XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Введение

Современная экономическая обстановка диктует жесткие требования к организации производства электроники, его автоматизации, гибкости и, в конечном счете, прибыльности. Высоких показателей по всем этим направлениям можно достичь тщательным расчетом и индивидуализацией каждого элемента производственной линии. Опыт ведущих мировых компаний показывает, что будущее – за комплексным построением автоматизированных производств на базе многофункциональных высокоточных систем, особенно когда речь идет о системах внутрисхемного контроля и тестирования. Иногда именно это оборудование является единственным инструментом, позволяющим обеспечить выпуск продукции высочайшего качества. Предприятиям, преследующим цель уменьшить издержки и произ­водственные потери, следует выбирать наиболее эффективные инструменты обеспечения качества продукции.

Цель

Провести обзор и анализ мирового опыта в области тестирования и контроля печатных узлов.

На основе полученных данных принять решение о наиболее эффективной технологии обеспечения качества на предприятии с малыми партиями выпускаемой электронной продукции.

Обзор

Теория и разнообразие методов контроля печатных плат (далее ПП) с монтажом и без, весьма обширны и заслуживают целого курса с лекциями и практическими работами. И подробно освящать эту тему стоит для заинтересованной и подготовленной аудитории, обладающей специальными знаниями. Кратко: любые ПП нуждаются в контроле качества на каждом этапе производства, начиная от используемых композитных материалов, качества токопроводящего рисунка ПП, качества монтажа проводящих компонентов на ПП, короткие замыкания, исправность компонентов, ошибки монтажа и прочее.

В своей работе более глубоко я затрагиваю именно анализ готовой ПП, как наиболее творческого и сложного процесса.

Тестирование ПП и её отдельных частей в процессе производства можно реализовать на базе следующих методик и технологий:

1. Визуальный контроль по внешнему виду обладает свойствами диагностического контроля, так как позволяет обнаружить дефекты основания, ослабления проводников, кольцевые трещины в отверстиях и другие, что часто трудно выявить средствами электрического контроля. Недостатки визуального контроля: субъективность восприятия человеком тех или иных внешних признаков проявления дефектов, большая вероятность ошибок и пропусков дефектов, недоступность для наблюдения соединений в структурах многоуровневых ПП — обусловили внедрение автоматических средств контроля [8].

Визуальный автоматизированный контроль (AOI, AXI) — это предварительная проверка качества, которая используется на любом производстве, она проходит на разных стадиях монтажа печатных плат, в том числе с использованием рентгеновского излучения для проверки невидимых глазу мест или стандартными оптическими системами (лупы, микроскопы, фото и видео съемка, микро- видео и фото). На больших серийных производствах технологичнее автоматически определять наличие компонентов на своих местах, соответствие заданных координат компонента его фактическому положению на плате, проверять маркировку, полярность, считывать штрих-коды, 2D-коды и прочую текстовую, графическую информацию на плате, а также обеспечить подсветку тестовой зоны.

2. Электрический контроль печатных плат (ПП) – важный производственный этап. Его назначение – проверка целостности-разобщения ПП, что предполагает проверку на обрыв цепи, короткое замыкание, правильность топологии. В общем виде процесс подготовки и тестирования  монтажа ПП, на производстве  обычно выглядит так:

Проектирование и создание стенда для прошивки и тестирования.

Автоматизированная или ручная проверка функциональности.

Существует несколько направлений электрического контроля.

Внутрисхемное тестирование (ICT/FICT) – проверка соединений и компонентов на ПП, анализ электрических параметров всей схемы либо отдельных ее участков. Часто требует использования сложного и дорогостоящего оборудования, технологической подготовки, изготовления специальной оснастки [9].

Периферийное/граничное сканирование — тестирование с использованием JTAG [12].Метод тестирования, реализованный в стандарте, получил название Boundary Scan (граничное сканирование). Название отражает первоначальную идею процесса: в микросхеме выделяются функциональные блоки, входы которых можно отсоединить от остальной схемы, подать заданные комбинации сигналов и оценить состояние выходов каждого блока. Весь процесс производится специальными командами по интерфейсу JTAG, при этом никакого физического вмешательства не требуется. Разработан стандартный язык управления данным процессом — Boundary Scan Description Language (BSDL). В большинстве современных микросхем предусмотрена специальная тестовая логика периферийного сканирования. Поэтому проверять корректность установки и монтажа компонентов, целостность цепей и отсутствие замыканий можно, подключаясь к плате лишь в одной точке – к контактам интерфейса JTAG. Применение технологии периферийного сканирования позволяет существенно увеличить тестовое покрытие сложных изделий, особенно содержащих большое количество компонентов BGA.

Функциональное тестирование (FCT) — проверка ПП или частично собранных устройств на выполнение заданной функциональности и на соответствие параметрам, которые заложены в спецификации на изделие [3,6]. Данный контроль проверяет работоспособность изделия в сборе, при этом выполняются следующие задачи: подача питающего напряжения с возможностью изменения его в автоматическом режиме от минимально до максимально допустимого для данного изделия; подача цифровых и аналоговых входных сигналов в широком диапазоне частот и напряжений; измерение параметров выходных сигналов; эмуляция нагрузок; обмен данными между тестером и тестируемым устройством; обработка результатов измерений и вывод их на монитор и принтер в удобном для пользователя виде; накопление и обработка статистической информации. При функциональном контроле контакт с изделием осуществляется, как правило, через краевой соединитель.

