česky english Vítejte, dnes je středa 06. červenec 2022

Flexibilní testovací systém pro osazené desky plošných spojů

DPS 3/2017 | Výroba - články
Autor: Ing. Tomáš Navrátil, Ing. Radek Kysilka, Ryston Electronics

Úvod

V předchozích číslech tohoto časopisu byly stručně popsány prostředky a metody, které je možné použít pro testování osazených desek při elektronické výrobě. V tomto příspěvku bychom chtěli představit testovací systém s jednoduchým základem, avšak flexibilní a rozšiřitelný pro řadu typů osazených desek. Systém byl vyvinut ve firmě Ryston Electronics původně pro vlastní použití, ale nyní našel uplatnění u našich zákazníků – osazovacích firem, při testování osazených desek.

Původní koncepce preferovala nízké pořizovací náklady a připouštěla různé dodělávky a kombinaci manuálních a poloautomatizovaných testovacích funkcí. Jako nejdůležitější rys se však ukázalo volitelné připojení testeru do firemního systému řízení jakosti (informačního systému). Ten musí být v souladu s normou ISO 9001 a dále např. ISO 13485 pro automotivní a lékařskou techniku, jak to vyžadují naši zákazníci. Ale u každého zákazníka jsou další specifické rysy a požadavky, které je nadto nutno splnit, otestovat a zavést do rutinního používání.

Specifika sériovosti výroby

Pro účely tohoto článku definujme pojem velikosti série podle toho, jak je zajištěn tok materiálu (manipulace s deskami). Malé série jsou manipulovány ručně, střední pásovým dopravníkem a ruční manipulací s přepravkami, a velké série jsou charakteristické robotickou manipulací. V současnosti se u všech sérií využívá individuální a samočinné elektronické evidence kusů a kroků, kterými v procesu prošly.

Výroba v malých sériích (desítky až stovky kusů) zachovává možnost individuality výrobků tvořenou variantami osazení desky, a umožňuje využití testovacího systému i pro vyhledávání chyb osazení či pájení. Jednotlivé kusy jsou evidovány pomocí unikátních výrobních čísel či kódů.

To umožňuje individuální doosazení např. součástek jiných než SMD, mechanických dílů, ruční montáž finálního výrobku, údržbu, servis a zpětnou vysledovatelnost v případě systematické neshody, avšak časové nároky na navazující kroky, na počítač řídící testovací zařízení, a na podnikovou síť, k níž je připojen, přece jen nejsou tak vysoké, takže malosériová výroba je vhodná pro malé firmy s malým podílem administrativy.

Při malosériové výrobě se často kombinuje osazení dávky desek SMD součástkami na lince v kooperaci, a pak se provádí ruční doosazení a testování ve vlastních prostorách. Aby byla zajištěna kvalita, musí být identifikace a testy stejně kvalitní jako testy automatické.

Při středněsériové výrobě (tisíce a desetitisíce desek) firma zpravidla využívá své vlastní výrobní linky, protože už je ekonomické si ji pořídit, a sama sebe nabízí jako „osazovnu“ externím zákazníkům. Zpravidla má svůj systém managementu kvality a z něj generuje zákazníkům reporty k vyrobeným sériím. Také často nabízí zákazníkům kromě samotné služby i dodávání standardních sortimentů součástek.

Velkosériová výroba, jako například výroba mobilních telefonů v množství milionů kusů, je charakterizována monokulturní trvalou produkcí desek jednoho typu na jednoúčelových linkách s velkým podílem robotizovaných operací, jako např. montáž mechanických dílů. Strojové vybavení pro tyto linky dodávají giganti jako Siemens, Juki atd., a je nad rámec tohoto článku a našich možností se s nimi srovnávat. Stejně tak, použité součástky jsou často zákaznické obvody nebo moduly, které nenajdete v běžné distribuci.

Čím větší je objem výroby, tím jsou vyšší i požadavky na automatické testování a programování a unikátní inicializaci obvodů, procesorů, pamětí a případně 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 DPS, vybavený přesně umístěnými naváděcími kolíky nebo rohy pro navedení desky. 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 jiných čidel, čteček optických kódů, kamer, rádiových vysílačů atd.

Fixtura po zavření zajišťuje přitlačení sady pružných jehlových kontaktů ke zlaceným testovacím ploškám na významných spojích na spodní straně destičky. Shora se testují např. LED, tlačítka, ale je možné testovat i rozhraní karet, baterií a další obvody stejnými jehlovými kontakty. Pružné kontakty se vyrábějí ve stovkách typů podle napětí, proudu nebo i frekvence, která se testuje.

