Тестирование печатных плат: Полное руководство по обеспечению качества прототипов и сборки

Почему тестирование печатных плат критически важно

Применение печатных плат (ПП) становится все более разнообразным и широко распространенным. Сегодня инженерами изготовленные платы используются для питания схем в военных устройствах, а также в медицинском оборудовании, поддерживающем человеческие жизни. Поэтому тестирование ПП необходимо для гарантии их безупречной работы и соответствия проектным спецификациям. Учитывая, что на кону стоят человеческие жизни, ошибки в производстве плат не просто нежелательны — они недопустимы.

Даже опытные инженеры иногда допускают ошибки, создавая холодные паяные соединения или другие дефекты производства. В настоящее время лишь немногие контрактные производители проводят глубокое тестирование своих плат. Компания WellPCB гордится тем, что входит в число лидеров в сфере тестирования печатных плат.

Как выявить свои ошибки? Как снизить высокие затраты на тестирование, сохраняя качество электроники? Ответы на эти вопросы вы найдете в нашем подробном руководстве по тестированию ПП для единичного производства и монтажа печатных плат.

Типичные дефекты печатных плат

1.1 Ошибки стоимостью в миллиарды долларов, которых можно было избежать

В 2014 году General Motors потратила около 4,1 млрд долларов на устранение дефекта цепи переключателя зажигания одной из моделей автомобилей, который инженеры упустили из виду. Вспомните: насколько велик зажигательный ключ по сравнению с работающим автомобилем?

Полностью функциональная система автомобиля прошла все стандарты тестирования (включая дорогостоящие краш-тесты), но была подведена ошибкой в схеме платы зажигания. К тому же — это убыток в 4,1 млрд долларов из-за дефекта ПП! Возможно, даже не вся схема, а всего один дефектный транзистор стал причиной.

Является ли случай General Motors изолированным? Нет. Примерно год назад Samsung потратила около 5,3 млрд долларов на возврат и компенсацию дефекта системы зарядки смартфона Galaxy Note 7. Примерно в то же время было отозвано 33 млн фитнес-браслетов McDonald's (стоимость не раскрывалась).

Истории о дефектах ПП, оборачивающихся миллиардными убытками, становятся обыденностью в современной электронной промышленности. И стартапы, и крупные корпорации допускают их. Горькая правда: рынок не прощает таких ошибок. Как же узнать, что у ПП есть дефекты?

1.2 Этапы тестирования и признаки плохо протестированных плат

Иногда дефекты ПП обнаружить легко. Визуальный осмотр позволяет заметить распространенные недостатки: перегретые соединения коричневого цвета, избыток припоя, недостаточное смачивание, неустойчивые компоненты с нарушенными контактами (подробнее см. в статье о холодных паяных соединениях). Этот метод называется ручным визуальным контролем (MVI).

Для повышения точности MVI можно использовать лупу, проверяя контакты на предмет просветов. Делается это путем контроля прохождения света через соединения с помощью линзы.

Однако глаз может не заметить дефекты, влияющие на эффективность ПП. Большинство таких дефектов выявляются только путем тестирования работоспособности компонентов. Расширенная оценка требует специализированного оборудования и строгого анализа параметров: тока, напряжения, емкости и сопротивления. Эти параметры также могут требовать применения другого спецоборудования, о котором пойдет речь в следующих главах.

Сравнение ожидаемых входных/выходных значений компонентов с фактическими измерениями

Позволяет определить, какие участки платы дефектны. Этот процесс называется внутрицепочечным тестированием (ICT). ICT усложняется с ростом числа компонентов в схеме. Для упрощения тестирования отдельных компонентов разработано компьютеризированное оборудование, которое будет рассмотрено позже.

Последним признаком плохо протестированной ПП является рост жалоб клиентов. Любое устройство получает негативные отзывы: критикуют дизайн, функции и т.д. Но если жалобы на эффективность или производительность конкретного устройства становятся системными, это может указывать на дефект ПП.

Такие дефекты — самые нежелательные, трудные для обнаружения и дорогие для компаний. Они встречаются редко, но наносят максимальный ущерб.

Теперь рассмотрим два основных типа дефектов печатных плат.

1.3 Типы неисправностей печатных плат

Существует две главные категории дефектов ПП: структурные и электрические. Почти все неисправности можно отнести к одной из этих групп.

1.3.1 Структурные дефекты ПП

Возникают из-за ошибок при структурировании платы в производстве. Это наиболее частые дефекты. К ним относятся:

• Обрывы цепей — незамкнутые цепи, упущенные при производстве. Чаще всего связаны с пайкой (неправильное плавление припоя). Частота возникновения: 25%.
• Недостаток припоя — тоже связаны с пайкой, возникают из-за недостаточного смачивания контакта. Частота: 18%.
• Короткое замыкание — чаще результат ошибки проектирования, а не дефектного компонента. Частота: 13%.
• Отсутствие электрического компонента — частота около 12%.
• Неверная ориентация компонентов — иногда замечаются после проектирования, но перед сборкой. Частота: 8%.
• Избыток припоя — редко вызывает дефекты, так как легко замечается и устраняется. Частота: ~3%.
• Отсутствие неэлектрических деталей — встречаются крайне редко. Частота: ~2%.

1.3.2 Электрические дефекты

Проистекают из неправильного использования электрических компонентов. Встречаются редко и менее фатальны, чем ошибки проектирования.

• Дефектные электрические компоненты — припаяны на плату бракованные элементы. Легко обнаруживаются и устраняются. Частота: ~8%.
• Использование неподходящих компонентов — например, резисторы с неверным номиналом. Частота: ~5%.
• Неправильная ориентация компонентов — припаяны с неверной полярностью/ориентацией. Частота: ~2%.

1.4 Резюме главы

Качество произведенной электроники напрямую зависит от полноты тестирования ПП. Детальное тестирование дает высокое качество, плохое — бракованную продукцию.

Как показано выше, дефекты ПП всегда дорого обходятся. Для стартапов ошибка может стоить репутации. Для зрелых компаний — денег и части репутации. Обе потери нежелательны.

Раньше акцент делали на ошибках этапа проектирования. Сегодня, благодаря технологическому прогрессу, качество проектирования выросло, и фокус сместился на тестирование самого производственного процесса. Любая компания, заинтересованная в долгосрочной работе на рынке, должна инвестировать в тестирование ПП.

В следующей главе мы подробно рассмотрим популярные методы тестирования и промышленное оборудование для этого.

Методы тестирования печатных плат

При разработке плат для хобби последовательная стратегия тестирования может быть не нужна. Но в коммерческом производстве и тестировании ПП недопустимы случайные подходы. Используются установленные стратегии оценки эффективности и устойчивости к отказам. На сегодня существует около семи подходов, но в индустрии доминируют три: ручной визуальный контроль (MVI), внутрицепочечное тестирование (ICT) и функциональное тестирование (FT).

2.1 Ручное визуальное тестирование (MVI)

Базовый метод: поиск дефектов невооруженным глазом. MVI — самый простой, старый и до сих пор популярный способ инспекции ПП. Подходит для простого, малосерийного производства.

Недостатки: низкая эффективность для больших объемов и сложных плат (человеческий глаз может не заметить скрытые соединения), усталость и потерю внимания при длительном осмотре больших партий. Для минимизации ошибок используют вспомогательные средства — в первую очередь лупы.

2.2 Использование микроскопов и луп

Плата может не соответствовать требованиям проекта, хотя MVI показывает обратное. Тогда нужен более детальный осмотр под линзой или микроскопом. Глаза могут не уловить мелкие дефекты пайных соединений, а оптическое увеличение позволяет детально изучить контакты.

2.3 Рентгеновское тестирование

Рентгеновская инспекция дает детали, невидимые даже под микроскопом. Необходима для плат со скрытыми соединениями (например, BGA). Требуется сделать несколько снимков под разными углами и сравнить их с проектными спецификациями.

Минус: высокая стоимость, недоступность для хоббистов и мелких производителей.

2.4 Деструктивный анализ (пилирование платы)

Распиловка платы — радикальный метод, применяемый когда другие методы (в т.ч. рентген) показывают подозрительные скрытые соединения. Пробковый разрез позволяет увидеть внутренние дефекты и устранить их в последующих партиях.

2.5 Автоматизированный оптический контроль (AOI)

При крупносерийном производстве MVI становится трудоемким. AOI — автоматизированное улучшение MVI. Системы камер снимают участки платы, формируют её цифровую модель и сравнивают с оригинальным дизайном.

AOI быстрее и точнее MVI, но дорог в приобретении и обслуживании для простых проектов.

2.6 Внутрицепочечное тестирование (ICT)

Наиболее полный способ тестирования ПП на дефекты. Цель — проверить компоненты платы на эффективность в составе прототипа. Плата помещается на «гвоздик» — тестовую установку с контактами, подключенными к выбранным компонентам для оценки их работы как отдельных узлов.

Несмотря на высокую эффективность, ICT дорог, трудоемок и требует много времени. Обычно применяется для крупносерийного производства. Более дешевая и экономичная альтернатива для прототипов — метод «летающего зонда» (flying probe), подробно описанный в главе 3.

2.7 Функциональное тестирование

Финальная стадия тестирования. Готовой плате загружают набор тестовых программ, чтобы проверить выполнение ей заложенных функций.

Заключение по методам тестирования

Эти методы не идеальны, но наименее подвержены ошибкам, так как постоянно совершенствуются. Они во многом определяют типы инструментов для тестирования ПП. В следующей главе мы сосредоточимся на промышленном оборудовании.

Промышленное оборудование для тестирования ПП

Ранее рассматривались методы ручного поиска дефектов, а также использование мультиметров. Но для специализированных производителей, ежедневно работающих со сложными схемами, эти методы становятся неэффективными. Рассмотрим ключевые инструменты промышленного тестирования.

3.1 Автоматизированные системы оптического контроля (AOI)

Основная задача тестирования — обеспечить соответствие ПП проектным требованиям. AOI-машины сканируют плату на предмет нарушений дизайна.

AOI-системы состоят из координированных камер и платформы для фиксации ПП. Плата подсвечивается под определенными углами, камеры делают снимки, на основе которых строится абстрактное представление платы и сравнивается с проектом. Эти машины выполняют MVI быстрее и точнее, фокусируясь на минимизации структурных ошибок.

Существуют 2D и 3D AOI-машины. Новые 3D-системы работают быстрее, точнее и достаточно чувствительны для обнаружения существенных ошибок питания.

Преимущества AOI:

1. Широкое распространение в индустрии
2. Быстрое обнаружение структурных ошибок
3. Возможность использования в производственном процессе для сокращения времени итогового тестирования

Недостатки AOI:

1. Не проверяют скрытые соединения и зоны под BGA-корпусами
2. Неэффективны при осмотре наполненных плат со скрытыми компонентами

3.2 Машины с летающим зондом (Flying Probe)

Предоставляют платформу для оценки прототипов. В отличие от AOI, выполняют внутрицепочечное тестирование. Предпочтительны благодаря стоимостной эффективности и простоте эксплуатации.

Система состоит из подвижных контактов (зондов), соединяющихся с различными компонентами платы. Выполняется быстрый ICT: компоненты тестируются подачей питания или сигналов и сравнением входов/выходов с проектными значениями.

Преимущества:

1. Дешевле и быстрее традиционных ICT-станций
2. Позволяют инженерам производить прототипы, вносить изменения до финального релиза
3. Проще в эксплуатации обычных ICT-машин

Недостатки:

1. Меньшая детализация по сравнению с классическими ICT-системами

3.3 Приборы для тестирования импеданса

Физическая топология цепи и проходящий ток влияют на переменный ток в соседних трассах. Сочетание этих эффектов и сопротивления формирует импеданс цепи.

Измерение импеданса трудоемко: нужно определить длину проводника, расстояние между цепями, ширину и высоту проводника, точно засечь время. Используется рефлектометр во временной области (TDR). Обычные TDR неудобны для автоматизации, поэтому в крупном производстве применяют улучшенные машины контроля импеданса.

3.4 Измерители толщины меди и приборы контроля отверстий

Связанные группы настольных приборов для измерения диаметра сверлённых отверстий и толщины медного слоя, соединяющего компоненты.

Измеритель толщины меди — определяет толщину медного слоя.

Прибор контроля отверстий — оценивает диаметр отверстий путем вставки штифтов разного диаметра.

3.5 Электрические тестовые системы ПП

После пайки всех компонентов необходимо провести ICT для проверки эффективности интегрированных функций. Эта фаза должна следовать за полным ICT. Без комплексного ICT такое тестирование может только указать на вероятность проблемы, не локализуя её и не предлагая способа устранения.

В эту категорию попадает любая система, анализирующая эффективность и надежность платы.

3.6 Резюме главы

Мы рассмотрели необходимость тестирования ПП и промышленное оборудование. В следующих главах фокус сместится на тестирование сборки печатных плат.

Тестирование сборки печатных плат (PCBA)

4.1 Введение

Тестирование сборки выполняется после установки на плату всех компонентов, указанных в спецификации (BOM). Тесно связано с ICT.

Тестирование проводится на «гвоздике» — установке с контактами, обеспечивающими доступ к множеству компонентов платы. В зависимости от типа теста плата может быть под напряжением или нет.

Подходы к тестированию сборки:

1. Тестирование отдельного компонента/модуля и исследование его взаимодействия со всеми остальными элементами электрической сети. Выполняется для отдельных компонентов и распространяется на все связанные с ними узлы.
2. Выборочное тестирование нескольких ключевых компонентов и сравнение их производительности с ожидаемыми результатами.

4.2 Преимущества тестирования сборки

1. Полная проверка платы на цепные неисправности (короткие замыкания, обрывы) и выявление дефектных компонентов прототипа.
2. Включает тесты включения питания, существенно сокращающие отладочные потребности заказчика.
3. Обнаруживает практически все возможные дефекты ПП.
4. Платформонезависимая ОС для тестирования.
5. Соответствует универсальным стандартам IPC.

4.3 Недостатки тестирования сборки

Главная проблема — высокие временные и финансовые затраты на тестирование одного прототипа. Тестирование сложной платы может занимать 5–6 недель и стоить очень дорого. Тем не менее, этот метод наиболее точен и идеален для брендов с высокими стандартами качества и крупносерийным производством.

Итоговые выводы

Тестирование ПП — критически важный этап для всех проектировщиков и инженеров. Как показано в руководстве, правильные методы тестирования напрямую влияют на качество выпускаемой электроники. Плохое тестирование обходится бизнесу дорого.

Поскольку тестирование ПП напрямую связано с качеством электроники и, как следствие, с рентабельностью компании, оно стоит каждой вложенной копейки. Проблема в том, что большинство контрактных производителей завышают цены на тестирование.

WellPCB оснащена самыми современными методами и оборудованием для тестирования ПП. Мы уделяем время и экспертизу тестированию плат для наших клиентов. Предоставляем комплексный сервис и высокое качество. Пришлите нам документы для производства — и получите расчёт стоимости немедленно! Десять лет опыта в производстве и тестировании ПП гарантируют проверку спецификаций, требований и схемных проблем. Для заказа тестирования и сборки ПП — запросите коммерческое предложение.