Методы тестирования печатных плат и электроники до и во время производства

Даже тщательно спроектированная и качественно собранная электроника может выйти из строя. Чтобы минимизировать количество поломок, скрытые дефекты должны быть выявлены до массового производства, в идеале – на этапе разработки.

Вот почему так важно обеспечить надлежащее тестирование электронных компонентов, особенно печатных плат.

Тестирование – важная часть процесса проектирования печатной платы. Испытания печатных плат, ведущиеся на протяжении всего производственного цикла, помогают сэкономить средства, предотвратить или свести к минимуму проблемы на этапе финальной проверки.

Во время проектирования и сборки печатных плат дизайнеры и производители прилагают много усилий для контроля качества.

Они должны убедиться, что пропускная способность, производительность, сопротивление и другие показатели находятся в допустимых пределах, а на печатной плате нет коротких замыканий, обрывов или дефектов пайки.

Разработчики КЕДР Solutions тщательным образом тестируют печатные платы и только после этого осуществляют монтаж и тестируют всю систему целиком.

Обратившись к нам за разработкой электроники, вы можете быть уверены в качестве компонентов и сборки устройства.

Испытания печатной платы в процессе проектирования и монтажа направлены на оценку ее производительности и качества, а также на целостность конструкции.

Тестирование электроники выявляет не только дефекты компонентов и сборки, но и недочеты производственного процесса.

Существует множество методов оценки качества печатных плат. Одни применяются самостоятельно, другие в тандеме для большей эффективности. Выбор способа проверки зависит от размера партии, характеристик печатной платы и ее назначения.

Мы подготовили подборку наиболее известных и эффективных методов тестирования печатных плат.

Как проверить печатную плату методами визуального осмотра, автоматизированного оптического контроля и рентген-тестированием

Визуальный осмотр (Manual visual inspection или MVI) – один из первых методов для проверки электронных схем.

Метод позволяет выявить видимые глазом недостатки, которые можно устранить прямо на сборочном столе:

• недостаточное количество припоя,
  
• отсутствие компонентов,
  
• неправильное расположение компонентов,
  
• нарушенная целостность соединений,
  
• прерывание трассы.
  
  

Человеческие фактор и растущая сложность печатных плат делают этот метод менее эффективным при крупносерийном производстве. Тем не менее он широко используется при проектировании печатных плат и прототипировании.

Мы в КЕДР Solutions проводим MVI проверку всех печатных плат, с которыми работаем. У нас надежные и проверенные поставщики и качественные детали, поэтому количество обнаруженного брака минимально.

Выявляемые дефекты не критичны, мы почти всегда можем устранить их сами. Например, во время работы над одним из проектов, мы поставили на место диоды, которые были неправильно установлены при фабричной сборке.

Практика проверки новых печатных плат перед началом работы с ними отсекает даже незначительные дефекты.

Автоматизированный оптический контроль (Automated Optical Inspection или AOI) – тест для крупносерийного производства.

AOI сравнивает изображения тестируемой платы, сделанные одной 2D-камерой или двумя 3D-камерами, с изображениями образца. Оборудование оптического контроля может быть установлено в конце производственной линии.

Метод AOI полезен в следующих случаях:

• как первый этап тестирования сборки;
  
• при необходимости оперативного вмешательства в производственный процесс для устранения брака.
  
  

Его также можно комбинировать с другими методами проверки печатных плат, такими как

• "летающий щуп",
  
• метод внутрисхемного тестирования (ICT),
  
• функциональные тесты.
  
  

Тестирование печатной платы методом AOI может помочь при относительно крупном производстве, но не подходит для проверки прототипов.

Автоматизированный рентгеновский контроль (Automated X-ray Inspection или AXI) – это уникальный тестер печатных плат. Используя рентгеновские лучи, AXI создает 2D- или 3D-изображения скрытых паяных соединений, например, на корпусах BGA или безвыводных корпусах QFN.

Когда рентген-контроль может быть полезен?

• при массовом производстве плат,
  
• для тестирования сложных изделий,
  
• для проверки печатных плат, предназначенных для промышленных решений.
  
  

Подрядчики, с которыми работает КЕДР Solutions, проводят обязательные AXI-тесты для проверки пайки и отсутствия дефектов плат.

Как тестировать плату методами ICT и FPT

Внутрисхемное тестирование (Матричное контактное поле или ICT) – высокоточное тестирование компонентов печатных плат.

Внутрисхемное тестирование компонентов предполагает использование дорогостоящего оборудования, поэтому наиболее эффективно оно для заключительной проверки изделий с окончательным вариантом дизайна при крупносерийном производстве.

Нужно проверить плату на короткое замыкание и обрыв, убедиться в правильности размещения компонентов, протестировать сопротивление и емкость наиболее точным способом?

Тестер ICT проверяет каждую деталь по отдельности и проводит тщательное тестирование на уровне компонентов. Он способен обнаружить более 90% неисправностей. Оборудование, используемое для тестирования электронных компонентов, полностью автоматизировано.

Одно из названий метода – «ложе гвоздей» – появилось благодаря внешнему виду тестера.

Устройство использует фиксированные сенсорные щупы, «гвозди», расположенные в соответствии с конструкцией печатной платы. Щупы ICT подключаются к плате через контрольные точки на ней. Их задача – проверить целостность паяных соединений.

Для больших партий и налаженного производства могут использоваться индивидуально сконструированные испытательные стенды и тестеры для печатных плат. Оборудование обеспечивает быстрое и экономичное тестирование производственной партии.

Виды тестеров:

• механические (менее дорогой вариант, но нужен оператор);
  
• пневматические.
  
  

Испытательные стенды подходят для:

• корпусов DIP-типа;
  
• корпусов с матричным расположением штырьковых выводов PGA;
  
• корпусов с металлизированными монтажными отверстиями PTH.
  
  

В некоторых случаях наши клиенты просят проверить компоненты с помощью стенда для автоматического измерения напряжения в контрольных точках печатных плат.

Тестирование методом "летающих щупов" (Flying probe testing или FPT) – более дешевый вариант ICT, так как не требует испытательного стенда.

FPT легко настроить под новую печатную плату, но тестирование занимает больше времени, чем ICT.

В отличие от метода ICT, при котором для доступа к плате используются только контрольные точки, оборудование с летающими зондами использует для подключения также отверстия в площадках элементов, незанятые сквозные отверстия и любые другие пути доступа.

В тестерах с летающими щупами может быть предусмотрена полная автоматизация разработки тестовых программ, настройки и стабилизации измерений и работы системы. Уже через несколько часов оборудование готово к проведению проверок.

Метод FPT подходит для прототипов, мелкосерийного производства, а также для малогабаритных многокомпонентных печатных плат.

Разработанный в конце 1980-х годов, FPT стал популярным подходом у производителей электрических компонентов.

Другие электрические тесты печатных плат

Метод рефлектометрии во временной области (Time Domain Reflectometry или TDR) обнаруживает, измеряет и локализует любое несоответствие импеданса в линии передачи. С помощью тестера можно обнаружить разрывы на печатной плате. Любые скачки импеданса приведут к тому, что часть входящего сигнала будет отправлена обратно к источнику. TDR используется для поиска неисправностей в высокочастотных платах.

Испытание сплавом Розе (Resistivity of Solvent Extract или ROSE) – простая и надежная процедура тестирования при производстве печатных плат. С помощью этого метода можно эффективно анализировать и выявлять дефекты и поверхностные загрязнения, оставшиеся после сборки.

Если печатная плата предназначена для работы в среде, где есть вероятность экстремальных электрических нагрузок, разработчики проводят следующие испытания печатных плат:

• Тесты электрического перенапряжения (Electrical Overstress или EOS) проверяют платы на устойчивость к перенапряжению и перегрузке по току. Испытуемый образец контролируется до тех пор, пока не выйдет из строя. Тестирование проводится на уровне пластины или отдельного устройства для количественной оценки стрессовых нагрузок, при которых устройство перестанет работать, а также для анализа процесса отказа.

• Испытания на электростатический разряд (Electrostatic Discharge или ESD) проводятся для проверки того, насколько хорошо печатная плата может выдерживать электростатические разряды.
  

Когда происходит событие электростатического разряда, печатная плата взаимодействует с сильным электрическим импульсом.

Цепи электростатического разряда предназначены для поглощения или отвода импульсов электростатического разряда от компонентов в область защитного заземления в системе.

Существует три основных модели ESD испытаний:

• Модель человеческого тела (Human Body Model или HBM) имитирует разряд электростатического разряда, передаваемый от тела человека к устройству. HMB использует RC-цепь для передачи экспоненциально затухающего импульса тока.
  

• Модель заряженного устройства (Charged Device Model или CDM) имитирует реальное ESD событие разряда, когда заряженная часть разряжается на другой объект с другим электростатическим потенциалом.

Во время теста CDM внешнее заземление взаимодействует с контактом заряженного устройства, удерживаемого на тестовом стенде. Накопленный заряд сбрасывается с устройства на внешнее заземление.

• Модель машины (Machine Model или ММ) моделирует разряд машины через устройство на землю.

Режимы отказа при испытаниях MM аналогичны отказам при испытаниях HBM. Источник высокого напряжения последовательно с резистором заряжает конденсатор.

Переключатель используется для отключения конденсатора от источника высокого напряжения и подключения к индуктору для разрядки. Катушка индуктивности создает колебательный ток.

• Скрининг экологического стресса (Environmental Stress Screening или ESS) включают в себя различные методы, такие как термическое циклирование, тест на падение, тест на вибрацию, тест на термический или механический удар, а также имитируют другие воздействия окружающей среды, которые могут повлиять на устройство во время работы.

Функциональное тестирование также выполняется вместе с этими тестами, чтобы гарантировать целостность и функциональность конструкции.

Поскольку тесты оценивают работоспособность печатной платы в различных стрессовых ситуациях, их обычно проводят независимые эксперты.

КЕДР Solutions сотрудничает с ответственными производителями печатных плат, которым мы доверяем проведение обязательных испытаний.

Тем не менее, исходя из конкретных пожеланий и потребностей наших клиентов, мы можем запросить дополнительные проверки или протоколы испытаний, например, протокол ручного тестирования платы (как правило, это измерение напряжений в контрольных точках платы).

Стресс-тестирование печатных плат

Другими заслуживающими внимания способами проверки плат являются стресс-тесты. Они оценивают допустимые нагрузки на плату, в пределах которых она будет оставаться функциональной и структурно неповрежденной.

Это специфические тесты, они используются лишь в некоторых случаях и редко для прототипов.

Компоненты для крупносерийного производства могут быть протестированы с помощью теста на выгорание (Burn-in testing).

Этот тест выполняется на пределах допустимых рабочих условий печатной платы (температура, частота или напряжение), чтобы предоставить исчерпывающую информацию о надежности продукта.

Стресс-тесты относятся к группе методов HALT/HASS (Highly Accelerated Life Testing/Highly Accelerated Stress Screening) и проводятся в соответствии с рекомендациями по тестированию.

Эти процедуры направлены на устранение выявленных недостатков и обеспечение качества продукции на стадии разработки (HALT) или производства (HASS).

Возможные причины проведения HALT/HASS тестов:

• новые продукты, которые выводятся на рынок,
  
• изменения в производственном процессе,
  
• сферы применения, требующие повышенной надежности (авиакосмическая промышленность, оборона, медицина и т.д.).
  
  

Как проверить печатные платы с помощью функциональных тестов

Функциональный тест (Functional Test или FCT) проверяет правильность работы электроники. Эти тесты используются в конце производственного процесса для проверки функциональности печатной платы и ее производительности в соответствии со спецификациями.

В зависимости от сложности конструкции платы и индивидуального плана тестирования функциональная проверка может быть либо простым подтверждением того, что продукт работает, либо более сложным исследованием.

Тщательное производственное тестирование может проводиться в соответствии с требованиями, протоколами или стандартами и включает тестирование программного обеспечения.

Функциональное тестирование является обязательным при мелкосерийном производстве или прототипировании, когда вам нужно убедиться в функциональности каждой печатной платы.

Испытание на отслаивание измеряет усилие, необходимое для отрыва ламината в стеке платы после его сбора и полного отверждения.

Испытание на способность к пайке определяет способность металлизированного сквозного отверстия (PTH) и переходного отверстия печатной платы образовывать соединения, а также уровень термического напряжения, которое плата может выдержать во время пайки.

Команда разработчиков КЕДР Solutions выполняет различные типы функциональных проверок для каждого проекта. Наши клиенты могут быть полностью уверены в том, что как программное, так и аппаратное обеспечение, задействованное в проекте, проходят полное тестирование.

Благодаря хорошо организованному контролю качества на производстве мы получаем платы без брака в 99,9% случаев. Редчайшие случаи недочетов, например, неправильно припаянные контакты Bluetooth-модуля, наши специалисты могут устранить на месте.

Лабораторные испытания и сертификация печатных плат

Можно доверить тестирование печатных плат специализированной лаборатории, где есть различное оборудование для проверки компонентов, а также возможность проведения испытаний печатных плат не только с точки зрения функциональности электроники, но и в физико-химической области для комплексного изучения их безопасности и производительности.

