Sistemi Ate per il test elettrico

SISTEMI DI COLLAUDO –

Sono diverse le soluzioni disponibili sul mercato; occorre quindi individuare la soluzione più adatta alle specifiche esigenze produttive per fare un investimento adeguato.

Sul mercato esistono vari sistemi che permettono di eseguire il test elettrico e che si possono racchiudere in due grandi tipologie: Ate a letti d'aghi e Ate a sonde mobili. Le differenze tra le due soluzioni sono principalmente meccaniche, e riguardano la movimentazione e l'accesso verso la Uut (Unit under test).

I sistemi a letto d'aghi
Un sistema Ate a letto d'aghi ha normalmente una fixture nella quale sono presenti un numero di aghi normalmente equivalente al numero di net relativa alla Uut. Un sistema manuale o pneumatico fa posizionare gli aghi sui test point dedicati della Uut, consentendo di eseguire collaudi automatici. Da quanto appena detto emerge un altro fattore legato ai test point, i quali devono essere previsti durante la fase di progettazione elettrica. Tali sistemi nel corso degli anni hanno subito enormi cambiamenti sia dal punto di vista meccanico, diventando sempre più compatti, sia da punto di vista elettronico, con nuove schede di stimolo e misura, rispondendo alle richieste sempre più specifiche dei mercati industriali, automotive, consumer e militare. Un sistema Ate di questo tipo può inoltre simulare nell'ambito del test funzionale anche una eventuale elettronica alla quale l'Uut dovrà essere connessa per il suo funzionamento, consentendo così un collaudo funzionale a livello di sistema. I sistemi Teradyne, di cui parleremo, e di cui AllData è il distributore esclusivo per l'Italia e la Slovenia, vanta le seguenti caratteristiche:
- elevata copertura;
- elevata sicurezza in condizioni di Power Up;
- elevata produttività;
- elevati tool di diagnostica;
- elevata scalabilità;
- bassi costi di gestione;
- elevato numero di pin.

Per tutte le esigenze di test in-circuit e funzionale
Il sistema Teradyne TSLH è un sistema che nasce con lo scopo di coprire tutte le esigenze che il test in-circuit e funzionale richiedono. L'elevata configurabilità prevista da Teradyne, sia dal punto di vista delle schede canali, da quelle non multiplexate a quelle multiplexate, la possibilità di combinarle nello stesso sistema, sia la possibilità di poter ospitare fixture a caricamento manuale che automatico, rende questa soluzione la più performante sul mercato italiano. Nel caso di scheda non alimentata, il sistema dispone di generazioni automatiche di corti-aperti, Test Vectorless open pins per la verifica di pin non saldati, test analogici per il test dei componenti. La possibilità inoltre di poter alimentare le schede con tensioni multiple (Power Up), includendo test di assorbimento, test digitali su componenti, boundary scan, programmazione di memorie Flash, misure di frequenze, gestione di segnali sincronizzati analogici e digitali, permette a chi la acquista di coprire con un solo sistema varie tipologie di prodotti anche fondamentalmente diversi tra loro. Altra particolarità è l'accuratezza. L'UltraPin Driver/Sensor è il più accurato sistema di prova applicato all'Ict (In circuit test) mai sviluppato presente sul mercato. L'applicazione ad anello chiuso (closed loop) a bassissima impedenza consente il test di componenti di ultima generazione dove la soglia di un segnale logico alto o basso è di 45 mV. Per quanto riguarda l'affidabilità va segnalato che il circuito Ultra Pin Driver/Sensor misura il tempo per il quale il test di backdrive in corrente sta forzando il pin dell'integrato sotto test. Ciò è necessario per il non danneggiamento del dispositivo. Le soglie sia di tensione che di corrente sono programmabili pin per pin. In termini di sicurezza va segnalato che il sistema TSHL è dotato del cosiddetto “Multi-Level digital isolation”, un software automatico che isola gli output dei device su ogni net durante il loro backdriving, che ricordiamo può essere in tensione o in corrente, e serve in caso esistano nodi che assorbono la corrente e tensione normalmente usata per il test dei dispositivi. Questo minimizza lo stress elettrico dei dispositivi durante il backdriving, prevenendo tensioni dannose per gli stessi o la generazione di false Fail a seguito dei cambiamenti degli stati logici. Uno speciale controller consente di eseguire velocemente test Vectorless e il backdriving, eliminando quindi tutte le possibilità di danneggiamento degli stessi. Questi sistemi sono consigliati normalmente quando si hanno numeri elevati di schede dello stesso tipo da testare e dove la qualità del test richiesta sia massima.

