Studiu Comparativ al Sistemelor de Testare a Componentelor In Circuit

Cuprins:

Introducere

Capitolul 1. Provocările și particularitățile procesului de producere a plăcilor electronice

Proiectarea bazei de date CAD pentru PCB

Configurarea procesului de fabricație pentru PCB

Fabricarea plăcii electronice simple

Procesul de imprimare și lipire

Plasarea componentelor pe placă

Curățarea PCB-ului

Inspecția/testarea plăcii

Capitolul 2. Limitările echipamentelor de testare în circuit

2.1 Atenuarea testului de acoperire ICT

2.2 Probleme privind accesul limitat pentru PCB-uri în testele ICT

2.3 Provocările privind accesul limitat al ICT-ului

Capitolul 3. Metode de testare în circuit a componentelor

3.1 Multimetrul

Testarea ICT – In circuit test

3.2.1 Avantaje și dezavantaje ale ICT

3.2.2 Tipuri de echipamente ICT

3.2.3 Capabilitățile echipamentelor ICT

3.3 FPT – Flying Probe Tester

3.3.1 Avantaje și dezavantaje ale FPT

3.3.2 Tipuri de echipamente FPT

3.3.3 Capabilitățile echipamentului Takaya Flying Probe APT-9411CE

3.4 MDA – Manufacturing Defect Analyzer

3.4.1 Avantaje și dezavantaje ale MDA

3.4.2 Tipuri de echipamente MDA

3.4.3 Echipamentul CHECKSUM Manufacturing Defect Analysis

3.4.4 Capabilitățile echipamentul CHECKSUM Manufacturing Defect Analysis

3.5 BS – Boundary Scan

3.5.1 Principiul de funcționare Boundary Scan (JTAG

Capitolul 4. Studiu de caz – Eficiența testabilității testului ICT comparativ cu testul FPT

4.1 Testarea PCB-ului utilizând testul ICT

4.2 Testarea PCB-ului utilizând testul FPT

Capitolul 5. Concluzii

Bibliografie

INTRODUCERE

În realizarea echipamentelor electronice complexe folosite azi în industrie și cercetare cerințele privind asigurarea și menținerea unei fiabilități cât mai înalte cresc în mod spectaculos. În acest context testarea în vederea funcționării corecte, care trebuie făcută după tehnici cât mai precise, se individualizează tot mai mult ca o activitate cu pondere în întreținerea echipamentelor.

Odată cu creșterea continuă a complexității circuitelor crește direct proporțional și complexitatea măsurătorilor necesare unor teste, cât mai complexe, necesare pentru îmbunătățirea procesului de fabricație. De asemenea, crește exponențial și efortul de testare, ]n funcție de numărul de intrări și de ieșiri ale produsului. În aceste condiții trebuie asigurată eficientizarea procesului de testare, care în caz contrar ar putea depăși volumul de mijloace financiare și de timp impuse pentru realizare produsului. De aceea e important ca din faza de proiectare să se ia în considerare testabilitatea circuitelor.

Procesul de testare trebuie astfel gândit încât să asigure o eficiență maximă pe întreaga durată de realizare a produsului, respectiv pornind din faza de proiectare, trecând prin procesul de fabricație, si luând in calcul posibila defectare din timpul exploatării. Ca urmare, testabilitatea trebuie privită în sens larg ca o verificare a produsului sau ca o analiza a anumitor parametri, care trebuie să respecte specificațiile funcționale ale sistemului. Trebuie subliniat însa faptul ca inițial trebuie stabilite metodele de testare în timpul procesului de fabricație, pentru a urmări calitatea procesului.

Pornind de la specificațiile prezentate mai sus, procesul de testare trebuie să țină cont de anumite condiții și anume: de reducerea timpilor de testare, de scăderea întârzierilor în producție, de creșterea eficientei procesului de fabricație, respectiv de micșorarea timpilor necesari pentru finalizarea diverselor etape din procesul tehnologic.

Obiectivul proiectului de diplomă este acela de analiză a sistemelor de testare care încearcă să răspundă și să aducă o serie de îmbunătățiri în ceea ce privește procesul de producție, respectiv eficientizare implementării unor metode de testare rapide. Pana la 30% dintre plăcile electronice pot avea erori la nivel de componente, chiar dacă inițial au fost îmbunătățite tehnicile de producție prin scăderea dimensiunilor componentelor și a plăcilor. Aceste sisteme de testare au rolul de a identifica erorile și de a le repara într-un timp cât mai scurt, pentru a urmări calitatea produsului și nu in cele din urmă pentru creșterea profitului.

Alte obiective ale proiectului de diplomă constă în analiza și definirea specificaților sistemelor de testare, prin prezentarea avantajelor și dezavantajelor și prin demonstrarea riguroasă a specificațiilor indicilor de proiectare.

Un obiectiv major al proiectului de diplomă este acela de elaborare a unor soluții pentru optimizarea procesului de testare a unei plăci electronice în mediul de fabricație. Obiectivul se axează pe compararea sistemelor de testare și pe realizarea unor măsurători în vederea îndeplinirii cerințelor de performanță și calitate impuse de producător.

Lucrarea a fost realizată cu sprijinul companiei Plexus, în cadrul Departamentului de Inginerie – Testare, a mentorului: Adrian Kiss – Test Engineer și sub supravegherea doamnei profesoare dr. ing. Cornelia Gordan.

Primul capitol întitulat “Provocările și particularitățile procesului de producere a plăcilor electronice” cuprinde informații referitoare la procesul de fabricare a plăcilor electronice, a tipurilor de defecte ce pot apărea pe parcursul procesului de producție și o scurtă prezentare a metodelor de testare a componentelor în circuit.

În capitolul al doilea numit “Limitările echipamentelor de testare în circuit” se prezință o parte dintre problemele care apar pe parcursului testării privind accesul limitat pentru PCB-uri și suprafața de acoperire a testului în circuit.

Următorul capitol descrie principalele metode de testare a componentelor electronice în circuit cuprinzând o prezentare a conceptelor de bază, a avantajelor și a dezavantajelor acestora, a principalilor furnizori de echipamente de testare respectiv a specificaților tehnice pentru fiecare dintre echipamente.

Capitolul patru conține studiul de caz întitulat “Eficiența testabilității testului ICT comparativ cu testul FPT” în care se urmărește din punct de vedere a timpului de testare, a tipurilor de teste efectuate de ICT și FPT, optimizarea procesului de fabricație a plăcilor electronice.

Ultimul capitol cuprinde concluziile obținute în urma studiului comparativ al acestor teste efectuate pe PCB, în acest fel prezentându-le diferite avantaje și dezavantaje legate de unele funcții ale acestor teste.

CAPITOLUL I

Provocările și particularitățile procesului de producere a plăcilor electronice

Înainte de a investiga modul în care sunt testate plăcile cu circuite imprimate (PCB), vom prezenta procesul care este folosit pentru fabricarea lor. De asemenea, ne vom familiariza și cu tipurile de defecte și cu defectele care pot apărea pe parcursul procesului de fabricație a PCB-urilor. Există mai multe variante, în funcție de proces și de echipamentele de fabricație disponibile.

Principalele etape în procesul de fabricare a PCB-urilor:

PCB este proiectat folosind un software de proiectare asistată de calculator (CAD)

Se utilizează informațiile din baza de date a CAD pentru a instrui mașinile folosite pentru a construi și asambla placa.

Fabricarea montajului electronic.

Partea de imprimare și lipire.

Componentele sunt plasate pe placa și lipite.

Curățarea PCB-ului.

Inspectarea și testarea PCB-ului pentru defecte de proces.

În continuare se prezintă pe larg fiecare etapă:

1.1 Proiectarea bazei de date CAD pentru PCB

În ziua de astăzi PCB-urile pot fi destul de complexe, iar designerii de PCB au nevoie de ajutor pentru a dezvolta aceste plăci într-un mod cât mai eficient. De aceea softul CAD (Computer Aided Design) are un rol important în proiectarea PCB-urilor. La început designerul pornește prin colectarea tuturor informațiilor necesare: diagrame, descriere de componente, liste de piese, precum și orice alte informații utile. Cu acest bagaj de informații acumulate, proiectantul utilizează softul CAD pentru a defini dimensiunile fizice și schema plăcii și pentru specificarea locației fiecărei componente și a interconexiunilor dintre ele.[1]

Un mare avantaj în a folosi softul CAD constă în faptul că permite proiectantului PCB să simuleze designul pe un calculator și permite modificarea acestuia până când toate cerințele dorite sunt îndeplinite. Este o abordare de studiu și de eroare, dar cu avantajul de nu fi nevoie să se repete operațiile de construire de mai multe ori. Acest lucru economisește timp și bani.

Figura 1.1 Proiectarea bazei de date CAD pentru PCB [1]

Odată ce designul este complet, softul CAD produce un desen care arată dimensiunile și locațiile de rețea, inclusiv amenajarea de conductori și modele ne-conductive (mărimea, tipul și localizarea VIAS). Softul CAD creează de asemenea o bază de date care conține numele fiecărei componente, numărul ei de ordine, orientarea, locația exactă pe placă și multe alte informații. Proiectantul poate să utilizeze simularea CAD pentru a verifica funcționarea plăcii proiectate și dacă considerentele adecvate au fost respectate la fabricarea și testarea acesteia.[1]

1.2 Configurarea procesului de fabricație pentru PCB

În fabricarea PCB-urilor se utilizează datele de proiectare CAD pentru a construi și a asambla placa. Pentru ca acest lucru să se realizeze cu succes, trebuie să existe o documentație clară și completă, cuprinzând inclusiv următoarele elemente:

lista de materiale

listele furnizorului aprobate

detalii de fabricare și asamblare

instrucțiuni speciale de montaj

date Gerber

În etapa producție trebuie sa existe, de asemenea, acces exact și complet la baza de date CAD pentru PCB. Aceste date CAD sunt in special utile pentru:

dezvoltarea mașină de scule

fabricarea modelului de pastă de lipit

programarea sistemelor de asamblare automată

pregătirea programului de testare

1.3 Fabricarea plăcii electronice simple

Primul pas în procesul de fabricare constă în realizarea PCB-ului simplu. După cum arată și numele, placa simplă nu conține componente, nu conține toate găurile și “piesele” electrice care vor fi necesare mai târziu pentru montarea și conectarea componentelor.

Figura 1.2 Fabricarea plăcii simple [1]

În figură este prezentată o mașină de rutare, de prelucrare, conținând mai multe panouri, placate cu găuri, trasee întrerupte și plăci tăiate în bucăți în mod individual. Plăcuțele de pe suprafața PCB-ului sunt folosite pentru atașarea componentelor cu montare pe suprafața plăcii(partea de „top”) și pentru întocmirea conexiunilor electrice. Plăcuțele trebuie proiectate cu grijă pentru a asigura o buna lipire a componentei.[1]

1.4 Procesul de imprimare și lipire

Procesul de modelare este deseori folosit pentru a aplica pasta de lipire pe plăcile care conțin ansambluri montate pe suprafață. Lipitura este aplicată sub forma unei paste care constă din mărgele mici de lipire într-o bază de flux. Modelul este o foaie subțire din tablă de oțel inoxidabil cu un model de circuit de tăiat și gravat. Procesul de modelare funcționează în felul următor:

placa simplă este fixată prin mijloace mecanice

modelul de imprimat este plasat pe placă și aliniat astfel încât deschiderile modelului de imprimat să suprapună zonele componentelor care necesită lipire.

un șirag de mărgele de pastă de lipire sau adeziv este introdus prin deschiderile modelului de o lama de cauciuc sau metal care se deplasează încet pe zonele modelului de imprimat.

modelul este ridicat, lăsând pasta de lipit sau adezivul depozitate în locurile corespunzătoare de pe placă.

Figura 1.3 Imprimarea modelului plăcii electronice[1 ]

Principalele defecte care apar în procesul de imprimare și lipire:

deplasarea plăcuțelor

scăderea bruscă de pastă

lipirea insuficientă

imprimarea neuniformă

1.5 Plasarea componentelor pe placă

PCB-urile pot conține una sau ambele tipuri de componente: through-hole (componente montate prin placă) și SMD (componente montate pe suprafața plăcii). După ce componentele sunt plasate pe placă, acestea sunt lipite. Două tehnici majore de lipit utilizare in procesul de fabricație a PCB sunt: wave soldering (lipire în val) și reflow soldering (lipire “suflantă”). În timpul lipirii sau curățirii anumite componente pot fi afectate de condițiile extreme de temperatură, caz în care sunt asamblate și lipite manual.

