Vývoj nové generace ATE (automatického testovacího systému) pro osazené desky plošných spojů

Úvod

Před rokem jsme v tomto časopise uvedli novou generaci ATE – automatického testovacího systému pro osazené desky plošných spojů. Vyznačuje se jednoduchým základem, avšak flexibilitou a snadnou rozšiřitelností pro více typů osazených desek. Systém a fixturu jsme vyvinuli ve firmě Ryston Electronics původně pro vlastní výrobu, ale za rok používání již našel uplatnění v sériové výrobě u osazovacích firem a byl dopracován ze stadia prototypu do produktu. Tento vývoj dále pokračuje.

Robotizace a sériová výroba

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

Systémy starší generace jsme vyvinuli pro oživování desek v řádu stovek, ale využívají individuální a samočinné elektronické evidence kusů a kroků, kterými v procesu prošly. ATE nové generace je vhodný pro střední až velké série.

Společným rysem však je volitelné připojení testeru do firemního systému řízení jakosti (informačního systému). U každého procesu je základním požadavkem na tvoření záznamů o průchodu výrobku určitými kroky (operacemi a testy), tedy evidence podle výrobních čísel. Tento systém musí být zpravidla v souladu s normou ISO 9001 a dalšími normami, např. pro automotivní či lékařskou techniku, jak to vyžadují naši zákazníci.

Základní funkcí ATE je podrobení výrobku opakovatelné sekvenci (elektrických) 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 doosazení např. součástek jiných než SMD, mechanických dílů, ruční nebo robotizovanou montáž finálního výrobku, programování, zahoření, balení a expedici, jednak údržbu, servis a zpětnou vysledovatelnost v případě systematické neshody, neboť je k dispozici sekvence záznamů o každém kroku, kterým kus prošel, i záznamy o dalších kusech stejné série a ve spolupráci se zákazníkem i záznamy o místě, době, trvání provozu, nabíjecích cyklech a dalších provozních podmínkách.

Čím větší je objem výroby, tím jsou vyšší i požadavky na automatické testování a programování procesorů, pamětí a unikátní inicializaci např. šifrovacích obvodů.

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. Proto při naší největší výrobní akci, což bylo asi 750 tisíc vozidlových jednotek pro nové mýto, muselo být nasazeno několik robotů pro manipulaci, zakládání do/z testeru a montáž do plastových krabiček.

Během tohoto období byly dále k testeru doplněny kromě elektrických (zdroje, baterie, vstupy/výstupy, oscilátory) též testy mechanické (tlačítek pomocí solenoidových „prstů“, testy odolnosti vibrací), optické (test LED, displeje a podsvícení, čidel okolního osvětlení, kamery na čtení laserovaných čárových/QR kódů) a testy radiotechnické (GPS, GSM, RFID, Wifi atd.). Někdy funkční test může trvat překvapivě dlouho (například test GPS přijímače až do nalezení fixu polohy), což může ovlivnit tok materiálu.

O výsledcích kroku testu, o vytvoření unikátního zabezpečovacího certifikátu a jeho naprogramování je pro každý kus vytvořen záznam do podnikové databáze. Časová náročnost testu v průměru 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 v novém modelu je možné testovat i na horní straně rozhraní karet, baterie a další obvody jehlovými kontakty různých tvarů. Pružné jehlové kontakty se vyrábějí ve stovkách typů podle napětí, proudu nebo i frekvence signálu, který se testuje.

Fixtura je 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. Velkým počtem prošlých desek se fixtura samozřejmě opotřebovává: zvětšují se vůle, jehlové kontakty se „unavují“ a občas se nějaký zalomí, plexisklo se stává hůře průhledným, zapráší se atd., takže co každých 20 tisíc kusů se fixtura musí podrobit servisu. To znamená, že je třeba mít nejméně tři kusy každé fixtury: jednu v provozu, druhou v pohotovosti a třetí v servisu. Plus další pro vývoj v průběhu výroby.

