Nová generace ATE (automatického testovacího systému) pro osazené DPS

Úvod

Zhruba před dvěma lety byly v tomto časopise stručně popsány prostředky a metody, které je možno použít pro testování osazených desek při elektronické výrobě. Původní koncepce preferovala nízké pořizovací náklady a připouštěla různé dodělávky a kombinaci manuálních a poloautomatizovaných testovacích funkcí. V tomto příspěvku bychom chtěli představit novou generaci ATE – automatického testovacího systému s jednoduchým základem, který je však flexibilní a rozšířitelný pro řadu typů osazených desek. Systém byl vyvinut ve firmě Ryston Electronics původně pro vlastní výrobu, ale již našel uplatnění v sériové výrobě u osazovacích firem a byl dopracován ze stadia prototypu do produktu.

Sériová výroba

Hlavní rozdíl v sériovosti je počet desek, způsob manipulace s deskami a podíl manuální/automatizované činnosti. Malé série jsou manipulovány ručně s možností individuálního konfigurování výrobku, střední série pásovým dopravníkem a ruční manipulací s přepravkami a velké série jsou charakteristické robotickou manipulací a vysoce automatizovanou činností.

ATE nové generace je vhodný pro střední až velké série, přesto však umožňuje využívat individuální a samočinné elektronické evidence kusů a kroků, kterými v procesu prošly.

Jako nejdůležitější rys se však ukázalo volitelné připojení testeru do firemního systému řízení jakosti (informačního systému). Ten musí být zpravidla v souladu s normou ISO9001 a dalšími normami, např. pro automotivní či lékařskou techniku, jak to vyžadují naši zákazníci. U každého procesu jsou ale základní požadavky na tvoření záznamů o průchodu výrobku určitými kroky (operacemi a testy).

Základní funkcí ATE je podrobení výrobku opakovatelné sekvenci testů pro ověření funkce či pro vyhledávání chyb osazení či pájení. Jednotlivé kusy jsou přitom evidovány pomocí unikátních výrobních čísel či kódů.

To umožňuje jednak individuální doosazení, např. součástek jiných než SMD, mechanických dílů, ruční montáž finálního výrobku, zahoření, expedici a také údržbu, servis a zpětnou vysledovatelnost v případě systematické neshody, neboť je k dispozici sekvence záznamů o každém kroku, kterým kus prošel.

Větší série dále mají časové nároky na navazující kroky, na počítač řídící testovací zařízení a na podnikovou síť, k níž je připojen, aby se na lince kusy nehromadily. Aby byla zajištěna kvalita, musí být identifikace a testy stejně kvalitní jako testy automatické. Čím větší je objem výroby, tím jsou vyšší i požadavky na automatické testování a programování procesorů a pamětí a unikátní inicializaci např. šifrovacích obvodů.

Testy desky osazené součástkami mohou být nejen elektrické (zdroje, baterie, vstupy/výstupy, oscilátory), ale též mechanické (tlačítka, vibrace), optické (LED, displej, čidla, čárové/QR kódy) a radiotechnické (GPS, GSM, RFID, Wifi atd.). Někdy funkční test může trvat překvapivě dlouho (například test GPS přijímače až do nalezení fixu polohy).

O výsledcích kroku testu, o vytvoření unikátního zabezpečovacího certifikátu a jeho naprogramování je pro každý kus vytvořen záznam do podnikové databáze. Časová náročnost testu nesmí být vyšší než kapacita linky, aby ji nezpomalovala.

Fixtura s jehlovým polem

Fixtura je otevírací mechanický přípravek pro rychlé upnutí testované desky vybavený naváděcími kolíky nebo rohy pro její přesné navedení. Po zavření zajišťuje přitlačení sady pružných jehlových kontaktů kolmo ke zlaceným testovacím ploškám na významných spojích na spodní straně testované desky. Shora se testují např. LED, tlačítka, ale je možné testovat i rozhraní karet, baterie a další obvody jehlovými kontakty různých tvarů. Pružné kontakty se vyrábějí ve stovkách typů podle napětí, proudu nebo i frekvence signálu, který se testuje.

Fixtura musí být dosti robustní, protože kromě pružinových kontaktů pro testování elektrických charakteristik často nese i testovací prvky elektromechanické (solenoidy) nebo pneumatické pro testování tlačítek a jiná čidla, čtečky optických kódů, kamery, rádiové vysílače atd.

