机械变化。在我们的倾斜实验中，我们通过在一侧插入间隔物，然后在另一侧插入间隔物来模拟倾斜的小增量。

图3示出了利用垂直位移的感测板测试的连接器。感测板相对于被感测的内部连接器引脚升高了一点。塑料连接器壳体高度的简单变化可导致这种情况。实际上，连接器壳体高度的典型规格以“最大”形式给出，没有公差。实际公差可能在 /- 0.004英寸（0.1毫米）范围内，但未指定。另一个变化来源是使用来自多个连接器供应商的连接器。同样，高度规格可能在供应商间会有不同。在我们的位移实验中，我们通过在连接器的两侧插入等高的间隔物来模拟位移变化。

图3模拟感测板上的机械“位移”

在实验室环境中，我们注入了“位移”和“倾斜”类型的特定机械变化，然后在一小组板上收集各种连接器的数据。 图2和图3显示了实验的实验设置。 移动或倾斜注入的量是相对于“零”参考的相对小的偏移。 它们是8,16和24千分之一英寸（mil）或0.20,0.41和0.61毫米。 在以下文本中，相应的设置（请参见表1）将命名为倾斜_1，倾斜_2，倾斜_3和位移_1，位移_2和位移_3。 位移和倾斜实验是独立的; 我们没有结合他们的效果。 倾斜_0和位移_0都指的是参考案例，它不包含任何变体。 由于单个板可以被不止一次地测试，因此对于设备的每个测试，数据记录被称为板运行。

表1.实验数据

3 基于异常值检测

在本节中，我们提供了基于PCA的离群值检测方法的一般描述。 假设Mmxn是电容测量的矩阵，其中m是板的数量，n是每个板上测试的引脚数量。 令Mc为中心矩阵，其中从每个元素中减去其列的平均值。 奇异值分解（SVD）将矩阵分解为Mc = USV的形式。 Z = MV 给出了主成分分数或Z分数矩阵Zmxn。 每个主分量（PC）在统计上是独立的，并且它们被置成较早的PC比较晚的PC更重要。

使用Z，每个板现在由通过Z的相应行给出的Z分数表征。[4]中提出的方法为每个板选择Z分数的子集，并且将其压缩为一个值d1 i ，其表征板i用于异常值检测，其中E是

PC的子集，其比PC的剩余子集更有意义。 我们实验的子集的基数被设置为5.具有较高dli值的设备是潜在的离群值。

为了说明，让我们考虑具有一组测量异常值的检测方案，称为Data_j31，对应于一组22个板上的J31标准连接器。 图4的视觉检查（其示出了Data_j31中的行测量值）将板运行1,3,4和22识别为清楚的离群值。

图4 Data_j31的原始测量图

图5 Data_j31的d1的CDF图

接下来，我们使用前5个主成分（PC）来计算dI值。 图5示出了对于Data_j31中的所有值的d1的累积分布函数（CDF）图。 值6，4，22，1和3都清楚地在CDF曲线的高端突出，它们表示比其他板轨道大得多的d1值。 剩下的17个值在图的左侧聚集在一起。 五个值显示了与其他的明显分歧，这意味着他们与基于整体PCA分析的其他人有很大的不同。 这种技术可以有效地过滤异常板行。

4 夹具不对准

在实际测试环境中，在异常感测板位置下测试的DDT（例如倾斜或垂直位移的感测板）可能导致测量结果与使用正常感测板测试的结果不同。因此，用包含机械变化的不同夹具测试的无缺陷板将具有与参考夹具的测量值不同的测量值。当比较两个夹具的测试结果时，我们可能得出不正确的结论。

这里是从实验数据中取得的一个例子。对于连接器JI0的引脚20，我们看到位移_0测量平均值为80.2 fF。 位移_1平均值为75.3，位移_2值为68.3，位移_3平均值为62.7 fF。这显示了测试例子接近18fF的延伸。然而，在所有具体装置中，这些测量的标准偏差小于0.5fF。因此，如果我们基于12个标准偏差来设置测试极限，这将是 /- 6fF。但是，由于我们通常只有一小部分已知好板可用于推导测试值和测试限制的基础，因此我们可以构建一个测试，由于机械变化现在出现，它将随后失败。在仅根据给定引脚的测量设置测试限制时，如果极限设置得太紧，我们可能会遇到假失败，或者如果极限设置得太宽松，我们可能得到假通过。这里我们感兴趣的是基于任何给定测试中针脚集合的数据判断通过/失败，并基于机械感应的感知变化而不是缺陷的影响来应用校正1。

在本节中，我们提出表示这种变化的分析表达式，并讨论基于回归分析的方法来补偿由DDT和夹具机械失准引起的影响。稍后在第5节中，我们提出了一种基于PCA的方案，其可以避免必须单独使用回归分析来识别用于单个设备的补偿方程系数，其可以用于估计倾斜或偏移，从而生成用于补偿方程的系数。

因此，该部分的目的是识别和补偿由异常感测板位置引起的测量变化，使得其单独不会导致DDT被标记为离群值。

4.1对倾斜检测板测量的影响

感测板和连接器针脚之间的电容由下式给出：

其中d是连接器和感测板之间的距离，A是引脚和感测板之间的有效面积。 注意，这种关系对于正方形面积和A≫d^2最为精确，在这种情况下这些条件被拉伸了一些。 然而，这种关系是用于理解由于感测板未对准而发生的情况的良好的第一近似。

当感测板倾斜时，如图6所示，与原始距离d的差Delta;d的值将根据针位置线性地从最小值变化到最大值。 这里我们只考虑沿长度的变化，虽然当沿长度和宽度存在这种变化时，分析可以扩展。 具有和不具有倾斜的电容值的比率CR沿着长度是近似线性的，如下所示：

随着正常感测板的距离，Delta;d随着连接器上的管脚物理位置从左到右线性变化（参见图6）。 等式（2）得到下面的等式（3），其中x是沿着连接器的归一化位置：

图6 夹具与（a）正常感应板（b）左倾斜感应板

对于具有左倾斜感测板的测量，其中板的右侧，靠近对应于图7和图8中所示的两行的z针脚120和240）被提升，相对于正常定位的测量的比率理论上应该是在y轴处截距为A（≃1）的直线。对于右倾斜测量，比率将从左到右减小。

本节中使用的数据集包括J3和J10的连接器的板的测量。涉及每种类型的四个板，它们被称为板B1，B2，B3和B5。 （除了正常的倾斜_0测试（标识为参考）之外，还在感测板下对每个板测试3个不同的右倾斜角，三个不同的左倾斜角和3种不同的垂直位移高度。因此，对于单个板上的一个连接器总共有10个不同的测量。我们在下面详细讨论左倾斜设置的数据和分析，以及一些位移设置。我们在下面详细分析左倾斜情况，并呈现一些位移情况。

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