Применение шариковых пробников для улучшения доступа при тестировании Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

Эльфрид КИРС

[email protected]

Теперь новейшие технологии снятия сигнала вновь позволили внутрисхемному тестированию стать главным оружием в арсенале инженера технического контроля. Стратегии тестирования были изменены так, чтобы уменьшить сложность и стоимость функционального тестирования и заменить его режимами структурного и электрического тестирования, основанными на автоматическом контроле в составе производственной линии и внутрисхемном тестировании.

Чтобы узнать о реальных результатах такого подхода, давайте познакомимся с деятельностью компании Рго^уе, ее головной офис находится в Нидерландах.

Компания Рго^уе основана в 1993 году для оказания различного рода услуг в сфере проектирования и производства. Основные направления ее деятельности — цифровая обработка сигналов и силовая электроника. Компания создала множество инновационных продуктов в этих областях, включая устройства обработки изображений, управления перемещением и робототехнику. Рго^уе сотрудничает с рядом крупнейших европейский компаний, работающих в сфере полупроводниковых приборов, медицинской и промышленной электроники.

В настоящее время в трех структурных группах фирмы работают более 250 служащих. Группа цифровых схем специализиру-

Применение шариковых пробников

для улучшения доступа при тестировании

Первые разработки в области внутрисхемного тестирования в 1970-х годах стимулировались высокой стоимостью, сложностью, неполным обнаружением неисправностей и неудобством в обслуживании производственных систем функционального тестирования. В результате внутрисхемное тестирование стало более популярным, чем функциональное тестирование в конце производственного цикла. Однако в 1990-х сама концепция внутрисхемного тестирования оказалась под угрозой. Рост сложности печатных плат и затруднение доступа означали, что сфера внутрисхемного тестирования сужается при одновременном возрастании затрат. Поэтому направление стратегии тестирования еще больше сместилось в сторону автоматического обследования, включая обследование паяльной пасты, оптическое и рентгеновское обследование. И вслед за этим появилась новая технология функционального тестирования с применением встроенных тестов — периферийное сканирование.

ется в области цифровой обработки сигналов, группа смешанных сигналов — в сфере силовой электроники, а группа электронных услуг решает производственные задачи для собственных нужд компании и внешних заказчиков.

На первых этапах своего развития компания Prodrive приняла решение создать собственное производство. И поскольку основным требованием было качество, с первых же дней компания внедрила сложную систему статистического контроля и управления качеством на основе собственной базы данных. Используемая стратегия тестирования поддерживала эту систему с помощью автоматизированного контроля в составе производственной линии и функциональных тестов. В первой производственной линии применялась система контроля паяльной пасты Agilent SP50, автоматизированная система оптического контроля Agilent SJ50 и система рентгеновского контроля Agilent 5DX. За ними последовали собственные системы функционального тестирования, использующие функции периферийного сканирования, встроенные в продукты в соответствии со строго соблюдаемыми принципами проектирования с учетом технологических требований.

Эта стратегия тестирования, являясь частью интегрированной методики управления качеством, позволила компании достичь бо-

лее чем 95% выхода продукции, годной с первого предъявления, и уровня производственных дефектов менее чем 10х10-6. С момента построения первой производственной линии компания Prodrive существенно выросла и теперь имеет три отдельные производственные линии, каждая из которых оборудована системами автоматизированного контроля компании Agilent.

Руководство компании Prodrive считает стратегию технологического тестирования оптимальной. Однако проблемы начались в области функционального тестирования. Особые сложности возникли с одноплатным контроллером роботов, функциональное тестирование которого вызвало проблемы. Плата была достаточно большой (ее размер превышал лист A3) и содержала схемы цифровой обработки с контроллером перемещения по четырем осям. Схема цифровой обработки содержала высокоскоростные процессоры, ПЛИС'ы и ЦСП. В схему контроллера движения входили силовые цепи управления двигателем. По краям платы располагалось 14 отдельных разъемов, так что само подключение платы к системе тестирования уже вызывало определенные трудности. Функциональные тесты выполнялись очень долго, и даже встроенный тест, включающий периферийное сканирование, не обеспечивал требуемой полноты обнаружения неисправностей.