Plasarea SMD-urilor

SMD-urile sunt ținute în „feedere” și sunt plasate cu un mecanism de fixare având un vârf de vacuum. Mecanismul de montare găsește locația corectă, plasează componenta, și exercită o forță pe componentă, determinând pătrunderea pastei de lipit.

Figura 1.4 Plasarea SMD-urilor [1]

Principalele defecte care apar sunt:

componenta este distrusă

componenta este plasată incorect

componenta este deplasată

Mecanismele de montare care sunt utilizate pentru plasarea componentelor pe placă sunt controlate de către un program dezvoltat din datele CAD. Fiecare componentă necesită un program de instrucțiuni care specifică numele componentei, „feederul” unde se află, coordonatele X și Y, orientarea acesteia și uneori și înălțimea sa.

Reflow soldering – este o metodă de lipire în care pasta se aplică acelor suprafețe ale PCB-ului în care componentele sunt atașate plăcii. Pasta aplicată anterior cu ajutorul matriței, este apoi încălzită astfel încât să se topească și să formeze o îmbinare a lipiri.

Plasarea componentelor axiale și radiale

Figura 1.5 Plasarea componentelor through-hole [1]

Componentele through-hole (inserție automată): aceste componente, care includ componente axiale și componente radiale din plumb, sunt plasate pe placă cu ajutorul mașinilor de inserție. După ce se introduce componenta, aceasta trebuie să respecte specificațiile de proiectare.

Componentele through-hole (inserție manuală): componentele care nu pot fi inserate cu ajutorul mașinilor, cum ar fi releele, convertoarele AC/DC, sunt introduse manual pe parcursul liniilor secvențiale.

Figura 1.6 Procesul de wave soldering [2]

Wave soldering – placa este trecută printr-un val continuu de lipire, iar PCB-ul este menținut în contact cu aliajul de lipit suficient de mult pentru a se încălzi legăturile dintre componente, în vederea realizării unei legături stabilă cu aliajul de lipit.

1.6 Curățarea PCB-ului

Indiferent de cât de multă atenție se acordă procesului de producție, PCB-ul este expus la mai multe surse de contaminare:

Placa simplă poate fi expusă contaminării pe parcursul depozitării, asamblării, transportului.

Plăcile pot fi contaminate atunci când sunt manipulate și mutate de la o stație la alta pentru inserție si lipire.

Fluxul utilizat în lipirea componentelor poate conține reziduuri, care conduc curentul electric sau care pot acționa ca izolatori, aceste reziduuri putând coroda lipiturile.

Un proces de curățare este necesar pentru a elimina posibilele contaminări înainte de inspecție și testare. Uneori aceste contaminări creează probleme de test deoarece reziduul rămas poate izola punctele de test.

1.7 Inspecția/testarea plăcii

PCB-ul este întotdeauna inspectat într-o anumită măsură pe parcursul procesului de asamblare. De exemplu, după ce componentele sunt plasate pe placă, o inspecție va căuta defectele grave cum ar fi: pasta de lipire insuficient de groasă sau componente lipsă. După ce componentele sunt lipite, se va verifica vizual calitatea traseelor între componente. Însă, doar cu ajutorul inspecției vizuale nu se pot detecta toate defectele, de aceea este nevoie ca placa să conțină mai puține defecte și să treacă prin mai multe sisteme de testare în circuit.[1]

În testarea plăcii electronice este foarte important să se efectueze o amplă verificare pentru a găsi cât mai repede defectul în linie, astfel încât la final repararea acestor defecte să fie mai puțin costisitoare. Costul unui defect crește proporțional cu avansarea în stagiile procesului de dezvoltare, până la momentul în care este detectat. Testarea poate arăta că există defecte, dar nu poate demonstra că nu există defecte. Dacă aceleași seturi de teste sunt repetate de foarte multe ori, acestea nu vor mai găsi noi defecte. Scopul testării nu e să demonstreze ceva, ci să reducă riscul ca produsul să nu funcționeze la un nivel acceptat.

În general, termenul de testare în sens larg se referă la verificarea unor componente, ansambluri de circuite sau a produsului final pentru a vedea dacă este sau nu în parametri. Testul se folosește pentru a delimita unitățile funcționale de cele defecte, pentru identificarea defectelor și repararea acestora, în vederea creșterii calității procesului de fabricație a plăcii, îmbunătățirii procesului de fabricație și pentru a crește profitul.

În procesul de testare există două tipuri de verificări și anume:

Verificarea de tipul:

Figura 1.7 Verificarea tip Go/No Go [3]

În acest caz testarea nu se face pentru a identifica defectul, ci doar pentru a raporta dacă unitatea testată (Unit Under Test) se află sau nu în parametri.

Verificarea completă

Figura 1.8 Verificarea completă [3]

Acest tip de verificare conține doi pași: dacă unitatea testată trece (PASS) înseamnă că nu există defecte și se trece mai departe, iar dacă unitatea testată nu trece (FAIL) acest lucru implică un proces de detecție, identificare și eliminare a defectelor.

În procesul de fabricație se pot introduce accidental, în orice etapă a procesului, o serie de tipuri de defecte și anume:

scurtcircuite și întreruperi – cauzate în special de o lipire excesivă; ele sunt rezultatul unui proces de lipire slabă sau al unui design prost al plăcii.

deschideri – apar atunci când lipitura este insuficientă.

componente lipsă – pot avea loc la una din etapele de plasare a componentelor din cauza feederelor.

orientare incorectă a componentelor – apare atunci când componentele sunt plasate în mod necorespunzător.

componente deteriorate – unele componente pot fi deteriorate în timpul procesului de fabricație.

defecte de interacțiune dinamică între componente – acest defect duce la micșorarea performanțelor.[2]

Pentru a testa PCB-urile în primul rând trebuie să înțelegem cum funcționează circuitele de pe placă, pentru a ne da seama cum să le testăm. Odată ce am ajuns la acest impediment, trebuie să specificăm ce proceduri de testare vor fi aplicare pentru placă. De reținut, este că trebuie să testăm toate circuitele pentru a fi siguri că placa funcționează corect în condiții normale de operare. După ce se specifică procedurile de testare trebuie grupate toate echipamentele de testare necesare: osciloscoape, multimetre, surse de tensiune, surse de curent. Se conectează tot acest echipament în punctele corespunzătoare de pe PCB, unele din aceste puncte fiind foarte greu de atins. Dacă există mai multe plăci pentru a fi testate, se poate construi un dispozitiv pentru a simplifica conectarea cablurilor de testare. În cele din urmă se pornește echipamentul, se aplică măsurătorile necesare în circuit, se verifică rezultatele și se determină dacă circuitul funcționează corect. În cazul în care circuitul nu funcționează corect se găsește componenta defectă și se înlocuiește. Acest proces a devenit mai dificil din cauză că PCB-urile sunt tot mai compacte și mai complexe, componentele sunt din ce în ce mai multe și accesul la ele este mai dificil. De aceea se urmărește dezvoltarea unor sisteme care să rezolve și să elimine defectele cât mai rapid și eficient, în cazul circuitelor complexe.[2]

Pentru a se realiza acest lucru este nevoie de sisteme de testare în circuit a componentelor, dintre care amintim:

ICT (In Circuit Test) – testare în circuit; aceasta este o metodă de testare a PCB-urilor, face parte din departamentul de calitate al tuturor producătorilor de plăci electronice populate. Această metodă permite testarea componentelor electronice ce sunt conținute pe placa electronică. Informația despre defect este furnizată la nivel de pini pentru fiecare dintre componente, pentru a facilita reparația rapidă a defectelor depistate pe plăci. Acest tip de test permite detectarea anumitor defecte cum ar fi: scurtcircuite, trasee electrice întrerupte, componente lipsă, plasate defectuos, sau deteriorate, componente ale căror parametri sunt în afara limitelor de toleranță, măsurători de timp/frecvență în afara limitelor de toleranță. Cu acest tip de tester pot fi măsurate toate tipurile de componente pasive (rezistori, inductori, condensatori, diode, tranzistori), circuite integrate analogice(amplificatoare, comparatoare), CAN, CNA-uri, regulatoare de tensiune, circuite electronice digitale.

MDA (Manufacturing Defect Analisys) – Analizor de Defecte de Fabricație; sistemul de analiză a defectelor de fabricație folosește un “pad de cuie” pentru accesul la nodurile de testare a plăcii electronice. Testarea se efectuează pasiv (nealimentat). MDA permite testarea nodurilor, măsurarea impedanțelor la noduri și validarea nodurilor care sunt în parametri prestabiliți. Dacă în toate nodurile de pe placă, valorile determinate sunt cele corespunzătoare, atunci placa este buna, dacă nu, se elimină din circuitul de producție pentru depanare. Această metodă de testare este una rapidă, dar incompletă prin faptul că nu permite identificarea componentelor defecte; practic e obligatoriu ca pe o linie de producție, MDA să fie urmat de procese de testare mult mai complexe. La nivel de performanțe, permite identificarea a aproximativ 80% din totalul defectelor ce apar în procesul de fabricație a plăcilor electronice.

FPT (Flying Probe Tester) – e o metodă rentabilă de testare pentru furnizarea unei metodologii de verificare prototip. Spre deosebire de ICT, în acest caz nu sunt necesare costuri de testare. Acest lucru elimină costurile enorme legate de timpul de programare și permite schimbări de design simple, cu modificări ale programului de testare. Testerul de tip Flying Probe permite conectarea la punctele de test și folosește o cameră pentru inspecție vizuală. De asemenea este capabil să facă unele teste prin injectarea de semnale la anumite puncte de pe placă și prin detectarea ieșirilor de la alte locații. Acest tester poate accesa direct pinii componentelor sau prin intermediul punctelor de testare automate, fără a necesita puncte de test. Acesta utilizează traseele de pe placă ca și puncte de testare încorporate, pentru a fi utilizate ca puncte de test, pentru reducerea acestora.

FT (Funcțional testing) Testarea funcțională – este utilizată ca o etapă finală în procesul de fabricație a plăcii, aceasta oferind o determinare PASS/FAIL a PCB-urilor finite înainte de a fi expediate. Scopul unui FT în producție este de a valida faptul ca produsul hardware nu are defecte care ar putea astfel să afecteze în mod negativ funcționarea corectă a lui. Această testare simulează mediul electric în care va fi utilizat PCB-ul. Pe scurt, FT verifică funcționalitatea unui PCB și comportamentul său. Este important faptul că cerințele unui test funcțional, dezvoltarea sa și procedurile variază foarte mult de la PCB la PCB și de la sistem la sistem.

Burn in – este procesul prin care componentele unui sistem sunt verificate înainte de a fi puse în funcțiune(de cele mai multe ori chiar înainte ca sistemul să fie asamblat în totalitate din aceste componente). Pentru componentele electronice, burn-in este adesea efectuat la temperatură ridicată și tensiune ridicată, acest proces putând de asemenea fi numit și absorbție a căldurii. Componentele se pot afla sub o continua testare sau o simplă testare până la finalul perioadei burn-in.

Hi-pot – multe persoane sunt familiarizate cu un test de continuitate, care are rolul de a verifica dacă conexiunile sunt bune. Un test de continuitate se face pentru a vedea dacă este curent de la un punct la altul. Hi-pot este prescurtarea de la potențial ridicat (înaltă tensiune). Un test Hi-pot se face pentru a se asigura că nu există nici un flux de curent de la un punct la altul, în unele privințe Hi-pot fiind opusul testului de continuitate. În cazul simplu a doi conductori care ar trebui să fie izolați, dar între care se aplică o tensiune înaltă, curentul care circulă este urmărit cu atenție. În mod ideal curentul nu va circula curentul nici în cazul în care punctele de test nu sunt izolate, astfel testul nu ar va trece.

BS (Boundary Scan ) – o metodologie de testare care utilizează registre în conexiunile de ieșire ale circuitelor integrate. O secvență de date este trecută prin lanț pentru a observa dacă fluxul de date returnat este afectat de condițiile de circuit, ceea ce oferă o indicație cu privire la orice defecte prezente. Sistemul este definit în standardul IEEE 1149.1 și este cunoscut sub numele de JTAG(Joint Test Action Group).

