Projektowanie urządzeń testowych PCB: technika gwoździ, sonda latająca i DFT

Przyrząd testowy PCB to specjalny uchwyt, który mocuje zmontowaną płytkę i dociska sprężynowe sondy do punktów testowych, umożliwiając testerowi automatyczne sprawdzenie płytki. Umożliwia on szybkie i powtarzalne testowanie produkcyjne — ale przyrząd działa tylko wtedy, gdy płytka została zaprojektowana z myślą o dostępie testowym. Niniejszy poradnik wyjaśnia, czym jest przyrząd testowy, czym różnią się metody „łożyska gwoździ” od metody „latającej sondy”, jak zaprojektować płytkę pod kątem testowalności oraz jak Highleap Electronics buduje i testuje płytki z odpowiednią strategią przyrządów.

1. Czym jest przyrząd testowy PCB?

Przyrząd do testowania PCB to specjalnie skonstruowany przyrząd, który precyzyjnie utrzymuje zmontowaną płytkę drukowaną i dociska szereg sprężynowych pinów „pogo” do pól testowych, łącząc płytkę z urządzeniem testowym w celu przeprowadzenia automatycznej kontroli. Stanowi on mechaniczny interfejs między konkretną płytką a testerem i umożliwia szybką i spójną weryfikację setek identycznych płytek.

Najpopularniejszą formą jest mocowanie typu bed-of-nails, w którym dziesiątki lub setki pinów pogo są ustawione w jednej linii z punktami testowymi, umożliwiając testerowi obwodu pomiar poszczególnych komponentów lub testerowi funkcjonalnemu sprawdzenie płytki jako całości. Ponieważ każde mocowanie jest obrabiane i okablowane dla jednego układu płytki, wiąże się to z kosztami początkowymi — dlatego wybór między dedykowanym mocowaniem a metodą bezmocniową (omówioną dalej) jest w dużej mierze ekonomiczny i zależy od wielkości produkcji.

2. Badanie metodą gwoździ kontra latająca sonda: który test pasuje do Twojego tomu?

Użyj oprzyrządowania z gwoździami w przypadku produkcji wielkoseryjnej, gdzie jego prędkość amortyzuje koszt oprzyrządowania, a testowanie metodą „fly-probe” w przypadku prototypów i małych serii, gdzie unikanie kosztów oprzyrządowania jest ważniejsze niż szybkość. Te dwa podejścia pozwalają na wyważenie kosztów początkowych w stosunku do czasu testowania płytki:

Przyrząd do testowania metodą „bed -of-nails” jest bezkonkurencyjny pod względem wydajności, gdy buduje się wystarczająco dużo płytek, aby go zamortyzować, natomiast testowanie metodą „flying-probe” nie wymaga żadnego przyrządu i jest idealne na wczesnym etapie, gdy projekt może się jeszcze zmieniać, a ilości są niewielkie. Wiele produktów zaczyna się od testowania metodą „flying-probe” w prototypach, a następnie przechodzi do testowania metodą „flying-probe” w produkcji. Poza kontrolami w obwodzie, oba te rodzaje testów można połączyć z testowaniem funkcjonalnym, które testuje płytkę tak, jak będzie wyglądał produkt końcowy.

3. Jak zaprojektować płytkę do dostępu testowego (DFT)

Projektuj z myślą o testowalności, umieszczając dostępne pady testowe w każdej sieci, którą chcesz testować, trzymając je po jednej stronie, dobierając ich rozmiar i rozmieszczając odpowiednio do pinów pogo oraz unikając padów pod wysokimi komponentami. Osprzęt może testować tylko to, co ujawnia układ, więc dostęp do testów jest decyzją projektową podejmowaną przed zamrożeniem płytki — dodanie go później jest kosztowne lub niemożliwe. Najważniejsze:

• Dostarcz podkładki testowe. Każda sieć, do której musi dotrzeć test, potrzebuje dedykowanej, dostępnej podkładki o odpowiednich rozmiarach i wyraźnym punkcie odniesienia na ziemi.
• Pozostaw dostęp do sondy po jednej stronie. Jednostronne pole sondy jest prostszym, tańszym i bardziej niezawodnym rozwiązaniem niż dostęp dwustronny.
• Zachowaj odstępy i strefy wyłączone z użytku. Piny pogo wymagają minimalnego odstępu i luzu, a wysokie części nie mogą blokować pola sondy.
• Zaplanuj testy funkcjonalne. Złącza, nagłówki i pady umożliwiające testerowi funkcjonalnemu sterowanie płytką i jej obserwowanie są częścią tego samego planu dostępu.

Ta dyscyplina stanowi sedno projektowania pod kątem testowalności i jest dokładnie tym rodzajem rzeczy, które wychwytuje przegląd przedprodukcyjny — płytka bez dostępu do sondy to problem, którego naprawa w systemie CAD jest znacznie tańsza niż po wycenieniu osprzętu.

4. Koszty wyposażenia testowego: kiedy wyposażenie się opłaca?

Dedykowane urządzenie testowe opłaca się, gdy wolumen produkcji jest na tyle duży, że szybki czas testowania pojedynczej płytki pozwala zaoszczędzić więcej niż początkowy koszt budowy – zazwyczaj przy średnich i dużych wolumenach, podczas gdy niskie wolumeny są tańsze w testowaniu bez użycia urządzenia. Ekonomia sprowadza się do prostego rozwiązania: urządzenie ma realny koszt początkowy, ale testuje każdą płytkę w kilka sekund, podczas gdy latająca sonda nie generuje kosztów, ale zajmuje kilka minut na płytkę.

W przypadku prototypu 10-płytkowego, budowa urządzenia rzadko ma sens; latająca sonda całkowicie eliminuje inwestycję. W przypadku tysięcy płytek, szybkość urządzenia wyrażona w sekundach na płytkę szybko przewyższa koszty budowy i staje się tańszą opcją. Crossover zależy od konkretnej płytki i ilości, dlatego strategię testowania najlepiej ustalić wspólnie z producentem w ramach planowania – tak samo jak produkcja niskoseryjna i wysokoseryjna wymaga różnych podejść testowych. Wybór niewłaściwej strategii albo marnuje pieniądze na niepotrzebne urządzenie, albo ogranicza linię produkcyjną o dużej objętości z powodu powolnych testów.

5. Wewnątrz oprawy z gwoździami: kołki pogo, płytki i sondy

Oprawa typu bed-of-nails składa się z trzech podstawowych elementów: szeregu sprężynowych pinów pogo, które stykają się z płytkami testowymi, płytki sondy z otworami, która utrzymuje każdy pin w dokładnym położeniu względem celu, oraz mechanizmu dociskającego płytkę do pinów. Zrozumienie tych elementów wyjaśnia zarówno, dlaczego oprawa jest precyzyjna, jak i dlaczego jest tak droga — każdy pin jest umieszczony w konkretnym układzie płytki.

Same piny pogo są jego sercem. Każdy z nich to maleńka sonda sprężynowa, która lekko się ściska, gdy płytka jest dociskana, zapewniając mocny, spójny kontakt bez uszkadzania padu, i są one wyposażone w różne style końcówek — ostre korony do przebijania tlenku lub pozostałości topnika, płaskie końcówki do padów ze złota — dobrane do wykończenia płytki. Piny osadzane są w precyzyjnie nawierconej płytce, dzięki czemu każdy ląduje w ułamku milimetra od celu, dlatego pady testowe wymagają odpowiedniego rozmiaru i odstępu; pady zbyt małe lub zbyt blisko siebie tworzą delikatne, zawodne mocowanie. Płytka jest utrzymywana za pomocą próżni lub prasy mechanicznej, dzięki czemu wszystkie piny stykają się jednocześnie, a mocowanie łączy te styki z powrotem do testera w obwodzie . Ponieważ całe pole pinów jest dostosowane do jednego układu, mocowanie jest narzędziem jednopłytkowym — powodem, dla którego jego koszt jest amortyzowany w stosunku do objętości i dlaczego niskie wolumeny preferują podejście bezuchwytowej sondy latającej.

6. Jak Highleap sprawdza i testuje Twoje deski

Highleap dopasowuje strategię testowania do wielkości i płytki – latające sondy dla prototypów i małych przebiegów, mocowania z gwoździami i testy funkcjonalne dla produkcji – i weryfikuje projekt pod kątem dostępu testowego przed zbudowaniem urządzenia. Poprzez testy funkcjonalne i testy w obwodzie, płytki są weryfikowane pod kątem zdefiniowanego przez Ciebie pokrycia, niezależnie od tego, czy obejmuje ono przerwy i zwarcia, wartości komponentów, czy też pełne działanie funkcjonalne.

Ponieważ jakość urządzenia jest tak dobra, jak zaprojektowany dostęp do płytki, rozpoczyna się ona od przeglądu możliwości produkcyjnych i testowych podczas montażu pod klucz , dzięki czemu brakujące pola testowe lub zablokowane obszary sondy zostaną wykryte, zanim staną się problemem dla urządzenia. Prosząc o wycenę, prosimy o podanie docelowej wielkości zamówienia, defektów, które test musi wykryć, oraz tego, czy urządzenie ma być w obwodzie, funkcjonalne, czy oba te elementy. Dzięki temu od samego początku będziemy mogli określić zakres odpowiedniego urządzenia i planu testów.

7. Najczęściej zadawane pytania dotyczące przyrządów testowych PCB

Czym jest pogo pin?

Pogopin to sprężynowa sonda pomiarowa z tłokiem, który ściska się po dociśnięciu do podkładki, zapewniając pewny i powtarzalny kontakt bez uszkadzania płytki. Szereg takich elementów w nawierconej płytce tworzy „gwoździe” w oprawie z gwoździami.

Jaka jest różnica pomiędzy urządzeniem ICT a urządzeniem do testów funkcjonalnych?

Urządzenie ICT bada poszczególne sieci, aby zmierzyć komponenty i łączność, podczas gdy urządzenie do testów funkcjonalnych łączy się z rzeczywistymi interfejsami płytki – zasilaniem, złączami i sygnałami – aby uruchomić ją jak produkt końcowy. Wiele linii produkcyjnych wykorzystuje oba te elementy sekwencyjnie.

Jak duże muszą być pola testowe dla danego urządzenia?

Pola testowe powinny być wystarczająco duże i rozmieszczone w odpowiednich odstępach, aby pin pogo mógł pewnie wylądować – zazwyczaj okrągłe, otwarte pola z jednej strony, z odstępem od wysokich elementów. Zbyt małe lub zbyt ciasno ułożone pola sprawiają, że urządzenie jest kruche i podatne na awarie.

Czy można przetestować płytkę PCB bez osprzętu?

Tak — testy z użyciem latającej sondy wykorzystują ruchome sondy, które nie wymagają specjalnego osprzętu, a bezkontaktowa inspekcja AOI i rentgenowska odbywa się bez dotykania płytki. Te testy są przeznaczone dla prototypów i małych serii; osprzęt generuje swój koszt głównie przy większych wolumenach produkcji.

Czy mogę zbudować własną instalację testową składającą się z gwoździ?

W przypadku prostych płytek drukowanych, wykorzystujących nawierconą płytkę i gniazda pogo-pin, jest to możliwe, ale precyzyjne wyrównanie pinów, niezawodne dopasowanie płytki i trwałe okablowanie są trudne do osiągnięcia ręcznie. W produkcji, profesjonalnie zbudowane urządzenie jest o wiele bardziej niezawodne.

Jak długo wytrzymuje urządzenie testowe?

Dobrze wykonana oprawa wytrzymuje wiele tysięcy cykli testowych, a piny pogo są głównym elementem zużywającym się, który należy okresowo wymieniać. Ponieważ jest ona powiązana z jednym układem płytki, jej żywotność kończy się wraz ze zmianą wersji produktu.