Ширина шарика

н

Шарик

і Длина шарика і

к--------------Н

Шарик

Маска Маска V м Си

Стеклотекстолит (FR4) (размер по оси X) Стеклотекстолит (FR4) (размер по оси Y)

Высота

шарика

Рис. 1. Схема шарикового пробника

Тим Коене, менеджер по технологии группы смешанных сигналов, так вспоминает эту ситуацию: «У нас уже были некоторые сомнения по поводу функционального тестирования, из-за присущей ему сложности, дороговизны и плохой эксплуатационной технологичности. Но эта плата поставила под сомнение всю стратегию тестирования».

Тогда Тим возглавил поиски альтернативного решения: «Мы уже рассматривали внутрисхемное тестирование в качестве альтернативы электрическому тестированию. Основной проблемой был доступ. Для выполнения сложных тестов нам нужен был более свободный доступ, чем это могла обеспечить конструкция платы».

Внутрисхемное тестирование основано на применении поля игольчатых контактов, которое представляет собой матрицу пробников, контактирующих с контрольными точками печатной платы. Традиционный подход заключается в размещении на печатной плате контрольных точек (площадок) и в применении игл или пробников с острыми головками для подключения к этим площадкам. Острые пробники обычно проникают сквозь любые загрязнения на поверхности контрольной площадки и обеспечивают надежный контакт. После подключения система внутрисхемного тестирования может выполнять параметрические и/или аналоговые/цифровые функциональные тесты для оценки правильности функционирования тестируемой цепи.

Однако контрольные площадки на печатной плате занимают лишнее место. Чтобы обеспечить надежное соединение, диаметр контрольной площадки должен быть не менее 0,89 мм, что по площади равно примерно 0,62 мм2. Сама по себе эта площадь невелика, однако контрольные площадки должны располагаться в свободных местах платы, то есть на некотором расстоянии от компонентов. Также следует предусмотреть «запретную» зону, чтобы пробники контактировали только с контрольными площадками и не прикасались к окружающим компонентам. Это значит, что площадь, доступная для размещения контрольных площадок, значительно меньше общей площади платы, и поэтому найти место для размещения большого числа контрольных площадок трудно. Причем с ростом плотности монтажа эта проблема становится острее.

К тому же, контрольные площадки могут отрицательно влиять на технические характеристики платы. Это особенно касается цепей высокоскоростного обмена. Скорости передачи данных и тактовые частоты современных устройств могут быть настолько высоки, что при их проектировании приходится учитывать теорию высокочастотных линий передачи. Добавление контрольной площадки к проводнику такой линии может пагубно сказаться на характеристиках цепи, причем до такой степени, что добавление площадки

может сделать схему неработоспособной. И это особенно плохо, потому что именно в этих зонах платы зачастую необходим дополнительный доступ для более полного обнаружения неисправностей.

Для преодоления этих проблем компания Agilent Technologies предложила новый метод шариковых пробников. Шариковый пробник в корне меняет парадигму снятия сигнала. Вместо применения больших контрольных площадок на печатной плате и остроконечного пробника этот подход предполагает применение маленького контрольного «пробника» на печатной плате и плоской головки в контактном приспособлении. Роль этого маленького контрольного «пробника» играет шарик. Он представляет собой капельку припоя на дорожке печатной платы (рис. 1, 2), которая имеет ту же ширину, что и сама дорожка, заданную длину (обычно в 3-5 раз превышающую ширину дорожки) и высоту (обычно 0,1 мм). Такой подход позволяет решить сразу две описанные ранее проблемы. Он не требует дополнительного места на печатной плате и не ухудшает характеристик сигнального тракта.

Рис. 2. Внешний вид шариковых пробников

Компания Prodrive уже проводила исследования в области технологии шариковых пробников, которые дали положительные результаты, а собственные исследования Тима Коене показали, что такой подход приемлем для одноплатных контроллеров.