Testarea în circuit a componentelor se referă la verificarea fiecărei componente de pe un PCB, la un moment dat. Acest lucru se realizează în timp ce componenta testată este conectată în circuit cu alte componente de pe placă. Din moment ce fiecare componentă este testată separat, identificarea cauzei unui defect se realizează relativ ușor pentru un tester în circuit.

Testerul în circuit efectuează toate procedurile manuale și anume:

scrie procedurile de testare

întocmește rapoarte privind cablurile de fixare

conectează echipamentul de testare la placă

pornește și pregătește echipamentul

se aplică semnalele de intrare cunoscute și se verifică ieșirile

se determină dacă circuitul funcționează corect

se localizează componentele defecte atunci când circuitul este defect

se repetă acest lucru pentru toate circuitele de pe placă

În producție se utilizează teste în circuit pentru a verifica PCB-urile complet asamblate. Sistemele verifică componentele individual și interconexiunile de pe placă; în primul rând se execută teste de conectivitate pentru a verifica dacă există scurtcircuite și deschideri, apoi teste analogice pentru a măsura valorile componentelor analogice, teste digitale pentru a verifica funcționarea unor circuite integrate digitale (circuite integrate) și teste hibride pentru a verifica componentele care îndeplinesc ambele funcții analogice și digitale. Unele dintre cele mai importante caracteristici ale unui tester în circuit sunt următoarele:

identifică și arată imediat defectele plăcii

detectează cele mai multe defecte de fabricație

conține un analizor de circuit, generator de testare, și biblioteci ale componentelor

oferă un software ce permite sistemului să scrie și să evalueze teste

conține biblioteci cuprinzând modele de teste pentru o mare varietate de componente[1]

CAPITOLUL II

Limitările echipamentelor de testare în circuit

ICT a fost și este o metodă de bază, respectiv o tehnică de testare pentru multe industrii. Acesta permite testarea la nivel de componente și testarea scurtcircuitelor pentru aproape toate tipurile de componente electrice. Această testare la nivel de componente oferă îmbunătățirea timpilor și a eficienței testării, conducând astfel și la reparații ieftine. Ca urmare, nu va mai fi nevoie de mult timp pentru reparare în comparație cu multe metode de testare funcțională.

Suprafața de acoperire a PCB-urilor furnizate de ICT este diminuată odată cu progresele din tehnologie, în timp ce rentabilitatea este contestată. Din punct de vedere tehnic, o serie de noi tehnologii și tehnici de proiectare a plăcilor electronice au uneltit asupra ICT. În mod firesc, tehnicile de proiectare sofisticate ale plăcilor au devenit tot mai rapide, și nu oferă acces fizic pentru sonde, care sunt esențiale pentru patul de pini ai ICT-ului. În plus, proiectanții de plăci, nu doresc să ofere acces la ICT. În cel mai bun caz, proiectarea unor Pad-uri pe placă pentru sondele ICT-ului, ar putea încetini performanța sistemului la un nivel scăzut, iar în cel mai rău caz, capacitatea de funcționare a sistemului ar putea fi periclitată. Testarea pad-urilor în circuit ar putea să distrugă echipamentul. Paturile de pini complexe au timpi de testare mari și sunt costisitoare. Multe dintre produsele nou propuse au fost introduse cu întârziere deoarece inginerii nu au avut altă opțiune decât să aștepte săptămâni pentru programul de testare al ICT-ului pentru producție.[4]

2.1Atenuarea testului de acoperire ICT

De-a lungul anilor, datorită progreselor rapide în tehnologie au avut un impact major asupra industriei electronice. S-au dezvoltat tehnicile de design și de fabricație, dar în același timp echipamentele de testare care verifică calitatea, performanța și funcționalitatea PCB-urilor au încercat să țină pasul cu cerințele avansate și cu o multitudine de noi obstacole. Unele dintre cerințele actuale, care sunt introduse pe echipamentele de testare, constă în eliminarea sau diminuarea defectelor apărute pe plăcile electronice populate. Testul de acoperire al ICT-ului este în scădere din diverse motive tehnice.

Primul dintre aceste motive ar fi densitatea circuitului și disponibilitatea accesului fizic pentru echipamentele de testare. Creșterea densității circuitului la nivel de cip și de placă a scăzut disponibilitatea accesului fizic prin testarea pad-urilor, care sunt esențial pentru patul de pini ai ICT-ului. De exemplu, geometria de împachetare a cipurilor BGA a continuat sa scadă. Recent aceasta a scăzut de la 0.4mm (distanța centru la centru), la 0.3mm. Efectul care aproape a dublat densitatea circuitului a avut o disponibilitate semnificativă la accesul fizic al sondelor ICT. Cu distanta de 0.4mm este suficient loc pentru ca sondele să fie dirijate prin placa circuitului și conectate la cip, printr-o interconectare de mare densitate. Dar la un pas de 0.3mm nu exista suficient spațiu pe placa, decât direct intr-un pad pe dispozitiv.[4]

Figura 2.1 Creșterea densității circuitului[4]

Deoarece densitatea circuitului a crescut, designerii au redus sau au eliminat zona dedicată anterior pentru accesul la test. Pentru potrivirea unor dispozitive mai mici geometric și pentru o mai mare densitate a circuitului, din necesitate au fost adoptate noi metode de fabricație a plăcilor, cum ar fi micro-vias-urile. Aceste metode de producție și asamblare au făcut ca accesul la ICT să fie mai dificil.

Un alt motiv care duce la scăderea acoperirii este deformarea plasării sondelor ICT, care pot crea defecte ale sudarii nodurilor oriunde pe placa. Ca urmare, cantitatea de deformare sau „flexture” pe care patul de pinii al ICT-ului trebuie monotorizată îndeaproape. Totuși în cele mai multe cazuri, deformările induse de ICT pot fi mult mai mari decât orice deformare care poate fi vreodată pusa pe un PCB, atunci când acesta este instalat intr-un sistem operațional. Astfel, aceste deformări produse in timpul testului ICT, care urmărește verificarea calitații de fabricare a plăcilor electronice, pot produce pe o placa mai multe defecte care se încearcă a se detecta cu ajutorul acestui tester. [4]

Figura 2.2 Efectul de „flexture” [4]

In figura 4.21 este prezentata deformarea care rezultă din forțarea probelor ICT, care de fapt sunt cauza defectelor structurale care se încearca să se detecteze.

O altă cauza se datorează faptului că acele de presare, care de obicei sunt utilizate pe conectori, pot fi problematice pentru testarea ICT. Pinii de presă nu sunt din metal solid și au o forma care se comprimă, pentru ca pinul să fie pus in placă. Forța exercitată de pin și care rezultă din introducerea în placî ține pinul în loc. În cazul în care o sonda de test ICT este plasată pe acele de presare pentru testare, ea exercită o forță în direcția opusă față de direcția în care a fost introdus pinul, acest lucru putând slăbi sau duce la desprinderea completă a pinului de pe PCB.

Figura 2.3 Pinii de presa pentru testarea ICT[[4]

2.2 Probleme privind accesul limitat pentru PCB-uri în testele ICT

Aceste probleme se refera la diferite metode de testare electrice si la instrumentele disponibile la adresa placi. Scopul celor mai multe tehnici este de a păstra beneficiile unui test in circuit, inclusiv de automatizare a testelor, diagnosticarea si acoperirea mare a defectelor. Metodele de testare vor fi evaluate si se compara din punct de vedere a performantei de testare. Aceste metode sunt: tehnica vectorilor de test, ICCT(In Circuit Cluster Test) si teste de cluster cu reglaj electric. Datele acestor metode vor fi prezentate indicând nivelul de reducere a accesului disponibil pentru diverse tehnici pentru menținerea unei bune acoperiri de testare.

2.3 Provocările privind accesul limitat al ICT-ului

Exceptând doar problemele privind lipsa librăriilor digitale, ICT a fost și rămâne de succes în cazul în care costurile, complexitatea, volumul și calitatea justifică cheltuiala de capital al unui sistem ICT iar consecințele pot fi semnificative. Există un potențial de pierdere imediată a suprafeței de acoperire a testării și astfel este redus și accesul. Rata de pierdere de acoperire variază în funcție de metoda de testare. Dar, în general, metoda de testare ICT poate pierde acoperirea mai repede decât să piardă accesul.[5]

Figura 2.4 Accesul respectiv acoperirea ICT-ului digital [5]

Spre exemplu, o placă cu acces de 90% ar putea avea mai puțin de 90% rata de acoperirii de testare ICT folosind metodele de testare tradiționale chiar dacă și cel mai bune proceduri DFT(Design For Test) pentru selecția accesului au fost fost urmate. Dacă practicile DFT nu sunt urmate, chiar și o ușoară pierdere a accesului în punctele critice, cum ar fi oscilatoarele pot avea ca rezultat pierderi mari a acoperirii.

Figura 2.5Accesul respectiv acoperirea tehncilor de tip vector de test [5]

De reținut, în comparație, tehnicile de tip vector de test sunt mult mai liniare în pierderea acoperirii, de aceea tehnicile vector de test pot adăuga valori ca metodă de a menține o acoperire parțială, atunci când circuitele integrate digitale au o pierdere semnificativă a accesului.

Figura 2.6 Accesul respectiv acoperirea ICT-ului analog [5]

În figura de mai sus se poate observa că ICT-ul de tip analog tinde să-și piardă acoperirea linear cu pierderea accesului, prin asumarea unor bune decizii DFT. Cu toate acestea, pierderea de acoperire este mai rapidă decât pierderea accesului.

Pentru a răspunde probocăriilor, noi echipamente de testare și tehnici a accesului limitat al PCB-urilor au fost dezvoltate, acestea combinate cu un bun DFT păstrează valoarea ICT-ului și menține o bună acoperire a testării.

ICCT (Analog In-Circuit Cluster Test) este o tehnologie recent introdusă de testare în circuit. Este o tehnologie de testare nealimentată care testează grupuri de componente analogice pasive care vizează acele grupuri de noduri cu acces limitat. Acesta oferă o acoperire de testare pentru componentele scurtcircuitate și lipsă precum și evaluarea valorii componentei prin urmare identificarea componentelor greșite și alte defecte de fabricație.[5]

Figura 2.7 Accesul respectiv acoperirea ICCT-ului [5]

ICCT oferă o amplă analiză de diagnosticare și informațiile referitoare la repararea automată la fel ca și la un ICT normal. Defectele rezultate sunt furnizate cu ajutorul unui mesaj care raportează componenta defectă și valoarea acesteia. Accesul pe noduri este între 50% și 80% și este suficient pentru a atinge o acoperire de aproape 100% .

Numeroasele avantaje ale ICT-ului au fost contestate din cauza apariției accesului electric scăzut. Există însă un număr mare de tehnici de testare care mențin avantajele ICT, inclusiv de dezvoltare a testului cât și automatizarea la nivel de componentă într-un mediu de testare a plăcii cu acces limitat. Iar cu ajutorul tehnici DFT se optimizează accesul la schema plăcii pentru a maximiza rata de acoperire.

CAPITOLUL III

Metode de testare în circuit a componentelor

Pe parcursul acestui capitol se vor prezenta principalele metode de testare în circuit a componentelor din punct de vedere al noțiunilor de bază, al principalelor avantaje și dezavantaje, al tipurilor de echipamente pentru fiecare metodă (descriere, acoperire, performante, timpi de testare).

Principalele metode de testare în circuit a componentelor sunt:

3.1Multimetrul

Multimetrul este un instrument foarte util pentru diagnosticarea problemelor cu sisteme electrice. Acesta este foarte simplu de utilizat, una dintre utilizările de bază ale unui multimetru fiind pentru verificarea continuității sondelor de test.

In general, se verifica existenta unei legături electrice între două puncte, caz in care este necesar ca înainte de testarea unei conexiuni electrice să se parcurgă următorii pași:

în primul rând se verifica daca multimetrul este funcțional, prin atingerea celor două sonde împreună pană se aude un sunet scurt.

se verifica daca aparatul sau sistemul pe care dorim să-l testăm este oprit. Dacă există tensiune în circuit nu se vor obține citiri precise

Apoi, pentru testarea continuității este nevoie să parcurgem următorii pași, în ordine:

se setează multimetrul pe modul corect

se atinge cu una dintre sonde unul dintre punctele care se verifică

se atinge cu cealaltă sondă celălalt punct de verificare

dacă se aude un sunet scurt, înseamnă că există legătură electrică între cele două puncte

dacă nu există o conexiune electrică nu se va auzi semnalul sonor, iar afișajul va arăta valoarea 0.

