片式多層陶瓷電容多軌測(cè)試分選設(shè)備的設(shè)計(jì)

肖國(guó)龍，龔正平，武 果

（中科院廣州電子技術(shù)有限公司，廣州 510070）

0 引言

多層片式陶瓷電容有很多尺寸規(guī)格，如：0201、0402、0603、0805、1612 等規(guī)格，容量從0.5 pF～10 μF，甚至更大。所用材料的不同導(dǎo)致電容的不同特性和不同的用途［1－2］，如高頻電容、低頻電容、高壓電容、低壓電容等。不同的SMD電容測(cè)試內(nèi)容（四參數(shù)：耐壓、絕緣、容量、損耗）和測(cè)試方法基本上相似，特殊用途的高頻高Q電容測(cè)試除外。

早期的SMD電容測(cè)試分揀基本上以單軌（單通道）測(cè)試為主，以日本Humo 四參數(shù)測(cè)試機(jī)、美國(guó)Paloma 測(cè)試機(jī)為主導(dǎo)。自從美國(guó)ESI公司推出了6 軌四參數(shù)電容測(cè)試分選設(shè)備［3－4］后，臺(tái)灣、日本的相關(guān)企業(yè)也先后推出了多軌測(cè)試設(shè)備。國(guó)內(nèi)尚無其他自主研發(fā)的同類測(cè)試設(shè)備。

多軌測(cè)試在單軌測(cè)試架構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加了多圈同步測(cè)試和分選，其效率成倍提高。因此，研發(fā)該類產(chǎn)品，意義重大。從控制電路、可編程電源和測(cè)試儀器的通道數(shù)和測(cè)試效率角度出發(fā)，設(shè)備多數(shù)選擇的軌道數(shù)有2 軌、4 軌、6 軌和8軌。

目前國(guó)內(nèi)這類設(shè)備基本上依賴進(jìn)口，尚無自主研發(fā)的同類產(chǎn)品。自主研發(fā)該類設(shè)備在逐步搶占市場(chǎng)的同時(shí)，也可以壓低進(jìn)口設(shè)備的價(jià)格。

1 設(shè)備功能介紹

1.1 電容四參數(shù)

電容四參數(shù)分別為：耐壓、絕緣、容量、損耗。耐壓［5］和絕緣均為漏電流測(cè)試即額定電壓下的漏電流值，或者換算成絕緣電阻（R＝V／ I）［6］。電容兩端加測(cè)試電壓，滿電后的電流即為電容的漏電流。容量與損耗［7］則對(duì)應(yīng)為電容的容量值和損耗因子，很多參考文獻(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)上均有相關(guān)資料，本文不作介紹。

絕緣包括正向絕緣和反向絕緣。多層片式陶瓷電容理論上是無極性的，但由于工藝的原因，或者材料、分散劑等原因，會(huì)導(dǎo)致電容正反向漏電流不同，一個(gè)方向測(cè)試合格反過來可能不合格。早在2002年做引線電容測(cè)試自動(dòng)化設(shè)備測(cè)試的產(chǎn)品進(jìn)行抽檢時(shí)，就發(fā)現(xiàn)該類電容存在極性問題，于是在檢測(cè)設(shè)備中增加了反向絕緣測(cè)試。同時(shí)期，國(guó)外的生產(chǎn)商也發(fā)現(xiàn)了此類問題，在設(shè)備檢測(cè)中，也開始增加了反向絕緣測(cè)試。另外，由于電容耐壓絕緣測(cè)試需要一步或多步預(yù)充電，否則漏電流值遠(yuǎn)小于充電電流，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確測(cè)量。

電容測(cè)試完成后還需要放電，一般采用恒流放電。該電路較為簡(jiǎn)單，但值得注意的一點(diǎn)就是不能過放，否則變成了反向充電。

1.2 多軌（又稱多通道）

常見的多軌測(cè)試分選設(shè)備分選盤共100n（n為軌道數(shù)，圖1所示為8 軌料盤），n組電容同時(shí)進(jìn)行耐壓、反向絕緣、正向絕緣的預(yù)充電、測(cè)量、放電過程以及容量／損耗的流水作業(yè)，得到n個(gè)電容的基本測(cè)試參數(shù)，從而確定對(duì)應(yīng)電容的分倉(cāng)數(shù)據(jù)。

圖1 8軌料盤（電容測(cè)試盤）

2 硬件介紹

以圖2 所示的2 軌控制架構(gòu)圖為例，設(shè)備的基本控制框架如下。

圖2 2軌控制架構(gòu)

（1）伺服運(yùn)動(dòng)控制卡負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)盤的運(yùn)動(dòng)控制和料斗的左右移動(dòng)控制。

