Автоматическое тестовое оборудование с подвижными пробниками в производстве электронных изделий
Необходимость изготовления тестовых адаптеров для каждого изделия является серьезным недостатком, ограничивающим применение электрического тестирования электронных изделий на стадии производства. Для предприятий с мелкосерийным многономенклатурным производством (коих в России большинство) применение такой технологии вообще невозможно. Тем не менее, очень часто требуется выпускать продукцию, имея крайне ограниченное время на ее тестирование и контроль. Где же выход?
При электрическом тестировании электронных изделий на стадии производства долгое время применялись системы с тестовыми адаптерами типа "поле контактов" (bed-of-nails). Такой метод обеспечивает одновременный доступ ко всем цепям тестируемого изделия и, соответственно, высокую производительность контроля. Никто не оспаривает необходимости адаптерного тестирования в случае серийного производства продукции или выпуска электроники ответственного назначения. Однако серьезным недостатком, ограничивающим применение такой технологии, является необходимость изготовления тестовых адаптеров для каждого изделия, что приводит к дополнительным финансовым затратам и потере времени при освоении новых изделий. Для предприятий с мелкосерийным многономенклатурным производством, каковыми является большинство предприятий в России, применение такой технологии вообще невозможно. Отметим, что использование адаптеров предъявляет к проверяемым платам ряд повышенных требований по тестопригодности (наличие и размер тестовых площадок или переходных отверстий), которые часто просто невозможно выполнить на современных платах с высокой плотностью монтажа. Кроме того, просматриваемая в последнее время тенденция производства все более сложных электронных изделий приводит к росту входов/выходов и повышению плотности монтажа. В таких электронных изделиях широко используются гибридные микросхемы, BGA, µBGA, Flip Chip, CSP, ASIC, компоненты поверхностного монтажа (SMD), планарные трансформаторы и т. д. Понятно, что при всем этом требуется и высокая надежность изделий, которая ужесточается в случае производства электронной продукции оборонного назначения, выпускаемая небольшими сериями при огромном количестве модификаций. Можно также добавить, что очень часто требуется выпускать изделия в самые сжатые сроки, имея крайне ограниченное время на их тестирование и контроль.
![Тестеры с подвижными пробниками S40 Pilot и S40 PilotLX](/images/arhiv/05_01/test1.jpg) Рис. 1. Тестеры с подвижными пробниками S40 Pilot и S40 PilotLX
Именно в таких случаях на помощь приходят тестеры электрического контроля с подвижными или "летающими" пробниками (Flying Probe Tester = FPT). В данной статье пойдет речь о тестере с подвижными пробниками S40 PILOT итальянской фирмы SEICA, часто реализуемым под торговой маркой мирового лидера тестового оборудования - американской компании Teradyne.
Место тестера в общей стратегии тестирования
Приведем таблицу, рассмотренную в предыдущей статье автора ("Автоматическое тестовое рентгеноскопическое оборудование в производстве электронных изделий", "КиТ" N 9'2004).
![](/images/arhiv/05_01/t1.gif)
Хорошо известно, что ни один из представленных в таблице 1 методов тестирования не позволяет обнаруживать 100% дефектов на выпускаемом электронном изделии. Поэтому необходимы новые тестовые стратегии, сокращающие время разработки тестового ПО и обеспечивающие быстрый и эффективный цикл ввода новой продукции в производство, предоставляя при этом высокий уровень выявляемости дефектов еще на стадиях разработки продукции. Для освоения новых видов продукции рекомендуются бесконтактные тестовые методы (неэлектрический контроль), такие как автоматический оптический (AOI) и рентгеноскопический контроль (AXI), а также автоматическое тестовое оборудование с подвижными пробниками (FPT), дающие высокий процент обнаружения брака и быстрое внедрение без дополнительных расходов и издержек на контактные устройства (адаптеры).