Testarea continuității poate ajuta de asemenea la verificarea conexiunilor dintre componentele lipite pe placa electronică, pentru a verifica dacă acestea au fost corect lipite. De obicei această problemă nu poate fi detectată vizual, ci doar folosind un multimetru, care permite analiza rapida și eficienta in vederea detectării unei legături solide sau ineficiente.

O altă utilizare de bază pentru testarea continuității consta in verificarea existentei unor eventuale scurtcircuite. In acest sens se poate utiliza multimetrul pentru a confirma sau infirma existenta unei conexiuni electrice intre două puncte, respectiv existenta sau absenta unui scurtcircuit.

Multimetrele pot să fie analogice sau digitale, ele având un selector rotativ și butoane pentru selectarea funcției și intervalului corespunzător. Unele multimetre digitale sunt automate, caz in care se pot selecta automat domeniile corecte de tensiune, de curent sau intervalele de rezistenta, pentru un anumit un test. Înainte de a face orice măsurătoare trebuie să se cunoască exact tipul mărimii care urmează a fi măsurata. Dacă se măsoară tensiunea se selectează intervalul AC (10V, 50V, 250V sau 1000V) sau intervalul DC (0.5V, 2.5V, 10V, 50V, 250V sau 1000V). Dacă se măsoară rezistența se selectează intervalul Ohmi (x1, x10, x100, x1k, x10k). Dacă se măsoară curentul se selectează intervalul actual cel mai apropiat DCmA 0.5mA, 50mA, 500mA.[6]

Figura 3.1 Multimetrul digital[6]

La măsurarea tensiunii, înainte de a citi valoarea dorita trebuie selectată gama cea mai larga și în cazul în care afișajul nu arată nici o valoare, atunci trebuie selectat un interval inferior. În cazul în care contorul nu este de tip automat, el trebuie inițial selectat, ținându-se cont de tipul tensiunii analizata (dacă este de la o sursă de curent continuu sau de la o sursă de curent alternativ). Intr-un circuit se poate măsura tensiunea dint-un punct prin conectarea uneia dintre sonde la punctul de referință de 0V (ground). De asemenea, se poate măsura tensiunea la bornele unei componente (tranzistor, rezistor, condensator, diodă sau bobină), prin plasarea celor doua sonde disponibile la bornele dispozitivului. Cu alte cuvinte, valoarea tensiunii este luată în considerare in paralel cu componenta. În cele mai multe cazuri, această tensiune va fi mai mică decât tensiunea de alimentare.[6]

Un exemplu care arată mai elocvent pentru măsurarea tensiunii:

Figura 3.2 Măsurarea tensiunii folosind multimetrul[6]

Circuitul din figura 4.2 este format din doua rezistențe de 1mΩ, legate în serie. Tensiunea din punctul de conexiune aflat intre cei doi rezistori este de 5V, in cazul in care nu este făcută nici o alta legătura in punctul respectiv. Dacă se folosește un multimetru analogic la 10V, rezistenta măsurată va fi de aproximativ 100kΩ. Dacă acest multimetru este utilizat pentru testarea circuitului următor, valorile vor fi incorecte. Valoarea trebuie să fie de 5V după cum arată în diagrama A, dar multimetrul analogic are o rezistență internă de 100kΩ și creează circuitul prezentat în diagrama C. Partea de sus de 1M și 100k creează o rezistență în paralel de 90k. Acesta formează un circuit serie cu partea inferioară de 1M și multimetrul va citi o valoare mai mică de 1V.

Pentru măsurarea curentului, cele mai multe multimetre au game de curent DC, cum ar fi 0.5mA, 50mA, 500mA și 10A, iar unele multimetre au și game AC. Dacă se cunoaște valoarea curentului pentru care a fost proiectata schema analizata, o valoare mai mare sau mai mica a curentului dovedește faptul ca circuitul este supraîncărcat sau nu este pe deplin funcțional. Cel mai simplu mod de a măsura curentul este de a elimina siguranța și de a determina corect valoarea lui sau se poate elimina capătul unei componente și se măsoară cu două sonde în “deschidere”.[6]

Figura 3.3 Măsurarea curentului utilizând multimetrul[6]

Rezistoarele se pot lipi cel mai simplu, dar pentru a se determina valoarea curentului prin ele este necesar sa fie „tăiate” in vederea obținerii unei „deschideri”.

În figura 4.3 de mai sus este prezentat modul în care trebuie conectate sondele pentru a se măsura valorile curentului printr-un rezistor (nu se măsoară curentul pe o componentă fiindcă se poate crea un scurtcircuit).

Cu ajutorul multimetrului se poate măsura și rezistența electrică între două puncte de circuit. Valoarea unei rezistențe este înscrisă pe corpul acesteia, fie în valoare numerică, fie utilizând codul culorilor. Pe lângă valoare se trece și toleranța corespunzătoare, adică abaterea maximă a valorii reale a rezistenței față de valoarea ei nominală.

Figura 3.4 Măsurarea rezistenței electrice[6]

Măsurarea rezistențelor electrice se face doar în absența tensiunii de alimentare a circuitului sau pe componente separate de circuit. Măsurarea rezistenței amplasata în circuit poate determina citirea de valori eronate, datorită buclelor electrice din circuit.

3.2 Testarea ICT – In circuit test

Testarea în circuit (ICT) este o metodă standard pentru producătorii de plăci electronice. Cu ajutorul acestei metode, producătorul poate stabili calitatea produsului. Pentru un număr mare de plăci electronice PCB-uri testarea în circuit se poate efectua pe eșantioane, analiza făcându-se pe baza statisticii existente. Cu ajutorul acestei metode se poate testa fiecare componentă de pe placă. Informația de defect se poate realiza la nivel de pin de componentă pentru remedierea ușoară a defectului.

Această metodă este recomandată pentru majoritatea producătorilor de echipamente electronice, pe lângă posibilitatea de testare în cazul acestei metode de testare putându-se introduce si posibilitatea de alcătuire a unui soft necesar pentru urmărirea funcționarii echipamentului electronic. Această metodă de testare a componentelor a fost adoptată și de către secțiile de dezvoltare de produse si placi electronice, unde numărul produselor de testat este mai scăzut. Principalul avantaj este dat de gradul ridicat de reutilizare, pentru fiecare produs fiind necesar doar un singur pat de cuie.

3.2.1 Avantaje și dezavantaje ale ICT

Avantaje:

Posibilitate de testare a unui număr mare de PCB-uri, acest număr depinzând de fiecare producător în parte

Testarea este una foarte rapidă, având acces la nodurile circuitului electronic

Identificarea defectului într-un timp rapid, pe baza algoritmului prestabilit

Timpul de funcționare 24/7

Elimină erorile datorate operatorului uman, cele aleatoare și grosolane

Costurile sunt reduse pentru perioade lungi de testare

Posibilitate de reutilizare a sistemului în cadrul mai multor proiecte

Dezavantaje:

Datorită faptului că accesul la nodurile electronice se face cu ajutorul sondelor de testare, patul de cuie trebuie schimbat atunci când accesul la un nod de testare (pad) este modificat.

Limitarea performanțelor la nivelul echipamentelor componente

Costul inițial ridicat

Experiența operatorului / dezvoltatorului este un criteriu important

Echipamentele ICT oferă o formă utilă și eficientă PCB-urilor, prin măsurarea fiecărei componente din punct de vedere al valorii acesteia. Majoritatea defectelor de pe plăci derivă din procesul de fabricație și de obicei constă în scurtcircuite, componente greșit amplasate din punct de vedere al polarității, această metodă de testare identifică cele mai multe din defectele care apar pe plăcile electronice. Acestea pot fi verificare cu ușurință folosind simple măsurători de rezistențe, capacități, și uneori inductanța între două puncte de pe placa de circuit. Chiar și atunci când un IC este defect, una dintre cauze fiind deteriorarea lui, iar acest lucru se manifestă în zonele din apropierea conexiunilor IC-urilor. Defectele de acest fel pot fi detectate relativ ușor folosind tehnici de testare în circuit. Unele testere în circuit sunt capabile să verifice anumite zone din structura unor circuite integrate, în acest fel oferindu-se un grad mare de încredere în construirea și probabilitatea de funcționare a plăcilor electronice.[3]

În continuare se prezintă schema generală a unui test în circuit de la UUT (Unit Under Test), prin fixture și receiver, la pini de pe placă, instrumentele de testare (atât analogice și digitale), la calculator (PC) care controlează întreg procesul de testare.

Figura 3.5 Schema de ansamblu a unui tester ICT[1]

Placa electronică este legata într-un pat de cuie printr-un vacuum sau un fixture pneumatic. Acest lucru permite cuielor fixture-lui să intre în contact cu nodurile circuitului de pe placa electronică.

Sondele de prindere de pe dispozitivul de fixare sunt conectate la pinii receptorului care se atașează la o serie de conectori de pe receptor. Celălalt capăt al conectorilor receptorului sunt conectați la pinii plăcii, ei sunt utilizați pentru orientarea semnalelor folosite la testarea instrumentelor analogice și digitale, prin diferite puncte plasate de-a lungul părții din spate a panoului. Sursele de alimentare ale plăcii se conectează la un set de capacități de valori mari la pinii receptorului, în vederea pornirii plăcii pentru teste digitale și teste funcționale analogice. PC-ul controlează întreaga operațiune de testare prin intermediul programului software.[1]

În continuare se detaliază aceste componente:

Pentru a accesa nodurile de circuit electric de pe PCB, testerul utilizează un adaptor special numit și ‘pat de pini’. Pinii sunt de obicei elastici și au rolul de realizare a contactului dintre trasee și nodurile componentelor de pe PCB. Pinii sunt montați într-un soclu și conectați la tester prin fire. Pentru fiecare PCB se folosește un adaptor propriu care conține sute de pini de test, astfel poziționați în adaptor, încât să vină în contact cu nodurile de circuit de pe PCB-ul testat. De amintit este faptul că înaintea fazei efective de test, PCB-ul este plasat pe fixture cu partea frontală cu componente și apoi este activat vacuum-ul.

Un fixture conține pini care sunt acționați din exterior și o structură de fire de legătură în interior. Acești pini vin în contact cu nodurile circuitului de pe placa de testare, iar firele din interior asigură conexiunea dintre pinii de pe placa electronică și interfața mașinii de testare.

Înainte de a începe un test este necesar să se efectueze următoarele operațiuni:

Operatorul pune placa electronică în fixture. Pinii de aliniere de pe fixture se poziționează astfel încât fiecare nod de circuit este aliniat corespunzător peste un pin de testare.

aflate sub controlul unui program software, testerului se aplică un vacuum pe fixture, care trage în jos placa în pinii de testare cu resort. În acest moment pini de testare sunt în contact cu nodurile plăcii de testat.

Pe partea de jos a pinilor fixture-lui există fire de sârmă înfășurate la pinii de pe interfața plăcii. Când dispozitivul de fixare este tras în jos, acești pini se împerechează cu pini corespunzători din receptor.

Pinii fixture-lui care intră în contact cu placa sunt numiți pini de fixare. Pinii de pe partea pe care se conectează instrumentele de testare la placa electronică sunt numiți pinii receptorului. Există o multitudine de tipuri de testare a pinilor, precum și diferite tipuri complexe de pini utilizați pentru accesarea plăci electronice. Accesul cu ajutorul pinilor de test se realizează numai în cazul în care layout-ul plăcii electronice are în componență pad-uri de testare special adăugate încă din faza de design.

Pinii diferă prin formă, aceștia permițând asigurarea unui contact corect cu nodurile circuitului. Ei pot fi în formă de con, încununat, zimțată, ascuțiți, cu cap tip coroana, și de dimensiuni 100 mm, 75 mm, 50 mm. Tipul de pini utilizat depinde de starea și de tipul nodului. De exemplu, pini cu vârfuri ascuțite pot penetra oxizi și impurități. Alte tipuri de pini sunt făcute pentru a fi introduse prin orificiile placate.[1]

Figura 3.6 Tipuri de pini utilizați de fixture [1]

Dual-well fixtures- au două paturi de cuie separate care sunt controlate independent unul față de celălalt. În timp ce una din plăci a trecut testul, o altă placă se poate afla în curs de pregătire pentru test. Prin urmare dual-well fixtures pot fi folosiți pentru accelerarea procesului de testare într-un mediu de testare de mare volum.