Лаборатории обычно располагают следующим оборудованием:

• Рентген-установка регистрации внутреннего слоя,
  
• Тестер толщины слоев,
  
• Тестер импеданса,
  
• Тестер адгезии медных покрытий,
  
• УФ-спектрофотометр,
  
• другие полезные приспособления.
  

Важным аспектом проектирования печатных плат является их соответствие определенным стандартам и спецификациям.

Эти стандарты определяют критерии, которые должны соблюдаться при проектировании платы. Подробнее об этом можно прочитать в нашей статье о сертификации печатных плат.

Для расчета электрических характеристик печатных плат при подготовке к производству вместо испытаний реальных плат можно использовать инструменты моделирования.

Выбор в пользу моделирования особенно очевиден, когда применение дорогостоящих приборов для измерения характеристик или стендов для тестирования экономически не оправдано для производителя.

Затраты на изготовление печатных плат могут быть довольно высокими, но также высока и цена возможного отказа платы. Моделирование позволяет дизайнерам осуществлять необходимые проверки электроники и при этом оставаться в рамках бюджета.

Любая часть печатной платы может быть проанализирована с помощью моделирования. Имитационные модели могут использоваться как для аналоговых устройств, так и для цифровых электронных компонентов.

Для прогнозирования работы печатных плат применяется математическое моделирование.

Выделим некоторые аспекты и инструменты этого процесса.

Программа моделирования электронных схем (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis или SPICE) – один из самых популярных инструментов моделирования, используемых при тестировании печатных плат.

Дизайнеры используют симуляции SPICE для предварительного проектирования. Эти программы могут выполнять различные виды анализа – от простого до сложного.

Каждая из них может помочь специалистам получить полезные данные.

• Анализ рабочих точек постоянного тока (DC Operating Point Analysis) имеет дело со статическими характеристиками постоянного тока и рассчитывает работу схемы при постоянном напряжении. Часто это первая фаза других анализов.

• Анализ развертки постоянного тока (DC Sweep Analysis) вычисляет кривую передачи постоянного тока, делая развертку значений постоянного тока в предварительно выбранном диапазоне.
  
  

Анализ определяет потребление тока, требуемый источник питания и его лимиты и подтверждает, что все компоненты схемы исправно работают в своих пределах.

• Анализ переходных процессов (Transient analysis) представляет собой анализ своевременного отклика.
  
  

Он вычисляет уровни напряжения и тока для заданных интервалов времени и определяет, как схема будет вести себя при смешанных сигналах, таких как большая пиковая нагрузка или пиковое изменение входного сигнала.

Этот тип анализа обычно требует применения осциллографа для контроля сигналов.

Анализ переменного тока (AC Analysis), или развертка по частоте, вычисляет частотную характеристику цепи. Анализ переменного тока позволяет разработчикам печатных плат выяснить поведение схемы, когда на ее вход подаются обычные сигналы переменного тока.

Пакеты SPICE могут содержать разные виды тестирований, но все они имеют одинаковую базовую процедуру анализа печатных плат.

Точное аналоговое моделирование ввода-вывода стало важной частью проектирования современных высокоскоростных цифровых систем. Благодаря моделированию буферов ввода-вывода, разъемов и дорожек печатной платы разработчик может сократить количество исправлений, а значит, и время выхода новых разработок на рынок.

SPICE-симуляции часто используются в проектировании печатных плат, но у этого метода есть недочеты.

• Скорость SPICE-симуляции низкая для анализа переходных процессов, который часто используется при оценке характеристик целостности сигнала.

• Не все симуляторы SPICE полностью совместимы. Могут различаться стандартные значения, а модели часто подходят только для конкретной программы.

• SPICE-симуляции должны содержать подробную информацию о параметрах схемы и процесса. Производители не дают свои модели в публичный доступ, рассматривая такую информацию как интеллектуальную собственность.
  

Моделирование буферов ввода/вывода интегральных схем (Input/Output Buffer Information Specification или IBIS) является альтернативой моделированию SPICE.

Проект Intel предоставляет точные модели буферов ввода-вывода без риска для интеллектуальной собственности потребителей.

IBIS-модели можно применять к устройствам, не имеющим полных прототипов из-за секретности, сложности или по другим причинам.

Основой модели IBIS являются таблицы с информацией о токе, напряжении и времени. Информация о схеме и деталях процесса на уровне транзистора не раскрывается.

Моделирование IBIS намного быстрее, чем SPICE, чуть уступая в точности. Модели IBIS просты в использовании и находятся в свободном доступе в Интернете. На одной плате легко смоделировать устройства разных производителей.