Основное преимущество метода шариковых пробников для компании Prodrive заключалось в том, что его можно было применить к уже существующим платам. Это позволяло обойтись без переразводки печатных плат, что потребовало бы заново выполнять процедуры утверждения и подписания проектной документации заказчиком.

Реализуя технологию шариковых пробников, компания Prodrive учитывала три аспекта — процесс пайки, реализацию в программе проектирования и контактное приспособление. В ходе первых исследований были изготовлены пробные платы с шариковыми пробниками, и полученные результаты способствовали продвижению проекта одноплатного контроллера.

Шариковый пробник изготовляется точно так же, как и другие паяные узлы платы. Защитная маска имеет отверстие в том месте дорожки, куда надо нанести шариковый пробник. Затем над этим отверстием делается новое отверстие в трафарете для нанесения паяльной пасты. Это отверстие намеренно делается большим, чтобы точно контролировать объем металла, образующего шарик. Паяльная паста для формирования шариков наносится в процессе общего нанесения паяльной пасты. В процессе оплавления припой плавится и стягивается к медной дорожке, благодаря тому, что медь смачивается жидким припоем, а материал маски — нет. Поверхностное натяжение жидкого припоя преодолевает силы тяготения, заставляя поверхность капли искривляться и приподниматься над маской. Затем припой застывает, превращаясь в шариковый пробник. Отверстие в защитной маске определяет внешние размеры шарика.

Высота шарика определяется двумя факторами — объемом нанесенного припоя и величиной отверстия трафарета. Отверстие в маске делается прямоугольным с закругленными углами, причем ширина этого отверстия соответствует ширине дорожки. Шарик вытягивается вдоль дорожки. Отверстие в трафарете для нанесения припоя имеет форму квадрата, повернутого на 45 градусов и отцентрованного относительно центра шарика. На рис. 3 показана плата, защитная маска и трафарет для нанесения паяльной пасты, наложенные друг на друга так, чтобы получился шариковый пробник.

«Процесс пайки оказался на удивление простым, а результаты получились впечатляющими», — сообщил Тим Коене. Особенно он отметил тот факт, что шариковые пробники, как выяснилось, самокорректируются в процессе пайки. Он пояснил: «Один раз мы за-

, W

Сн< —►£>

L t Отверстие в защитной маске дорожка

Отверстие в трафарете ▼ для нанесения припоя

Рис. 3. Плата, маска, наложение трафарета

метили, что маска на одной из плат оказалась сдвинута. Но, несмотря на это, шариковые пробники сформировались правильно». Было высказано предположение, что силы поверхностного натяжения притягивают припой к дорожке, даже если маска немного смещена.

Шариковые пробники необходимо предусматривать на печатной плате еще на стадии проектирования. Они должны быть встроены в библиотеку программы проектирования и размещены на верхней или нижней стороне платы. По своим характеристикам они аналогичны проходным отверстиям, но есть и одно важное отличие. Проходные отверстия всегда имеют круглую форму, поэтому один элемент библиотеки можно использовать для всех проходных отверстий, и при этом операция поворота к нему не применима.

В отличие от проходных отверстий шариковые пробники имеют прямоугольную форму со скругленными углами и определенное направление установки, совпадающее с направлением дорожки. Библиотечные компоненты для стандартных шариковых пробников были уже разработаны в рамках системы проектирования компании Prodrive. Поэтому команда Т. Коене могла легко взять их и применить прямо на своей плате.

При проектировании шариковых пробников следует обозначать приводные метки или «запретные» зоны, учитывающие геометрию используемых плоских головок. Эти зоны вокруг пробников не должны содержать других компонентов или проводников. Это исключает возможность прикосновения к элементам, высота которых превышает высоту шарикового пробника. Для этого также используются средства автоматизированного проектирования.

После учета всех этих факторов добавление шариковых пробников в процессе разводки платы схоже с добавлением любого другого библиотечного элемента.

