Le tecniche di ispezione e test ricoprono due fasi essenziali del processo di produzione di ogni circuito stampato, consentendo una valutazione oggettiva della qualità del prodotto finale. Anche se si seguono tutte le regole e i consigli per una buona progettazione, esiste sempre il rischio che si presentino dei difetti, bug, o errori umani. L’identificazione e la risoluzione di questi problemi, eseguita prima che il PCB raggiunga la fase finale dello sviluppo, è un requisito fondamentale per garantire le prestazioni, la funzionalità e l'affidabilità del prodotto.
Oggi sono disponibili apparecchiature in grado di eseguire test sui circuiti stampati in modo completamente automatico ed eseguibili direttamente nello stesso ambiente di produzione del PCB. Le principali tecniche attualmente disponibili includono il test funzionale, l’esame ottico con telecamere e l’ispezione ai raggi X. Esiste inoltre la possibilità di testare il circuito stampato dopo aver eseguito la fase di assemblaggio, con tutti i componenti opportunamente posizionati e saldati.
e riceverete un preventivo per il vostro progetto di PCBA entro 10 minuti!
L’ispezione ottica consente di scansionare la scheda alla ricerca di possibili prooblemi di saldatura, come ponti, cortocircuiti, oppure connessioni elettriche di scarsa qualità. Questi sistemi utilizzano telecamere mobili ad alta risoluzione, spesso in grado di rilevare anche componenti posizionati in modo errato, oppure mancanti. Alcuni sistemi di test utilizzano anche l’ispezione a raggi X in tre dimensioni, la quale è in grado di rilevare problemi non visibili con l’ispezione ottica standard. Ad esempio, i sistemi a raggi X sono in grado di rilevare imperfezioni nelle saldature eseguite al di sotto dei circuiti integrati Ball Grid Array (BGA) e dei flip chip (un esempio di package flip chip è visibile in Figura 1).
Figura 1: un circuito integrato con package flip chip
Ispezione ottica automatica
I sistemi automatici di ispezione ottica, noti anche come AOI (Automatic Optical Inspection), utilizzano il segnale ottico rilevato da una singola telecamera (visione 2D) oppure da più telecamere (visione 3D) per monitorare i difetti dei circuiti stampati, con una risoluzione che può arrivare a pochi µm. Questo metodo fornisce risultati validi solo sui circuiti stampati in cui le saldature, le connessioni, i pad e le tracce da monitorare siano controllabili otticamente. La tecnica AOI si dimostra anche molto utile per la diagnosi precoce di problemi di assemblaggio, come cortocircuiti, circuiti aperti, assottigliamento delle saldature, graffi sulle tracce e altro ancora.
Le immagini ad alta risoluzione acquisite dalle telecamere 2D/3D vengono confrontate con le immagini relative a una scheda modello (nota anche come “golden board”) oppure con un database di immagini contenente schede buone e schede affette da difetti. La tecnica AOI consente di eseguire in modo completamente automatico, accurato e rapido tutti i controlli che altrimenti dovrebbero essere eseguiti manualmente, con inevitabile probabilità di commettere degli errore umani. Inoltre, è possibile rilevare il posizionamento corretto dei componenti dopo la fase di assemblaggio, sia sul piano del PCB, sia lungo l’asse verticale (la tecnica AOI 3D permette di rilevare anche l’altezza dei componenti). L’AOI presenta il vantaggio di poter essere aggiunto direttamente alla fine della linea di produzione del PCB, rilevando precocemente possibili difetti. Tuttavia, essendo un metodo passivo, può solo rilevare difetti presenti sulla superficie del PCB.
Ispezione con raggi X
Rispetto ad altri metodi di ispezione, la tecnologia AXI (Automatic X-Ray Inspection) consente di rilevare imperfezioni del PCB non visibili a occhio nudo o con un sistema ottico AOI. I raggi X sono infatti in grado di penetrare sia i layer del PCB, sia il package dei componenti, generando immagini 2D o 3D molto dettagliate. Ciò consente, ad esempio, di rilevare problemi di saldatura sui Ball Grid Array (BGA) oppure su dei pad nascosti. Nel caso di produzione di piccoli lotti di PCB o in fase di prototipazione, è spesso sufficiente eseguire l'ispezione con raggi X dei soli componenti con pad non visibili.
Pur trattandosi probabilmente della tecnica in grado di offrire i migliori risultati, l’AXI richiede un personale opportunamente addestrato ed è un processo lungo e costoso. Ciò giustifica il suo utilizzo per PCB prodotti su larga scala o per applicazioni particolarmente critiche e complesse. Per i componenti BGA questa tecnica offre risultati eccellenti (un esempio è visibile in Figura 2), consentendo di verificare i punti di saldatura nascosti tra il componente stesso e la superficie del PCB.
Figura 2: ispezione ai raggi X di un componente BGA
Ispezione con raggi infrarossi
L'ispezione di un circuito stampato con raggi infrarossi (nota anche come termografia) sfrutta il calore emesso dai componenti e dal PCB stesso ed è particolarmente significativa per le applicazioni di potenza, dove le correnti in gioco sono elevate. L'ispezione agli infrarossi, condotta con speciali telecamere termiche (come ad esempio il FLIR), può fornire informazioni altrimenti non disponibili con le ispezioni di tipo ottico.
Alcuni difetti dei circuiti stampati, come ad esempio una saldatura insufficiente, possono aumentare la resistenza elettrica in punti specifici del circuito, con conseguente aumento della temperatura rilevabile da una telecamera a infrarossi.
Un processo comunemente utilizzato nella termografia è la sottrazione di immagine. Un opportuno software acquisisce un'immagine precedente all'accensione del dispositivo, creando un profilo termico ideale. Questa immagine di riferimento viene poi sottratta dalle immagini successive, ottenute dopo l'accensione del dispositivo, eliminando i valori di temperatura riflessa statica e lasciando solo i delta di temperatura reali dovuti al riscaldamento della scheda e dei suoi componenti.
È importante sottolineare come sia la termografia, sia l’ispezione ai raggi X, consentano anche di rilevare possibili contraffazioni o clonazioni non autorizzate del PCB.
Test In-Circuit
Il test In-Circuit (noto anche come ICT, acronimo di In-Circuit Testing) è un test completamente automatizzato in grado di rilevare i difetti di fabbricazione o assemblaggio del PCB attraverso un processo di verifica puntuale con lo schematico.
Utilizzando un letto di aghi sul quale viene appoggiato il PCB, questo test accede a punti specifici del circuito misurando le prestazioni di ogni singolo componente in modo del tutto indipendente rispetto agli altri componenti ad esso connessi. Parametri come resistenza, capacità, impedenza e altro ancora possono essere misurati insieme al funzionamento di alcuni componenti analogici, come gli amplificatori operazionali. È anche possibile misurare alcune funzionalità dei circuiti digitali, sebbene la loro complessità di solito renda antieconomico un controllo completo. Utilizzando la tecnica ICT, è possibile eseguire un test completo del PCB, garantendo che il circuito sia stato realizzato correttamente. I difetti rilevati includono cortocircuiti e circuiti aperti, componenti mancanti oppure orientati in modo errato, difetti di saldatura e altro ancora. Per lotti di PCB di grandi dimensioni, è possibile realizzare maschere di prova su misura per eseguire l’ICT in modo più rapido ed efficiente. Un ulteriore vantaggio è rappresentato dall’elevato grado di copertura dei difetti, che può arrivare al 98%.
Gli svantaggi di questa tecnica sono l’elevato costo, giustificabile solo per la produzione su larga scala, la necessità di approntare un letto di aghi ad-hoc per ogni PCB e infine la possibilità di eseguire la verifica solo in alcuni punti del PCB, corrispondenti ai test point.
Test Flying Probe
Rispetto al test in-circuit, il test flying probe presenta il vantaggio di comportare un costo inferiore. Questa tecnica utilizza una sonda mobile che viene posta in contatto, in modo del tutto automatico e configurabile, con opportuni punti di interesse elettrico presenti sul PCB. Questi punti includono i pin dei componenti, i fori di via, i pad e altro ancora. Rispetto all’ICT a letto d’aghi, il test flying probe presenta il vantaggio di poter testare un elevato numero di punti del PCB (come ad esempio i terminali dei componenti) e non soltanto i test point previsti dal progettista sul circuito stampato. Inoltre, non è necessario un dispositivo prodotto su misura (come il letto d’aghi) e qualsiasi modifica apportata ai componenti o al progetto originale del PCB richiede soltanto un aggiornamento del software.
Grazie all’elevato numero di punti che possono essere verificati, il test flying probe garantisce una copertura dei difetti superiore rispetto al test ICT, a fronte tuttavia di una maggiore lentezza del processo che può diventare inaccettabile per la produzione di PCB su larga scala. In Figura 3 è visibile un’apparecchiatura per il test automatico di PCB con flying probe.
Figura 3: test di PCB con flying probe
Test funzionale
Il test funzionale di un PCB viene normalmente condotto nella fase finale del progetto, verificando la funzionalità e il comportamento del circuito stampato in diverse condizioni operative simulate al banco. Molto spesso il test funzionale viene eseguito per verificare specifici comportamenti indicati dal cliente, sottoponendo il PCB a diverse tipologie di stress elettrico e ambientale.
Questo test serve a garantire che il dispositivo in prova (Device Under Test, o DUT) funzioni come previsto. A seconda della complessità del progetto e dei requisiti da testare, il test funzionale può variare da un semplice test di alimentazione (power on/power off), fino a un test completo con protocolli di comunicazione specifici e un software di test dedicato. In virtù della sua flessibilità, il test funzionale può essere utilizzato in sostituzione di procedure di test più costose. Attraverso una simulazione accurata dell'ambiente operativo effettivo, il test funzionale fornisce risultati immediati sulla qualità del progetto e per questo motivo è sempre più utilizzato nella produzione di piccoli lotti, garantendo così che ogni singola scheda che esce dalla linea di produzione sia pronta per l’operatività sul campo.
Nonostante sia una procedura relativamente economica e applicabile a ogni tipologia di PCB, il test funzionale ha una copertura dei difetti strettamente dipendente dai controlli previsti dal piano di test. Inoltre, sottoposta a stress elevati, la scheda potrebbe subire dei guasti subito dopo aver superato i test funzionali.
Test burn-in
Il test burn-in, che presenta alcuni punti in comune con il test funzionale, consente di verificare le prestazioni di un PCB e trovare difetti non apparenti prima che la scheda vada in campo. Durante i test burn-in, le schede sono sottoposte a condizioni estreme, che superano le condizioni operative nominali. L’obiettivo è quello di rilevare precocemente possibili guasti e testare il funzionamento sotto carico, anticipando possibili problemi che possono presentari nell’utilizzo reale. A differenza di altri metodi di ispezione, che controllano solo gli indicatori di potenziali guasti, il test burn-in simula condizioni operative estreme in grado di innescare possibili guasti.
Queste condizioni operative estreme includono tipicamente variazioni di temperatura, tensione, corrente, frequenza operativa, o qualsiasi altra condizione operativa rilevante per il progetto. I risultati prodotti da questo test sono molto utili per i progettisti, che possono disporre di informazioni accurate per comprendere la causa dei difetti e ottimizzare il processo di progettazione o produzione.
10/12/2021