Функциональное тестирование – пожалуй, важнейшая часть тестового цикла. На плату по­даются питающее напряжение, аналоговые и цифровые управляющие сигналы. Контролируется ток потребления, анализируются и сравниваются с заданными параметрами сигналы в контрольных точках платы и на выходе ПП. При необходимости применяется дополнительная контрольная и задающая аппаратура с различными интерфейсами.
Функциональное  тестирование может проводиться как в ручном, так и в автоматическом режиме:

При ручном методе оператор щупами последовательно проводит тест всех цепей, однако по статистике процент пропускаемых дефектов достигает 25% [5]. Например, метод клипс и пробников (ручное тестирование) универсален, недорог, но требует больших временных затрат и сравнительно высокой квалификации персонала, поэтому его обычно применяют при единичном производстве и ремонте.

Метод адаптера предполагает изготовление тестового контактора для каждого изделия. Во время тестирования с помощью адаптера все размещенные на нем зонды находятся в контакте с контрольными точками, и скорость контроля определяется быстродействием переключаемых ключей. Обеспечивая высокую производительность, этот метод требует, однако, значительных затрат при переналадке [5, 8].

В автоматическом режиме тестирование ПП применяется несколько технологий:

- тестирование с помощью «ложа гвоздей» [10] (bed of nails), здесь контактирование плат с матрицей контактов (такое контактное устройство называют «ложем гвоздей») предполагает наличие соединительного устройства с подпружиненными контактами во всех узлах координатной сетки. Индивидуальность платы учитывают изготовлением маски с перфорациями в местах необходимого контактирования или изготовлением специального тестового адаптера с размещенными на нем зондами. Во время тестирования все зонды находятся в контакте с тестовыми точками, и скорость тестирования определяется скоростью переключения ключей. Этот метод обеспечивает высокую производительность, однако требует значительных затрат при переналадке (при переходе от одного типа платы к другому).

- тестирование с помощью«летающих щупов» (зондов) (flying probes) [3, 10]. Оборудование для метода «летающих зондов» имеет несколько головок с приводами по трем осям, на каждой их которых установлен зонд. Головки по программе осуществляют контактирование с платой, во время которого происходит подача сигнала или измерение. Этот метод обеспечивает простоту переналадки (данные для тестирования получаются из CAD/САМ-данных), однако производительность его невысока.

- тестирование с помощью «ле­тающих матриц». Компромиссом между универсальностью и производительностью является метод «летающих матриц». В этом случае на каждой каретке размещается матрица щупов, при этом каждый щуп имеет независимый привод по оси. Матрицы перемещаются на короткие расстояния с высокой скоростью, при этом наиболее близко расположенный зонд активируется и производит подачу сигнала или измерение. Эта технология позволяет увеличить производительность в 10 раз (по сравнению с методом летающих щупов) [10].

Эффективность каждого метода зависит от объемов производства, номенклатуры изделий и требований к их качеству. Например, для опытных, мелко- и среднесерийных производств с большой номенклатурой печатных узлов наиболее эффективен метод электрического тестирования с помощью "летающих щупов". Его очевидное и главное преимущество – быстрая переналадка оборудования при переходе с одного изделия на другое. Вкупе с возможностью встраивать оборудование для тестирования в конвейерную линию его применение обеспечивает снижение издержек и повышение общей эффективности производства.

Оборудование с "летающими щупами" постоян­но совершенствуется – за два десятка лет сменилось несколько его поколений. На протяжении всего этого времени технологию "летающих щупов" применяют ведущие мировые производители электроники – tbp electronics, Bosch, Siemens, Airbus, British Aerospace и т.д. [3].

В России рынок высокоточного оборудования пока только формируется, так как спрос на него появился относительно недавно, и российские производители пока что отстают от мировых. Однако даже в такой ситуации есть свои преиму­щества. Грядущее переоснащение электронных производств, их автоматизация по примеру ведущих зарубежных компаний будут стимулировать спрос на автоматизированные системы контроля качества продукции в целом и на системы электрического контроля в частности. И российские предприятия получат доступ к современным готовым решениям, при внедрении которых можно руководствоваться многолетним опытом зарубежных компаний, не проходя самостоятельно путь проб и ошибок при освоении новых технологий тестирования.

Рис.1. Схема электрического тестирования с помощью "летающих щупов" [1]

Рис.2. Внешний вид установок электрического тестирования с помощью "летающих щупов" [4]

Рис. 3. «Летающие щупы» в работе[4]

Рис.4. Конструкция контактного щупа [1]

Заключение

Основой для выбора тестирующей ПП технологии является мелкосерийность (а зачастую уникальность) производства и самые высокие требования к качеству. Поэтому наиболее эффективной технологией для обеспечения качества выпускаемой электроники для подобных предприятий является метод летающих щупов.

Список литературы

http://pcb.jofo.me/566052.html. Дата обращения 11.02.2019.

http://tech-e.ru/2005_2_79.php. Дата обращения 11.02.2019.

http://www.electronics.ru/journal/article/1136. Дата обращения 11.02.2019.

www.pcbfab.ru. Дата обращения 11.02.2019.

Медведев А. М. Надежность и контроль качества печатного монтажа. – М.: Радио и связь, 1986.

www.new-system.com. Дата обращения 11.02.2019.

Городов В. Методы электрического контроля печатных плат // Компоненты и технологии. Технологии в электронной промышленности. 2005. №1.

Карпов С. В. Проблемы контроля многослойных печатных плат. М.: Радиотехника.2003.

Приходько И. Тестирование печатных плат //Электронные компоненты. 2003. № 8.

А.Зайцев Тестирование печатных плат методом "летающих щупов"//Печатный монтаж. 2014. № 6.

https://studfiles.net. Дата обращения 11.02.2019.

https://habr.com/post/190012/, (Интерфейс JTAG? — Это очень просто!). Дата обращения 11.02.2019.

Код для цитирования: Скопировать