Fixtura a příprava nosné desky nejsou laciné, ale lze je koupit nebo zadat u specializované firmy, máte-li podklady (Gerber soubory a vrtací data) pro výrobu DPS. Podle velikosti vyráběné desky plošných spojů je možno naplánovat výrobu většího množství desek v panelech s vyfrézovanými obrysy desek, z nichž se desky po zapájení a testu vylámou v můstcích, za které ještě desky drží v panelu.

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

Flexibilita fixtury spočívá v možnostech propojení kontaktů jehlového pole s porty elektronické části testovacího systému. Ve fixtuře, vyvinuté v 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, a do fixtury zasadíte novou nosnou desku a propojení, které zapojíte do konektorů testovací elektroniky.

Testovací elektronika

Hlavním předmětem vývoje byla samotná elektronická část testovacího systému. Připojení testovací elektroniky k počítači se ukázalo být nejlepší pomocí USB rozhraní, které lze prakticky neomezeně rozšířit pomocí rozbočovačů. USB rozhraní pracuje v režimu virtuálního COM portu, takže není problém s kompatibilitou řídicího PC. Testovací elektronika je vytvořena na základní desce s modulárními rozhraními pro testování analogových, digitálních, popř. dalších veličin.

Obr. 1 Blokové schéma testovacího systému pro střední série

Obr. 2 Testovací fixtura pro panely po čtyřech deskách, Obr. 3 Otevřená fixtura s přístupem k propojení, je vidět simulátor SIM karet v horním víku

Obr. 4 Detail propojovací kabeláže a rozvodu tlakového vzduchu pro pneumatické ovladače

Na obr. 1 je blokové schéma elektronické části testovací fixtury (MULTI) pro čtyři osazené desky a řídicího počítače, v síťové variantě. Řídicí technologický počítač ovládá přes USB rozbočovač (hub) její části (TESTER1 až 4), tvořené následujícími bloky:

  • ICT je zkratka pro In-Circuit-Tester, modulární testovací adaptér, který nabízí 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. Porty ICT jsou vyvedeny na konektory, které jsou propojeny s jehlovým polem. Moduly jsou k základní jednotce ICT připojeny jednoduchou sběrnicí, která umožňuje adaptér rozšiřovat a vyvíjet dle potřeby další moduly.
  • Modul PWR/ASSY je volitelný extender základní jednotky, který umožňuje simulovat a monitorovat mechanickou sestavu – tlačítka (s pneumatickým simulátorem stisku prstu), displej nebo indikátory LED (kamera, anebo optické vstupy), baterie (nabíjecí a vybíjecí obvod) a sestavy pouzdra (tamper-kontakt), SIM/SAM kartu (destička s kartou, připojená jehlovými kontakty na vývody zapájeného držáku shora), nahrání finálního FW přes programovací konektor na desce atd. Dále se využívá jako řiditelný zdroj pro testování provozního rozsahu napájení a měření odběru.
  • Modul OPT IF je další volitelný extender pro identifikaci průchodu desky testovacím pracovištěm, v podstatě kamera. Lze ho využít pro připojení čtečky čárových a QR kódů.
  • Moduly RADIO odpovídačů UHF RFID, DSRC, opakovače GSM a GPS, popř. další rádiová zařízení, mohou být umístěny v příslušné vzdálenosti od fixtury a mohou sloužit jako „proti-rozhraní“ pro test rádiové komunikace. GPS opakovač/vysílač slouží pro test přijímače GPS; běžně se kontroluje jen citlivost přijímače a fix polohy (doba do získání fixu), ale se dvěma anténami na střeše umí simulovat i změnu polohy.

K testovacímu pracovišti může být připojeno kromě „technologického“ PC také dohledové či záložní PC pro přehledné zobrazování stavu, a síťová tiskárna pro papírové výpisy nebo samolepicí štítky. K tomu se používá LAN switch a standardní IT hardware, a umožňuje to integrovat pracoviště do celopodnikového informačního systému, tak jak je tomu v osazovně Top Power.

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 multi-testerů. V záloze je vždy jedna fixtura pro případ poruchy, a další je ve vývoji v Ryston Electronics.

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

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

Záložní počítač slouží jako „horká záloha“ pro případ poruchy řídicího počítače, a tehdy se jen ručně přepojí USB kabel od testeru do záložního stroje (proto je výhodné mít vnější testovací elektroniku připojenou jediným USB kabelem), a spustí se příslušný software.

Závěr

Pro malé až střední série výroby osazených desek byl vyvinut flexibilní testovací systém, využívající standardní mechanické díly a modulární stavebnici testovací elektroniky. Tuto stavebnici je možno dále vyvíjet. Testovací systém byl vyvinut ve firmě Ryston Electronics a nasazen v osazovací firmě Top Power. Při vývoji byly rozvedeny poznatky z vývoje testovacích přípravků pro oživování a vzorkovou výrobu.

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik