Proč je potřebné testování desek plošných spojů
Testování elektroniky, zejména desek plošných spojů PCB, je nesmírně důležité, jelikož předchází vzniku mnoha problémů. Pro lepší pochopení toho, jak testování PCB může zlepšit vaše výrobky, se dozvíte více i o tom, co testování PCB obnáší a jaké primární metody se používají k hodnocení PCB.
Testování desek plošných spojů je nezbytné z několika důvodů.
Za prvé, testování PCB v průběhu celého výrobního cyklu pomáhá předcházet problémům a chybám v konečné výrobní sérii. Identifikování a oprava problémů v raných fázích výroby je mnohem efektivnější a levnější než oprava vadných desek po jejich dokončení.
Za druhé, testování PCB umožňuje minimalizovat chyby a problémy během samotného výrobního procesu. Techniky analýzy návrhu mohou být použity již v počátečních fázích, aby se identifikovaly potenciální problémy, které by mohly ovlivnit výrobní proces. To umožňuje provést nezbytné úpravy a optimalizace ještě před samotnou výrobou.
Za třetí, testování PCB se zaměřuje na detekci zkratů, vadných pájecích spojů a funkčnosti desek. Tyto testy se provádějí na prototypových deskách nebo malých sériích a zajišťují, že každá deska plošných spojů, která projde testováním, bude fungovat správně a splní požadavky a očekávání.
Celkově je testování desek plošných spojů klíčové pro zajištění kvality a spolehlivosti elektronických výrobků. Pomáhá minimalizovat riziko vadných desek, snižuje náklady na opravy a zvyšuje důvěru v produkt před jeho uvedením na trh.
Společnosti vnímají testování desek plošných spojů jako nezbytnost, protože poskytuje mnoho výhod.
Hlavní výhody testování desek plošných spojů:
- Identifikace chyb: Testování PCB pomáhá identifikovat problémy v desce plošných spojů, ať už se jedná o problémy s funkčností nebo vyrobitelností.
- Úspora času: Testování desek plošných spojů v raných fázích umožňuje úsporu času v dlouhodobém horizontu. Pomocí testování mohou návrháři identifikovat hlavní problémy během fáze prototypování a rychle je opravit, což zkracuje celkový čas výroby.
- Snížení nákladů: Testování PCB předchází výrobě vadných desek a snižuje náklady spojené s jejich opravou. Prostřednictvím prototypů a testování v malém měřítku se minimalizují výrobní náklady a zajišťuje se kvalita a spolehlivost výsledného výrobku.
- Snížení vrácených produktů: Testování PCB snižuje riziko prodeje vadných výrobků nebo výrobků, které nesplňují požadované normy. Tím se snižují náklady spojené s vrácením peněz zákazníkům a manipulací s vadným zbožím. Méně vrácených produktů také zvyšuje spokojenost zákazníků a zlepšuje pověst společnosti.
- Zvýšená bezpečnost: PCB se často používají v kritických elektronických technologiích, a proto selhání desky plošných spojů může mít vážné následky. Testování před výrobou zajišťuje, že desky jsou bezpečné a nepředstavují riziko pro zdraví a životy lidí. Zabraňuje také poškození zařízení a zranění pracovníků během výrobního procesu.
Co je testování PCB a co se testuje?
Testování a kontrola desek plošných spojů zahrnuje širokou škálu metod, které slouží k ověření dodržování standardů desek plošných spojů. Tyto standardy se zaměřují na správnou funkci desky plošných spojů v souladu se specifikacemi projektu a na odhalení případných vad. K tomuto účelu se používají elektrické testery desek a další testovací metody.
Procedury testování desek plošných spojů provádějí analýzu několika komponentů desek. Tyto komponenty jsou pečlivě zkoumány, aby byla zajištěna jejich kvalita.
Mezi hlavní testované procesy patří:
Laminace: Kvalita laminace je klíčová pro životnost desky plošných spojů, protože odlupování laminátu může způsobit problémy s konečnou funkčností desky. Testování laminace se obvykle zaměřuje na odolnost laminátu proti odlupování vlivem síly nebo tepla.