Wireless fixtures – elimină cablajele prin utilizarea unui PCB pentru a se conecta pini receptorului la o sondă a fixture-lui. Fixarea fără fir poate fi utilă pentru:

Îmbunătățirea fiabilității și integritatea semnalului

Reducerea de volum și dimensiune

Scăderea costurilor pentru fixture multiple de același tip

Figura 3.7Wireless fixture [1]

Short-wire Fixtures – urmărește eliminarea dezavantajelor metodei long-wire păstrând în același timp avantajele abordării wireless.

Figura 3.8 Short-wire fixture [1]

Avantaje:

Integritatea semnalului este mai mare decât in cazul fixture-lor long-wire.

Sunt ușoare și simplu de manevrat.

Costurile inițiale sunt mai ridicate dar ulterior cu dezvoltarea designului fixture-lui sunt mai ieftine.

Limitări:

Chiar dacă există plăci de ghidare, pot exista unele sarcini laterale pe interfața pinilor, pentru a face contact cu PCB-ul

Având un număr de noduri și plăci prototip scăzut, fixture-le de tipul short-wire devin foarte scumpe din cauza PCB-urilor adiționale și a plăcilor de ghidare de mare precizie, care sunt necesare.

Long-wire fixtures – Aceste fixture sunt utilizate și acceptate pe scară largă. Sunt utilizate pentru a stabili contacte între interfața “cuielor” (care face contact cu receptorul testerului) și „patul de cuie”, care vine în contact cu punctele de testare de pe placă, cablurile fiind realizate manual sau semi-automat.

Figura 3.9 Long-wire fixture [1]

Avantaje:

În timp au fost testate fixture conținând un număr mare de noduri, de aproximativ 5000-7000.

Integritatea mai mare a semnalului și diafonia scăzută pot fi obținute prin utilizarea de perechi de cabluri torsadate (cu un fir în fiecare pereche conectat la masă).

În cazul unui număr scăzut de noduri (500-1000) sau când testarea în circuit se realizează pe plăci prototip (în cazul în care design-ul plăcii este supus unor modificări), acest tip de fixture funcționează mai economic, deoarece costurile cablurilor și verificarea fixture-lui sunt mai mici.

Aceste fixture sunt mai mari și mai încăpătoare:

există mai mult spațiu pentru a plasa mecanisme de acționare.

sondele pot fi mai mari, ceea ce facilitează înfășurarea firului.

Remontarea pe scară largă poate fi încorporată cu costuri mici, mai ales în ceea ce privește reducerea numărului de pini mici și mijlocii.

Cablurile pot fi urmărite și verificate vizual.

Limitări:

Duplicarea nu se va efectua întotdeauna în mod identic.

Mutarea firelor în interiorul fixture-lui poate cauza numeroase probleme: poate fi dificil de controlat gradul de diafonie și de cuplare între semnale, acest lucru putând determina instabilitatea testelor în circuit.

Terminațiile fir-înfășurare ale sondelor se pot deteriora și astfel pot apărea scurtcircuite.

Greutatea fixture-lui crește odată cu creșterea numărului de noduri. [1]

Elementul următor este receptorul, respectiv interfața fizică dintre tester și adaptor.

Figura 3.10 Interfața receptorului [1]

Interfața receptorului conține următoarele elemente majore:

Un port vacuum pentru poziționa placa pe fixture.

Pinii conectorilor aflați în poziția 0 sunt folosiți pentru conectarea testerului la sursa de alimentare.

Conectorii utilizați pentru a interfața pinii plăcii (care se conectează la tester).

Localizarea pinilor care se încadrează în amplasarea găurilor în fixture, prin asigurarea ca dispozitivul de fixare și receptorul sunt corect aliniate.

Un stivuitor de fixare pentru a face sau pentru a sparge conexiunea mecanică dintre fixture și receptorul testerului.

O garnitură pentru prevenirea scurgerilor de vacuum.

Următorul element al testerului este PC-ul. Acesta controlează funcționarea de ansamblu a testerului respectiv controlează toate funcțiile prin sistemul său de rulare.

PC-ul rulează programul de testare și controlează hardware-ul testerului, așa cum sunt programate în secvențele de testare:

Conține software-ul necesar pentru dezvoltarea în mod automat a programelor de testare.

Permite accesul ușor la fișiere și la gestionarea sistemului.

Oferă securitate prin setarea unui nume de utilizator și a unei parole pentru autentificare.

În plus, PC-ul poate fi utilizat pentru alte sarcini generale, cum ar fi:

Colectarea datelor statistice, de exemplu date privind procese de calitate și reparații.

Rularea unor aplicații Windows.

Crearea de rețele cu alte sisteme. [1]

3.2.2 Tipuri de echipamente ICT

În continuare se prezintă câțiva dintre furnizorii omologați și recunoscuți ai acestor echipamente și câteva dintre produsele acestora. Fiind greu de ierarhizat, principalii furnizori sunt: GenRad, Teradyne, Rohde & Schwartz, SPEA, Tescon, Yelo, Agilent etc.

În general, de menționat este faptul că numărul furnizorilor de echipamente de testare este de 3 ori mai mare decât cel al echipamentelor SMT. Tehnologia SMT, în principiu, se axează pe un nivel mare de productivitate și pe asigurarea unei calități ale procesului pe parcursul tuturor fazelor de plantare. Însă cu toate acestea, rămân riscuri mari în derularea echipării unui PCB.

În ceea ce privește calitatea componentelor, dacă di punct de vedere geometric o eroare este observată înainte de plantare, componenta este respinsă. În acest caz doar posibilitatea verificării valorice a componentei și a garanției furnizorului de componente. Un risc minor îl reprezintă eventuala neatenție a operatorului care poate încărca greșit pe alimentatorul componentei. Astfel, lipsa unui tester în circuit poate deveni dramatică. De exemplu, nesesizarea la timp a unei erori în cazul unei role cu 5000 de componente devine o problemă gravă. Testerele în circuit oferă informații referitor la validitatea ansamblului PCB – componentă.

3.2.3 Capabilitățile echipamentelor ICT

În continuare se prezintă câțiva dintre furnizorii de testere în-circuit:

GenRad – este un mare fabricant de echipamente de test cu reprezentanțe în toată lumea. GenRad produce următoarele echipamente de testare:

Echipamente de testare a circuitelor imprimate neechipate (bare board test)

GENEVA R – sistem de test și măsurare (pentru testarea funcțională).

Figura 3.11 Tester GENEVA R [7]

GR 2280i/ GR2281i – testere pentru producție, care se introduc în componența liniilor de producție.

Figura 3.12 Tester GenRad pentru producție [7]

Specificațiile tehnice ale acestor testere sunt următoarele:

890 puncte de test accesibile din ambele direcții.

Computer: Pentium PC, monitor color.

Matrix-ul măsurătorilor: 8 linii pe n pini.

2 surse configurate în curent sau tensiune: sursă DC, 0 la 18V; sursă DC, 0 la ±500mA; voltmetru DC, 0 la ±200V; ampermetru DC, 0 la ±160mA;

1408 pini extensie;

GR Vision – sistem optic pentru inspecția cu cameră de luat vederi.

GR Pilot – sistem de test al cablajelor neechipate, conceput pentru testarea continuității circuitelor fără adaptorul mecanic de test. Acest sistem utilizează 4 capete de test, independente, și are următoarele specificații:

10 mișcări/sec pentru fiecare cap de test;

Rezoluția de poziționare 5µm pe axele x,y.

Repetabilitatea poziției: ±5µm.

Dimensiunea minimă de contact 7mils.

Distanța minimă între punctele de test: 16mils.

Aria de testare: 400 x 600nm.[7]

Teradyne – acest tip de tester folosește următoarele echipamente de testare:

Teradyne Flying Probe – tester utilizat pentru producția de volum mic și de prototip. Acest tester funcționează fără adaptor la “patul de cuie” și fără “pat de pini” ceea ce reduce timpul de testare și costurile.

Interscan 5500 – tester care efectuează inspecție optică automată.

Z 1800 – seria VXI – este o platformă de integrare a testului în-circuit și funcțional.

Testerele ICT Teradyne oferă o infrastructură minimă, o foarte bună fiabilitate, cost redus, ușor de implementat. Oferă o mare acoperire a defectelor, timp scurt de programare scurt pentru dispozitive complexe, și o bună adaptabilitate necesară pentru a satisface rigorile mediilor moderne de producție.

Figura 3.13 Tester ICT Teradyne [8]

Agilent Medalist i3070 – acest echipament de testare combină toate caracteristicile unui echipament Agilent Medalist 3070 cu o arhitectură avansată și un grad de utilizare simplificat.

Are o interfață interactivă, depanare automată și instrumente optimizate și o serie de alte caracteristici pentru accelerarea fiecărui aspect de programare, testare și implementare.

Este ușor de utilizat prin faptul că elimină nevoia de a tasta comenzi în timpul procesului de testare.

Poate fi optimizat prin reducerea timpului de testare de la 50% la 10% pe test. Permite actualizarea programelor care au fost modificate pe parcursul producției, permițând rularea unor teste mai rapide și mai sigure.

Programul de testare a fost îmbunătățit, în cazul rezistențelor și condensatoarelor selectarea firelor și selectarea opțiunilor de testare au fost îmbunătățite astfel încât să se reducă timpii de testare cu până la 20%. [8]

Figura 3.14 Specificațiile echipamentului Agilent Medalist i3070 [9]

Figura 3.15 Capabilitățile analogice ale echipamentului Agilent Medalist i3070 [9]

3.3 FPT – Flying Probe Tester

Testerul de tip Flying Probe este un echipament de testare automat, care este în uz încă din anul 1986, când au fost introduse primele echipamente de acest tip. Ele oferă multe avantaje față de alte echipamente de testare automată pentru anumite aplicații. Drept urmare, testerele Flying Probe sunt utilizate pe scară largă într-o varietate de domenii ale industriei de producție a plăcilor electronice.

Inițial, acest tip de test a fost introdus pentru a acoperi plăci prototip și zone de producție de cantități mici. În prezent, deși utilizarea acestui tip de test s-a extins și cu toate că nu se folosește pentru producție de mare volum, este utilizat în multe domenii.

Conceptul de Flying Probe nu mai folosește un fixture care să cuprindă ansamblul PCB-ului și să acceseze nodurile necesare printr-un câmp de pini, ci utilizează un suport și una sau mai multe sonde care se mișcă pe placă, prin accesarea nodurilor individuale sub controlul unui program software. Ca urmare, este capabil să reducă numărul de programe de testare necesare și de asemenea permite introducerea mai ușoară a unor modificări, cum ar fi poziția unor componente sau pad-uri în softul programului de testare.

Figura 3.16 Plasarea probelor FPT [10]

Testerul Flying Probe(FPT) este o formă de testare în circuit, ICT. La început, FPT era în măsură să ofere informații despre caracteristici de bază și au fost mai asemănătoare cu MDA(Manufacturing Defect Analysers), care puteau să testeze scurtcircuite și deschideri, precum și să verifice pe componente, cum ar fi diode sau joncțiunile tranzistorilor. Progresele realizate în tehnologie au dus și la îmbunătățirea facilităților cu privire la performanțe și la timpul de testare al plăcii electronice.[12]

Un avantaj al FPT este acela că sondele pot fi plasate foarte precis, acest lucru permițând plasarea pe pad-uri mici sau pe conexiunile componentelor la un nivel ridicat de precizie. Unii producători susțin că sistemele lor pot testa pini de pe IC-uri, inclusiv PLCC, SOIC, PGA, SSOP, QFP, precizia de plasare a sondei fiind suficient de mare.[13]

3.3.1 Avantajele și dezavantajele ale FPT

Ca orice echipament, FPT are avantajele și dezavantajele sale. Acest lucru demonstrează că este ideal pentru utilizarea în unele aplicații, iar în unele nu. Ca urmare a faptului că FPT este un echipament ICT, performanțele lui sunt comparate cu cele ale altor echipamente de testare ICT.

