Внутрисхемное и функциональное тестирование при помощи подпружиненных тестовых щупов

Одной из важнейших областей применения подпружиненных тестовых щупов является проверка смонтированных печатных плат, узлов и оборудования. Исследуемые устройства располагаются в специальном приспособлении (установке) и, когда оно закрывается, перемещаются к тестовым щупам (рис. 1). Контакт с точками тестирования на печатной плате осуществляется, как правило, снизу, однако конструкция некоторых плат предполагает и контакт сверху. В этом случае тестовое приспособление должно обеспечивать дополнительный контакт с верхней поверхностью платы. Сигналы, взятые сверху, обычно передаются вниз по проводам.

Рис. 1. Установки для тестирования печатных плат

При исследовании печатных плат следует учитывать разницу между внутрисхемным (ICT) и функциональным (FCT) тестами. При внутрисхемном тестировании проверяются отдельные компоненты или электрические соединения на плате. Таким образом, можно обнаружить дефекты дорожек (например, короткое замыкание или разрыв) и пайки или неисправные компоненты. В большинстве случаев требуется контактировать с большим количеством точек на плате. При функциональном тестировании выполняется проверка функционирования платы. Это значит, что тестируются не отдельные компоненты, а соответствие входных и выходных параметров заданным. Для функционального тестирования обычно необходим контакт с несколькими точками.

На практике процедуры ICT и FCT часто выполняются в два этапа на одной тестовой установке. Контактные щупы выбирают так, чтобы имелось два уровня контактов. На нижнем уровне располагаются все щупы для внутрисхемного тестирования, тогда как на втором находятся только длинные щупы для функционального тестирования.

Соотношение высот щупов в тестовых приспособлениях

Для контакта с печатной платой все используемые щупы должны иметь примерно одну высоту выступа и одинаковый номинальный ход, чтобы при закрывании приспособления все щупы сжимались на величину номинального хода и обеспечивали надежный контакт во всех точках тестирования. Но при более детальном рассмотрении структуры печатной платы видно, что высота в отдельных точках тестирования различается. Для контакта со штырьком, например, требуется более короткий щуп, чем для контакта с контактной площадкой или перемычкой. Для компенсации этих небольших различий многие контактные щупы изготавливаются с двумя вариантами длины (например, стандартный и чуть более длинный, обозначаемый как L‑версия).

Дополнительная сложность состоит в реализации внутрисхемного и функционального тестирования в два этапа на одном тестовом приспособлении. При этом сначала выполняется внутрисхемное тестирование на большем ходу, когда все щупы контактируют с тестируемым устройством. Далее для функционального тестирования ход уменьшается, и с тестируемым устройством контактируют только длинноходовые щупы с большей высотой выступа. В данном случае не нужна дополнительная тестовая установка для проведения функционального тестирования платы. Оптимальная комбинация стандартных и длинноходовых щупов важна, поскольку длинные щупы для функционального тестирования также должны обладать большим ходом, чем щупы для внутрисхемного тестирования.

Трудности при тестировании печатных плат

Существует много сложностей в процедуре проверки печатных плат и изготовлении тестирующих устройств. Многие печатные платы содержат нестандартные элементы или обладают конструкцией, которая требует индивидуального подхода. Например, трудно интегрировать управляющие элементы, реализовать боковой контакт или анализировать оптические сигналы (например, от светодиодов). Данные задачи нельзя решить только с помощью подпружиненных щупов, и здесь понадобится дополнительное оборудование и индивидуальная конструкция тестового приспособления.

Но и в том, что касается применения самих контактных щупов, есть определенные сложности.

Печатные платы с бессвинцовой пайкой

С 2006 года свинцовосодержащий припой запрещен, поскольку он наносит вред здоровью и окружающей среде. Однако контакт с бессвинцовыми точками пайки вызывает определенные сложности. В частности, бессвинцовая пайка приводит к образованию вязких остатков флюса, через которые трудно проникнуть, а головка щупа быстро загрязняется. Такие загрязнения накапливаются и значительно ухудшают электрические характеристики, сокращая, таким образом, срок эксплуатации щупа.

Для решения данных проблем созданы специальные контактные щупы, в которых используются три способа для обеспечения контакта с бессвинцовыми точками пайки или для проникновения сквозь загрязнения (рис. 2):

• Специальная продольная заточка наконечника. Грани обладают вогнутой формой, благодаря этому кромки очень острые и легко достигают контактной поверхности.
• Благодаря специальному покрытию твердость втрое выше, чем при обычном золотом покрытии. Кроме того, поверхность менее чувствительна к загрязнениям наконечника остатками пайки и грязью. По сравнению с обычными щупами срок эксплуатации значительно увеличивается.
• Повышенная предварительная нагрузка пружины ведет к увеличению силы контакта уже в начале. Это приводит к оптимальному проникновению к контактной поверхности. Номинальный ход и номинальное усилие пружины остаются неизменными, так что общая нагрузка при закрывании тестовой установки не возрастает (рис. 3).

Рис. 2. Соотношение высот щупов для функционального и внутрисхемного тестирования печатных плат

Рис. 3. Специальные контактные щупы для тестирования печатных плат с бессвинцовой пайкой

Платы с органической защитой поверхности (OSP)

Сегодня для защиты плат от окисления все чаще применяют органическую защиту поверхности. Печатные платы можно хранить несколько месяцев без потери качества. Однако если печатную плату нужно протестировать после нанесения данного покрытия, при использовании стандартных щупов могут возникнуть сложности. Органическая защита обладает большой твердостью и ее трудно пробить. В данном случае для обеспечения надежного контакта следует использовать специальные контактные щупы. Они также очень острые, обладают специальным покрытием и повышенной предварительной нагрузкой. Такие щупы надежно проникают сквозь органическое покрытие и имеют большой срок эксплуатации.

Загрязнение контактных головок

Для достижения длительного срока эксплуатации подпружиненных тестовых щупов следует избегать загрязнения головок. С учетом сферы применения и конфигурации тестируемого устройства это не всегда возможно. Причем очень сложно избежать жирового загрязнения контактных головок, которое накапливается после большого числа тестов и ведет к росту электрического сопротивления. Особенно чувствительны к этому незаостренные наконечники с большой поверхностью, например конические или зубчатые (рис. 4а). В таком случае хорошим решением будет применение самоочищающихся наконечников (рис. 4б), имеющих специальные прорези, через которые и стекают загрязнения между щупом и тестируемым устройством.

Рис. 4.
а) Стандартные конические наконечники;
б) cамоочищающиеся наконечники

Обеспечение контакта при очень малом расстоянии между осями щупов

В настоящее время для печатных плат характерны все более малые размеры и все более плотный монтаж. Но данная тенденция приводит и к новым сложностям при тестировании.

Для обеспечения контакта при малом расстоянии между осями щупов существует два подхода: с такой платой можно контактировать напрямую, используя очень тонкие щупы, или контакт можно реализовать при помощи тестового приспособления с неподвижными щупами. В специальных тестовых приспособлениях тестовые точки контактируют с неподвижными слегка наклоненными иглами, и сигнал передается на плату с большими расстояниями между контактными точками на другом уровне. Со вторым слоем платы можно осуществлять контакт при помощи стандартных щупов.

Полупроводниковые компоненты, или микросхемы, часто обладают очень малым шагом между выводами (десятые доли миллиметра). С ними можно реализовать контакт при помощи специальных тестовых головок (рис. 5), поддерживающих соединение между компонентом и печатной платой, которая обеспечивает простое соединение с тестовой системой. Тестовые головки обычно делают на основе тонких щупов с двумя плунжерами и вставляют их в плату-«сэндвич». Платы, как правило, выполняют из специального синтетического материала или из керамики.

Рис. 5. Плата-«сэндвич» с установленными щупами