Testowanie PCB. Testery ostrzowe

W odróżnieniu od testerów z ruchomymi sondami, które posiadają niewielką liczbę głowic pomiarowych (zwykle 4) w testerach ostrzowych wykorzystuje się znaczną liczbę nieruchomych sond pomiarowych, które występują w postaci igieł o zróżnicowanych średnicach (rys. 1). Średnice igieł dopasowane są do powierzchni pól kontaktowych punktów testowych obwodu drukowanego, przy czym do średnicy 1,8 mm stosowane są igły sztywne, a powyżej tej granicy sprężyste – wyposażone w dodatkowe sprężynki poprawiające elastyczność.

(a)

(b)

Rys. 1. Rożne typy igieł widoczne od strony obwodu drukowanego (a) oraz pomiędzy płytami adaptera (b).

Igły zapewniają połączenie elektryczne pomiędzy wybranymi punktami testowymi PCB a tzw. kasetą testera, która jest matrycą gniazd układu pomiarowego rozmieszczonych ze stałym rastrem. Jej rozmiar warunkuje obszar pola roboczego testera ostrzowego, a więc maksymalny rozmiar obwodu jaki można testować. W prostych jednostronnych testerach igłowych występuje pojedyncza dolna kaseta będąca podstawą do zamocowania adaptera. Taka konstrukcja pozwala testować obwód drukowany od jednej strony. Testery bardziej zaawansowane wyposażone są w dwie kasety i mogą wykorzystywać dwa adaptery, dzięki czemu badają jednocześnie obie strony obwodu.

Najbardziej powszechny raster gniazd kasety wynosi 100 mils (2,54 mm), co umożliwia zastosowanie ok. 16 igieł i kanałów pomiarowych na obszarze 1 cm² powierzchni PCB. W zależności od klasy urządzenia raster kasety może być gęstszy i wynosić 70 mils (ok. 1,78 mm) lub nawet 50 mils (1,27 mm), dając możliwość obsadzenia ok. 32 oraz 62 igieł i kanałów pomiarowych na 1 cm² powierzchni obwodu drukowanego.

Dla zagwarantowania prawidłowego i trwałego rozmieszczenia sond igłowych względem badanego obwodu drukowanego, przy równoczesnym zapewnieniu dobrego kontaktu elektrycznego igieł z punktami testowymi obwodu oraz gniazdami kasety, konieczne jest zastosowanie przystawki, nazywanej adapterem lub (z angielskiego) fiksturą (rys. 2).

Rys. 2. Przykładowy adapter zamontowany na dolnej kasecie w komorze testera.

Budowa adaptera

Przykładową strukturę adaptera jednostronnego przedstawiono na rys.3. Zawiera on cztery płyty wykonane z pleksiglasu (PMMA) o określonych grubościach. Płyty są powiercone względem siebie tak, aby dzięki elastyczności igieł dopasować ich rozmieszczenie wynikające z układu punktów testowych obwodu drukowanego do najbliżej położonych gniazd kasety. Prawidłowe dopasowanie do rastra kasety wymusza otworowanie dolnej płyty adaptera. Igły mogą swobodnie poruszać się pionowo i wsuwać się w gniazda kasety zapewniając połączenie elektryczne. Uzyskanie dobrego kontaktu elektrycznego wymaga zastosowania docisku pomiędzy badanym obwodem a adapterem i kasetą.
W testerze jednostronnym docisk realizowany jest przez ruchomy stolik, a w dwustronnym przez ruchomą górną kasetę. Elementy te napędzane są zwykle siłownikiem pneumatycznym poprzez układ dźwigni pozwalający regulować siłę docisku.

Rys. 3. Przekrój adaptera jednostronnego, dla kasety z rastrem 100 mils, z opisem elementów składowych.

Proces projektowania adaptera odbywa się przy wykorzystaniu dedykowanego oprogramowania i jest etapem przygotowawczym poprzedzającym właściwe testowanie. Przebiega on dłużej niż opracowanie programu do testowania dla testera palcowego dla tego samego obwodu. Oprogra­mowanie na bazie netlisty oraz rozmieszczenia zewnętrznych mozaik (a przez to punktów testowych) obwodu względem rastra gniazd kasety, dobiera współrzędne usytuowania i rodzaje sond igłowych.
W przypadku układów SMD o gęsto położonych polach lutowniczych stosuje się technikę przeciwsobnego rozsuwania igieł sąsiadujących pól (ang. staggering). Program rozmieszcza także dodatkowe elementy jak stożkowe kołki bazujące obwód drukowany wobec adaptera oraz różnego typu wsporniki zapewniające odpowiednią sztywność całej struktury w płaszczyźnie poziomej i jednocześnie elastyczność w kierunku pionowym. Na zakoń­czenie procesu projek­towania generowane są:

1. program dla testera ostrzowego określający jakie gniazda kasety będą punktami pomiarowymi obsadzonymi igłami,

2. programy wierceń CNC niezbędne do wykonania otworowania w płytach PMMA — głównych elementów składowych adaptera,

3. dokumentacja złożeniowa.