I sistemi a sonde mobili
Un'altra tipologia di sistemi di test si sta affermando sul panorama industriale da circa un decennio e, grazie alle ultime evoluzioni, si sta rivelando sempre più la scelta vincente per tutte quelle aziende che devono garantire, sia in fase di prototipazione sia in fase di produzione, elevata qualità e affidabilità dell'elettronica prodotta, sia per piccoli che  medi volumi con elevate quantità di codici. Si tratta dei sistemi a sonde mobili. AllData dispone attualmente del sistema più avanzato e performante esistente sul mercato. Il sistema, il cui nome è Scorpion FLD900 DX, si basa su una tecnologia unica nel genere di questi sistemi, e le sue principali caratteristiche si riassumono nei seguenti punti:

  • riduzione dei tempi di test del 50% rispetto ai tester presenti sul mercato, in configurazioni per il test di schede analogiche fino a 1000 Test/sec;
  • area di test fino a 1050 x 650 mm, quindi capacità di test di backpanel;
  • sistema di test contemporaneo su ambo i lati della scheda che consente di abbattere i tempi di ricerca guasti e di avere una completa copertura;
  • elevata configurabilità di macchina, sia per numero di sonde mobili, che può arrivare fino a 24, sia per la possibilità di avere mini fixture mobili;
  • oltre 1000 canali macchina disponibili;
  • capacità di contatto dei pin dei connettori eliminando la necessità di costruire speciali adattatori; sonde con inclinazione variabile da -6° a +6° su un angolo di 360°; l'inclinazione viene scelta in modo automatico al momento dello sviluppo del programma, per rendere accessibile in modo completo ogni test point;
  • il sistema in caso di guasto di una sonda, continuerà a funzionare in attesa di essere riparato, semplicemente disabilitando la sonda guasta senza la necessità di nessuna modifica del programma; questo consente di evitare i tanto dannosi fermi macchina;
  • semplicità, velocità di programmazione e autodebug consentono di ridurre al minimo la presenza del personale; inoltre l'elevata stabilità di misura è garantita dalla precisione di contrattazione, target garantito fino a 50 um;
  • funzione di Power-On e boundary scan integrate, il software di sistema permette di organizzare test sia Ict sia funzionali;
  • bassi costi di manutenzione; grazie al sistema di movimentazione magnetica nessuna parte meccanica è sottoposta a usura.

Alcune considerazioni di base
Dovendo decidere l'investimento per un nuovo sistema di test che possa rispondere appieno alle richieste che il mercato del Pcb elettronico pone come principali obiettivi, si deve tener conto di alcuni aspetti fondamentali quali la flessibilità operativa, la scalabilità tecnologica (up-grade del sistema) e la manutenibilità. La scalabilità tecnologica del sistema è la prima considerazione, a cui seguono in subordine altri aspetti. In un sistema a sonde mobili la componente di movimentazione meccanica non è secondaria alla capacità di test elettrico. Questa può essere divisa in due sottosistemi: la movimentazione degli assi XY e la movimentazione delle sonde. È però necessario fare chiarezza sulla differenza tra concetti fondamentali quali la minima risoluzione di posizionamento delle sonde e la distanza minima di contatto consigliata. Il primo considera la precisione di posizionamento del motore (su guida meccanica, magnetica o su piano magnetico); il secondo indica la minima distanza raggiungibile nel posizionamento delle sonde, senza che ci sia interferenza e con buon indice di ripetibilità.

Un'innovativa stazione di collaudo
Il sistema flying probe Scorpion è un' innovativa stazione di collaudo a sonde mobili ad alte prestazioni adatta al test parametrico, a quello funzionale e al boundary scan di schede elettroniche. Il sistema è composto da due piani magnetici (statori), uno per il lato top e uno per il lato bottom, con una gamma di dimensioni comprese fra 830 x 650 mm e 1050 x 650 mm, su cui possono essere posizionati fino a 4 shuttle di nuova generazione, ognuno dei quali può ricevere fino a 5 probe module che a loro volta alloggiano una sonda, per un numero totale di 40 sonde mobili. L'architettura di movimento si basa sugli stessi principi dei motori lineari, dove la forza che si crea fra gli avvolgimenti posti sul rotore (shuttle) e quelli posti sullo statore (piano magnetico), producono il movimento e quindi lo spostamento degli shuttle sul piano magnetico. Sul sistema Scorpion, ogni shuttle contiene due motori lineari (sfasati di 90°) ed è pertanto in grado di muoversi lungo gli assi X e Y. L'elevatissima precisione della lavorazione meccanica dello statore, aggiunta a un sistema a loop chiuso con sensore di hall permette di avere una precisione di posizionamento di 1 µm degli shuttle e una precisione di posizionamento e ripetibilità della sonda di 50 µm sul target da raggiungere. Un altro importante parametro che annulla l'usura tra lo statore e i motori lineari è il cuscino d'aria di 20 µm che separa fisicamente le due parti, garantendo che la precisione indicata rimanga costante nel tempo.

I vantaggi del sistema
Questa particolare architettura ha permesso di ottenere enormi vantaggi meccanici e, quindi, maggiore accessibilità ai punti di test, in quanto gli shuttle, essendo liberi e indipendenti di muoversi sullo statore in qualsiasi direzione, hanno permesso di annullare i cosiddetti “Not Route Result” di cui soffrono i sistemi tradizionali. Per una maggiore completezza viene schematizzata anche un'architettura di movimentazione tradizionale, dove è possibile evidenziare i limiti. Come si può vedere dal dettaglio dello schema, ogni asse richiede delicati e complessi meccanismi per muoversi con precisione; la meccanica dell'asse Y deve spostare tutta la meccanica dell'asse X, quindi la tolleranza fra la struttura portante degli assi di movimento e il punto di contatto della sonda è la somma di numerose tolleranze di assemblaggio meccanico. Inoltre, dato che gli assi si muovono a elevate velocità, si sviluppano usure meccaniche che nel tempo richiedono complesse calibrazioni e, a lungo andare, anche la sostituzione di alcuni organi, con conseguenti enormi costi di manutenzione e fermo macchina. Inoltre, questo tipo di architettura richiede il posizionamento delle sonde su due piani differenti, richiedendo una loro diversa inclinazione (6° le più vicine alla scheda sotto test e 16° quelle di più distanti) e lunghezze differenti; la libertà di spostamento delle sonde su un piano è inoltre limitata dalla posizione delle sonde poste sull'altro piano. Altro importante concetto introdotto dal sistema Scorpion è quello dei Probe Module; si è voluto creare un nuovo concetto di modulo capace di contenere e gestire il movimento delle sonde, sia riguardo all'asse Z sia rispetto alle inclinazioni, che si regolano automaticamente attraverso il software di programmazione con angoli compresi tra più e meno 6°. Questa possibilità garantisce enormi vantaggi rispetto ad altri sistemi, in quanto consente di avere sempre a disposizione, per ogni singolo test point, l'inclinazione migliore per effettuare i test. I gradi di libertà meccanici che le sonde possono avere sono tali da poter raggiungere qualsiasi test point senza nessun problema. Inoltre, l'inclinazione continua e variabile è garanzia di contattabilità del 100% in ogni situazione; diventa meccanicamente impossibile il raggiungimento dei test point che si trovino nascosti dietro i componenti di diversa altezza se si utilizzano sonde inclinate a un angolo fisso di 16°.

Planarità e precisione di contatto
La precisione nel contatto di un punto di test in un sistema di nuova generazione deve tener conto di un fattore determinante che è la planarità del Pcb. In funzione della struttura del substrato, e a seguito dei processi di saldatura, la scheda potrebbe arrivare alla fase di test senza una perfetta planarità; nonostante l'utilizzo di eventuali sistemi di riscontro per il recupero della stessa, l'errore introdotto dalle sonde aventi inclinazione diverse da 0° peggiora la precisione di contatto. Più precisamente, una sonda con inclinazione di 16° commette un errore circa tre volte superiore rispetto a una sonda con inclinazione di 6°. Altro problema da considerare è l'effetto “scivolamento”, maggiormente accennato con l'aumentare dell'inclinazione; utilizzando sonde inclinate a 16° si peggiora ulteriormente la precisione di contatto in quanto tale inclinazione rende più difficile lo stop della sonda sul proprio target.

Software aperto ed evoluto
Il software di programmazione del sistema è concepito per sviluppare i programmi off-line partendo dai dati Cad e Bom (Bill of material), ma un'importate caratteristica, unica rispetto ai software degli altri sistemi, è la possibilità di disporre di un modulo per il reverse engineering che permette lo sviluppo di un programma di test partendo dai soli dati Gerber. Il software off-line, inoltre, consente di sviluppare un programma che non necessita del debug del test point, un passo che tutti gli altri sistemi devono obbligatoriamente fare, e che allungano il tempo di debug del 60% rispetto al sistema Scorpion. Il sistema Scorpion è stato pensato e progettato per ridurre drasticamente i tempi di collaudo e di debug delle schede elettroniche di qualsiasi tecnologia. I sistemi Vectorless sono i più sofisticati presenti sul mercato; la funzione di ogni sonda può essere commutata elettronicamente e quindi può funzionare sia come Stimolo / Misura / Guardia/ Vectorless, quindi misurare dei pin non saldati (open pin), utilizzando normalmente 4-5 sonde contemporaneamente, a differenza della concorrenza che può al massimo utilizzare 2 sonde contemporaneamente, non potendo così garantire un test efficace e affidabile. Il sistema boundary scan integrato, con la possibilità di utilizzare con estrema precisione le sonde per stimolare / misurare segnali digitali, rende questo sistema unico. I principali vantaggi che si ottengono sono la drastica riduzione dei tempi di test e la possibilità di programmazione delle memorie Flash e di tutti i dispositivi che necessitano di programmazione. La parte di software è dotata anche di una diagnostica grafica che permette all'operatore, sia in fase di debug sia in fase di produzione, di individuare i problemi in tempo reale.

Saper scegliere
Nel mondo elettronico attuale (oggi ancor più che in passato), occorre saper scegliere la migliore soluzione rispetto al prodotto che si vuole controllare, in quanto non è più accettabile sbagliare investimento. Sia che l'applicazione riguardi un ambiente con linee ad alta velocità e volumi elevati, sia che si tratti di ambienti con piccoli e medi volumi, con elevato numero di codici prodotto diversi, è importante poter disporre della migliore soluzione. Le due soluzioni sopra descritte, che AllData è in grado di fornire e supportare, si integrano perfettamente tra loro, e sono la risposta e la proposta a un settore dove flessibilità, tracciabilità e affidabilità costituiscono la base vincolante su cui costruire un moderno processo produttivo.

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