Тестирование печатных плат на производстве: методы и технологии. Часть 2

Она основана на визуальном сравнении готовой платы с её эталонным изображением. Инспекция определяет, выглядит ли ПП так, как её эталон. Но не даёт определить, работает ли плата правильно, как того требуется.

У визуальной инспекции есть преимущества перед другими методами проверок. Вот главные:

Например, MVI плат после нанесения пасты помогает исправить недостаток до того, как ПП поместят в паяльную печь, одновременно исключить её неправильное нанесение последующие заготовки. Дефекты, обнаруживаемые осмотром, определить электрическими испытаниями сложнее и дороже.

Многие дефекты, с лёгкостью обнаруживаемые визуально, но с трудом — электроиспытаниями на постоянном токе. Например, «мышиные укусы» и «шпоры». Эти изъяны требуют радиочастотных электрических испытаний с применением высокочастотных сигналов. Но такой вид тестирования относительно сложный и затратный.

Manual Visual Inspection обнаруживает дефекты, которые приводят к отказу только при эксплуатации: это связано с простотой обнаружения конкретных недостатков, влияющих на надёжность. Например, недостаточное количество припоя.

MVI напрямую зависим от квалификации персонала, вооружённого хорошим освещением и увеличительными стёклами. Инспекторы способны распознать дефект на ранних этапах выпуска печатной платы. Но этот метод, как правило, эффективен только с простыми платами. Однако контроль многослойных ПП недостаточно эффективен из-за крайне небольших размеров элементов, наличия внутренних соединений и слоёв, скрытых от глаз инспекторов паяных соединений микросхем в корпусах BGA и т. д.

По сравнению с электрическим тестированием MVI не требует физического контакта с инспектируемым объектом. Она:

Однако использование этого подхода частично или полностью прекращено из-за недостатков, которые первоочерёдно возникли из-за появления чрезвычайно плотной и миниатюрной электроники:

При сложной конструкции ПП, хотя это решение бывает достаточным для проверки всех возможных дефектов, обнаруживаемых визуально, оно затратно из-за длительности инспекции одной сложной платы. Есть риск, что это приведёт к большим финансовым потерям и снижению общей производительности предприятия.

Она была разработана для автоматизации ручного визуального контроля и включает использование методов обработки изображений и алгоритмов сравнения. Контроль здесь референтный: референтное (эталонное) изображение уже хранится в памяти вычислительного блока и сравнивается со снимком, сделанным камерой оптического контроля. AOI имеет преимущества:

Однако Automatic Optical Inspection страдает от следующих недостатков:

Высокая миниатюризация электронных приборов требует компонентов с очень большим количеством выводов и их крайне малым шагом. Корпус BGA решил эту проблему: он позволяет размещать до нескольких тысяч выводов на микросхеме площадью всего в несколько квадратных сантиметров. Поскольку все выводы BGA находятся под корпусом, после оплавления визуально уже невозможно определить, дали ли шарики припоя требуемые соединения с контактными площадками.

Уже рассмотренные способы не способны обнаружить скрытые дефекты. Более того, даже внутрисхемное тестирование (In-Circiut Testing, ICT, рассмотрим его далее) не может в полноте протестировать платы с BGA-микросхемами. Для выхода из этой ситуации существует метод AXI. Он используется сразу после пайки для выявления дефектов под корпусами, под которыми скрыты паяные соединения, таких как BGA и CSP (Chip-Scale Package). Automatic X-Ray Inspection имеет ещё одно преимущество перед ICT: помогает проанализировать качество пайки и, таким образом, настроить процессы нанесения паяльной пасты и оплавления, через изучение полостей внутри паяных соединений и/или недостаточно расплавленных шариков припоя и/или избыточных или закороченных выводов из-за неверного количества пасты. Всё это даёт долгосрочную надёжность продукта. Преимущества AXI-метода обобщим так:

К сожалению, текущая AXI-технология всё ещё нуждается в улучшении из-за следующих недостатков:

Однако использование этой методики незаменимо при тестировании ПП с корпусами типа BGA, особенно когда платы создают для ответственных задач.

Оно предназначено для функционального тестирования платы с помощью серии контактных электрических измерений. ICT также известен как тестирование методом «белого ящика», в котором параметры проводимости, сопротивлении, ёмкости, импеданса и другие сравниваются с известными параметрами, заранее измеренными у эталонного устройства.

Тесты также проводят и с использованием тестовых площадок, размещённых разработчиком ПП так, чтобы измерить все необходимые электрические параметры всей схемы. Полное соответствие измеренных параметров с эталонными с высочайшей долей вероятности определяет полную функциональную исправность конечного устройства.