Principalele avantaje ale FPT sunt:

Nu necesită fixture – având în vedere că sondele se deplasează sub controlul unui software pentru a lua contact cu nodurile necesare testării, câmpul de pini ai fixture-lui nu este necesar. Este necesar doar un simplu mecanism care sa țină placa în loc.

Se pot face modificări cu ușurință – deoarece sondele se deplasează sub controlul unui soft, orice modificare a pozițiilor sau componentelor de pe plăcuțe se poate face prin simpla modificare a softului. Nu este necesar să se facă modificări mecanice, ca și în cazul fixture-lor.

Timpul de dezvoltare a testelor este redus – softul pentru FPT poate fi dezvoltat relativ rapid cu ajutorul fișierelor de proiectare ale PCB-ului. Avantajul constă în faptul că nu este necesară o modificare mecanică.

Avantajele FPT demonstrează că acest echipament de testare este ideal pentru multe aplicații. Cu toate acestea, dezavantajele trebuie luate și ele în considerare.

Principalele dezavantaje ale FPT sunt:

Viteza de operare este lentă – dacă ar fi să comparăm cu alte echipamente de testare automate, cum ar fi ICT, FPT este mul mai lent deoarece sondele trebuie să se deplaseze fizic în fiecare poziție, în timp ce pentru ICT toate conexiunile sunt la locul lor în fixture.

Este posibil ca nu întotdeauna să realizeze teste complicate – dacă se folosesc echipamente FPT mai vechi este posibil să nu testeze componentele pasive sau diodele. Pentru a atinge niveluri mai ridicate de tehnologii de detectare a defectelor cum ar fi Boundary Scan, utilizarea unor memorii integrate permite realizarea unor teste mai complicare. De aceea, este necesar să se verifice performanța individuală a FPT pentru a fi siguri că poate îndeplini cerințele impuse.

Dacă se pun în balanță avantajele și dezavantajele FPT-ului, se constată că FPT este ideal pentru aplicații prototip și pentru zonele de producție unde se efectuează operațiuni de volum mic. Având în vedere timpul de testare, nu este potrivit pentru producție de volum mare, unde este utilizat doar pentru simple teste. Echipamentele FPT sunt în prezent utilizate pe scară largă în întreaga industrie de fabricație a plăcilor electronice. Acestea sunt mult mai ieftine și au o formă mai flexibilă de testare în circuit.[13]

3.3.2 Tipuri de echipamente FPT

Fiind un echipament de testare cu o largă utilizare, pe piață există o serie de producători de FPT printre care: Takaya, Spea, TRI, Tescon, etc. Dintre toți acești furnizorii menționați, Takaya este cel mai folosit echipament FPT cu o acoperire de peste 60% din piața mondială de aparatură de acest tip.

3.3.3 Capabilitățile echipamentului Takaya Flying Probe APT-9411CE

Încă din anul 1987 firma japoneză Takaya a început activitatea de proiectare a conceptului de sistem de testare cu probe mobile, practic realizând o combinație între tehnicile de testare avansate și sistemele mecanice de mare precizie. Astfel, de atunci Takaya a devin lider pe piața de sisteme de testare cu probe mobile. Datorită dezvoltării plăcilor electronice, accesul la nodurile electrice este dificil, existând doar posibilitatea unei testări pe vias-uri sau pe pad-uri SMT, acest lucru face ca testul de tipul Flying Probe să devină o soluție de testare viabilă.

Figura 3.17 Takaya Flying Probe APT-9411CE [11]

Datorită dezvoltării densității plăcilor electronice, accesul la nodurile electrice a devenit foarte dificil. Din acest motiv, singura soluție viabilă pentru testarea vias-urilor sau pad-urilor este aceea de folosire a testerului FPT.

Principiul de măsurare:

Se utilizează 4-6 probe independente, de viteză mare, care se deplasează în același timp pe axele x, y și z. Se pot efectua 300 de pași de test/ minut, iar viteza în cazul în care punctele de test sunt plasate la distanța de 2.5mm este de 1200 pași de test/minut. Fixarea PCB-ului se face cu ajutorul unui conveier reglabil.

Accesul la PCB se face de pe partea de sus (top) cu ajutorul a 4 probe mobile, însă există și posibilitatea de accesare de pe partea de jos (bottom), prin folosirea a 2 probe. Acest lucru reduce semnificativ timpii de testare.

Aceste probe funcționează cu ajutorul unor servomotoare de precizie înaltă, au mecanism de atenuare împotriva vibrațiilor la atingerea PCB-ului. Înainte de a atinge PCB-ul mișcarea probei este redusă pentru asigurarea fără stres a contactului. Baza sistemului de axe este asamblată pe un soclu de granit care asigură o bună stabilitate la vibrații.

Acest sistem de axe este foarte stabil.[12]

Figura 3.18 Măsurători analogice premise echipamentului Takaya Flying Probe APT-9411CE [12]

Cu ajutorul acestui tester se pot realiza o serie de măsurători analogice asupra unor componente și anume: rezistori, bobine, condensatori, diode, diode Zenner, optocuploare, tranzistori. Totodată se pot măsura tensiuni, curenți, atât în curent continuu, cât și alternativ.

Testerul FPT are încorporat un sistem optic de performanțe înalte, pentru asigurarea unei bune testări optice a componentelor care determină prezența sau absența, polaritatea, rotația. Cu această cameră se pot citi automat codurile de bare 2D. Însă există și posibilitatea de a folosi a 2-a cameră pentru vizualizarea componentelor mari, cu o singură captură de imagine.

Privind testarea IC-urilor, IC Open este metoda prin care se pot identifica pinii care nu fac contact (nu sunt lipiți) prin analiza diodelor interne, care au rol de protecție ai pinilor VCC sau GND. O altă metodă de testare a IC-urilor constă în aplicarea unui semnal AC, cu o frecvență variabilă, pe unul din pinii IC-ului și măsurarea semnalului cu ajutorul unei probe care se poziționează deasupra pinului care este testat. Dacă acest semnal, care este aplicat, este mai mic decât cel măsurat pe PCB, există o întrerupere, însă dacă este mai mare decât un nivel dat, apare scurtcircuit între 2 pini.

De reținut este faptul că FPT necesită doar o alimentare la 220V, este foarte silențios, ocupă un spațiu mic în linia de producție și nu utilizează vacuum sau aer.

În concluzie, putem afirma faptul că sistemul de testare Flying Probe(FPT) este un echipament care îmbină într-un mod eficient metodele de testare necesare pe durata procesului de producție a plăcilor electronice populate.[12]

Figura 3.19 Specificații Takaya Flying Probe APT-9411CE [11]

3.4 MDA – Manufacturing Defect Analyzer

Sistemul de analiză a defectelor de fabricație este un instrument care utilizează tehnici de testare în circuit pentru a permite detectarea defectelor de fabricație pe o placă electronică. După cum sugerează și numele, MDA are scopul de a oferi un simplu test al PCB-ului pentru a identifica defecte de fabricație. Deoarece majoritatea defectelor de fabricație sunt simple probleme de conexiune, MDA este limitat la efectuarea măsurătorilor de continuitate. Acest lucru reduce semnificativ costul acesteia.

Acest sistem MDA utilizează un „pat de cuie” pentru a accesa nodurile ce trebuie testate, această testare realizându-se pasiv adică nealimentat. MDA permite verificarea nodurilor, măsurarea impedanțelor, astfel validându-se nodurile care corespund parametrilor prestabiliți.

Comparativ cu alte sisteme de testare în circuit, timpul de programare este mai mic, nu necesită experiență deosebită și nu are sintaxă de programare. În ceea ce privește accesoriile, nu sunt restricții referitor la lungimea firelor, nu necesită depanare sau accesorii.

3.4.1 Avantajele și dezavantajele ale MDA

Și acest tip de echipament de testare are avantajele și dezavantajele sale, ca și orice sistem de testare în circuit. Acestea trebuie să fie luate în vedere atunci când se alege tipul de tester și tehnologie de testare care trebuie utilizată. Este o metodă relativ rapidă însă incompletă, prin faptul că nu poate identifica componentele defecte. La nivel de performanțe, permite identificarea a 80% din defectele ce apar pe parcursul procesului de producție.

Unele dintre avantajele acestui tip de tester sunt următoarele:

Aparatura este mult mai puțin costisitoare decât a unui ICT complet.

Poate detecta deschideri sau scurtcircuite care constituie numărul major de defecte.

Detectează anumite valori în funcție de capabilitatea MDA-ului.

Măsoară caracteristici electrice dintre nodurile circuitului fără a fi nevoie de alimentare.

Principalele defecte ale echipamentelor MDA:

Nu activează PCB-ul în timpul testului.

Nu realizează teste de funcționare a componentelor active.

Necesită pentru fiecare tip de placă un pat de cuie special.

Nu efectuează testele funcționale de operare a plăcii.[3]

3.4.2 Tipuri de echipamente MDA

Există o serie de echipamente MDA pe piață însă nu cu o mare utilizare, dintre acestea putând fi amintite: Tri, Scorpion, Checksum, Agilent, Aeroflex.

3.4.3 Echipamentul CHECKSUM Manufacturing Defect Analysis

CheckSum este un echipament low-cost de testare în circuit pentru detectarea și izolarea defectelor în procesul de producție. Sistemele de testare CheckSum sunt utilizate atât pentru producție de mare volum, cât și pentru ceea de mic volum. Acestea asigură sisteme complete de testare în circuit pentru componentele SMT (surface mount technology), precum și pentru cele through-hole.

Figura 3.20 MDA Checksum [14]

În timpul procesului de testare, sistemul poate executa programul în întregime sau să fie configurat pentru o singură fază sau să se oprească în cazul apariției unor defecțiuni. În caz de oprire, testul poate continua, se poate anula sau se poate repeta. Odată ce un test este complet, operatorul poate imprima rapoarte complete sau cu defecțiuni. Rapoartele pot fi, de asemenea generate automat spre imprimare sau spre a fi stocate. Monitorul, tastatura, o tastatură externă și un comutator pot fi utilizate pentru controlul sistemului. Monitorul afișează starea și datele, tastatura poate controla toate operațiunile de sistem (dacă nu sunt parolate). Tastatura poate fi situată în apropierea fixture-lui, atunci când operatorul poate vedea dacă PCB-ul a trecut sau nu testul. Comutatorul cu pedală controlează operațiunile repetitive, cum ar fi începutul fiecărui test.

3.4.4 Capabilitățile echipamentul CHECKSUM Manufacturing Defect Analysis

Chiar dacă sistemele MDA CheckSum sunt mai puțin costisitoare în comparație cu alternativele, ele oferă capabilități de măsurare extrem de sofisticate. Se pot alege din mai multe tehnici de bază pentru obținerea celor mai bune rezultate de măsurare în circuit. Măsurătorile folosesc curent DC sau tensiune AC/DC.

Măsurarea curentului de bază se realizează prin aplicarea unui curent continuu constant prin componenta ce trebuie măsurată, apoi se măsoară căderea de tensiune rezultată. Pentru măsurarea curentului pe capacitate, sistemul măsoară creșterile caracteristicii tensiunii dezvoltate în timp pentru determinarea valorii capacității. Se poate aplica și tensiune continuă pe componenta de măsurat, apoi măsurându-se tensiunea efectivă de-a lungul componentei și curentul care trece prin ea.

Atunci când se fac măsurători complexe AC, sistemul aplică semnalul, apoi măsoară în fază și în cuadratură tensiunea și curentul. Dintre acestea, componentele capacitive, inductive și rezistive sunt determinate. Prin alegerea de frecvențe alternative, impedanța componentelor poate fi optimizată comparativ cu impedanțele paralele pentru rezultate bune de măsurare. În unele cazuri, polaritatea condensatorilor poate fi testată prin aplicarea unui curent DC limitat și măsurarea tensiunii pe condensator. O tensiune mai mică este dezvoltată atunci când condensatorul este instalat incorect. Pentru eliminarea efectelor pe traseul rezistentei interne la aparatul de probă și la firele fixture-lui, punctele de măsură pot fi sesizate din exterior, asigurând 4 fire Kelvin de măsurare la PCB. Acest lucru ajută la creșterea preciziei măsurătorilor.[15]

Pentru testarea tranzistorilor și FET, se fac măsurători asupra curentului între terminale. FET sunt purtătoare de tensiune, în timp tranzistori sunt purtători cu curent.