Příprava nosné desky fixtury není úplně levná, ale v průběhu jsme se naučili ji správně zadat našemu partneru – výrobci DPS ze stejných podkladů (Gerber soubory a vrtací data) jako pro výrobu originální DPS. V nové fixtuře je příprava pro velmi zjednodušenou nosnou desku bez pohyblivých dílů umožňující rychlou výměnu sady nosné desky a propojení od jehliček na konektory samotné testovací elektroniky.

Pro konkrétní DPS se rozvrtá 10 mm silná nosná deska z materiálu FR-4 otvory (vrtací data jsou vygenerována ze souřadnic testovacích plošek z návrhového systému) pro nalisování pouzder jehlových kontaktů, které jsou univerzální − přesně na danou desku − a ty se propojují (pájením či ovíjením) s elektrickým testovacím adaptérem – rozvodem.

Mechanika fixtury umožňuje otevřít systém pod nosnou deskou, a tak se dostat k rozvodu a k elektronice. Při přechodu na testování jiné desky prostě vyjmete nosnou desku a propojení z jehel na konektory, odpojíte ploché kabely z testeru a do něj zasadíte novou sestavu nosné desky a propojení, které zapojíte do rozvodu testovací elektroniky.

Podle velikosti vyráběné desky plošných spojů je možno naplánovat výrobu většího množství desek v panelech s vícenásobnými motivy DPS. 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 i synchronizovaný testovací software, stejně jako robot pro manipulaci.

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 pod Win10 v režimu virtuálního COM portu, takže není problém s kompatibilitou řídicího PC pro řízení jednoho nebo třeba čtyř testovacích pracovišť pro panelizované desky. Nová mechanická jednotka fixtury je zkonstruována tak, aby pojala kompaktní PC, a má i držák plochého displeje. Testovací elektronika je vytvořena na desce s modulárními rozhraními s možností rozšíření o další moduly.

Testovací elektronika obsahuje moduly pro testování digitálních signálů pomocí systému JTAG, což je většina signálů na desce (vozidlové jednotky). Ale nejsou to zdaleka všechny, takže jsou přidány testy analogových signálů pomocí modulů s analogovými vstupy a výstupy pomocí A/D a D/A převodníků.

Dále tester obsahuje nastavitelné zdroje a zátěže pro testování výkonových obvodů. A konečně 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 se simulátorem signálu GNSS s vysílací anténou (odstíněnou, aby se pracoviště neovlivňovala). Běžně se kontroluje jen citlivost přijímače a doba do získání fixu polohy.

Jak bylo uvedeno, pro velkosériovou výrobu se používají panely po čtyřech DPS. 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 testerů.

Protože vše mechanické se jednou za čas porouchá, je jednotka fixtury vylepšena tak, aby se sestava s poruchou, např. vzpříčenou nebo ohnutou jehlou, dala snadno opravit výměnným způsobem.

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

Díky vestavěnému mini PC lze využít všechny výhody OS Windows, ovladače a síťový software i grafické výstupy CAD softwaru pro vizualizaci a opravy neshod zjištěných testerem.

Závěr

Pro robotizovanou velkosériovou výrobu osazených desek byl ve firmě Ryston Electronics vyvinut flexibilní testovací systém ATE nové generace, který za rok intenzivního provozu na výrobní lince u partnera Top Power prošel dalšími vylepšeními.

Systém byl mechanicky překonstruován za využití standardních komponent (Alu profily) a modulární stavebnice testovací elektroniky, zabudovaného mini PC s plochým monitorem, dostal inteligentní kameru a jeho SW prochází dalším vývojem pro zrychlení testů a programování, inicializaci šifrovacích obvodů, kalibraci aj. ATE spolupracuje v síti s dalšími komponentami výrobní linky a databázového systému řízení kvality. Při vývoji byly aplikovány poznatky z vývoje testovacích přípravků pro oživování a malé série, které se ve výrobě a servisu rovněž používají a mohou být integrovány do systému.