Collaudo di Schede Elettroniche


Introduzione

L'aumento dei livelli qualitativi, la riduzione del time to market, lo sviluppo della tecnologia, che ha permesso di ottenere una maggiore densità di integrazione di componenti su una scheda elettronica, hanno sensibilmente ridotto lo spazio per le piazzole di test sul supporto stampato. Non è inoltre da tralasciare, la sfida aperta per il futuro, nella quale il mercato richiede l'incremento di integrazione di componenti sulle schede, mantenendo alti i margini di miglioramento sotto il profilo delle prestazioni e una riduzione dei costi.
Risulta quindi chiaro come, insieme ai problemi legati alla fabbricazione e alla ricerca di nuovi materiali, un nodo cruciale diventa il collaudo delle schede elettroniche.
Prima di dare una definizione di Collaudo, è opportuno focalizzare l'attenzione sulla struttura globale della produzione di schede [1] , ovvero cercare di capire la collocazione del collaudo all'interno di un flusso di produzione completo. Per far ciò ci serviamo del diagramma di flusso proposto in figura 2, il quale denota una significativa strategia adottata da molte aziende; la gestione totale del prodotto. Il punto di partenza è la richiesta del cliente, che quindi si concretizza in una fase di progettazione e successivamente in uno step di industrializzazione del progetto.
Questa fase si conclude con la nascita di un circuito stampato solitamente. Successivamente si passa alla fase di assemblaggio della scheda elettronica che avviene in maniera altamente automatizzata e che è effettuata in

Fig.1: High Density Issue
Fig.2: Flusso di progettazione di schede elettroniche

Fig.3: Circuito stampato.

Fig.4: Macchinari per assemblaggio.

 

quattro passi fondamentali:


Quindi arriva il momento dei controlli ottici e dei collaudi, che approfondiremo in seguito, per ritornare dunque al cliente in fase di vendita.

Collaudo: Definizioni e Motivazioni

Si definisce Collaudo, il processo che garantisce che ogni scheda elettronica, una volta assemblata, funzioni in accordo con le specifiche. Quindi l'obiettivo del collaudo è quello di valutare, in base alle specifiche richieste dall'utente, il corretto funzionamento di una scheda elettronica, e di conseguenza far passare i dispositivi funzionanti e scartare quelli che assumono un non corretto funzionamento. L'importanza della fase di Testing risulta quindi facilmente comprensibile se si pensa ad un PCB in cui è inserita una grande quantità di componenti e dunque di saldature.
In esso infatti si riscontrerà una alta probabilità di errore, legata sia ai possibili guasti di cui sono affetti i singoli componenti assiemati, sia a difetti di saldatura o di fabbricazione della scheda. Oltre alla fase di testing in se, è opportuno seguire uno Screening, ovvero una sequenza definita con cui i test vengono effettuati. Risulta dunque necessario attuare delle strategie di Test and Screening che consentano di avere un ottimo prestazionale della fase di collaudo, senza trascurare il fattore costo.
L'esperienza sul campo, ha portato le aziende, a comprendere l'esigenza di effetture delle misure di test e screening, fin dai livelli d'integrazione inferiori e la loro pianificazione è discussa in fase di progettazione. Questo è facilmente comprensibile, infatti basti considerare che il collaudo di una scheda elettronica costituisce una larga fetta dell'intera somma del costo di produzione.
Dal grafico inserito in figura 5 si nota come il costo di Testing influisce sul costo totale del processo di produzione di una quota che vale circa 20 punti percentuali [2]. Quindi se si considera una scheda elettronica dedicata a sistemi di tipo Consumer, quindi di ampio utilizzo, l'impatto dei costi destinati al collaudo, non è drammatico, ma è comunque influente. La situazione cambia se una scheda viene assemblata in un sistema complesso (applicazioni avioniche, satelliti geostazionari, etc), infatti i costi di testing diventano estremamente importanti.
E' quindi opportuno, scegliere la migliore strategia possibile per eliminare i guasti sistematici e i guasti precoci che andrebbero inevitabilmente ad innnalzare il tasso di mortalità infantile dei componenti della scheda, e quindi di conseguenza intaccare la resa di produzione del prodotto (Yield).


Fig.5: Costo collaudo rispetto all' intera produzione.

Fig.6: Da una semplice scheda a Sistemi Complessi.

Fig.7: Scheda da Ispezione ottica manuale.

Dal Controllo al Collaudo


Generalmente la fase di collaudo, è anticipata da un passaggio di controllo della scheda assiemata. Questo step viene chiamato Ispezione Ottica il cui scopo è verificare che il montaggio dei componenti, saldature e pulizia, siano conformi alle specifiche. L'ispezione ottica è suddivisibile in due grandi categorie:

La prima categoria utilizza microscopi, lenti ed un operatore che effettua l'ispezione e che deve essere periodicamente istruito sui controlli specifici del prodotto e sui limiti di accettazione e rifiuto dello stesso. Questo implica che l'ispezione ottica manuale ha dei limiti superiori per quanto concerne la complessità delle schede ispezionate (generalmente schede formate da 30 a 150 componenti). Nel caso di ispezione ottica Automatica invece, si utilizzano macchinari che risultano complessi e costosi, in grado di fornire una Ispezione Ottica tridimensionale, con un sistema di visione multicamera (tipicamente 13 telecamere), a cui è associata, tramite LAN Network, una Stazione di

Riparazione. Quest'ultima è dotata di un puntatore laser collegato alla rete di ispezione. Tale implementazione riduce notevolmente i tempi di riparazione. Inoltre i macchinari di Ispezione Ottica di ultima generazione, sono implementati con tecnologia mista laser-ottica [3]. Confrontando quindi le due tipologie di controllo, si pu`o affermare che l'ispezione automatica è preferibile rispetto all'ispezione manuale per i seguenti motivi:

Di contro si ha che l'ispezione automatica richiede un investimento iniziale non indifferente. L'orientamento sulla scelta delle due tipologie è dipendente quindi delle dimensioni dell'azienda e dal contesto lavorativo in cui esse sono immerse.

 

Tipologie di Collaudo

Dopo il controllo ottico, la scheda elettronica è sottoposta alla fase di Collaudo. Per garantire livelli di qualità alti, la scelta delle maggiori aziende nel campo dei collaudi, è di eseguire la combinazione di più tipologie di collaudo differenti per ogni scheda. In aggiunta a questo, è altrettanto prioritario poter avere un sistema di assicurazione di qualità


Fig.9:Problemi riscontrabili con l' analisi ottica

che consenta di analizzare costantemente l'andamento delle fasi di test, in modo da applicare celermente eventuali feedback [4]. La maggiore richiesta qualitativa di prodotto e l'esigenza di avere sempre minori costi, hanno indirizzato molte aziende ad utilizzare dei sistemi polifunzionali, che consentono di riunire sotto un'unica stazione, il maggior numero di collaudi. Questa soluzione consente di occupare minori spazi industriali, e ridurre le manipolazioni sulle PCB. Una classificazione macroscopica delle tipologie di collaudo [5] è:

I collaudi In-Circuit sono dei collaudi fatti sul campo, infatti la scheda sotto test, è sottoposta a prove di continuità, di resistenza e capacità, insomma tutte quelle prove alimentate, che consentono di capire se la scheda sia stata montata correttamente. Le tecniche utilizzate maggiormente per questa tipologia di collaudo, sono due; una utilizza il Letto d'Aghi, mentre l'altra fa uso di un macchinario a Sonde Mobili o Flying Probes, infatti questa tipologia di test si basa sul concetto di toccare il maggior numero di punti del circuito che potrebbero risultare critici. Entrambe le tecniche forniscono una buona copertura e diagnostica , ed un controllo fine sui componenti, ed in molti casi, quando si hanno schede di dimensioni piccole, sono abbastanza equivalenti. Le due strategie risultano essere profondamente diverse, per quanto riguarda la tempistica e il parallelismo. Infatti il test con sonde mobili

 


Fig.10:Macchina Test a Letto d' Aghi

Fig.11:Flying Probes

Fig.11:Camera climatica per Burn-IN

può essere effettuato in circa 10 min contro i 3 min garantiti da un letto d'aghi [1], ed inoltre quest'ultimo è in grado di processare più schede in parallelo con possibilità di integrare tecniche di Boundary Scan. Mediante le tecniche Flying Probes e Letto d'Aghi, è possibile effettuare dei collaudi di tipo Funzionale. Nonostante il proliferare di tecniche nuove di testing, il collaudo funzionale rimane il capo saldo per assicurare il funzionamento corretto del prodotto, una volta posizionato nel suo ambiente finale. Quindi ogni qualvolta la criticità dell'applicazione richieda un'elevata garanzia, il test funzionale è indispensabile. Tipicamente per tali test bisogna avere l'ausilio di un calcolatore e di apposite interfacce. Inoltre la copertura risulta essere molto buona anche se va a discapito della tempistica, infatti un test completo impiega dai 10 ai 20 min. Di diversa natura risultano essere le prove di Stress, infatti la finalità di tali prove è di portare al limite delle caratteristiche di funzionamento i circuiti sotto test, causando la rottura di parti gi`a danneggiate. Inoltre il collaudo di Stress è utile per il fenomeno della mortalità infantile, ovvero quel fenomeno per cui, essendo sovrasollecitati, alcuni componenti della scheda si bruciano in fase di test invece che danneggiarsi nel breve periodo.