Na bazie tej dokumentacji wykwalifikowany pracownik montuje poszczególne elementy składowe adaptera w jednolitą strukturę. Jest to proces długotrwały, przy czym najbardziej czasochłonne jest obsadzenie adaptera igłami. W zależności od liczby igieł składanie adaptera jednostronnego może trwać do 1 godziny, a dwustronnego dwukrotnie dłużej. Z tego powodu, aby skrócić czas testowania projektów często powielanych, producenci PCB przechowują dla nich adaptery w stanie złożonym. Pozostałe adaptery archiwizowane są przez pewien okres czasu w stanie rozłożonym.

Procedura testowania

Właściwa procedura testowania polega na zamocowaniu adapterów testowanego projektu w kasetach testera zgodnie z kołkami bazującymi oraz wgraniu programu testu lub nauczeniu testera wzorcowej struktury sieci elektrycznych za pomocą tzw. złotej płytki (ang. golden board). Następnie odbywa się powtarzalna sekwencja następujących operacji: zamocowania, z uwzględnieniem kołków bazujących, obwodu/panela na dolnym adapterze, docisku górnej kasety testera, podczas której przeprowadzany jest właściwy test dla wszystkich badanych sieci oraz klasyfikacja uszkodzeń, wyjęciu testowanego obwodu z testera. Po podniesieniu górnej kasety wynik testu pojawia się na dołączonym monitorze, a w przypadku wykrycia nieprawidłowości generowana jest informacja zwrotna dla stacji napraw.

Procedura testowania wykorzystuje znaczną liczbę torów pomiarowych testera ostrzowego.

Dla przykładowego testera dwustronnego o polu roboczym kaset 25,6 x 19,2 cala i rastrze 70 mils wynosi ona prawie 200 tysięcy.

Tak znaczna liczba torów pomiarowych testera, która z jednej strony świadczy o dużej komplikacji układowej oraz rozbu­dowaniu całego bloku pomiarowego (rys. 4) i klasyfikacji uszkodzeń, jest jednocześnie zasadniczym atutem tej techniki testowania, gdyż pozwala na przepro­wadzanie testów ciągłości i izolacji na wielu sieciach równocześnie. Współbieżność taka redukuje czas testowania do zaledwie pojedynczych sekund, który jest nieporównywalnie krótszy od czasu testowania tego samego obwodu na testerze palcowym. Wydajność testowania adapterowego może dochodzić do kilku tysięcy punktów testowych na sekundę niezależnie od rozkładu punktów testowych. Dla porównania testery palcowe osiągają zbliżono ilość punktów testowych w czasie minuty, ale ich wydajność zależy do rozkładu punktów testowych.

Rys. 4. Tory pomiarowe górnej kasety umieszczone na zamocowanych pionowo kartach pomiarowych.

Krótki czas testu zapewnia dużą wydajność testowania, która może być nawet 5-krotnie większa niż dla testera palcowego. Z tego powodu testery ostrzowe wykorzystywane są do testowania elektrycznego dużych serii produkcyj­nych obwodów drukowanych. Z uwagi na więk­szą czasochłonność etapu przygotowawczego, w którym opracowywany jest program do testowania oraz wykonywany i skła­dany adapter, istnieje minimalna liczba formatów produkcyjnych, powyżej których testowanie adapterowe staje się znacznie bardziej wydajne od palcowego. Zwykle granicą opłacalności testu igłowego jest kilkanaście formatów produkcyjnych.

Firmy produkujące testery ostrzowe oferują dodatkowe techniki zwiększające wydajność testowania. Najczęściej są to jednak rozwiązania sprzętowe obejmujące zautomaty­zowane systemy załadunku i rozładunku obwodów (rys. 5). Wynika to z faktu, że ręczny załadunek i rozładunek pojedynczego obwodu trwa dłużej niż etapu właściwego testowania. Drugim kierunkiem optymalizacji wydajności jest zwiększanie powierzchni roboczej testera umożliwiające testowanie adapterowe całych formatów produkcyjnych.

Rys. 5. Tester ostrzowy firmy Mason z automatycznym załadunkiem i rozładunkiem obwodów.