XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Введение

Будущее – за комплексным построением автоматизированных производств на базе многофункционального высокоточного оборудования [1], особенно когда речь идет о системах внутрисхемного контроля и тестирования. Иногда именно это оборудование является единственным инструментом, позволяющим обеспечить выпуск продукции высочайшего качества.

Если изготовление деталей и последующего монтажа плат относительно легко контролировать на соответствие документации: здесь контроль (рабочий и отдела технического контроля) закреплен технологией за каждым действием/шагом производства пооперационно, то проверка готового изделия (узла прибора или печатной платы) сложный многозадачный процесс. Эти задачи решаются с использованием многочисленного современного оборудования.

Обзор и анализ мирового опыта в области тестирования и контроля печатных узлов показал, что для опытных, мелко- и среднесерийных производств с большой номенклатурой печатных узлов наиболее эффективен метод электрического тестирования с помощью летающих тестовых проб [2, 3, 4, 5]. Его очевидное и главное преимущество – быстрая переналадка оборудования при переходе с одного изделия на другое [4, 6]. Вкупе с возможностью встраивать оборудование для тестирования в конвейерную линию применение этого метода обеспечивает снижение издержек и повышение общей эффективности производства [4, 7, 8].

Совместно с комплексной системой автоматизированного проектирования и разработанной на АО «НПЦ «Полюс» собственной PDM-системы для автоматизированного управления инженерными данными и производством, использование летающих тестовых проб уже сегодня дает хорошие результаты.

Описание системы SPEA 4060 MULTIMODE (летающие тестовые пробы)

Возможности метода раскроем на примере системы SPEA 4060 MULTIMODE (летающие тестовые пробы). Система электрического контроля SPEA 4060 позволяет проверять печатные платы на соответствие конструкторской документации. Кратко этапы проверки можно разделить на следующие [2, 4, 6, 9]:

- проверка на короткие замыкания и целостность токоведущих проводников (дорожек печатной платы);

- измерение параметров компонентов (R, C, L) и автоматическая проверка соответствия перечню элементов;

- определение параметров полупроводниковых компонентов (измерение падения напряжения p-n -перехода);

- проверка микросхем на целостность защитных диодов, обрыв внутри кристалла;

- проверка микросхем на контрафакт.

Система SPEA 4060 оснащена шестью летающими пробниками (четыре сверху и два снизу) [5] (общий вид на рис. 1), которые позволяют осуществлять контроль двусторонних печатных плат.

Рис.1. Общий вид установки SPEA 4060

Три цифровые камеры дают возможность оператору проводить визуальный контроль тестируемого узла, не извлекая плату из системы. В качестве дополнительной опции может использоваться автоматическая оптическая инспекция печатных плат. Вся необходимая информация загружается в систему из любых современных систем автоматизированного проектирования (PCAD, AltiumDesigner, OrCAD и т.д.) в три шага, после чего можно приступать к отладке тестовой программы и, наконец, к тестированию. Одним из главных преимуществ системы автоматического контроля SPEA 4060 является точность контактирования (5мкм), а также низкая погрешность измерений (0,01%) [5] в широком диапазоне измерения.

Система электрического контроля с летающими пробниками SPEA 4060 (далее - системы) предназначены для комплексного автоматизированного внутрисхемного и функционального контроля печатных плат путем измерения электрического сопротивления, электрической емкости, индуктивности и напряжения постоянного тока, а также для отображения и сохранения в электронном виде или на бумажном носителе результатов измерений.

Система обеспечивает:

- проведение внутрисхемного контроля (ICT) - контроля на соответствие конструкторской документации путем проверки номиналов компонентов, целостности цепей, поиска короткозамкнутых и не пропаянных участков;

- проведение функционального контроля (FT) - проверка работоспособности микросхем путем измерения напряжений в контрольных точках;

- тестирование и программирование компонентов на печатной плате (OBP);

- тестирование плат при помощи технологии периферийного сканирования (BS).

Принцип действия системы заключается в формировании тестовых сигналов по заданному алгоритму и измерении откликов на них. Входные аналоговые сигналы преобразуются в цифровую форму с помощью АЦП, обрабатываются микропроцессором и результаты измерений индицируются на мониторе.

Измерение электрических параметров платы и ее компонентов осуществляется посредством автоматического контакта тестовых пробников, подключенных к шинам, с контактными площадками на печатной плате. Подвижность пробников обеспечивается комплексом линейных приводов, осуществляющих перемещение по трем осям. Тестовый сигнал от блока возбуждения подается на две любые из четырех шин. Отклики регистрируются двумя остальными шинами, подключенными к блоку измерения. Так же возможен вариант совместного подключения блока возбуждения и блока измерения к одной и той же шине (двунаправленный режим).

Основные узлы системы: измерительные каналы (6 шт.), блоки возбуждения, блок измерения, блок коммутации, комплекс линейных приводов, компьютер, монитор, клавиатура, источник питания.

Конструктивно система представляют собой стационарные устройства, имеющие рабочую тестовую зону, в которой располагается комплекс линейных приводов, блоки возбуждения, измерения и коммутации; оснащенные компьютером, монитором, клавиатурой и консолью оператора, на которой размещены главный выключатель, кнопка аварийной остановки, индикаторы состояния работы системы (рис.1).

- проведение внутрисхемного контроля (ICT) - контроля на соответствие конструкторской документации путем проверки номиналов компонентов, целостности цепей, поиска короткозамкнутых и не пропаянных участков;

- проведение функционального контроля (FT) - проверка работоспособности микросхем путем измерения напряжений в контрольных точках;

- тестирование и программирование компонентов на печатной плате (OBP);

- тестирование плат при помощи технологии периферийного сканирования (BS).

Принцип действия системы заключается в формировании тестовых сигналов по заданному алгоритму и измерении откликов на них. Входные аналоговые сигналы преобразуются в цифровую форму с помощью АЦП, обрабатываются микропроцессором и результаты измерений индицируются на мониторе.

Измерение электрических параметров платы и ее компонентов осуществляется посредством автоматического контакта тестовых пробников, подключенных к шинам, с контактными площадками на печатной плате. Подвижность пробников обеспечивается комплексом линейных приводов, осуществляющих перемещение по трем осям. Тестовый сигнал от блока возбуждения подается на две любые из четырех шин. Отклики регистрируются двумя остальными шинами, подключенными к блоку измерения. Так же возможен вариант совместного подключения блока возбуждения и блока измерения к одной и той же шине (двунаправленный режим).

Основные узлы системы: измерительные каналы (6 шт.), блоки возбуждения, блок измерения, блок коммутации, комплекс линейных приводов, компьютер, монитор, клавиатура, источник питания.

Конструктивно система представляют собой стационарные устройства, имеющие рабочую тестовую зону, в которой располагается комплекс линейных приводов, блоки возбуждения, измерения и коммутации; оснащенные компьютером, монитором, клавиатурой и консолью оператора, на которой размещены главный выключатель, кнопка аварийной остановки, индикаторы состояния работы системы (рис.1).

Для предотвращения несанкционированного доступа винты крепления корпуса систем пломбируются специальными наклейками, при повреждении которых остается несмываемый след [23].

Программное обеспечение

Программное обеспечение (ПО) системы включает общее программное обеспечение (ОПО) - операционную систему MSWindowsXP/7 и встроенный пакет специального программного обеспечения (СПО) - «LeonardoFLYYA» [22, 23].

Модуль СПО «LeonardoTPGMExecutionYA» является метрологически значимым. Он позволяет запускать в автоматическом режиме измерительные программы, проводить калибровку системы, а также отображать и сохранять в электронном виде или выводить на печать на бумажном носителе результатов измерений.

Нормативные и технические документы, устанавливающие требования к системе электрического контроля с летающими пробниками SPEA 4060:

ГОСТ Р 8.764-2011 ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений электрического сопротивления.

ГОСТ 8.371-80 ГСИ. Государственный первичный эталон и общесоюзная поверочная схема для средств измерений электрической емкости.  

 ГОСТ 8.029-80 ГСИ. Государственный первичный эталон и общесоюзная поверочная схема для средств измерений индуктивности.

  ГОСТ 8.027-2001 ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений постоянного электрического напряжения и электродвижущей силы.

 Техническая документация фирмы «SPEAS.pA.», Италия.

Технология проверки печатных плат

Проверка документации

Каждая печатная плата должна иметь сопроводительную документацию отражающую весь цикл жизни печатной платы начиная с примененных для её изготовления материалов, деталей, электрорадиодеталей, химических реактивов, лакокрасочных и клеевых составов. Также должны быть отражены все стадии производства и все точки контроля в соответствии с установленными технологическими картами (любой высокотехнологический продукт как правило изобилует технологическими процессами: типовыми и специальными, инструкциями, руководствами и протоколами).

Визуальный контроль

Несмотря на обилие контрольных точек со стороны представителей ОТК (отдела технического контроля) на соответствие печатной платы конструкторской и технологической документации, и персональную ответственность ка исполнителя так и контролера, специалист осуществляющий контроль с помощью летающих щупов должен убедиться в тестопригодности каждой платы.

Вот некоторые из возможных проблем

1. На плате не должно быть посторонних предметов: пыли, стружки, крошек, свободно перемещающихся кусочков материалов. Всё это может образовываться в процессе производства (в зависимости от того, каким видам обработки подвергалась плата на всех стадиях производства). Примеры: кусочек припоя, стружка от мест зачистки сопрягаемых при приклейке деталей) А также во время транспортирования.

Методы устранения таких неполадок: промывка, продувка печатных плат и визуальный осмотр.

2. Плата не должна быть покрыта изолирующими составами. Летающие щупы – это контактный метод, подразумевающий непосредственный контакт летающих щупов с объектами на печатной плате (контактные площадки, печатные проводники, сами радиоэлементы и их контактные выводы).

Так в случае пленочных покрытий не будет установлен контакт в нужных контрольных точках с щупами и т.о. мы будем наблюдать либо отсутствие данных тестирования, либо результаты тестирования с ошибкой. Мешающие пленочные покрытия могут возникать в результате ошибок исполнителя. Примеры: нанесение защитного лакового покрытия в разрез последовательности технологического процесса до операции контроля на SPEA, а не после; растекание контрящего крепежные детали состава на поверхности платы; растекание клеевых составов на плате.

В случае наличия более толстых (не пленок) покрытий на плате кроме отсутствия или ошибок тестирования можно столкнуться с повреждением чувствительных элементов SPEA. Например: бескорпусный конденсатор обозначенный С27 на рис. 2 был приклеен и залит сверху компаундом.

Рис. 2. Тестирование бескорпусного конденсатора С27.

Рис. 3. Внешний вид бескорпусного конденсатора С27, изолированного компаундом

Бесорпусной конденсатор имеет сам по себе металлизированные части пригодные для тестирования. А залитый бескорпусный конденсатор полностью скрыт под толстым слоем компаунда. При этом компаунд скрывает и прилегающие контактные площадки и часть печатных дорожек, делает их недоступными для тестирования с помощью летающих щупов.

Кроме ограничения доступности тестирования в данном случае опасность несет высота заливки компаундом. С одной стороны SPEA рассчитана на определенные габариты тестируемого объекта: высоту, длину и ширину ограниченную возможностями размещения печатной платы внутри аппарата и возможностью свободного перемещения летающих щупов. С другой стороны, загружая данные конструкции печатной платы и создавая тест-планмы, задаем точное место расположения и габариты каждого элемента на плане. В данном случае высота и ширина покрытия компаундом величина не точная и задать её, в программе тестирования SPEA возможности нет. Поэтому высокочувсвительные и точные элементы летающих щупов рискуют наткнуться на неожиданную для них преграду и сломаться.

3. Наличие доработок, отступлений от конструкторской документации. Иногда изменения в изделии опережают изменения в конструкторской документации или носят временный характер (например, в случае ремонта). Конечно, как говорилось выше, каждый шаг и манипуляция с изделием должно быть отражено в маршрутной документации к нему. Но, во-первых, нельзя исключать человеческий фактор в плане абсолютной точности и прозрачности отметок обо всех «приключениях» печатной платы. Во-вторых, действие, совершенное над печатной платой, сверх утвержденного в конструкторской и технологической документации на это изделие, и описанное в ссылках на другие документы (ТУ, ТИ), не всегда можно понять только из описания на бумаге. Требуется физическое сличение чертежа и печатной платы.

4. После загрузки данных конструкторской документации в систему SPEA может вскрыться различие между заложенной в чертеже базой электрорадиоизлелий (ЭРИ) и установленной в действительности. Это может быть связано с допустимой заменой или описанными в п. 3 отступлениями от конструкторской документации.

На этом обзор подготовительных контрольных действий считаю можно ограничить. Но всегда нужно понимать, что производство электроники всегда был, есть и остаётся сложным высокотехнологичным процессом, требующим высокой квалификации всего причастного к нему персонала.

Тестирование печатных плат

Первая и самая главная проблема – это исходные данные для создания тестовой программы. Конструкторская документация и спецификация на изделие предоставляются заказчиками в очень плохом виде с точки зрения применения для ICT. Чтобы грамотно, а, главное, быстро запрограммировать летающие пробники, нужен определенный набор файлов с понятным, правильным содержанием. И здесь, как уже говорилось выше, в спецификации может быть указан один компонент, а в электронном файле он совсем другой; названия компонентов могут быть на русском языке; некоторые поля вообще не заполнены; часть документации может быть в бумажном виде. Из САПР в принципе часто выгружают некорректные данные, формат которых неприменим для использования на установке и т.д. Причина этой проблемы, видимо, в одном и том же – разработчики и конструкторы изделий не в полной мере используют возможности сквозного проектирования САПР. Т.е., например, трассировкой печатной платы занимается один человек, а составлением спецификации и её актуализацией – другой. Хотя современные САПР позволяют это делать «в одном процессе», не допуская различий между файлами проекта и техдокументацией, но на данный момент в НПЦ «Полюс» это не получается.

На рис.4 представлен интерфейс программы на этапе тестирования ранее рассмотренного конденсатора С24. После всех сверок, загрузки данных, определения всех необходимых тестов для печатной платы и компиляции тест-плана, можно провести поэлементный анализ. В особенности тех элементов, которые требуют пристального внимания: задача оператора выбрать элемент с заложенными уже в тест-плане параметрами, программа сама выбирает контрольные точки (места контактирования летающих щупов с печатной платой программа определяет сама, см. рис.5 точки 1 и 2 выделены стрелочками).

Рис.4. Пример тестирования платы.

Результаты тестирования можно как вывести на экран, так и распечатать в виде чека.

Заключение

В ходе научно-исследовательской работы изучена система внутрисхемного и функционального электрического контроля печатных плат летающими тестовыми пробами SPEA 4060 MULTIMODE, ее программное обеспечение и технология проверки печатных плат в системе SPEA 4060 MULTIMODE.

Литература

1. Электрическое тестирование печатных плат. URL: http://pcb.jofo.me/566052.html (дата обращения: 20.01.2020).

2. Качество печатных плат. URL: http://tech-e.ru/2005_2_79.php (дата обращения: 20.01.2020).

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

4. Зайцев А. Тестирование печатных плат методом "летающих щупов" // Печатный монтаж. 2014. No 6. С. 140-144.

5. Установка электрического контроля с «летающими» пробниками SPEA 4060. URL: https://ostec-electro.ru/catalog/equipment/resheniya-dlya-proizvodstv-radioelektronnoy-apparatury/ustanovka-elektricheskogo-kontrolya-s-letayushchimi-probnikami-spea-4060/ (дата обращения: 28.10.2019).

5. https://ostec-3d.ru / (дата обращения 11.01.2020)

7. Электрический контроль печатных плат и узлов. URL: http://www.electronics.ru/journal/article/1136 (дата обращения: 20.01.2020).

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

9. Приходько И. Тестирование печатных плат //Электронные компоненты. 2003. No 8. С. 63-66.

10. Городов В. Методы электрического контроля печатных плат // Компоненты и технологии. Технологиивэлектроннойпромышленности. 2005. No 1. С. 68-71.

11. Korotkov, A.S Radio frequency identification systems. Survey Radioelectronics and Communications Systems, 59(3), pp.97-108. 2016.

12. Andrejev, V.G., Nguyen, T.P.Adaptive processing of signals on a background of clutter and noise. Radioelectronics and Communications Systems.58(2), pp.85, 2015

13. Nenashev A.V. Application of the theory of functional spaces in the modeling of nonlinear radio engineering devices. RadioelectronicsandCommunicationsSystems. 57 (8), с.333-342. 2014.

14. Lyasota, D., Morozov, V.M., Magro, V.I Recognition of conductive objects by the characteristics of the reflected electromagnetic wave. Radioelectronics and Communications Systems., 59 (7), с.293-300, 2016.

15. Duane Delfosse, Combination Grid — Prober Test // CircuiTree. 2002.

16. http://pcb.jofo.me/566052.html. (Дата обращения 20.01.2020).

17. http://tech-e.ru/2005_2_79.php. (Дата обращения 20.01.2020).

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

19. www.pcbfab.ru. (Дата обращения 20.01.2020).

20. www.new-system.com. (Дата обращения 20.01.2020).

21. https://studfiles.net.(Дата обращения 20.01.2020).

22. https://habr.com/post/190012/, (Интерфейс JTAG? — Это очень просто!). (Дата обращения 20.01.2020).

23. http://ostec-vacuum.ru/upload/iblock/352/vvt4-39.pdf.(Дата обращения 20.01.2020).

Код для цитирования: Скопировать