Fig.13:Boundary Scan Station

La tecnica pi ù utilizzata in tale campo è il Burn-In, che rappresenta una prova accelerata in cui la scheda è posta in una camera climatica. In essa, la scheda è sottoposta a degli shock termici le cui temperature variano in un range compreso tra -70±C e +80±C. Visto che le prove accelerate vengono utilizzate per scoprire e correggere ciascun difetto inerente alle fasi di progetto e produzione, molto spesso invece che effettuare prove di solo stress termico, si utilizzano delle camere di HALT and HASS. Esse forniscono una serie di sollecitazioni singole o combinate come vibrazioni multi assiali, cicli termici e d'immissione di energia [6]. Cos`ı facendo si ha una maturazione precoce del prodotto. Il metodo HALT (Highly Accelerate Life Testing) viene eseguito in modo da poter attuare azioni correttive durante la fase di progetto, mentre il metodo HASS (Highly Accelerate Stress Screening ) vengono effettuate per scovare difetti che emergono in fase di produzione.

Boundary Scan

Il problema, già accennato, della complessità della PCB e la conseguente limitatezza fisica di accesso, ha condotto le aziende di collaudo schede, ad adottare una nuova metologia di test chiamata Boundary Scan [7].
Essa nasce a met`a degli anni '80, e diventa uno standard nei primi anni novanta sotto il nome di IEEE 1149.1. Il boundary-scan integra una


Fig.14:Problema di complessità

Fig.15:Boundary Scan Cell.

circuiteria di test a livello di chip per costituire un protocollo completo di collaudo a livello di scheda. Fondamentalmente la scelta effettuata è di sostituire i probes fisici, con delle celle Boundary Scan BSC. Le BSC simulano dei probe virtuali sul chip ad ogni ingresso e uscita. Ogni cella permette di Osservare il normale flusso di dati (NI) attraverso i pin di I/O e Controllare lo stato del pin attraverso comunicazione seriale (SI).
Successivamente tutte le celle vengono connesse in modo da formare un registro Boundary Scan Register (BSR). Lo standard IEEE 1149.1 definisce anche una interfaccia seriale a quattro vie (in alcuni casi cinque), denominata Test Access Port (TAP), per accedere ai circuiti integrati (IC) complessi, quali microprocessori, DSP, ASIC e CPLD. I dati in ingresso nel chip attraverso il pin TDI vengono memorizzati nel registro istruzioni o in uno dei registri dati. I dati seriali escono dal chip sul pin TDO. La logica boundaryscan è temporizzata dal segnale sul pin TCK, mentre il segnale sul pin TMS pilota lo stato del controller TAP. In pratica viene significativamente ridotta o del tutto eliminata la necessità


Fig.16:Architettura Standard.

di disporre di test point fisici sulla scheda, con un conseguente risparmio, in termini economici, dato dalla maggiore semplicità di layout, il minor costo dei sistemi di connessione, dalla riduzione dei tempi di processo per i sistemi di test in-circuit. Tale tecnica risulta fortemente utilizzata in fase di prototipazione e pre-produzione e questo perchè la generazione dei programmi di test, è completamente automatizzata, mentre la Netlist è fornita da appositi CAD, quindi ciò significa che il tempo necessario per un Test Program risulta notevolmente ridotto [8]. Tipicamente su PCB, l'architettura Boundary Scan è implementata sotto forma di catena seriale denominata Scan Chain [9].

Le strategie di utilizzo del concetto di catena sono tre:

Nella prima situzione si ha un'unica catena che interconnette tutti i chip della scheda. Essa risulta profondamente semplice (usa solo dei pin), maimpiega lunghi tempi di shift tra ingresso ed uscita. Questo si concretizza in un lungo tempo di test e costi elevati. La seconda situazione impiega due catene, quindi il principio di funzionamento risulta identico, ma in compenso, tempi e costi risultano dimezzati.


Fig.17:Singola Boundary Scan Chain.

Fig.18:Doppia Boundary Scan Chain.

Fig.19:Boundary Scan Chain Indipendenti.

Bibliografia

[1] Dinema Company Process, Brescia(Italy). Gestione completa del
prodotto, 2006.
[2] Prof. Lanzoni-Università degli Studi di Bologna, Bologna , Italy.
Affidabilità di componenti e schede elettroniche, 2000.
[3] i Tronik s.r.l. Inline High Resolution and High Speed Automated
Optical Inspection System, 2006. Peraga di Vigonza (PD), Italy.
[4] A. Ressico SPEA. ICT Parametrico e Funzionale: Collaudi Versatili. In
Test and Quality, June 2005. SPEA.net.
[5] ELECTRA s.a. Collaudo. In www.electra.sm/documenti.htm, February
2006.
[6] Angeloni Industrie S.p.A. Camere per prove simulate. Massa Martana
(PG), Italy, 2003.
[7] JTag Technologies. Fondamenti del boundary scan. In www.jtag.com,
2006.
[8] Elcomind S.r.l, Milano, Italy. Sistemi per il test di schede elettroniche a
Boundary Scan (JTAG 1149.X), 2004.
[9] Bushnell-Agrawall, Norwood (MA), USA. IEEE 1149.1 JTag: Boundary
Scan Standard, 2002.
[10] MathWork, Natick (MA), U.S.A. Matlab: The Language of Tecnichal
Computing, 2002.