![Тестовое оборудование в производственной линии](/images/arhiv/05_01/test2.jpg) Рис. 2. Тестовое оборудование в производственной линии
Для подтверждения правильности выбора той или иной стратегии тестирования применяется специализированное программное обеспечение, предназначенное для его проектирования - DfT (Design-for-Test). Наиболее известной программой такого рода является фирменный продукт Strategist американской компании TERADYNE. Эта программа дает пользователям возможность разрабатывать оптимальные стратегии тестирования, которые способны максимально увеличить покрытие ошибок и эффективность контроля, ускорить выход на рынок качественного нового изделия и сократить время достижения планируемого объема производства (см. табл. 2). Полученный уровень разработки стратегий тестирования убеждает, что моделирование спектра дефектов и выявляемости дефектов для каждого вывода компонента, позволяют оптимизировать тестовое покрытие всего изделия и производительность. Программа Strategist анализирует конструкцию платы, моделирует конфигурацию производственной линии, оптимизирует стратегию контроля и тестирования. Это исключает ручную работу при распределении этапов тестирования и экономит большое количество производственного времени. Прозрачная архитектура программного обеспечения Strategist позволяет разрабатывать стратегию тестирования с учетом применения в ней 2D/3D-рентгеноскопических систем, AOI, внутрисхемных и функциональных тестеров, универсальных тестеров с подвижными пробниками, а также анализаторов производственных дефектов, независимо от поставщика оборудования. Другими словами, в оптимизированной с помощью Strategist стратегии тестирования может быть использовано тестовое оборудование от разных фирм производителей. Strategist позволяет найти оптимальное тестовое решение для технологий производства сложных электронных блоков в условиях ограниченного физического доступа к их электрическим цепям при тестировании.
![](/images/arhiv/05_01/t2.gif)
Как было отмечено выше, безадаптерные методы тестирования наиболее предпочтительны при освоении новых изделий. Поэтому в данном случае весьма эффективной является стратегия, которая объединяет использование методов AXI и AOI с методом FPT. Метод AXI используется для проверки качества сборки, а FPT обеспечивает электрическое покрытие ошибок. Так как оба метода безадаптерные, высокий уровень покрытия ошибок может быть получен за короткий период времени (по сравнению с методом ICT). Время для проверки обрывов и КЗ методом FPT часто является помехой при тестировании плат с большим количеством электрических цепей. Однако в сочетании с автоматическим AXI и AOI время верификации обрывов и КЗ методом FPT может быть значительно уменьшено, так как программа Strategist может спрогнозировать, какие обрывы и КЗ протестируются AXI + AOI, и поэтому не потребуют подтверждения FPT. Существенно сокращается число цепей, которые необходимы для зондирования во время тестирования обрывов и КЗ, что, в свою очередь, сокращает время работы методом FPT. В этом случае обеспечивается возможность бездефектного производства электронных модулей в условиях среднесерийного производства.
Обращаем особое внимание, что в качестве AXI-системы в таблице 2 может быть использована лишь встраиваемая в производственную линию автоматическая рентгеноскопическая система. По имеющимся у авторов данным, единственная удовлетворяющая указанным характеристикам AXI-система - XStation HS, производимая американской фирмой Teradyne. В качестве показательного примера применения встроенного в производственную линию AXI может служить его использование на производстве известной американской компании HMG. Номенклатура сложных электронных изделий данной фирмы содержит около 125 позиций. Средний объем производимой продукции при 7-дневной рабочей неделе с двухсменным графиком работы - приблизительно 10000 изделий в неделю. Среднее время тестирования электронного модуля (примерно 200 электронных компонентов) системой XStation HS составляет 20-30 секунд. За это время на каждом проверяемом модуле при фактически 100%-ном тестовом покрытии осуществляются следующие тесты:
- обрывы и КЗ;
- избыток и недостаток припоя на компонентах;
- отсутствие компонента;
- перекос компонента;
- контроль пайки микросхем в корпусах QFP, SOP, BGA, CSP и т.д.
Отметим, что использование в производственных линиях наиболее известных производителей электроники именно тестеров AXI позволяет поддерживать высочайшее качество выпускаемой продукции - на уровне 5-8 ppm (количество отказов на миллион изделий).
Особенности тестера с подвижными пробниками S40 PILOT
Тестер с подвижными пробниками имеет несколько тестовых головок с приводами по осям X, Y и Z. Тестовые головки (обычно четыре) перемещаются над испытываемой платой с большой скоростью. В это время электрические зонды ("подвижные пробники"), расположенные на каждой головке, вступают в контакт с переходными отверстиями и контактными выводами каждого устройства, расположенного на плате. Таким образом обеспечивается последовательный доступ к контрольным точкам тестируемого изделия.