ICT имеет несколько преимуществ перед ранее обсуждавшимися визуальными и оптическими решениями:

Однако ICT выполнимо только с зондированием (то есть прямым электрическим подключением), в которой есть только две альтернативы: либо дорогая, но быстрая система «стол с гвоздями» (Bed-of-nails system), либо автоматизированная, но медленная система с летающими зондами (Flying probe system). К сожалению, обе не идеальны, поэтому не всегда в полноте используются:

Чуть подробнее рассмотрим две технологии внутрисхемного тестирования ICT, используемые сегодня. Выбор технологии обусловлен необходимой скоростью тестирования и величиной серийности выпуска продукции.

«Стол с гвоздями» (Bed-of-nails system)

Он специально создаётся для тестирования платы после одного конкретного этапа производства. То есть, это не решение «на все случаи жизни». Bed-of-nails позволяет тестировать по любым тестовым паттернам, заранее созданным и внесённым в конструкцию тестового стенда. Технология обладает высокой скоростью измерения, поскольку все тестовые зонды подключаются к тестируемой плате одновременно.

BON дорог в проектировании и изготовлении, поэтому «стол с гвоздями» подходит только для крупносерийного производства. Чтобы оправдать проектирование с изготовлением оснастки, нужны расходы, незначительные по сравнению с прибылью.

Летающие зонды (Flying probe system)

В отличие от «стола с гвоздями» эта система очень гибкая в плане универсальности. Хорошо подходит для измерения компонентов даже с очень малым шагом выводов. Автоматическая машина перемещает зонды от одних тестовых точек или выводов к другим по специально составленной карте замера.

Необходимость механического перемещения зондов между тестовыми точками приводит к низкой производительности, что стало фундаментальным недостатком такой технологии. Обычно производительность составляет от 5 до 10 контрольных точек в секунду (Test Point per second, TP/s). Использование системы летающих зондов оправдано только для мелкосерийного производства.

При рассмотрении FPS в качестве тестировочной технологии нужно учитывать несколько вопросов. Для эффективного и неразрушающего тестирования желательно измерять только с применением тестовых контрольных точек, а не выводов компонентов, которые в случае их сверхминиатюризации повреждаются машиной.

Также нужно тщательно составить карту замера для оптимизации времени перемещения зондов. Также этому способствует отсутствие высоких компонентов на плате для уменьшения расстояния подъёма зондов при перемещении.

Это метод, разработанный специально для решения проблемы ограничения физического доступа к выводам компонентов. В области современных промышленных стандартов он известен как стандарт IEEE 1149.1.

Цифровые микросхемы, отвечающие стандарту, имеют специальный интерфейс связи, позволяющий с помощью внешнего измерительного оборудования подключиться к ним, чтобы выполнять необходимый комплекс тестирования. Помимо, собственно проверки их работоспособности, можно протестировать компоненты, напрямую взаимодействующих с ними. Обычно для достижения 100% покрытия всего спектра возможных неисправностей потребуются дополнительные тесты, например, зондирование. Из-за разнообразия используемых компонентов на ПП, ограниченного физического доступа стандарт IEEE 1149.1 становится недостаточным, и, таким образом, соединения со следующими компонентами остаются непроверенными:

Чтобы преодолеть проблемы ограниченных возможностей аналоговых измерений и тестирования пассивных компонентов, стандарт IEEE 1149.1 был расширен до IEEE 1149.4. Но IEEE 1149.4 не получил широкого коммерческого распространения. Среди причин: высокие затраты на его реализацию, низкая полоса пропускания частоты измерения, которая составляет приблизительно 1 мегагерц, более высокая погрешность измерения.

Стандарт IEEE 1149.1 не подходит для тестирования низковольтных дифференциальных линий связи (LVDS), распространённых в различной технике. Например, для подключения матриц дисплеев в компьютерных мониторах, ноутбуках или телевизорах. Чтобы решить эту проблему, был разработан IEEE 1149.6 для поддержки тестирования LVDS.

С точки зрения исследований стандарты периферийного сканирования сегодня достигли существенного прогресса в покрытии большинства возможных тестовых случаев. Однако тестирование открытых («висящих в воздухе») соединений было невозможно до появления стандарта IEEE 1149.8.1, который определяет тестирования именно открытых разъёмов.

Главное преимущество BST — возможность обнаружения обрывов, коротких замыканий под корпусами: например, BGA.

С другой стороны, с практической точки зрения, метод страдает от следующих недостатков:

В отличие от внутрисхемного тестирования, FT проверяет не все возможные электрические соединения и параметры компонентов, а лишь определяет функциональную исправность устройства. Другими словами, оно призвано определить факт работоспособности, без акцента на надёжность и другие аспекты. Использование Functional Testing, как правило, мотивируется следующим:

С другой стороны, FT не всегда подходит недостатков: