Panoramica dei metodi di test e di ispezione dei PCB

Il PCB è il componente di base di qualsiasi circuito elettronico, semplice o complesso che sia. L’ampio utilizzo di componenti a montaggio superficiale (SMD), combinato con la necessità di vari strati, ha inevitabilmente incrementato la complessità dei PCB odierni. Indipendentemente dall’applicazione, il requisito comune che tutti i PCB devono soddisfare è di funzionare correttamente secondo le specifiche del progetto e di non avere difetti. L’ultima generazione di circuiti elettronici include centinaia di componenti con migliaia di saldature e interconnessioni: è quindi essenziale definire un’ispezione rigorosa e procedure di prova, in grado di garantire la qualità del prodotto finale. Come conseguenza del tempo di commercializzazione ridotto e dell’elevata competizione in molti settori dell’elettronica, alcuni circuiti elettronici potrebbero uscire dalla fase di prototipazione con bug o difetti che dovrebbero essere identificati e risolti prima che il prodotto raggiunga la fase finale.

Panoramica dei test sui PCB

Quando i circuiti elettronici erano relativamente semplici, l’ispezione visiva manuale (MVI) era sufficiente a rilevare problemi potenziali come cortocircuiti, giunti di saldatura imperfetti, tracce interrotte, polarità invertita di alcuni componenti e perfino componenti mancanti. Tuttavia, la tecnica MVI non era priva di problemi relativi agli errori commessi dagli esseri umani legati alle operazioni noiose e ripetitive. Ciò ha creato situazioni in cui i difetti non erano rilevati oppure erano presenti in una fase molto avanzata del progetto, quando le modifiche al circuito erano ormai troppo costose. La fase successiva era di automatizzare il processo di ispezione visiva utilizzando la tecnica di ispezione ottica automatica (AOI). AOI è oggi un metodo di ispezione collaudato, ampiamente utilizzato durante il pre-flusso e il post-flusso di saldatura e disponibile su varie macchine pick-and-place. L’utilizzo sempre più massiccio di componenti SMD e pacchetti BGA (matrice a griglia di sfere) ha evidenziato i limiti della tecnica AOI, non più in grado di rilevare i collegamenti e le saldature nascoste sotto il package. È stata quindi sviluppata la tecnica di ispezione a raggi X (AXI), basata sull’utilizzo di raggi X in grado non solo di vedere attraverso il package, ma anche di ispezionare i PCB multi-strato ad alta densità di componenti. Dopo la fase di ispezione, il PCB deve sottoporsi a un test accurato, eseguito sul circuito completamente assemblato.

Obiettivo dei test sui PCB

Un PCB è costituito da diversi elementi, ognuno dei quali influisce sulla prestazione complessiva del circuito elettronico. La serie minima di test da eseguire dovrebbe comprendere i seguenti controlli:

  • Conducibilità elettrica, inclusa la misura delle correnti di dispersione;

  • Resistenza meccanica;

  • Qualità delle saldature;

  • Pulizia (resistenza agli agenti atmosferici, compresa l'umidità e la corrosione);

  • Qualità delle pareti del foro;

  • Laminazione, che verifica la resistenza del laminato alla pelatura con la forza o l'applicazione di calore;

  • Placcatura in rame, testata con resistenza a trazione e analisi dell'allungamento risultante;

  • Test ambientale, in particolar modo per i PCB che operano in ambienti umidi;

  • Polarità dei componenti, orientamento, allineamento e posizionamento.

AOI

In quanto metodo di ispezione, l’AOI può rilevare guasti o difetti dei PCB nelle fasi di sviluppo iniziali. L’AOI è un metodo di ispezione visiva che utilizza telecamere per acquisire immagini sulla scheda da diverse angolazioni e con diverse condizioni di illuminazione. Questa tecnica include anche la funzionalità OCR, in grado di interpretare le serigrafie sui PCB. Le immagini acquisite vengono poi confrontate con quello che si vuole ottenere (la cosiddetta “golden board”). Questo metodo ha il vantaggio di rilevare diversi tipi di guasti e può essere utilizzato in varie fasi di sviluppo. Lo svantaggio principale è quello di essere limitato a un controllo della linea di vista, non in grado di controllare i collegamenti nascosti da BGA o altri tipi di package.

AXI

L’alta densità introdotta dalla tecnologia SMT e l'incapacità di identificare collegamenti in package BGA e CSP (Chip Scale Package), richiedevano metodi di ispezione più accurati, come quelli basati sui raggi X (AXI). Poiché le saldature sono realizzate con materiali il cui peso atomico è maggiore di quello degli altri componenti della scheda, queste sono chiaramente visibili nelle immagini radiografiche. Il vantaggio principale della tecnica AXI è che rileva tutti i collegamenti e le saldature, anche quelle nascoste dal package; inoltre, anche i giunti di saldatura possono essere ispezionati, evidenziando la possibile presenza di bolle. È inoltre significativa la possibilità di rilevare qualsiasi contraffazione dei componenti elettronici proprietari. D’altra parte, la tecnica AXI è relativamente costosa, il cui investimento può essere giustificato solo per PCB ad alta densità e componenti con package BGA o CSP. La figura 1 illustra un difetto rilevato dall’ispezione a raggi X.

Difetto rilevato dall’ispezione a raggi X

Figura 1: Difetto rilevato dall’ispezione a raggi X

Test in-circuit (ICT)

Questo test, eseguito dopo la fase di assemblaggio, verifica il funzionamento e la posizione corretta di ogni componente elettronico sul PCB. Il test include la verifica di cortocircuiti, circuiti aperti, resistenza, capacità e altri parametri. A questo scopo viene utilizzata una sonda mobile, composta da una gamma di driver e sensori che eseguono le misure richieste dal test muovendosi liberamente sulla scheda. La sonda viene controllata da un software appropriato, che può essere modificato adattando lo stesso sistema di test a schede con diversi layout. In alternativa, può essere utilizzato un test fixture, che consiste in un letto d’aghi progettato per lo specifico DUT (Device Under Test). Ogni “ago” si comporta come un vero e proprio sensore, in grado di connettere elettricamente un punto specifico del DUT al sistema di test. Il letto d’aghi è una tecnica costosa e non molto flessibile (ogni scheda richiede il suo letto d’aghi); inoltre, mostra alcune difficoltà nel testare schede ad alta densità di componenti, dove la spaziatura tra i pin è ridotta. La tecnica ICT ha il vantaggio di rilevare diversi guasti, relativi sia ai componenti individuali sia ai loro collegamenti e può essere eseguita senza alimentare la scheda. Il suo svantaggio è legato al costo (complessità sia del letto d’aghi sia del software di controllo) e all'impossibilità di testare i connettori, un limite significativo in sistemi analogici e digitali composti da più schede. La figura 2 mostra una macchina per test ICT con una sonda mobile.

Test ICT con sonda mobile

Figura 2: Test ICT con sonda mobile

un test fixture personalizzato, preparato per l’esecuzione del test del letto d’aghi

La figura 3 illustra un test fixture personalizzato, preparato per l’esecuzione del test del letto d’aghi

Test funzionale

Il test funzionale è l'ultima fase dell’ispezione e del processo di verifica. Come suggerisce il nome, il suo compito è di testare il funzionamento di un circuito, riproducendo i segnali elettrici in grado di stimolarlo e misurandone gli effetti prodotti. Il circuito è alimentato correttamente e stimolato elettricamente attraverso i connettori di interfaccia. Un'applicazione software elabora le misurazioni effettuate in punti idonei del circuito stampato, verificandone la corrispondenza con le specifiche di progetto. Il vantaggio del test funzionale è la capacità di rilevare potenziali anomalie del circuito che si verificano solo quando il circuito è alimentato; inoltre, è anche in grado di misurare l’assorbimento di potenza in punti specifici del circuito. Gli svantaggi sono legati al costo e alla complessità del sistema di test. Questo richiede infatti un’attrezzatura molto sofisticata ma non molto flessibile, il più delle volte configurata per eseguire solo il test di una scheda specifica.

Boundary-scan

Il boundary scan è una tecnica introdotta per testare le interconnessioni tra i componenti della scheda ed è ampiamente utilizzato per testare i circuiti integrati quando non è possibile accedere a tutti i nodi del circuito. Le sonde fisiche sono sostituite da “celle”, i cui pin di dati di uscita (TDO) e di ingresso (TDI) sono collegati in sequenza ad appositi registri a scorrimento e a una circuiteria per il multiplexing. La logica del boundary-scan è temporizzata da un segnale TCK (Test Clock), mentre un segnale TMS (Test Mode Select) abilita il test. È quindi 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 un segnale di reset opzionale è incluso) chiamato TAP (Test Access Port). I file BSDL (Boundary Scan Description Language), forniti dai produttori, contengono informazioni sui componenti boundary-scan. Il metodo boundary scan ha il vantaggio di essere adatto a diverse applicazioni, tra cui il test a livello di sistema, il test della RAM e della memoria flash e l'emulazione della CPU. Inoltre, il test può essere condotto direttamente sul campo. D’altra parte, il suo principale svantaggio è che non si tratta di un test esaustivo, la cui copertura è limitata ai componenti che supportano questo tipo di interfaccia.

Conclusione

Indipendentemente dal metodo scelto, il test sui PCB rappresenta una fase fondamentale nel processo di design elettronico, in grado di risparmiare molto tempo e denaro, identificando possibili guasti che influiscono sul circuito prima che raggiunga la sua produzione finale. In generale, una combinazione appropriata di metodi di ispezione e test menzionati in precedenza è in grado di rilevare ogni possibile difetto, con costi variabili a seconda dell’applicazione e della complessità specifica del circuito in fase di test.

maurizio-paolo-emilioDi M. Di Paolo Emilio

Maurizio ha un dottorato di ricerca in Fisica ed è ingegnere delle telecomunicazioni e giornalista. Ha lavorato a vari progetti internazionali nel campo della ricerca sulle onde gravitazionali. È caporedattore di Power Electronics News. È autore di diversi libri pubblicati da Springer, nonché di numerose pubblicazioni scientifiche e tecniche sul design elettronico.

 

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