![Работа тестера S40 Pilot с мультиплтцтрованной заготовкой](/images/arhiv/05_01/test3.jpg) Рис. 3. Работа тестера S40 Pilot с мультиплтцтрованной заготовкой
Некоторые технические характеристики тестера:
- - Быстродействие тестера - 70000 компонентов/с.
- - Шаг между контактными площадками - до 0,4 мм.
- - Минимальный размер контактной площадки состовляет 0,18 x 0,18 мм.
- - Рабочая область: 400 x 600 мм (610 x 610 мм для модели LX).
- - Максимальная высота компонентов 70 мм (со стороны подвижных пробников).
Отметим, что помимо четырех подвижных пробников, осуществляющих тестирование с верхней стороны платы, тестер имеет восемь фиксированных пробников, обеспечивающих контактирование с контрольными точками, расположенными с нижней стороны тестируемой платы. Количество фиксированных пробников (каналов) может быть увеличено до 1024, что позволяет тестировать сложную электронику через краевой разъем.
![Образец тестируемого на S40 Pilot электронного модуля](/images/arhiv/05_01/test4.jpg) Рис. 4. Образец тестируемого на S40 Pilot электронного модуля (128 компонентов, 86 цепей). Время тестирования - 30 сек.
Система S40 PILOT позволяет осуществлять следующие тесты:
- аналоговое тестирование или анализ производственных дефектов (MDA): короткие замыкания, обрывы цепей, номиналы резисторов, конденсаторов и индуктивностей, полноценная проверка полупроводниковых компонентов (диодов, стабилитронов, транзисторов), проверка трансформаторов и реле, а также выполнение многопроводных измерений. Расстановка блокирующих напряжений (guards) при создании тестовых программ выполняется автоматически.
- Внутрисхемное цифровое тестирование цифровых микросхем.
- Функциональное тестирование элементов, узлов, изделия в целом с подачей на тестируемое изделие питающего напряжения.
- Оптический видеоконтроль (AOI).
- Периферийное сканирование (Boundary Scan).
- Контроль качества пайки выводов поверхностно монтируемых микросхем в корпусах PLSS, QFP, BGA, SO с помощью комплекта емкостных пробников (2 подвижных сверху, 16 фиксированных снизу).
Требования к тестопригодности контролируемых изделий
![Контактирование пробника S40 Pilot (3-й слева) с установочной площадкой резистора](/images/arhiv/05_01/test5.jpg) Рис. 5. Контактирование пробника S40 Pilot (3-й слева) с установочной площадкой резистора
Одной из наиболее сильных сторон тестера с подвижными пробниками по сравнению с обычными адаптерными тестовыми системами является возможность тестирования сложных электронных изделий в условиях пониженных требований к их тестопригодности. Отметим, что, согласно рекомендациям Международного комитета по проблемам тестопригодности (SMA TESTABILITY COMMITTEE) для разработчиков электронных изделий, для эффективного использования автоматизированного тестового оборудования (ATE), обеспечивающего надежное контактирование тестируемых изделий с тестовым адаптером и точную локализацию возможных дефектов, необходимо гарантировать надежное контактирование тестовых пробников с тестируемым изделием. В случае применения тестовых адаптеров контактирование пробников должно осуществляться на специальные контактные площадки или в незакрытые маской переходные отверстия. Если эти условия не выполняются или выполняются не полностью, такие электронные изделия считаются полностью или частично нетестопригодными. Во многих случаях тестеры с подвижными пробниками позволяют обходить эту проблему, так как допускают контактирование подвижных пробников с установочными контактными площадками ПМ ИЭТ (поверхностно монтируемые изделия электронной техники). Заметим, что при этом не допускается их контактирование с выводами ПМ ИЭТ, так как контактное давление пробников может привести к прижатию непропаянных или не припаянных контактных выводов компонентов к контактным площадкам, маскированию дефектов "холодной пайки" и т. д.
Продолжение следует.
Игорь Марков, Игорь Рыков
|