Con il progressivo aumento della complessità delle schede PCB e degli assemblaggi elettronici di ultima generazione, i produttori devono considerare nuovi metodi di test strutturale accanto alle tecniche più tradizionali, al fine di ottenere un livello soddisfacente di copertura del test.
Nel mercato elettronico attuale, sempre più competitivo e in rapida evoluzione, la velocità e l’efficienza nel test hanno un impatto determinante sul successo di un prodotto e sul time-to-market. Il test funzionale è il metodo originario adottato per il collaudo delle schede elettroniche. In passato, i sistemi elettronici erano semplicemente assemblati e in seguito testati per le funzionalità. Il test funzionale è l’approccio tradizionale per effettuare il collaudo dei sistemi elettronici. La complessità crescente dei sistemi moderni ha reso la preparazione del test funzionale un compito molto lungo, e la copertura assicurata da tale tipo di test è nella maggior parte dei casi insufficiente e difficile da determinare. Inoltre, l’analisi dei guasti individuati con il test funzionale è alquanto elaborata e richiede personale altamente specializzato per la diagnosi dei malfunzionamenti delle schede. Per aumentare l’affidabilità e la copertura del test, molti produttori di PCB eseguono una sequenza di test dopo l’assemblaggio, che prevede, prima del test funzionale, la combinazione di uno o più tipi di test strutturale. Questi ultimi servono per verificare se tutti i componenti sono collocati, saldati e connessi correttamente, e per identificare e correggere guasti ed errori introdotti durante la fabbricazione, come la presenza di saldature aperte o cortocircuiti fra i pin.
Un test strutturale può essere allestito in modo abbastanza rapido, grazie alla disponibilità dei tool software. I suoi punti di forza sono la velocità di sviluppo del test e la precisione nell’individuazione dei guasti: pertanto, è preferibile localizzare il maggior numero possibile di difetti attraverso il test strutturale, prima di passare a quello funzionale.
Le tecniche di test strutturale attualmente in uso comprendono, oltre alla tradizionale ispezione ottica (AOI, Automated Optical Inspection), il test in-circuit (ICT o In-Circuit Test), il test con sonde mobili (flying probe), il boundary scan e l’ispezione a raggi X (AXI o Automated X Ray Inspection), la quale costituisce la tecnologia di test più avanzata disponibile al momento.
Anche se non è possibile assicurare una copertura del test al 100%, è possibile massimizzare la copertura combinando più tipologie di test. Ogni tecnologia ha i propri vantaggi e i propri limiti.
L’esigenza di garantire una qualità elevata dei prodotti, e al contempo di mantenere i costi di produzione contenuti, di rispettare tempi di consegna sempre più stretti e di far fronte alle pressioni sul time-to-market, sta spingendo molti produttori di schede a riconsiderare le proprie strategie di test. La scelta della soluzione di test più adatta non è semplice, e dipende da molte variabili, fra cui il volume e il mix della produzione, il tempo di test, i requisiti di throughput, la copertura del test desiderata, il tasso di difetti previsto e il budget a disposizione. Le caratteristiche delle schede da testare vanno analizzate con attenzione per capire quale sia la soluzione di test più adatta.
L’ispezione ottica
L’ispezione ottica (AOI) è usata da molti anni con lo scopo di rilevare la presenza, l’assenza, l’orientazione o il disallineamento dei componenti su scheda. I sistemi AOI integrano inoltre delle funzioni OCR per il riconoscimento del numero di serie serigrafato sui componenti. L’AOI non è spesso in grado di assicurare la copertura del test richiesta dalle applicazioni attuali. Inoltre, è importante osservare che l’ispezione ottica può solo osservare la superficie dei giunti di saldatura. I guasti che si trovano nascosti sotto ai die, ai substrati dei package o ai PCB possono essere rilevati attraverso altre tecniche di test come quella a raggi X o il boundary scan.
Le soluzioni tradizionali di ispezione ottica si sono rivelate essere poco efficienti con le nuove saldature lead free, che hanno un riflesso più opaco rispetto alle saldature al piombo. Per ovviare a questo problema, sono state introdotte nuove soluzioni di test con più punti luce, combinate a opportuni algoritmi di test, in grado di rilevare la forma della saldatura da più angolazioni.
Il test in-circuit
La soluzione di test strutturale attualmente più diffusa è il test in-circuit (ICT). Una serie di stimoli elettrici sono inviati all’unità da testare (UUT) e i risultati sono acquisiti per mezzo di sonde su una test fixture a letto d’aghi. Questa tecnologia si presta idealmente per i package Dual-In-Line (DIP) e per la tecnologia PCB di tipo PTH (Plated Through-Hole).
Tuttavia, a causa della diffusione dei PCB di ultima generazione, caratterizzati dal formato sempre più compatto e da una spaziatura fra i componenti sempre più ridotta, sui quali sono montati circuiti integrati alloggiati in package sempre più complessi, dotati di un grande numero di pin a passo fine, l’accesso fisico ai punti di test è attualmente molto limitato. Un altro grosso limite del test in-circuit è la ridotta flessibilità. Eventuali modifiche apportate al progetto che comportano un cambiamento della disposizione delle tracce su PCB, richiedono anche il riposizionamento dei test point, con una conseguente reingegnerizzazione o sostituzione delle test fixture sviluppate per le versioni precedenti. Per questa ragione, le test fixture a letto d’aghi non sono in genere sviluppate fintanto che un progetto PCB non ha raggiunto la fase di pre-produzione, quando il progetto è sufficientemente stabile e non è soggetto a ulteriori modifiche di layout. Per questo motivo, il test ICT non è molto adatto per il debug in fase di prototipazione. Inoltre, per schede in produzione di tipo eterogeneo, occorrono letti di chiodi ad hoc, che possono costare da qualche migliaio a qualche decina di migliaia di euro, oltre a richiedere del tempo per l’installazione.
Una grossa sfida per il test ICT è data dalle tecnologie di packaging emergenti come SMT (Surface Mount Technology), BGA (Ball Grid Array) e di nuove tecniche di assemblaggio come MCM (Multi Chip Module), FCA (Flip Chip Attach), COB (Chip On Board) e TAB (Tape Automated Bonding). Queste nuove tecnologie rendono l’accesso meccanico richiesto per l’ICT molto difficile, data la presenza di un numero elevato di pin nascosti e non accessibili. Di conseguenza, la copertura assicurata dalle soluzioni tradizionali di test ICT è progressivamente diminuita.
I produttori di macchine di test hanno continuato a migliorare le proprie soluzioni ICT offrendo tester in grado di avere accesso a oltre 5000 nodi. In molti casi, però, la fixture a letto d’aghi sono diventate più costose, pesanti e soggette a problemi di affidabilità.
Delle soluzioni sono in grado di testare anche PCB complessi e altamente integrati di grandi dimensioni. Hanno funzioni di test incluse che comprendono l’analisi di cortocircuiti, di circuiti aperti, e del valore dei componenti, il test boundary scan per i componenti con accesso fisico ridotto, la programmazione FLASH e ISP ad alta velocità, le misure di eventi nel tempo e nella frequenza, il test ottimizzato per i dispositivi a segnale misto e il test funzionale. Questi test possono essere generati automaticamente, oppure possono essere creati manualmente usando un linguaggio di programmazione semplice ed efficace.
I tester a sonde mobili
I tester a sonde mobili (flying probe) non richiedono test fixture, presentano poche limitazioni per l’accesso ai test point fisici su scheda, e sono in grado di testare schede anche di grandi dimensioni, consentendo agli sviluppatori di mettere a punto i programmi di test in breve tempo. Per queste ragioni, essi sono diventati uno strumento indispensabile nella produzione di schede elettroniche. I tempi ridotti di programmazione e la flessibilità del sistema di test li rendono adatti per il ramp-up di produzione, per la prototipazione e per il test di lotti di produzione in volumi medio-piccoli, o per lotti di produzioni caratterizzati da un mix elevato. Per contro il test in-circuit è più adatto per il test di schede prodotte in grossi volumi e con un basso mix.
I tester a sonde mobili di ultima generazione assicurano velocità superiori, un migliore accesso ai test point della scheda e una copertura superiore del test. Alcuni modelli sono inoltre dotati di un modulo di ispezione ottica molto semplice, che aumenta ulteriormente la copertura del test. Inoltre, alcuni tester hanno superato la tradizionale limitazione dei tester flying probe dotati di un massimo di 4 sonde su un singolo lato, e ad angolo fisso di rotazione a partire dalla posizione verticale.
Il boundary scan
La tecnologia boundary scan è stata sviluppata per risolvere i problemi legati all’accesso fisico limitato ai punti di test delle schede complesse di ultima generazione. Essa è stata proposta nel 1985 e omologata nel 1990 come standard JTAG/IEEE 1149.1. Il boundary scan costituisce un modo semplice, rapido ed economico per testare le interconnessioni fra i componenti su scheda. Assicura inoltre la massima scalabilità: all’aumentare della complessità dei sistemi, basta variare il software e i pattern di test, e non l’hardware, come è invece richiesto da altre tecniche di test strutturale. È inoltre possibile verificare in modo efficiente l’eventuale presenza di circuiti aperti, cortocircuiti o problemi strutturali alle connessioni.
Le sonde fisiche sono sostituite da “celle”, i cui pin dati di uscita (TDO) e di ingresso (TDI) sono connessi in sequenza ad opportuni registri a scorrimento e ad una circuiteria per il multiplexing. La logica boundary scan è temporizzata da un segnale TCK (Test Clock), mentre un segnale TMS (Test Mode Select) abilita il test. È così possibile accedere agli I/O dei componenti senza dover collocare test point fisici sulla scheda, attraverso una semplice interfaccia seriale a 4 fili (che diventano 5 se è incluso un segnale di reset opzionale) denominata TAP (Test Access Port). Le informazioni sui componenti boundary scan sono contenute in file BSDL (Boundary Scan Description Language) forniti dai produttori dei dispositivi boundary scan.
Per assicurare una copertura soddisfacente del test, non è necessario che tutti i componenti su scheda siano boundary scan. I vantaggi della tecnica sono la facilità e la rapidità di preparazione del test e il basso costo dei tool necessari. Inoltre, essa si presta idealmente per il test dei prototipi. Può essere di notevole aiuto ai progettisti per comprendere se un guasto su una scheda sia dovuto a un problema di progetto o di fabbricazione.
Il boundary scan non intende sostituire, bensì complementare le altre tecniche di test strutturale. Oltre al test, l’interfaccia boundary scan può essere usata per programmare i dispositivi di memoria e i PLD dopo il loro assemblaggio su scheda. Le celle boundary scan consentono di accedere agevolmente ai pin degli indirizzi, dei dati e di controllo dei dispositivi da programmare. È così possibile customizzare i prodotti nelle ultime fasi della produzione delle schede. Inoltre, il test e la programmazione dei componenti possono essere eseguiti come un’unica operazione usando la stessa apparecchiatura di test e lo stesso connettore. Questa tecnica si presta idealmente per le applicazioni con requisiti spinti di qualità e nelle schede caratterizzate dalla presenza di un alto numero di pin non accessibili.
Il boundary scan richiede la progettazione di dispositivi e di schede compatibili. Inoltre, anche se garantisce una buona copertura del test, questa non può essere totale, anche per via della presenza di componenti di tipo non boundary scan su scheda. Il fatto che lo sviluppo dei test boundary scan sia molto oneroso costituisce tuttavia un pregiudizio: con i nuovi pacchetti software disponibili sul mercato è possibile generare automaticamente i programmi di test anche se, per sfruttare appieno le potenzialità del boundary scan, è necessario eseguire manualmente delle ottimizzazioni.
L’ispezione a raggi X
L’ispezione a raggi X (AXI), assieme al boundary scan, costituisce una tecnica di test emergente. I raggi X, trasmessi verso la scheda da testare, sono in parte assorbiti dai componenti, e in parte passano attraverso i componenti stessi, in relazione alla densità e allo spessore del materiale. L’apparecchio di test a raggi X fornisce quindi un’immagine in una scala di grigi, che rappresentano le differenze di densità dei componenti su scheda.
L’AXI è in grado di rilevare numerosi difetti di saldatura che sarebbero altrimenti impossibili da individuare, compresi i vuoti e i sollevamenti (tombstoning). Alcuni giunti possono apparire normali, ma non garantiscono un buon contatto. La scansione a raggi X permette di localizzare una sfera di stagno crepata all’interno, cosa difficile da individuare con un letto d’aghi o una flying probe. Anche se una sfera di saldatura appare esteriormente perfetta, ci possono essere crack interni che, in seguito a vibrazioni, urti o flessioni della scheda, che possono provocare il distaccamento del contatto anche per tempi brevi, dell’ordine dei millisecondi, comunque sufficienti per causare un guasto a una centralina, o per impattare significativamente sull’affidabilità e sulla durata di una scheda. La tecnica è anche utile per verificare le dimensioni delle sfere BGA e per ritarare di conseguenza le saldature.
I tester a raggi X sono ideali nelle applicazioni in cui l’affidabilità è il parametro di progetto più importante, ad esempio in campo militare, automotive e telecomunicazioni.
Esiste una vasta gamma di apparecchi di test a raggi X in commercio, sia manuali, sia completamente automatizzati, con prezzi che vanno da poche decine di migliaia di euro a centinaia di migliaia di euro.
Per avere una copertura ottimale dell’ispezione a raggi X, è più vantaggioso disporre di un sistema di test in linea completamente automatizzato, in grado di assicurare una ripetibilità superiore dei risultati. I sistemi AXI automatizzati sono usati anche in applicazioni caratterizzate da volumi elevati e basso mix, per prodotti di grande valore e per applicazioni particolarmente critiche per l’affidabilità.
In commercio troviamo soluzioni di ispezione a raggi X in 3D di ultima generazione .
La soluzione di test più adatta
In molti casi, la combinazione di un test in-circuit con il boundary scan o di un test flyng probe con il boundary scan, completata dall’ispezione a raggi X, garantisce una buona copertura del test. Nessun tipo di test esclude l’altro: più se ne fa, più alta è la copertura garantita. L’adozione di più metodi di test deve ovviamente offrire la massima copertura al costo più basso.
Per tutte le tecnologie di test disponibili, abbiamo selezionato soluzioni avanzate e altamente differenziate, per ulteriori informazioni non esitate a contattarci.
