Testovanie dosiek plošných spojov je v súčasnosti nevyhnutnou súčasťou procesu výroby a montáže dosiek s plošnými spojmi, čo umožňuje dosiahnuť vysokú kvalitu konečného výrobku. Okrem toho včasné odhalenie nezrovnalostí umožňuje optimalizovať využívanie výrobných zdrojov, čo vedie k úsporám.

Testovanie je jednou z kľúčových činností procesu výroby a montáže DPS. Jeho dôsledné a spoľahlivé uplatňovanie vedie k zvýšeniu efektívnosti výroby a kvality konečného výrobku. Existuje množstvo rôznych metód testovania, ktoré možno použiť v rôznych fázach výroby a pre rôzne skupiny výrobkov. Prototypové systémy a systémy vyrábané v malých sériách sa zvyčajne testujú trochu iným spôsobom, zatiaľ čo výrobky vo veľkosériovej výrobe sa testujú iným spôsobom. Tento článok vám poskytne prehľad najbežnejších metód testovania vo výrobe pri montáži dosiek plošných spojov.

Vizuálny test (MVI)

Vizuálna skúška vykonávaná priamo skúšajúcou osobou (MVI, Manual Vision Inspection) je pravdepodobne najstaršou a najzákladnejšou metódou testovania PCB. Nevyžaduje si obzvlášť drahé alebo zložité vybavenie, spolieha sa predovšetkým na skúsenosti a presnosť testujúcej osoby. Tento typ kontroly môže odhaliť viditeľné chyby na doske, napríklad nesprávne spájkované spoje, chyby v umiestnení súčiastok, skraty alebo prerušené stopy.

Účinnosť tejto metódy však nie je príliš vysoká a problémom je aj jej nízka opakovateľnosť a spoľahlivosť, ktorá úzko súvisí s ľudským faktorom. Tento typ kontroly tiež nedokáže odhaliť chyby existujúce v skrytých vrstvách a prvkoch dosky plošného spoja.

Medzi výhody tejto metódy patrí najmň nízka cena potrebného technického vybavenia - táto metóda sa celkom dobre osvedčuje pri prototypovej alebo malosériovej výrobe.

Automatizovaná optická kontrola (AOI)

Automatizovaná optická kontrola (AOI, Automated Optical Inspection) je primárne určená pre veľkosériovú výrobu. Systém AOI pozostáva z jedného alebo viacerých optických snímačov (digitálnych fotoaparátov alebo kamier), ktoré snímajú kontrolovaný objekt. Tieto snímky potom analyzuje systém rozpoznávania obrazu - počas automatickej analýzy systém vyhľadáva prvky, ktoré sa odchyľujú od vopred zaznamenaného správneho vzoru dosky plošného spoja vrátane osadenia, polarizácie komponentov a iných zaznamenaných markerov. Katalóg zistiteľných chýb je v podstate rovnaký ako pri kontrole MVI, ale systémy AOI sú neporovnateľne rýchlejšie, presnejšie a vysoko reprodukovateľné.

Nepochybnou nevýhodou tohto riešenia je cena potrebného technologického vybavenia a pomerne dlhý čas potrebný na spustenie výroby. Pri každej zmene dizajnu alebo vzhľadu dosky je potrebné systém prekonfigurovať, čo je tiež časovo náročné. Z tohto dôvodu nie sú systémy AOI príliš vhodné na účely prototypovania.

Pri veľkosériovej výrobe DPS sa systém AOI zvyčajne používa ako prvý stupeň testovania po montáži alebo na rýchle zistenie porúch vo výrobnom procese.

Automatická röntgenová kontrola

Automatická röntgenová kontrola (AXI, Automated X-Ray Inspection) využíva röntgenové žiarenie na kontrolu stavu testovaného zariadenia. To umožňuje vytvárať dvojrozmerné a trojrozmerné snímky, ktoré obsahujú aj informácie o objektoch a štruktúrach, ktoré nie sú viditeľné optickými nástrojmi.

AXI je jednou z najnákladnejších testovacích metód, preto sa najčastejšie používa pri hromadnej výrobe zložitých viacvrstvových dosiek s plošnými spojmi. Možnosť vidieť skryté vrstvy dosky umožňuje odhaliť anomálie spojené so súčiastkami v puzdrách BGA alebo QFN, ktoré sú pre optické kontrolné systémy dosť problematické.

ICT Testovanie

Testovanie funkčnosti obvodov pomocou ihlových testerov sa označuje aj ako ICT (In-Circuit Testing) alebo testovanie v obvode. Pri tomto teste sa na rozdiel od predtým uvedených metód neoverujú vizuálne vlastnosti obvodu, ale kontrolujú sa jeho elektrické parametre. Z tohto dôvodu sa táto metóda zvyčajne používa v záverečnej, alebo pred záverečnej fáze výroby, po ukončení procesu montáže komponentov na dosky plošných spojov. Zriedkavo sa uplatňuje aj na prototypy, oveľa častejšie sa realizuje len v prípade sériovej výroby.

Princíp ICT testera osadených dosiek plošných spojov

Tester ICT využíva matricu vodičov (v tvare ihiel, odtiaľ pochádza jeho názov) na vynútenie a kontrolu elektrického signálu v rôznych bodoch obvodu - týmto spôsobom okrem iného skúma prítomnosť skratov a prerušených ciest, kontroluje ich elektrické parametre (napríklad odpor, kapacitu) a môže dokonca odhaliť poškodenie alebo nesprávnu orientáciu jednotlivých komponentov. Pri tejto metóde sa dosť často používa doprovodný proces, ktorým je programovanie MCU ak ho dosky obsahujú a kontrola funkčnosti nahraného firmware.

Potreba testovania ICT sa musí zohľadniť už vo fáze návrhu DPS - na povrchu DPS sa musia umiestniť vhodné prístupové body, t. j. testvacie body "Testing points", ku ktorým sa potom počas testovania môžu pripojiť ihly testera. Nevýhodou metódy ICT je potreba pripraviť testovacie prostredie pre individuálne potreby testovaného zariadenia, čo môže zahŕňať napríklad potrebu vytvoriť špeciálne matrice prispôsobené mozaike ciest a vodičov testovaného obvodu. Z tohto dôvodu je nepravdepodobné, že by sa táto metóda široko používala pri výrobe prototypov a malých sérií.

Testovanie FPT

Alternatívou k ihlovým testerom, ktorá je o niečo pomalšia, ale lacnejšia, a preto atraktívnejšia, najmä z hľadiska malosériovej a prototypovej výroby, je použitie testerov s pohyblivou sondou (FPT, Flying Probe Testing).

Tester je vybavený niekoľkými alebo viacerými pohyblivými sondami, ktorými môže pohybovať, aby ich mohol použiť na vhodnom mieste testovaného obvodu. Pomocou príslušného softvéru dokáže tento tester skontrolovať správnosť všetkých komponentov v obvode. Hlavnou výhodou tejto techniky sú už spomínané nižšie náklady v porovnaní s metódou ICT. Nevýhodou je nepochybne predĺžený čas testovania, ktorý je až niekoľkonásobne dlhší ako pri ICT. Z tohto dôvodu sa metóda FPT používa najmä na výrobu prototypov a malých sérií.

Záťažové testovanie

Skúšky preťaženia alebo starnutia (Stress Test) sú určené na kontrolu odolnosti zariadenia voči prevádzke za extrémnych podmienok a niekedy aj na určenie týchto hodnôt. Táto skúška môže zahŕňať široký súbor a rozsah parametrov, ako je teplota okolia, vlhkosť vzduchu, prúd alebo frekvencia vstupného signálu. Návrh tohto typu testu si vyžaduje individuálnu analýzu vlastností testovaného zariadenia a jeho predpokladaného prevádzkového prostredia. Na rozdiel od predtým opísaných metód sa tieto testy nevykonávajú na výrobnej alebo montážnej linke - používajú sa skôr na kontrolu správnosti a robustnosti daného návrhu, najčastejšie vo fáze prototypovania, pred rozhodnutím o začatí sériovej výroby.

Jedným z najbežnejších je test "Burn-in", ktorý zahŕňa aplikáciu extrémnej hodnoty konkrétneho prevádzkového parametra obvodu (napr. teplota, napätie) počas dlhšieho časového obdobia (rádovo niekoľko dní) alebo vo forme opakovaných cyklov (napr. opakované prechody medzi minimálnou a maximálnou teplotou okolia). Účelom takéhoto testovania je odhaliť slabé miesta a chyby v testovanom obvode.

Pri niektorých skupinách výrobkov sa testovanie preťaženia vyžaduje na základe predpisov špecifických pre dané odvetvie. V príslušných usmerneniach je tento proces popísaný okrem iného pre výrobky určené pre lekársky, letecký, priemyselný a automobilový trh.

Testovanie FCT

Ďalšou metódou, ktorá sa používa v záverečných fázach hotových a a osadených dosiek plošných spojov je funkčné testovanie (FCT, Functional testing). Jeho úlohou je funkčná skúška vyrobeného zariadenia. Podľa definície by toto testovanie malo zahŕňať správne fungovanie vyrobeného systému a jeho súlad s požiadavkami a špecifikáciami. Rozsah a zložitosť tohto testovania závisí od potrieb konkrétnej aplikácie - v niektorých prípadoch môže zahŕňať len najjednoduchšie kroky kontroly reakcie zariadenia na zapnutie a vypnutie, zatiaľ čo v iných prípadoch môže ísť o mimoriadne zložitý a časovo náročný postup, ktorý si vyžaduje použitie mnohých ďalších zariadení. Tento typ testera obsahuje pneumaticko mechanické komponenty, ktoré simulujú pomocou vopred naprogramovaného cyklu interakciu používateľa a celkovú funkciu koncového zariadenia. Kontrolujú sa mechanické spínače a tlačidlá, senzory a silové výstupy relé. Pri tomto teste sa aplikuje plné napájacie napätie. Táto metóda neoplýva rýchlosťou testovania - čo záleží od zložitosti a veľkosti testovaného výrobku a nasadzuje sa v strednom a vysokom objeme výroby.

Zhrnutie

Testovanie je neoddeliteľnou súčasťou procesu výroby a montáže elektrických zariadení. Výber vhodných metód testovania závisí od potrieb aplikácie a zakaždým by mu mala predchádzať podrobná analýza požiadaviek projektu. Správne navrhnutý a vykonaný proces testovania výrazne zvyšuje spoľahlivosť konečného výrobku a v mnohých prípadoch umožňuje zaručiť jeho správnu funkciu a bezpečnosť jeho používateľov.