Поскольку концепция шариковых пробников ничем не отличается от традиционного поля игольчатых контактов, она позволяет использовать те же методы проектирования и изготовления. Впрочем, существует одно затруднение, заключающееся в том, что в большинстве случаев на платах есть и шариковые пробники, и традиционные контактные площадки. Тем не менее, нет никаких причин, препятствующих замене всех контактных площадок шариковыми пробниками, что позволило бы решить эту проблему. Для Prodrive компания Agilent сконструировала контактное приспособление с применением как традиционных, так и больших датчиков с плоской головкой.

Специалисты отметили надежность этого приспособления. Отладка программы тестирования и контактного приспособления проводилась на ограниченном числе образцовых плат. В ходе отладки каждая плата подверглась многократному подключению контактного приспособления. Счетчик зафиксировал 600 подключений контактного приспособления, что составило от 100 до 200 подключений к каждой плате. В ходе этого процесса контролировалось качество контакта с тестируемой платой.

«Полученные результаты были воистину удивительными, — отметил Тим. — Контактные приспособления отлично подходят для выполнения технического обслуживания и ремонта, когда приходится тестировать платы, долго проработавшие в полевых условиях». Одна из причин этого успеха заключается в самой природе шариковых пробников. Игольчатый пробник уже через несколько циклов может вызвать физическое повреждение контрольной площадки. Известны даже случаи, когда игольчатые пробники прокалывали печатную плату. Плоские головки, применяемые с шариковыми пробниками, более «мягкие». И хотя для преодоления поверхностных загрязнений приходится прилагать значительные усилия, которые приводят к продавливанию верхней части шарика (рис. 4), это не приводит к критическим повреждениям, свой-

Рис. 4. Сплющивание вершины шарика

ственным традиционным методам снятия сигнала.

В результате этих исследований было принято решение о пересмотре стратегии тестирования одноплатных контроллеров. Функциональное тестирование контроллеров в конце производственной линии больше не проводилось. Теперь все структурное и электрическое тестирование выполнялось прямо на линии с помощью систем автоматического контроля и внутрисхемного тестирования компании Agilent. Все три производственные линии компании Prodrive были полностью оборудованы контрольными системами и внутрисхемными тестерами Agilent. Функциональное тестирование и климатические испытания выполняются, как и прежде, на этапе сборки узлов.

В результате применения этой методики время тестирования значительно сократилось. Функциональный тест платы контроллера занимал 15 минут. Внутрисхемный тест занял 90 секунд. Поэтому компания Prodrive решила, что в течение следующих 6-12 месяцев применит новую концепцию внутрисхемного тестирования к другим 60 платам.

После успешного завершения проекта по оптимизации тестирования платы контроллера Тим Коене сделал оптимистичный вывод: «Шариковые пробники дали нам дополнительную свободу и позволили обойтись без функционального тестирования плат в конце производственной линии. Теперь мы можем эффективно применять внутрисхемное тестирование, не засоряя плату традиционными контрольными площадками».

На плате контроллера шариковые пробники применялись лишь там, где это было необходимо. Однако Тим Коене считает это переходным этапом: «Внутрисхемный тест может делать многие вещи, недоступные функциональному тесту, и главной проблемой здесь была проблема доступа. Шариковые пробники позволяют решить эту проблему. Реализация шариковых пробников легко встраивается в программы автоматизированного проектирования и в процессы нанесения припоя, так почему бы не перейти на 100%-ное применение шариковых пробников?»

В середине 1970-х годов внутрисхемное тестирование стали применять повсеместно, и оно оставалось преобладающей технологией тестирования в течение двух десятилетий. Инновационная технология шариковых пробников снова выводит внутрисхемное тестирование на первое место. ■

Литература

1. Паркер К. П., Демилл Д. Стратегия автоматизированного проектирования шариковых пробников для внутрисхемного тестирования // Материалы международной метрологической конференции. Документ 18.2. Санта-Клара, Калифорния, октябрь 2007 г.