Měděné pokovení a prokovy: Měděná fólie na desce plošných spojů je laminována na desku a zajišťuje její vodivost. Kvalita mědi je často testována, a to prostřednictvím analýzy pevnosti v tahu a prodloužení materiálu.
Pájitelnost: Testování pájitelnosti materiálu je důležité pro správnou funkci desky plošných spojů, protože zajišťuje, že komponenty mohou být správně připájeny k desce a zabrání vadám v pájení v konečném výrobku. Nejčastěji se zkoumá schopnost povrchu přijímat pájku a jak dobře se pájka smáčí.
Kvalita stěny otvoru: Kvalita stěny otvoru je dalším důležitým aspektem desky plošných spojů, který zajistí, že stěny otvorů neprasknou a nejsou zaneseny laminátem. Kvalita stěn otvorů je obvykle zkoumána za cyklického zatěžování a rychle se měnících teplot, aby se zjistilo, jak dobře odolávají tepelným změnám.
Elektrické vlastnosti: Elektrická vodivost je nezbytná pro každou desku plošných spojů, a proto je běžným testem schopnost desky plošných spojů vést elektrický proud s minimálním únikem.
Absorpce vlhkosti: Mnoho desek plošných spojů pracuje v prostředí s vysokou vlhkostí, a proto je běžným testem absorpce vlhkosti desky plošných spojů. Při těchto testech se váží deska před a po vystavení vlhkému prostředí a významné změny hmotnosti by mohly naznačovat selhání desky.
Čistota: Čistota desek plošných spojů se týká schopnosti odolávat environmentálním faktorům, jako je koroze a vlhkost. Obvykle se provádí analýza desky před a po vystavení různým podmínkám prostředí.
Jak se testují desky plošných spojů
Existuje několik metod testování desek plošných spojů a žádná z nich není univerzální a nezachytí všechny problémy ani nevyhoví požadavkům každého návrháře. Při výběru zkušební metody je důležité pečlivě zvážit, zda splňuje konkrétní potřeby vašeho výrobního prostředí. Existuje několik faktorů, které je třeba při výběru zvážit, včetně typu testovaného produktu, problémů, které chcete testovat, a spolehlivosti dané testovací metody.
Optická inspekce
Známá také jako AOI (Automatic Optical Inspection), je proces, při kterém se vizuálně kontroluje kvalita pájených spojů, správná poloha a osazení součástek na desce plošných spojů. Optickou inspekci lze provádět prostým okem, což je časté při prototypování a výrobě menšího rozsahu, nebo pomocí automatizovaných systémů, které obsahují pohyblivé kamery, jež snímají detaily desky s osazenými součástkami. Automatizovaný systém je naučen rozpoznávat správně osazené a vadné součástky a pájené spoje, a je schopen identifikovat chyby, jako jsou vadné pájení, chybějící součástky, zkraty a další defekty. Výsledky inspekce jsou zobrazeny operátorovi, který poté prověří, zda se jedná o skutečnou vadu na desce.
Při optické kontrole je však důležitá dostupnost testovaných oblastí pro vizuální inspekci, a proto je při návrhu desky plošných spojů klíčové vhodně rozmístit součástky s dostatečnými mezerami. Vzdálenost mezi součástkami je jedním z volitelných návrhových pravidel, které lze při návrhu kontrolovat. Další možností pro odhalení defektů je pohled nejen shora, ale také z náklonu, nebo pomocí endoskopického pohledu z boku pouzdra součástky. Tím lze získat detailnější informace o stavu osazených součástek a pájených spojů.
AOI metodou lze odhalit:
- nepřítomnost komponentů
- nesprávná komponenty na dané pozici
- posunutí nebo pootočení komponentů
- otočení komponentu či chybnou polaritu
- zkrat
- cizí předmět na desce
- nezapájený vývod
- zvednutý vývod
- chybně zapájený THT vývod
- rozdílná výška jednotlivých rohů BGA
Funkční testování FCT
Tato metoda se často používá při testování levnějších výrobků nebo jako součást závěrečné kontroly. V rámci tohoto testu se výrobek testuje jako celek bez detailní kontroly vnitřních signálů. Tester pomocí speciálních propojovacích kabelů přivádí budicí signály na vstupy výrobku a kontroluje odezvu na výstupech. Pokud je zařízení vybaveno programovatelnými komponenty, obvykle se do nich nahrává testovací firmware, který usnadňuje detekci chyb. Tento typ testování obvykle vyžaduje interakci operátora. U pokročilejších testerů jsou operátoři nahrazeni roboty a specializovanými automatizovanými systémy. Tyto automaty provádějí kontrolu mechanických dílů a indikačních prvků, jako jsou LED diody, displeje, zvukové signalizace, tlačítka apod.
Touto metodou testování je odhalí:
- funkčnost dle zadání
Funkční testování je zejména vhodné pro výrobu menšího rozsahu a malé série, protože cena testeru pro funkční testování je relativně nízká. Je však důležité zvážit, jak vyvést důležité signály na konektor. Při této metodě mohou nastat kompromisy při simulaci elektromechanických prvků nebo při kontrole displejů pomocí kamery atd.
Testování ICT
Metoda elektrického testování (In-Circuit Testing, ICT) je široce využívanou metodou pro testování elektronických zařízení po osazení plošného spoje. Dokáže elektricky změřit přítomnost a statické hodnoty součástek. Princip vnitroobvodového elektrického testu spočívá v měření signálů přímo na desce plošných spojů. Systém generuje budicí signály a následně se kontroluje, zda je reakce obvodu správná. K testování se využívají speciální testovací jehlové kontakty, které jsou připojeny k měřenému výrobku. Každá deska plošných spojů, která je testovaná touto metodou, musí obsahovat "testpointy" nebo testovací body, obvykle umístěné na spodní straně desky.
Z toho je patrné, že je nutné výrobek připravit pro tento typ testování již během vývoje desky. Deska musí být navržena tak, aby bylo možné spolehlivě a opakovatelně připojit každý testovací bod na desce pomocí testovacích jehel.
Návrh testovacích bodů na desce musí splňovat nejen základní pravidla pro návrh desky plošných spojů, ale také technologické požadavky pro výrobu, osazení a pájení. Samotné testovací jehly jsou speciální výrobky, které zajišťují pružný kontakt s deskou. Vršek jehel má ostré hrany nebo hroty, které odstraní povrchovou vrstvičku nečistot na pájeném spoji a zajišťují malý přechodový odpor pro proud, který jimi prochází při testu. Testovací ploška na desce by měla odpovídat velikosti a povrchové úpravě jehly.
Touto metodou lze:
- zkontrolovat přítomnost součástek
- zkontrolovat orientaci součástek
- otestovat správnou hodnotu pasivních komponent
- odhalit zkraty
- odhalit rozpojení vzniklá chybným připájením součástek
- měřit základní obvodové veličiny a vyhodnotit, zda osazení PCB proběhlo v pořádku
Důležitou částí je také vytvoření kombinace nebo sekvence testovacích signálů pro konkrétní desku. Počet testpointů sám o sobě není zárukou úspěšného testu. Často se vytváří sada nezávislých (ortogonálních) budicích signálů, jako je například "putující jednička" nebo injekce zvlnění do analogové sítě, a testuje se, zda se tento signál dostane do správného místa a jestli dosahuje správné úrovně. Testování kompletně osazených PCB s testováním hodnot pasivních součástek a jejich dovolené tolerance, zkratů, a především kontroly funkčnosti, probíhá prostřednictvím kontaktního jehlového pole.
V rámci jehlového testování je třeba se zmínit o rozhraní JTAG – automatizovaném testování integrovaného obvodu. Dvě primární metody, automatizovaná optická inspekce (AOI) a automatizovaná rentgenová inspekce (AXI), jsou předchůdci tohoto řešení pro detekci poruch na začátku výroby.
JTAG (Joint Test Action Group)
Testování desky s mnoha cestami vyžadovalo něco jako lůžko s jehlami. Jak se hustota pinů zvyšovala a jak se přecházelo k balení ball-grid-array (BGA), byla nutná nová metoda testování.
A tak bylo v roce 1980 vyvinuto skenování, které bylo standardizováno a technologie se stala známou vývojářům a inženýrům jako JTAG.