Diodele, LED-urile, diodele Zenner și joncțiunile tranzistorilor sunt testate prin aplicarea unui curent constant, apoi prin măsurarea tensiunii la bornele dispozitivului.

Prezența și orientarea IC-urilor este testată prin verificarea tensiunii joncțiunii semiconductoare din diodele de protecție, de obicei prezente între pinii IC și sursele de alimentare ale plăcii.

Deoarece cele mai multe defecte care apar în timpul producției sunt scurtcircuitele, MDA oferă posibilitatea de a efectua teste de continuitate pentru deschideri și scurtcircuite.

Bobina transformatorului poate fi testată cu ajutorul unor măsurători de rezistență și/sau inductanță. Echipamentele CheckSum MDA pot testa de asemenea polaritatea conexiunilor transformatorului pentru a se asigura că acestea sunt corecte.[15]

3.5 BS – Boundary Scan

Boundary Scan este o metodă de testare pentru interconexiuni pe PCB-uri sau sub-blocuri, în interiorul unui circuit integrat. Boundary Scan este utilizată pe scară largă ca și metodă de depanare, pentru a urmării starea pinilor circuitelor integrate, măsurarea tensiunii, sau analiza sub-blocurilor în interiorul unui circuit integrat. Ea oferă modalitatea de testare a interconexiuni(memorii); această operațiune presupune adăugarea a cel puțin o stație de testare, care este conectată la fiecare pin al dispozitivului.

Organizația care a dezvoltat această metodă de testare – la care au apelat toți producătorii de componente electronice se numește JTAG (Join Test Action Group). Această tehnologie a primit standardul(codul) IEEE1149.1-1990, în anul 1990. Actualmente aceasta este cunoscută ca și Boundary Scan sau JTAG.[16]

3.5.1 Principiul de funcționare Boundary Scan (JTAG)

Figura 3.21 Implementare Boundary Scan în cadrul IC-ului [17]

Arhitectura Boundary Scan conține un circuit integrat care are la pinii de intrare și de ieșire o celulă suplimentară de memorie de 0 sau 1 logic. Cu această celulă se poate accesa informația la nivel logic la unul din pinii de ieșire. Aceste celule sunt legate una de celelalte alcătuind un registru serial, ele pot să permuteze datele în mod secvențial, începând de la un pin de intrare TDI (Test data in). Acest pin de pe interfața JTAG este conexiunea în care este trecut fluxul de date de test. El primește date de intrare seriale ce conțin registrele de date de testare sau registrele cu instrucțiuni. Pinul TDI are o funcție internă pull-up.

Aceste date secvențiale se pot transmite sub forma unor date colectate serial, prin intermediul pinului standard dedicat numit TDO(Test data out). Acest pin în interfața JTAG furnizează date de la registrele Boundary Scan, adică datele de testare sunt mutate pe acest pin. El oferă date seriale provenite de la registrele ce conțin datele de testare sau de la registrele de instrucțiuni. Datele aplicare pinului TDI vor apărea la pinul TDO, dar pot fi deplasate cu un anumit număr de cicluri, în funcție de lungimea registrului intern, acest pin având o impedanță mare.[16]

Recepția respectiv transmisia datelor se face sincronizat prin pinul de clock TCK(Test Clock), utilizat pentru a asigura sincronizarea sistemului Boundary Scan. TCK este folosit pentru a încărca datele în modul de testare de la pinul TMS, iar datele de testare de la pinul TDI. Important este ca linia de clock să fie încheiată în mod corespunzător, pentru a preveni reflexiile care pot cauza o funcționare incorectă a interfeței JTAG.

În pinul TMS sunt controlate modalitățile de operare pentru testare, acesta comandând funcționarea logicii de testare, prin primirea datelor de intrare. Prin intermediul controleru-lui dedicat TAP (Test Acces Port controller) se controlează comportamentul celulelor și a logicii de lucru Boundary Scan.

Pinul TRST(Test Reset) este opțional, deoarece permite resetarea logicii de testare Boundary Scan în mod independent față de structura funcțională a circuitului integrat. Semnalul TRST este de obicei asincron.

Companiile care produc circuite integrate care utilizează această tehnologie furnizează gratuit descrierea funcționării Boundary Scan sub forma unui fișier .BSDL.

Figura 3.22 Boundary Scan conținând mai multe IC-uri [18]

În figura de mai sus sunt prezentate 4 IC-uri, pinul de ieșire TDO al IC1 este conectat la cel de intrare TDI al IC2, pinul TDO al IC2 se află conectat la pinul TDI al IC3, pinul TDI al lui IC4 conectat la TDO al IC3. Astfel se realizează o transmisie serială în lanț a informației de la TDI al IC1 la TDO al IC4. Pinii de clock sunt conectați în paralel cu toate IC-urile, pinii TMS la fel, iar pinii TDI, TDO, TCK, TMS ai plăcii electronice sunt conectați la computer prin intermediul interfeței standard care de astfel și rulează un soft Boundary Scan. Acest soft are rolul de a semnala prezența celor 4 IC-uri, testând și comparând informația prin pinul TDI al IC1 cu cea prin TDO al IC4 la o anumită frecvență prestabilită.[16]

Placa electronică se alimentează direct prin port USB sau separat, astfel putându-se efectua 4 operații esențiale: prin pinul TDI se încarcă informația printr-o permutare serială, de pe un pin se aplică un semnal, se capturează nivelul logic, iar apoi se recepționează valoarea prin intermediul pinului TDO.

Cu ajutorul acestor celule, care au rolul de vectori virtuali, se pot realiza anumite tipuri de teste:

Se verifică versiunea circuitelor integrate, a producătorului și a tipului acestora.

Se detectează scurtcircuite și întreruperile pentru IC-uri.

Se pot izola componentele prin punerea pinilor în stare de impedanță ridicată, fără utilizarea tehnologiei ICT clasice.

Se programează și se verifică datele

Se pot testa alte componente, care sunt conectare la pinii circuitelor cu Boundary Scan pentru a fi folosiți ca și pini virtuali.

Acest soft este realizat de firma XJTAG, care este specializată în teste de tip Boundary Scan. El rulează sub sistemul de operare Windows 2000/XP și este format din mai multe module:

XJTAG Runner – cu acest modul se pot vizualiza pe monitor pașii de test, iar mesajul de trece/defect este furnizat la nivel de componentă.

XJTAG Analyzer – modul de debug și de analiză, pentru recunoașterea tipului componentelor și vizualizarea funcționării tuturor pinilor ai PCB-urilor.

XJTAG Ease – modul pentru compilarea codului de testare prin redarea testelor de interconectare și a programării circuitelor integrate.[16]

Principalul avantaj al XJTAG este acoperirea foarte bună a plăcii electronice și anume prin disponibilitatea dezvoltării de librării de componente. Cu ajutorul librăriilor deja existente XJTAG generează automat vectori de test în funcție de pinii schemei respective.

Așadar, Boundary Scan realizează o testabilitate eficientă și rapidă a PCB-ului prin utilizarea celor 5 pini, același test putând fii utilizat atât în faza de design cât și în cea de producție.

CAPITOLUL IV

Studiu de caz – Eficiența testabilității testului ICT comparativ cu testul FPT

Acest capitol conține partea practică a proiectului de diplomă și are ca scop analiza comparativă a sistemelor de testare în circuit a componentelor electronice, respectiv ICT și FPT din punct de vedere a timpilor de testare a tipurilor de teste aplicate pentru fiecare dintre testere și a suprafeței de acoperire. Pe lângă acestea, se va realiza și o testarea componentelor cu fiecare din aceste două testere, pentru a compara valorile măsurate, limitele între care se încadrează măsurătoarea, polaritatea și tipul de test pentru fiecare dintre componente.

Analizând PCB-ul din imagine, se observă că este alcătuit din mai multe componente și anume: rezistențe, condensatoare, diode, diode led, circuite integrate, tranzistoare, optocuploare și conectori.

Figura 4.1 Designul PCB-ului de test[19]

Placa de test din figura 5.1 a fost realizată de către autorul acestui proiect în cadrul companiei Plexus Services Romania.

4.1 Testarea PCB-ului utilizând testul ICT

Figura 4.2 Testarea PCB-ului folosind ICT[19]

În continuare, se prezintă o descriere a modului de testarea a PCB-ului. Cu acest tip de test. Cu ajutorul unui fixture proiectat pentru acest tip de PCB, după activarea vacuum-ului, plăcii i s-au aplicat două tensiuni: una de 24V, tensiunea de alimentare a fixture-lui, și altă tensiune de pe intrarea integratului U12 de 10V. Pe parcursul testării se efectuează mai multe teste și anume:

Testul care verifică contactul pinilor(Testing Pin Contact) este folosit pentru a verifica dacă placa testată întră în contact cu nodurile fixture-lui în mod corespunzător. Pentru fiecare nod se aplică o tensiune în timp ce celelalte sunt legate la masă.

Următorul test constă în testarea de tip preshorts(Testing Preshorts) – include teste pentru dispozitive cum ar fi: potențiometre, jumpere, setările switch-ului. Aceste teste sunt executate, deoarece poziția acestor componente poate afecta testele de scurt și de deschideri.

Testing Shorts – verifică dacă sunt deschideri între noduri care sunt cunoscute a fi scurtcircuitate. Acest tip de test constă în două faze: o fază de detecție și o fază de izolare. În timpul fazei de detecție, fiecare nod este testat pentru continuitate. Dacă o rezistență măsurată este mai mică sau egală cu un prag definit, faza de izolare este executată, pentru a determina care dintre nodurile de testat este scurtcircuitat.

Testul Analog Unpowered verifică valorile componentelor de pe placa de testat. Testele sunt efectuate cu placa nealimentată. Fiecare test analog, fără alimentare, poate încăpea într-una din cele două categorii generale:

Testarea valorilor constante de tensiune AC/DC – o tensiune cunoscută este aplicată pe componenta de testat și curentul rezultat este măsurat. Această metodă este folosită pentru testarea componentelor pasive, liniare, cum ar fi rezistențe, condensatori, bobine.

Testarea de curent constant – pe componenta de testat este aplicat un curent iar tensiunea rezultată este măsurată. Metoda este folosită pentru a testa componente pasive, neliniare și anume, dide, diode Zenner, și tranzistor NPN.

Partea esențială a acestei metode de testare constă în faptul că elimină efectul de impedanțe paralele. Aceste impedanțe paralele directe și indirecte de pe placa au tendința de a introduce o eroare semnificativă. O metodă cunoscută este aceea de guarding, care se utilizează pentru a elimina o parte dintre impedanțele paralele. Cu toate acestea, nu toate trasele de impedanță paralelă pot fi eliminate în toate situațiile.

Testul digital aplică seturi de teste la intrarea circuitului și monotorizeză răspunsurile de la ieșire. Se compară răspunsurile efective pe care le primește cu un set de răspunsuri așteptate. Dacă acestea sunt identice, circuitul va trece testul, în caz contrar nu trece. Procesul de testare funcționează astfel: se transmit informații de intrare referitoare la dispozitivele digitale: numele lor, nodurile care sunt conectate la PCB și numele librăriilor care conțin teste.

Dispozitivele cum sunt convertoarele analog digitale și convertoarele digital analogice, necesită o metodă de testare mixtă. În cazul acestui tip de testare, driverele digitale și receptoarele sunt utilizate pe pinii digitali ai dispozitivelor, în sursele analogice și detectoarele sunt folosite pe pinii analogici. Dezactivarea dispozitivelor conectate la echipamentul aflat sub testare este foarte importantă pentru testarea mixtă, timpul necesar pentru configurarea și rularea unui test mixt fiind de obicei mult mai mare decât pentru testele digitale sau pentru cele cu reglaj electric.

La final s-a constatat faptul că timpul de testare a fost de 30.928s, iar timpul total 44.442s. Cu ajutorul acestui tip de test s-au analizat din planul de test o serie de componente, pentru a se observa modul în care sunt testate individual cu ajutorul ICT. Se observă următoarele:

Pentru rezistorul r3 care are valoarea 2.2kΩ, o toleranță de ±10%, de bandă largă

Figura 4.3 Program test r3[19]

Valoarea măsurată:

Figura 4.4 Valoarea măsurată pentru r3[19]

La o valoare nominală de 2.20kΩ s-a măsurat o valoare a rezistorului de 2.19kΩ, având limitele superioară de 2.42kΩ și ceea inferioară de 1.98kΩ. Se constată că valoarea măsurată se încadrează în intervalul limitelor, astfel testul a fost pozitiv (passed), valoarea rezistenței fiind măsurată în Ω(Ohmi).

Pentru condensatorul c11 cu valoarea 100nF la o toleranță de ±20%, frecvență 1024Hz

Figura 4.5 Program test c11[19]

Valoarea măsurată:

Figura 4.6 Valoarea măsurată pentru c11[19]

Pentru condensatorul c11 la o valoare nominală de 0.100µF am măsurat valoarea de 0.0910µF, valoare care se încadrează în intervalul limitelor superioare și inferioare 0.1200µF respectiv 0.0800µF. Testul pentru componentă a fost pozitiv, aceasta fiind exprimată în unitatea de măsură Farad.

Pentru dioda led cr14

Figura 4.7 Program test cr14[19]

Valoarea măsurată:

Figura 4.8 Valoarea măsurată pentru c11[19]

Pentru dioda led, la primul test valoarea măsurată nu s-a încadrat în intervalul limitelor impuse astfel că testul a fost negativ (fail). Imediat s-a reluat procesul de testare, cu interval modificat pentru limite; valoarea măsurată a corespuns nivelului impus, astfel încât testul a fost pozitiv.

Tranzistorul q3

Figura 4.7 Program test q3[19]

Valoarea măsurată:

Figura 4.10 Valoarea măsurată pentru q3[19]

Pentru tranzistorul q3 s-au făcut două teste: primul între B-E, caz în care valoarea măsurată a fost de 0.604V, și s-a încadrat între limitele de 0.806V, respectiv 0.603V. Al doilea test a fost între B-C valoarea măsurată fiind de 0.682V, cuprinsă între aceleași limite. De fiecare dată testul a fost pozitiv(pass).

Pentru optocuplorul u7

Figura 4.11 Program test u7[19]

Valoarea măsurată:

Figura 4.12 Valoarea măsurată pentru u7[19]

Se fac 2 măsurători diferite la aceeași componentă:

La testarea componentei electrice u7, având input-ul (IN) pe poziția OFF (adică input oprit), la ON_COLECTOR, ICT-ul măsoară 4.9899V, limita fiind cuprinsă între -800 și 800mV. Rezultatul acestei măsurători este FAIL.

Testând componenta electrică u7, având input-ul (IN) pe poziția ON (adică input cu tensiune sau pornit) la OFF_COLLECTOR, ICT-ul măsoară 5.0033V. Limita este cuprinsă între 4.7500 și 5.2500V. Rezultatul acestei măsurători este PASS.

4.2 Testarea PCB-ului utilizând testul FPT

Figura 4.13 Testarea PCB-ului folosind ICT[19]

Cu ajutorul a 4 probe mobile s-a realizat testul FPT prezentat în figura 5.2. Se observă că pentru acest test au fost necesari 243 de pași iar timpul de testare este de 58 secunde rezultatul testului fiind PASS. Există mai multe funcții ale testerului și anume aceea de retestare automată a plăcii dacă aceasta nu a trecut testul, funcția serial fail stop care se referă ca la 10 pași executați consecutiv ca fail, testerul se oprește și funcția de printare a rezultatului testului la ieșire.

Pentru anumite componente din componența PCB-ului s-a măsurat valoarea cu acest tip de test:

Pentru rezistența R3

Figura 4.14 Test FPT pentru R3[19]

Pentru rezistorul R3 având valoarea de 2.2kΩ cu o toleranță de ±5% s-a efectuat un test de rezistor. Pentru măsurarea valorii se folosește proba 1(pinul 54) care este conectată la + surse și proba 4(pinul 31) care este folosita ca și GND, ambele fiind active celelalte două probe fiind inactive. Se poate observa ca rezultatul testului este fail deoarece: în câmpul valorii care este pe fundal roșu apare range over iar valoarea măsurată de FPT de 4.095kΩ valoare care nu se încadrează în valorile de referință ale rezistorului.

Pentru condensatorul C11

Figura 4.15 Test FPT pentru C11[19]

Pentru condensatorul C11 având valoarea de 0.1µF cu o toleranță de ±10% s-a efectuat un test de capacitor. Cu ajutorul celor două probe active, proba 1 conectată la pinul 4 și proba 4 conectată la pinul 24, valoarea măsurată de FPT este de 94.8nF valoare care se încadrează în intervalul limitelor impuse, timpul de măsurare a componentei fiind de 7msec. Astfel rezultatul aceste măsurători fiind pozitiv.

Pentru dioda led CR14

Figura 4.16 Test FPT pentru CR14[19]

Pentru dioda led CR14 cu toleranță de ±30% s-a efectuat un test de diodă. Cu proba 1 conectată la pinul 4 iar proba 4 conectată la pinul 32, valoarea măsurată de FPT de 0.535V se încadrează în valorile de referință ale diodei, timpul de măsurare fiind de 5msec, astfel rezultatul testului este pozitiv.

Pentru tranzistorul Q3 s-au efectuat 3 măsurători:

Figura 4.17 Test FPT pentru tranzistorul Q3 (B-E)[19]

Între B-E la o toleranță de ±20% s-a efectuat un test de diodă. Valoarea măsurată de FPT de 0.662V în 5msec, se încadrează în intervalul limitelor impuse astfel rezultatul testului este pozitiv.

Figura 4.18 Test FPT pentru tranzistorul Q3 (B-C)[19]

Între B-C la o toleranță de ±20% s-a efectuat un test de diodă. Valoarea măsurată de FPT de 0.651V se încadrează în intervalul limitelor impuse astfel rezultatul testului este pozitiv.

Figura 4.19 Test FPT pentru tranzistorul Q3 (E-C)[19]

Între E-C la o toleranță de ±20% s-a efectuat un test de rezistor de tip OPEN. Valoarea măsurată de FPT de 409Ω se încadrează în intervalul limitelor impuse astfel rezultatul testului este pozitiv.

Pentru optocuplorul U7 s-au efectuat două măsurători:

Figura 4.20 Test FPT pentru optocuplorul U7 între pinii 1-2[19]

Primul test pentru optocuplorul U7 s-a efectuat între pinii 1-2 la o toleranță de ±50%, un test de rezistor de tip OPEN. Cu proba 1 conectată la pinul 4 și proba 4 conectată la pinul 31 rezultatul testului este pozitiv valoarea măsurată de FPT de 409.5Ω încadrându-se în limitele impuse.

Figura 4.21 Test FPT pentru optocuplorul U7 între pinii 4-5[19]

Cel de-al doilea test pentru optocuplorul U7 s-a efectuat între pinii 4-5 la o toleranță de ±50% un test de rezistor de tip OPEN. Proba 1 de test conectată la pinul 4 iar proba 4 conectată la pinul 27, valoarea măsurată de FPT este aceeași ca la prima măsurătoare între pinii 1-2 de 409.5Ω. De asemenea și rezultatul acestei măsurători este pozitiv valoarea măsurată încadrându-se în intervalul de limite impus.

CAPITOLUL V

CONCLUZII

În această lucrare am prezentat noțiunile teoretice realizând o sinteză a metodelor de testare în circuit a componentelor electronice. Pe lângă aceasta, am reușit să obținem în urma testelor efectuate, rezultate care să ajute la optimizarea procesului de fabricație a plăcilor electronice populate.

În primele capitole am reluat noțiunile importante legate de principalele metode de testare utilizate în industria electronică, avantaje și dezavantaje, limitări privind accesul la PCB, tipuri de echipamente, specificații tehnice ale echipamentelor.

Testarea unei plăci poate fi costisitoare, precum și orice măsuri care sunt luate pe parcurs pentru eficientizarea, reducerea costurilor de testare prin accelerarea testului în sine, îmbunătățirea suprafeței de acoperire, acestea pot facilita găsirea mai ușoară a defectelor. Alegerea tipului corect de tester este esențială pentru a se asigura că costurile de producție sunt reduse la minimum. Alegerea tipului corect de tester depinde de o varietate de elemente diferite: volumul de producție, tipul de PCB, timpul de testare al plăcii, aria de acoperire.

În conformitate cu obiectivele propuse, pe baza studiului de caz în urma testării PCB-ului și a efectuării măsurătorilor cu cele două tipuri de teste în circuit s-au observat o serie de avantaje și dezavantaje care ajută la eficientizarea procesului de testare:

Din punct de vedere a timpului de testare, pentru un test ICT a fost nevoie de 30.9 secunde iar pentru un test FPT 58 secunde, acest lucru demonstrează faptul că testul ICT este mai rapid decât testul FPT datorită faptului că pentru un test FPT sondele trebuie să se deplaseze fizic în fiecare poziție de test în timp ce la testul ICT toate conexiunile sunt în fixture.

Testul ICT este mult mai complex decât testul FPT prin faptul că pană la furnizarea răspunsului dacă placa a trecut sau nu testul, se parcurg o serie de alte teste pentru măsurarea conexiunilor de pe întreaga placă iar pentru testul FPT se testează doar anumite trasee de pe placă stabilite în programul de test.

Datorită complexității testării, ICT-ul este mai costisitor decât FPT prin faptul ca pentru fiecare placă este necesar un alt tip de fixture în timp ce FPT este mai ieftin deoarece utilizează camera 2D și 4 probe de test.

Cu testul ICT se poate testa o singură placă, ceea care este introdusă în fixture iar cu testul FPT se pot testa mai multe plăcii(în cazul în care se testează plăci de mici dimensiuni) acestea sunt panelizate (un panel poate conține 4, 6 sau 8 plăci de testat).

Pentru un PCB la care răspunsul testului este negativ, cu ICT se oprește procesul de testare, se scoate placa din fixture și se transferă în partea de debug, iar cu FPT există două posibilități: prima modalitate este aceea de activare a funcției de retestare automată a plăcii, a doua modalitate este să se modifice în programul de test locul de lovire a probelor de test.

Deci, pentru o calitate înaltă a procesului de producție se utilizează testul ICT iar pentru o producție de volum se utilizează testul FPT, ambele teste fiind eficiente în funcție de cerințele clientului și de designul plăcii de testat.

BIBLIOGRAFIE

[1] GenRad, Inc. 1997 – Westford, Massachusetts, U.S.A. 01886-0033. November, 1997.

[2]http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/b7/Solder_wave.ogg/320px–Solder_wave.ogg.jpg.

[3] Rodica Stoian, Roxana Popovici: „Testarea echipamentelor, instalaților și proceselor”, Editura Politehnica, 2011.

[4] Adam Ley: ”Solving the problem of diminishing test coverage from in-circuit test (ICT) ” Oklahoma State University, 2006.

[5] Raymond J. Balzer: “Electrical in-circuit test methods from limited access boards”, EtroniX, 2001.

[6] Colin Mitchell: “Testing Electronic Components”, Editura Netnews, 2003.

[7] http://www.electronica-azi.ro/articol/825 consultat în data de 05.03.2014.

[8] http://www.petracarbon.com/img/ICT_pdt_teradyne.jpg, consultat la data de 14.03.2014.

[9] Agilent Medalist i3070 In-Circuit Test System – USA, September 25, 2012.

[10] https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn consultat în data de 20.03.2014.

[11] Takaya Corporation: “Fixtureless Tester APT-9411CE/CJ”, Okayama Japan.

[12] http://www.electronica-azi.ro/print.php?id=4569 consultat la data de 28.03.2014.

[13] http://www.radio-electronics.com/info/t_and_m/ate/flying-probe-tester-testing.php consultat la data de 22.04.2014.

[14] http://www.aespl.com.au/wp-content/uploads/2011/06/Test-Unit-2.jpg, consultat la data de 23.04.2014.

[15] http://www.checksum.com/pdfs/tr8_spec.pdf – MDA CheckSum Product Catalog, consultat la data de 24.04.2014.

[16] http://www.electronica-azi.ro/articol/4622, consultat la data de 14.05.2014.

[17] http://www.jtag.com/sites/default/files/media/1.%20JTAG_Device%20crop.jpg, consultat la data de 17.05.2014.

[18] http://see-industry.com/img/industrial/SEEIM_704_08_0004.jpg, consultat la data de 17.05.2014.

[19] Documentație interioară Plexus Romania