Выпуск #3/2007
А.Насонов.
О тестопригодности печатных узлов изделий электронной техники
О тестопригодности печатных узлов изделий электронной техники
Просмотры: 1282
Электрическое тестирование – это, как правило, последняя технологическая операция в процессе производства печатного узла. Ее эффективность зависит от тестопригодности изделия и, разумеется, от используемого тестового оборудования. Типы и характеристики оборудования для электрического тестирования будут рассмотрены в одном из следующих номеров журнала.
Для начала уточним термины и рассмотрим вопросы, связанные с тестопригодностью самого изделия. Тестопригодность (или тестируемость – Testability) – это степень, до которой могут быть запланированы объективность и реализуемость тестирования, проверяющего соответствие изделия техническим требованиям. Тестовое покрытие (Test coverage) – степень, до которой с помощью контрольных тестов проверяют требования к изделию.
Тестопригодность – это характеристика конструкции изделия, определяющая реализуемый уровень тестового покрытия. Она определяет пригодность изделия для тестирования в процессе производства и, в некоторых случаях, эксплуатации. Очевидно, что от уровня тестопригодности зависит качество изделия. Низкая тестопригодность может не позволить провести всестороннюю проверку изделия, в результате чего скрытые и потенциальные дефекты могут остаться незамеченными.
Кроме того, низкая тестопригодность изделия снижает рентабельность производства, так как для обнаружения дефектов потребуется применение дорогостоящего ручного труда регулировщиков РЭА, крайне дефицитных на рынке труда. По этой причине низкая тестопригодность может стать препятствием для увеличения объемов производства. Таким образом, уровень тестопригодности изделия – это техническая характеристика, не менее важная, чем другие характеристики технического задания. От нее зависит, насколько "счастливой" будет жизнь изделия в условиях производства.
Для обеспечения уровня тестопригодности, в первую очередь исходя из требований к качеству изделия при заданном уровне рентабельности и объеме производства, необходимо определить степень тестового покрытия и в ходе разработки принять меры для ее реализации. По окончании разработки осуществляется проверка результатов и, если необходимо, выполняются доработки. Определение полученной степени тестового покрытия выполняется с помощью соответствующего математического обеспечения, входящего в комплект современных средств электрического тестирования, таких как установки фирмы SPEA и система периферийного сканирования JTAG.
Перед тем как сформулировать требования к конструкции разрабатываемого изделия, обеспечивающие определенный уровень тестопригодности, необходимо определиться с типом оборудования для электрического тестирования, которое будет использовано при его изготовлении. Основными факторами тут являются ожидаемая серийность (скорость работы сборочной линии) и требования, предъявляемые к изделию по качеству и надежности. Решающими, безусловно, могут оказаться и другие требования, например малые габариты, которые могут не позволить разместить тестовые площадки для адаптерного тестера.
Для того чтобы понять, какое оборудование наиболее целесообразно выбрать в каждом конкретном случае, проанализируем данные о парке оборудования в различных отраслях промышленности у ведущих мировых производителей по данным фирмы SPEA – лидера по производству оборудования для электрического тестирования. Информация представлена на диаграммах рис. 1.
В первую очередь бросается в глаза большая доля тестеров с летающими щупами. Если в аэрокосмической промышленности с ее небольшой серийностью и большой номенклатурой это объяснимо, то в отраслях, имеющих, как правило, большую серийность, это вызывает вопросы. Скорее всего, причина этого в том, что тестеры SPEA4040 (рис. 2), в особенности их модификации High Speed и Ultra High Speed, по производительности приблизились к адаптерным тестерам. Их широкое применение также обусловлено тем, что они не требуют специальных тестовых площадок на плате и изготовления индивидуальных адаптеров.
Адаптерные тестеры составляют практически весь остальной объем оборудования. Внутрисхемное и функциональное тестирование может выполняться на одном тестере без повторного контакта, что значительно экономит время. Адаптерные тестеры SPEA3030 различных модификаций могу быть сконфигурированы для выполнения практически любых задач. Примеры внешнего вида установок различного исполнения представлены на рис. 3. Необходимость наличия на плате специальных контактных площадок и изготовления индивидуального адаптера не столь существенна, если производство крупносерийно и номенклатура изделий меняется не часто.
Незначительная доля, приходящаяся на тестирование без использования специализированного оборудования, объясняется, скорее всего, тем, что по ряду причин оно не способно обеспечить требуемый уровень качества проверок. Поэтому его доля особенно мала в аэрокосмической промышленности, где предъявляются самые высокие требования по надежности и качеству.
Если тип используемого в производственной линейке тестера известен, то можно приступать к конструированию печатной платы с учетом требований для ее тестирования. Рассмотрим, какие требования характерны для конструкции платы в зависимости от типа оборудования для тестирования.
При использовании тестера с летающими щупами типа SPEA4040 специальные контактные площадки на плате не требуются по той причине, что он допускает контакт с галтелью компонентов (рис. 2а). По сути, он может тестировать плату, которая конструировалась без оглядки на тестирование. Ограничения касаются только геометрических размеров тестируемой платы (рабочая зона не более 610×686 мм) и высоты компонентов на верхней и нижней стороне платы (55 и 110 мм соответственно). Кроме этого при тестировании могут возникнуть проблемы, если некоторые цепи на плате закрыты компонентами или элементами конструкции. Поэтому при использовании тестера SPEA4040 для тестопригодности разрабатываемой платы в основном требуется полнота и качество файлов CAD-документации. Неудовлетворительное качество или отсутствие необходимых данных могут потребовать вмешательства тестового инженера в процесс автоматической генерации тестовой программы. Тем не менее, для тестирования плат с низким уровнем качества документации у тестера SPEA4040 предусмотрен специальный режим работы по эталонной плате. Но максимальная эффективность тестирования достигается, если все необходимые требования учтены при разработке печатного узла.
Если используется адаптерный тестер (например, SPEA3030), то требования к конструкции платы во многом определяются конструкцией адаптера. В этом случае контакт с галтелью компонентов невозможен. Если какие-то связи в топологии не имеют пригодных для контактов точек, то необходимо специально для этого предусмотреть контактные площадки.
Основу конструкции адаптера составляют тестовые щупы. Это довольно сложные изделия высокой точности, обеспечивающие определенные характеристики контактных поверхностей. На рис. 4 приведен пример конструкции тестового щупа.
Наиболее оптимальным является вариант, когда разработка конструкций платы и адаптера ведется одновременно, придерживаясь следующего порядка. Вначале выполняется разработка печатного узла. Далее осуществляется с помощью соответствующего программного обеспечения тестера SPEA3030 анализ тестового покрытия и вносятся изменения в конструкцию печатного узла, если это необходимо. Проверяется результат и выполняется разработка адаптера с использованием программного обеспечения тестера SPEA3030. При этом для каждой цепи (контактной поверхности) осуществляется индивидуальный выбор типа наконечника щупа и решается вопрос о необходимости введения специальной тестовой площадки.
Сориентироваться в этом вопросе можно, воспользовавшись информацией о типах наконечников по классификации фирмы Ingan*. Эта классификация учитывает такие характеристики, как загрязненные и чистые контактные поверхности, допустимость (или недопустимость) повреждения контактов, конструктивное исполнение контактов (например, для обеспечения контакта со штырьками разъемов и штырьками под монтаж накруткой, с переходными отверстиями, с выводами компонентов, с отверстиями, покрытыми лаком, и так далее). Тестовые щупы также классифицируются по размеру шага установки. Рекомендуется использовать щупы с шагом 2,54 мм. Можно использовать щупы с меньшим шагом, но они дороже и менее надежны в эксплуатации. Необходимо учитывать и другие характеристики щупов, такие как максимальный ток, переходное сопротивление контакта, рабочий ход штока, контактное усилие при рабочем ходе и другие. Из-за такого многообразия характеристик создано несколько десятков тестовых щупов и типов наконечников.
В процессе измерений количество одновременно используемых тестовых щупов может быть достаточно большим, и их суммарное усилие может вызвать значительный изгиб платы. Чтобы его исключить, в конструкции адаптера предусматривают компенсирующие штыри и места с обратной стороны платы, куда эти штыри могут упереться. Адаптер может быть двухсторонним. В этом случае тестовые щупы расположены с двух сторон платы, что обеспечит частичную или полную взаимную компенсацию изгибающих усилий. Изгиб платы отсутствует, если щупы расположены строго напротив друг друга и количество их с разных сторон платы примерно одинаково. Конструкция двухстороннего адаптера значительно сложнее одностороннего, поэтому использовать его имеет смысл только в случае, когда не удается осуществить все необходимые подключения с одной стороны.
Все, о чем мы говорили до сих пор, относится в основном к техническим аспектам разработки. Для успешного запуска изделия в производство необходимо выполнить ряд организационных мероприятий. Прежде всего, представляется целесообразным согласовать разработанную документацию с тестовым инженером. В ее состав необходимо включить такой документ, как тестовая спецификация. Этот документ дополняет основной пакет документации в плане тестирования. Тестовую спецификацию разрабатывает конструктор изделия, включая в ее состав в виде таблиц и пояснений всю информацию, необходимую для разработки теста. Так как документ предшествует разработке теста, он обычно называется "Тестовая спецификация (предварительная)".
В каждом конкретном случае состав документа может быть различным. В качестве иллюстрации приведем упрощенный пример, дающий, тем не менее, представление о составе такого документа:
1. Обозначение документа
2. Перечень вариантов исполнения
3. Блок-схема и назначение выводов микроконтроллера
4. Назначение контактов разъемов
5. Индикация и подсветка
6. Испытательное оборудование:
* Спецификация питания
* Значения сопротивления датчика температуры
* Значения сопротивления датчика давления
* Сигналы датчика скорости
* Пределы и точности сигналов от датчиков
* Входные сигналы на разъемах
7. Испытания изделия:
* Описание интерфейса
* Передача информации
* Общие команды диагностики
* Производственные команды (чтение/запись)
* Прошивка EEPROM
8. Контрольная структура платы:
* Введение
* Тест компонентов
* Визуальный тест
* Основные соединения с платой
* Чтение версии программы
* Данные программирования
* Потребляемый ток в положении "выключено"
* Потребляемый ток в положении "включено"
* Выходные сигналы для шагового двигателя
* Калибровка часов
* Аналоговые входы
* Цифровые входы и выходы
* Сегменты и подсветка индикатора
* Тест расширений
* Конец тестирования – порядок отключения питания.
Возможна некоторая аналогия с таким документом, как инструкция по настройке. Однако есть принципиальное отличие. Инструкция по настройке – это документ, управляющий действиями человека. А тестовая спецификация – это набор информации, необходимой для программирования автоматического тестера.
Степень тестопригодности печатного узла – это одна из характеристик качества разработки. Но говорить о тестопригодности как о независимом параметре будет неверно. Имеет смысл вести речь о пригодности печатного узла для тестирования с учетом оснащенности конкретного производства. Поэтому требования по тестопригодности, изложенные в техническом задании на разработку изделия, должны содержать исчерпывающую информацию о тестовых возможностях планируемого производства.
Тестопригодность – это характеристика конструкции изделия, определяющая реализуемый уровень тестового покрытия. Она определяет пригодность изделия для тестирования в процессе производства и, в некоторых случаях, эксплуатации. Очевидно, что от уровня тестопригодности зависит качество изделия. Низкая тестопригодность может не позволить провести всестороннюю проверку изделия, в результате чего скрытые и потенциальные дефекты могут остаться незамеченными.
Кроме того, низкая тестопригодность изделия снижает рентабельность производства, так как для обнаружения дефектов потребуется применение дорогостоящего ручного труда регулировщиков РЭА, крайне дефицитных на рынке труда. По этой причине низкая тестопригодность может стать препятствием для увеличения объемов производства. Таким образом, уровень тестопригодности изделия – это техническая характеристика, не менее важная, чем другие характеристики технического задания. От нее зависит, насколько "счастливой" будет жизнь изделия в условиях производства.
Для обеспечения уровня тестопригодности, в первую очередь исходя из требований к качеству изделия при заданном уровне рентабельности и объеме производства, необходимо определить степень тестового покрытия и в ходе разработки принять меры для ее реализации. По окончании разработки осуществляется проверка результатов и, если необходимо, выполняются доработки. Определение полученной степени тестового покрытия выполняется с помощью соответствующего математического обеспечения, входящего в комплект современных средств электрического тестирования, таких как установки фирмы SPEA и система периферийного сканирования JTAG.
Перед тем как сформулировать требования к конструкции разрабатываемого изделия, обеспечивающие определенный уровень тестопригодности, необходимо определиться с типом оборудования для электрического тестирования, которое будет использовано при его изготовлении. Основными факторами тут являются ожидаемая серийность (скорость работы сборочной линии) и требования, предъявляемые к изделию по качеству и надежности. Решающими, безусловно, могут оказаться и другие требования, например малые габариты, которые могут не позволить разместить тестовые площадки для адаптерного тестера.
Для того чтобы понять, какое оборудование наиболее целесообразно выбрать в каждом конкретном случае, проанализируем данные о парке оборудования в различных отраслях промышленности у ведущих мировых производителей по данным фирмы SPEA – лидера по производству оборудования для электрического тестирования. Информация представлена на диаграммах рис. 1.
В первую очередь бросается в глаза большая доля тестеров с летающими щупами. Если в аэрокосмической промышленности с ее небольшой серийностью и большой номенклатурой это объяснимо, то в отраслях, имеющих, как правило, большую серийность, это вызывает вопросы. Скорее всего, причина этого в том, что тестеры SPEA4040 (рис. 2), в особенности их модификации High Speed и Ultra High Speed, по производительности приблизились к адаптерным тестерам. Их широкое применение также обусловлено тем, что они не требуют специальных тестовых площадок на плате и изготовления индивидуальных адаптеров.
Адаптерные тестеры составляют практически весь остальной объем оборудования. Внутрисхемное и функциональное тестирование может выполняться на одном тестере без повторного контакта, что значительно экономит время. Адаптерные тестеры SPEA3030 различных модификаций могу быть сконфигурированы для выполнения практически любых задач. Примеры внешнего вида установок различного исполнения представлены на рис. 3. Необходимость наличия на плате специальных контактных площадок и изготовления индивидуального адаптера не столь существенна, если производство крупносерийно и номенклатура изделий меняется не часто.
Незначительная доля, приходящаяся на тестирование без использования специализированного оборудования, объясняется, скорее всего, тем, что по ряду причин оно не способно обеспечить требуемый уровень качества проверок. Поэтому его доля особенно мала в аэрокосмической промышленности, где предъявляются самые высокие требования по надежности и качеству.
Если тип используемого в производственной линейке тестера известен, то можно приступать к конструированию печатной платы с учетом требований для ее тестирования. Рассмотрим, какие требования характерны для конструкции платы в зависимости от типа оборудования для тестирования.
При использовании тестера с летающими щупами типа SPEA4040 специальные контактные площадки на плате не требуются по той причине, что он допускает контакт с галтелью компонентов (рис. 2а). По сути, он может тестировать плату, которая конструировалась без оглядки на тестирование. Ограничения касаются только геометрических размеров тестируемой платы (рабочая зона не более 610×686 мм) и высоты компонентов на верхней и нижней стороне платы (55 и 110 мм соответственно). Кроме этого при тестировании могут возникнуть проблемы, если некоторые цепи на плате закрыты компонентами или элементами конструкции. Поэтому при использовании тестера SPEA4040 для тестопригодности разрабатываемой платы в основном требуется полнота и качество файлов CAD-документации. Неудовлетворительное качество или отсутствие необходимых данных могут потребовать вмешательства тестового инженера в процесс автоматической генерации тестовой программы. Тем не менее, для тестирования плат с низким уровнем качества документации у тестера SPEA4040 предусмотрен специальный режим работы по эталонной плате. Но максимальная эффективность тестирования достигается, если все необходимые требования учтены при разработке печатного узла.
Если используется адаптерный тестер (например, SPEA3030), то требования к конструкции платы во многом определяются конструкцией адаптера. В этом случае контакт с галтелью компонентов невозможен. Если какие-то связи в топологии не имеют пригодных для контактов точек, то необходимо специально для этого предусмотреть контактные площадки.
Основу конструкции адаптера составляют тестовые щупы. Это довольно сложные изделия высокой точности, обеспечивающие определенные характеристики контактных поверхностей. На рис. 4 приведен пример конструкции тестового щупа.
Наиболее оптимальным является вариант, когда разработка конструкций платы и адаптера ведется одновременно, придерживаясь следующего порядка. Вначале выполняется разработка печатного узла. Далее осуществляется с помощью соответствующего программного обеспечения тестера SPEA3030 анализ тестового покрытия и вносятся изменения в конструкцию печатного узла, если это необходимо. Проверяется результат и выполняется разработка адаптера с использованием программного обеспечения тестера SPEA3030. При этом для каждой цепи (контактной поверхности) осуществляется индивидуальный выбор типа наконечника щупа и решается вопрос о необходимости введения специальной тестовой площадки.
Сориентироваться в этом вопросе можно, воспользовавшись информацией о типах наконечников по классификации фирмы Ingan*. Эта классификация учитывает такие характеристики, как загрязненные и чистые контактные поверхности, допустимость (или недопустимость) повреждения контактов, конструктивное исполнение контактов (например, для обеспечения контакта со штырьками разъемов и штырьками под монтаж накруткой, с переходными отверстиями, с выводами компонентов, с отверстиями, покрытыми лаком, и так далее). Тестовые щупы также классифицируются по размеру шага установки. Рекомендуется использовать щупы с шагом 2,54 мм. Можно использовать щупы с меньшим шагом, но они дороже и менее надежны в эксплуатации. Необходимо учитывать и другие характеристики щупов, такие как максимальный ток, переходное сопротивление контакта, рабочий ход штока, контактное усилие при рабочем ходе и другие. Из-за такого многообразия характеристик создано несколько десятков тестовых щупов и типов наконечников.
В процессе измерений количество одновременно используемых тестовых щупов может быть достаточно большим, и их суммарное усилие может вызвать значительный изгиб платы. Чтобы его исключить, в конструкции адаптера предусматривают компенсирующие штыри и места с обратной стороны платы, куда эти штыри могут упереться. Адаптер может быть двухсторонним. В этом случае тестовые щупы расположены с двух сторон платы, что обеспечит частичную или полную взаимную компенсацию изгибающих усилий. Изгиб платы отсутствует, если щупы расположены строго напротив друг друга и количество их с разных сторон платы примерно одинаково. Конструкция двухстороннего адаптера значительно сложнее одностороннего, поэтому использовать его имеет смысл только в случае, когда не удается осуществить все необходимые подключения с одной стороны.
Все, о чем мы говорили до сих пор, относится в основном к техническим аспектам разработки. Для успешного запуска изделия в производство необходимо выполнить ряд организационных мероприятий. Прежде всего, представляется целесообразным согласовать разработанную документацию с тестовым инженером. В ее состав необходимо включить такой документ, как тестовая спецификация. Этот документ дополняет основной пакет документации в плане тестирования. Тестовую спецификацию разрабатывает конструктор изделия, включая в ее состав в виде таблиц и пояснений всю информацию, необходимую для разработки теста. Так как документ предшествует разработке теста, он обычно называется "Тестовая спецификация (предварительная)".
В каждом конкретном случае состав документа может быть различным. В качестве иллюстрации приведем упрощенный пример, дающий, тем не менее, представление о составе такого документа:
1. Обозначение документа
2. Перечень вариантов исполнения
3. Блок-схема и назначение выводов микроконтроллера
4. Назначение контактов разъемов
5. Индикация и подсветка
6. Испытательное оборудование:
* Спецификация питания
* Значения сопротивления датчика температуры
* Значения сопротивления датчика давления
* Сигналы датчика скорости
* Пределы и точности сигналов от датчиков
* Входные сигналы на разъемах
7. Испытания изделия:
* Описание интерфейса
* Передача информации
* Общие команды диагностики
* Производственные команды (чтение/запись)
* Прошивка EEPROM
8. Контрольная структура платы:
* Введение
* Тест компонентов
* Визуальный тест
* Основные соединения с платой
* Чтение версии программы
* Данные программирования
* Потребляемый ток в положении "выключено"
* Потребляемый ток в положении "включено"
* Выходные сигналы для шагового двигателя
* Калибровка часов
* Аналоговые входы
* Цифровые входы и выходы
* Сегменты и подсветка индикатора
* Тест расширений
* Конец тестирования – порядок отключения питания.
Возможна некоторая аналогия с таким документом, как инструкция по настройке. Однако есть принципиальное отличие. Инструкция по настройке – это документ, управляющий действиями человека. А тестовая спецификация – это набор информации, необходимой для программирования автоматического тестера.
Степень тестопригодности печатного узла – это одна из характеристик качества разработки. Но говорить о тестопригодности как о независимом параметре будет неверно. Имеет смысл вести речь о пригодности печатного узла для тестирования с учетом оснащенности конкретного производства. Поэтому требования по тестопригодности, изложенные в техническом задании на разработку изделия, должны содержать исчерпывающую информацию о тестовых возможностях планируемого производства.
Отзывы читателей