Příprava nosné desky fixtury není úplně levná, ale lze ji zadat u specializované firmy, máte-li podklady (Gerber soubory a vrtací data) pro výrobu originální DPS. V nové fixtuře je příprava pro velmi zjednodušenou nosnou desku bez pohyblivých dílů umožňující rychlou výměnu nosné desky a propojení od jehliček na konektory.

Pro konkrétní desku se rozvrtá 10 mm silná nosná deska z materiálu FR-4 otvory (vrtací data jsou vygenerována ze souřadnic testovacích plošek z návrhového systému), do nichž se nalisují pouzdra pružných kontaktů, a ty se propojují (pájením či ovíjením) s elektrickým testovacím adaptérem, který je univerzální − přesně na danou desku.

Flexibilita fixtury spočívá v možnostech propojení kontaktů jehlového pole s porty elektronické části testovacího systému. Ve fixtuře vyvinuté ve firmě Ryston Electronics je toto propojení realizováno množstvím drátových spojů pod nosnou deskou. Mechanika fixtury umožňuje otevřít systém pod nosnou deskou, a tak se dostat k propojení a k elektronice. Při přechodu na testování jiné desky prostě vyjmete nosnou desku a propojení z jehel na konektory a do fixtury zasadíte novou nosnou desku a propojení, které zapojíte do konektorů testovací elektroniky.

Podle velikosti vyráběné desky plošných spojů je možno naplánovat výrobu většího množství desek v panelech s vícenásobnými motivy. Jednotlivé destičky mají vyfrézované obrysy, z nichž se po zapájení a testu vylámou v můstcích, za které desky drží v panelu. Tomu pak musí odpovídat i testovací fixtura a elektronika.

Testovací elektronika

Hlavním předmětem vývoje byla samotná elektronická část testovacího systému. Připojení testovací elektroniky k počítači se ukázalo být nejlepší pomocí USB rozhraní. To pracuje v režimu virtuálního COM portu, takže není problém s kompatibilitou řídicího PC. Nová fixtura je zkonstruována tak, aby pojala kompaktní PC. Testovací elektronika je vytvořena na externí desce s modulárními rozhraními pro testování analogových, digitálních, popř. dalších veličin.

Testovací elektronika obsahuje moduly pro testování digitálních signálů pomocí systému JTAG nebo analogových signálů pomocí modulů s analogovými vstupy a výstupy pomocí A/D a D/A převodníků.

Dále obsahuje nastavitelné zdroje a zátěže pro testování výkonových obvodů. A dále je možno připojit kameru nebo čtečku čárových a QR kódů a případné rádiové moduly pro testování rádiových obvodů na desce. Tyto moduly se musejí nakonfigurovat podle použitého pásma. K tomu patří i testovací modul pro polohovací signály GNSS. Běžně se kontroluje jen citlivost přijímače a doba do získání fixu polohy.

Do fixtury se z pásu po zapájení vkládá celý panel čtyř osazených DPS najednou a najednou se také testuje a programuje. Testovací pracoviště může násobit svoji kapacitu přidáním dalších síťových stanic a multitesterů. V záloze je vždy jedna fixtura pro případ poruchy a další je ve vývoji v Rystonu.

Protože vše mechanické se jednou za čas porouchá, je fixtura konstruována tak, aby se díl s poruchou, např. vzpříčenou nebo ohnutou jehlou, dal snadno opravit výměnným způsobem.

Pracoviště je propojeno spolu s dalšími pracovišti podobného typu do lokální podsítě v jedné části výrobní haly. To umožňuje připojit další stanice, používat specializovanou tiskárnu na samolepicí štítky a v případě rozšíření výroby připojit celé další pracoviště.

Díky vestavěnému mini PC lze využít všechny výhody OS Windows, ovladače a síťový software, případně i grafické výstupy CAD softwaru.

Závěr

Pro sériovou výrobu osazených desek byl ve firmě Ryston Electronics vyvinut flexibilní testovací systém ATE nové generace využívající standardní mechanické díly a modulární stavebnici testovací elektroniky s potenciálem dalšího rozvoje. Při vývoji byly rozvedeny poznatky z vývoje testovacích přípravků pro oživování a malé série.