Elektrický test osazených desek metodou Flying Probe

Elektrický test osazených desek plošných spojů lze provést pomocí unikátního přípravku s polem testovacích jehel nazývaného Bed of Nails (obr. 1) nebo univerzálním testerem s pohyblivými dotykovými hroty zvaným Flying Probe (obr. 2). Testování přípravkem s jehličkovým polem bylo popsáno např. v článku [1]. Cílem tohoto článku je ukázat základní rysy testování metodou Flying Probe.

Testery založené na metodě Flying Probe pracují podobně jako technik, který s měřicím přístrojem odměřuje na desce plošných spojů – postupně a podle potřeby přikládá měřicí hroty na vývody součástek nebo jiná kontaktní místa desky. Rozdíl je v tom, že tester Flying Probe může mít více než jen dva dotykové hroty a jejich přemisťování probíhá automaticky podle pokynů softwaru. Kontaktními body mohou být např. nezakryté via otvory, testovací plošky či pájené spoje vývodů součástek. Testovaná deska je uchycena v držáku testeru.

Protože se dotykové hroty musí rychle a přesně přemisťovat po desce, jedná se o poměrně složité elektromechanické zařízení. I tak má ale Flying Probe tester své výhody oproti zdánlivě jednoduchému přípravku s polem testovacích jehliček pevně rozmístěných podle potřeb dané desky. Je to jeho univerzálnost, protože se může bez mechanické úpravy používat na různých deskách plošných spojů. Přechod z jednoho typu desky na jiný typ je u Flying Probe testeru poměrně jednoduchou a rychlou záležitostí, která spočívá ve vytvoření řídicího programu pro pohyb dotykových hrotů z výstupních podkladů pro návrh desky. Tím, že Flying Probe test eliminuje potřebu jednorázových přípravků a jejich programování, stal se cenově efektivní metodou pro testování prototypů a malých sérií. Tak například při dodatečné úpravě desky, kdy se změní třeba poloha součástky, stačí v řídicím softwaru provést jednoduchou úpravu polohy pájecích plošek posunuté součástky.

V porovnání s testováním pomocí Bed of Nails je ovšem Flying Probe tester podstatně pomalejší i při použití více dotykových hrotů, protože jehličkový tester může použít k testování velký počet jehliček současně. Elektrický test desek v hromadné výrobě je proto doménou testerů typu Bed of Nails, i když testery Flying Probe neustále zvyšují svoji rychlost testování.

Flying Probe testery se začaly používat koncem 80. let minulého století, kdy testovaly pouze jednu stranu desky pomocí 4 dotykových hrotů. Dnes mohou testovat obě strany desky ve vertikální nebo horizontální poloze a s použitím více dotykových hrotů, které jsou umístěny v hlavicích. Velké testery mohou mít až 8 hlavic, které se nezávisle na sobě pohybují velmi rychle nad deskou. Aby mohly hroty dosáhnout šikmých ploch pájených spojů vývodů, nejsou postaveny k desce kolmo, ale pod úhlem. Efektivní testování vyžaduje, aby se hroty pohybovaly z jednoho místa na druhé velmi rychle, stejně jako se rychle zvedaly i spouštěly. Při spouštění hrotu na měřený bod je jeho rychlost řízena tak, aby dosedl měkce a zanechal na desce pouze zanedbatelné stopy způsobené nárazem hrotu při dosednutí. Protože se hroty přemisťují nad deskou před jejich dosednutím na měřené místo, je výška součástek na desce omezena zhruba na 45 mm (podle typu testeru). Při objíždění vysoké součástky musí hlavice udržovat určitý odstup, který je tak dalším omezením. Některé součástky nemají vývody dostupné a jako testovací body potom slouží např. připojené via otvory nebo testovací plošky vytvořené na plošných spojích. Může se i stát, že na osazené desce plošných spojů jsou hluchá místa, na která nelze dotykovými hroty dosáhnout. Různá omezení mohou platit pro horní i spodní stranu desky.

Přesnost a rychlost nasměrování dotykového hrotu na testovací bod je jedním z klíčových parametrů testerů Flying Probe. To není jen otázka přesné a velmi rychlé mechaniky ovládající pohyb hrotů, ale také třeba materiálu šasi stroje. Velmi rychlé testery mají základovou desku stroje vyrobenou např. z žuly (Takaya APT-1400F) nebo umělého kamene z minerálů (SPEA 4080), které zaručují rozměrovou stálost i při změnách teploty a vibracích. Pro představu: i při své velké rychlosti je dotykový hrot u těchto testerů schopen opakovatelně najít a zasáhnout plošku o velikosti pouhých 50 až 60 μm.

Flying Probe tester umožňuje detekovat zkraty a přerušená spojení, chybějící součástky, špatnou hodnotu a chybnou polaritu součástek. Může měřit hodnoty rezistorů a kondenzátorů, rozpozná zkrat nebo rozpojení u indukčností, diod, tranzistorů, relé a transformátorů. Dotykovými hroty lze na desku také doručit signály i napětí potřebné pro testování. Testery mohou být doplněny o kameru pro registraci polohy a video inspekci desky.

Obr. 3 Flying Probe tester 4080 od společnosti SPEA

Testovací zařízení Flying Probe může mít různé provedení a možnosti. Tak např. tester GRS550 (obr. vpravo nahoře) od Polar Instruments [4] je malým stolním zařízením s pouze jedním dotykovým hrotem, který vyhledává závady na osazené desce metodou Analog Signature Analysis. Naproti tomu např. tester APT-1400F od japonské společnosti Takaya [5] je naopak robustní a velmi rychlé zařízení s 6 dotykovými hroty, z nichž jsou dva speciální hroty pro měření na těžko dostupných místech. Kromě toho tento tester umožňuje celou řadu speciálních měření, takže je vhodný pro funkční testování složitých osazených desek. Mezi známé evropské výrobce Flying Probe patří např. italská firma Spea [6], jejíž tester 4080 (obr. 3) dokáže za sekundu odměřit 160 míst na desce s pomocí 8 hlavic dotykových hrotů. Zakládání desek do testeru může probíhat automaticky ze zásobníku nebo z linky a také manuálně.

(Obr. vpravo nahoře Flying Probe tester GRS 550 od Polar Instruments)

Literatura:

[1] Ing. Tomáš Navrátil: Testování při výrobě aneb DFT (DPS Elektronika od A do Z, č. 1/2016)

[2] POE Precision Electronics (www.poe-pcba.com/4954.html)

[3] Electromech Engineering Pakistan (http://electromechpk.com/products/testingandcalibration)

[4] Polar Instruments GmbH - GRS550 (www.polarinstruments.asia/pcb_repair)

[5] Takaya (www.systech-europe.de)

[6] SPEA (www.spea.com)