（2）GPIB卡級(jí)聯(lián)管理3 臺(tái)測(cè)試儀器，分別為Sight E4981A和日置的SM7420*2，其中：E4981A 負(fù)責(zé)容量和損耗兩個(gè)參數(shù)，通過SCANER通道選擇，控制不同軌道的容量和損耗參數(shù)的測(cè)試；SM7420 為4 路高阻測(cè)試儀，1 臺(tái)用于耐壓測(cè)試，1 臺(tái)用于正反向絕緣測(cè)試（漏電流或絕緣電阻）［8－9］。

（3）DI 輸入采集，采集面板按鈕、傳感器、接觸檢測(cè)信號(hào)等。

（4）DO輸出控制，分選氣缸、真空、恒流充／放電控制信號(hào)、振動(dòng)進(jìn)料控制、Scaner通道選擇控制等。

（5）COMn，1 臺(tái)0～500 V／ 0～400 mA可編程電源、1 臺(tái)0～1 kV／ 0～200 mA 可編程電源等，其中電壓、電流的編程、控制和工作狀態(tài)采集。傳輸速率選用115200 bit／ s。

下面將從工控機(jī)、測(cè)試電極、分選倉(cāng)位以及恒流充放電電路4 部分來依次介紹。

2.1 計(jì)算機(jī)架構(gòu)

計(jì)算機(jī)架構(gòu)如下：

（1）工控機(jī)采用研華的NuPRO－E43（i5）主板；

（2）CONTEC SMC－4DF2－PCI 4 軸伺服驅(qū)動(dòng)控制卡；

（3）CONTEC GP－ IB（PCI）FL × 1 GPIB － 488.2 通信接口卡；

（4）CONTEC PIO－64 ／ 64L（PCI）H × 1，64 路DI 輸入／ 64路DO輸出；

（5）CONTEC PO－32L（PCI）H × 1，32 路DO輸出。

2.2 測(cè)試的10 組電極

測(cè)試電極采用10 × 2 個(gè)獨(dú)立的電極，分別對(duì)應(yīng)10 個(gè)工位，依次為：（1）耐壓充電；（2）耐壓測(cè)試（SM7420－ A）；（3）放電；（4）反向絕緣充電；（5）反向絕緣測(cè)試（SM7420－B）；（6）放電；（7）正向絕緣充電；（8）正向絕緣測(cè)試（SM7420－B）；（9）放電；（10）容量及損耗測(cè)試。

其中，2 軌耐壓（漏電流）測(cè)試采用一臺(tái)日置的SM7420測(cè)試儀（4 路2000 V），2 軌正反向絕緣（漏電流）測(cè)試另外采用一臺(tái)日置的SM7420 測(cè)試儀；容量及損耗測(cè)試采用Keysight E4981A，通過Scaner切換完成多通道的測(cè)試。

2.3 分選的10 個(gè)倉(cāng)位

分選BIN倉(cāng)位依次對(duì)應(yīng)：RI（重測(cè)：C－ IR／接觸檢測(cè)不合格等）、D－ NG（損耗不合格）、TV.IR－ NG（耐壓／絕緣不合格）、C－NG（容量偏低NG）、OK1、OK2、OK3、OK4、OK5、C ＋NG（容量偏大NG）。2 軌則依此對(duì)應(yīng)10 × 2 個(gè)獨(dú)立的分選氣缸（Bin1.1、Bin1.2……Bin1.10 ＆ Bin2.1、Bin2.2……Bin2.10）。

2.4 電容恒流充放電及測(cè)試電路

圖3 所示為恒流電路，對(duì)充電、測(cè)量和放電均適用的電路，其中電流的可編程范圍為0～50 mA，通過DA 編程可實(shí)現(xiàn)設(shè)定的恒流作業(yè)。而1～9 個(gè)工位通過不同的測(cè)試板的地址選通實(shí)現(xiàn)各自的控制。在充／放電電路中，還需要增加一個(gè)接觸檢測(cè)檢查，可有效保證充電過程的有效性，接觸檢測(cè)可以通過繼電器和Photo－MOS切換實(shí)現(xiàn)。再預(yù)充電和測(cè)量工位時(shí)，HV ＋為高壓電源輸入，HV＿ OUT1 為被測(cè)電容的正端輸入。預(yù)充電工位，電容的負(fù)端接地（同HV－）；測(cè)量工位時(shí)，電容的負(fù)端直接接入SM7420（I／ V）測(cè)試；放電工位時(shí)HV ＋接地，即可實(shí)現(xiàn)恒流放電。

圖3 可編程恒流充放電及測(cè)試電路

3 軟件部分

軟件部分將分別介紹主流程框圖、分倉(cāng)判斷依據(jù)、數(shù)據(jù)記錄以及柱形圖管理等。

3.1 測(cè)試分選主流程

測(cè)試分選主流程如圖4 所示，需要考慮很多因素，如：（1）多通道測(cè)試時(shí)，如何實(shí)時(shí)地進(jìn)行容量電橋的多通道測(cè)試的切換、數(shù)據(jù)采集；（2）如何避免GPIB總線上的數(shù)據(jù)沖突；（3）是否有電容殘留需要強(qiáng)制清除；（4）依據(jù)NC、CPD、TV／ IR等數(shù)據(jù)如何判斷對(duì)應(yīng)的分選倉(cāng)位；（5）如何實(shí)現(xiàn)分時(shí)管理和鍵盤、按鈕等外部操作的實(shí)時(shí)響應(yīng)。

圖4 測(cè)試分選主流程

3.2 分倉(cāng)管理

10 個(gè)倉(cāng)位：RI（重測(cè)：C－IR／接觸檢測(cè)不合格等）、D－NG（損耗不合格）、TV.IR－NG（耐壓／絕緣不合格）、C－ NG（容量偏低NG）、OK1、OK2、OK3、OK4、OK5、C ＋NG（容量偏大NG）。

分倉(cāng)判斷依據(jù)：

（1）電容在10 個(gè)工位中，有接觸不良，或者容量測(cè)試為C－IR，則進(jìn)入重測(cè)倉(cāng)；

（2）電容在10 個(gè)工位中，無接觸不良，但耐壓／絕緣（漏電流）有不合格（超限），則分到TV.IR－NG；

（3）電容在10 個(gè)工位中，無接觸不良，耐壓／絕緣（漏電流）亦合格，則按照容量損耗測(cè)試來分揀。如：容量損耗測(cè)試儀的BIN1 ～Bin7 依次對(duì)應(yīng)C － NG、OK1、OK2、OK3、OK4、OK5、C ＋NG，BIN10 對(duì)應(yīng)D－NG倉(cāng)位等。

3.3 電容測(cè)試數(shù)據(jù)記錄及分倉(cāng)、分軌查詢等

每一個(gè)電容所包含的數(shù)據(jù)信息包括：軌道號(hào)／耐壓充電NC／耐壓測(cè)量NC／耐壓絕緣（漏電流）值／耐壓絕緣（漏電流）OK＿ NG／放電NC／反向絕緣充電NC／反向絕緣測(cè)量NC／反向絕緣（漏電流）值／反向絕緣（漏電流）OK＿ NG／放電NC／正向絕緣充電NC／正向絕緣測(cè)量NC／正向絕緣（漏電流）值／正向絕緣（漏電流）OK＿ NG／放電NC／容量Cp／損耗Df／ CPDBIN（儀表分倉(cāng)）／ BIN（綜合分倉(cāng)）。其中，CH 為通道（軌）號(hào)，TV 為耐壓，RIR為反向絕緣，HIR 為正向絕緣，NC 為接觸檢測(cè)，NG為合格／不合格的判斷，BIN 為分倉(cāng)（BIN1 － BIN10）。如圖5所示。

圖5 電容測(cè)試數(shù)據(jù)記錄

根據(jù)完整的數(shù)據(jù)記錄，可以分軌查詢，通過該功能可以了解該軌的進(jìn)料、電極、該軌預(yù)充電電路／測(cè)試儀器運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息；另外也可以分BIN倉(cāng)位查詢各BIN 的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，用于核對(duì)分倉(cāng)數(shù)據(jù)。

3.4 柱形圖（直方圖）

柱形圖顯示是一個(gè)很重要的軟件功能，通過柱形圖可以了解耐壓／正向絕緣／反向絕緣（TV／ HIR／ RIR）和容量／損耗（CP／ DF）等數(shù)據(jù)分布情況，可以了解電容的質(zhì)量、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以及設(shè)定的工藝參數(shù)是否合理等數(shù)據(jù)信息。圖6 所示為容量分布柱形圖，最左邊一列為容量值分布區(qū)間，每行柱形圖對(duì)應(yīng)該區(qū)間的容量分布；另外，左邊一個(gè)柱形圖為總體分布柱形圖，其他的依次為第1 軌、第2 軌……的電容分布柱形圖。

圖6 容量分布柱形圖

4 結(jié)束語

本文從電容的基本參數(shù)容量／損耗、耐壓／絕緣四參數(shù)出發(fā)，結(jié)合單個(gè)電容經(jīng)過多工位預(yù)充電－測(cè)量－放電以及耐壓、反向絕緣、正向絕緣以及容量／損耗共10 個(gè)工位的接觸檢測(cè)結(jié)果、耐壓／絕緣數(shù)據(jù)范圍比對(duì)、容量／損耗分倉(cāng)等數(shù)據(jù)，確定該電容的分倉(cāng)。多軌（多通道）為多個(gè)電容同步充電／測(cè)試／放電作業(yè)以及容量損耗的Scaner多軌切換測(cè)試，效率成倍提高，同時(shí)介紹了測(cè)試分選控制流程以及恒流充電電路。在單通道或者多通道的電容、電感、二極管、發(fā)光二極管（LED）等SMD產(chǎn)品測(cè)試分選設(shè)備的開發(fā)和應(yīng)用中，均具有很高的參考價(jià)值。