Základní ideou této techniky je právě nahrazení pole hrotů integrovanými elektronickými "piny"-buňkami, které jsou implementovány v integrovaných obvodech tak, že oddělují jeho logické jádro od fyzických vývodů. Ty tak pracují jako "virtuální" sondy uvnitř součástky.
Jednotlivé buňky jsou vzájemně propojené a řízené logikou implementovanou na chipu daného integrovaného obvodu společně s funkční logikou JTAG. To umožňuje aplikovat sériové načítání externích testovacích vektorů simulujících hodnoty vstupních a výstupních pinů a následně získávat výsledné hodnoty. Činnost vstupních a výstupních buněk je řízena čtyřmi nebo pěti vodiči TAP.
Test připojení JTAG ověří, že připojení kolem zařízení s povoleným JTAG na desce jsou stejná jako ta, která jsou specifikována v návrhu.
Tento systém dokáže v přímém módu najít na osazené desce následující chyby:
- Zkrat mezi přímo testovatelnými spoji
- Zkrat testovatelných spojů na napájení (log.1) nebo na zem (log.0).
- Přerušení testovatelných spojů
FPT - Flying Probe testování
Flying Probe je elektrické testování a v současné době nejflexibilnější metodou testování PCB u prototypové výroby. Je založená na podobném principu jako ICT.
Doslova létající sondy je alternativní testovací metoda pro ověřování integrity sestavené desky plošných spojů, avšak se tento systém liší od předchozího ICT testování tím, že namísto pevného testovacího zařízení je kolem každého testovacího bodu na desce umístěno pouze několik sond, mohou být 2–8 sond s jehlou. Systém létajících sond je snadno instalovatelný a cenově dostupný, nevyžaduje drahé testovací přípravky. Navíc lze jednoduše přeprogramovat jakékoli změny desky, které vyžadují úpravy v testovacím systému.
Nevýhodou FPT je, že je pomalá. Zatímco ICT dokáže okamžitě otestovat téměř všechny body na desce, systém FTP musí manévrovat každou sondou k jednotlivému testovacímu bodu. Nicméně pro prototypy nebo malosériovou výrobu může být použití Flying Probe testování velmi přínosné.
Gatema PCB a. s. jako jeden v nejlepších evropských výrobců prototypových desek plošných desek využívá pro elektrické testování neosazených DPS špičková zařízení pro Flying probe testování ATG A5 až ATG A7 s osmi jehlovými sondami.
Průmysl 4.0 vnáší do elektrotechniky inteligentní testování
Principy Průmyslu 4.0, které se postupně prosazují ve všech průmyslových odvětvích včetně elektrotechnického. Do tohoto principu přesně zapadá metoda Test-it-off neboli metoda automatizované kontroly PCB a výrobků pomocí robotického systému, který slučuje více metod kontroly najednou. Tento systém umožňuje komunikaci mezi různými výrobními uzly a dokáže plynule reagovat na jakékoli změny nebo požadavky kontroly.
Test-it-off využívá inteligentní robotický systém, který je zodpovědný za automatizaci procesu testování desek plošných spojů, přináší objektivitu do testovacího procesu a zároveň generuje přesné statistiky o stavu výroby.
Díky principům Průmyslu 4.0 a komunikaci mezi výrobními uzly je Test-it-off schopen rychle reagovat na změny v prostředí výroby. Například pokud dojde ke změně specifikací desky nebo se objeví nové požadavky, systém se automaticky přizpůsobí a začne provádět příslušné testy. Tímto způsobem se zajišťuje pružnost a efektivita výrobního procesu.
Důležitou součástí Test-it-off je také sběr dat a generování statistik o stavu výroby. A tak lze sledovat a analyzovat výkonnost výrobního procesu, identifikovat případné nedostatky a provádět nezbytná zlepšení.
Celkově lze říci, že systém Test-it-off vnáší do elektrotechnického průmyslu výhody a inovace spojené s principy Průmyslu 4.0. Díky komunikaci mezi výrobními uzly a inteligentnímu robotickému systému je zajištěna pružnost, objektivita a efektivita ve zkušebním procesu PCB, což přispívá ke zlepšení výrobního prostředí a kvality výsledných produktů.
Spojte se s našimi odborníky: