La crescente complessità di realizzazione delle schede elettroniche, a fronte di una diminuzione dei margini e dell'incremento dei costi produttivi, impone regole di progetto ben definite che non si limitino alla pura funzionalità circuitale, ma prevedano procedure di test ad ampio spettro di copertura.
Le apparecchiature puramente elettroniche sono composte da una o più schede, mentre i dispositivi meccatronici, oltre alla circuiteria elettrica ed elettronica, contemplano la presenza di parti meccaniche, elettromeccaniche e a volte pneumatiche.
Questo richiede collaudi sempre più sofisticati, ma anche la verifica di apparecchiature puramente elettroniche è in realtà composta da una serie di collaudi, prima sulle singole parti, poi sull'insieme finito.
Il test in-circuit, fin dalla sua ideazione, consente di collaudare ogni singolo componente a bordo scheda, riuscendo il più delle volte a isolarlo dal contesto. Per sfruttare al meglio questa capacità vanno seguite delle ben precise regole di base, capaci di favorire un veloce ritorno dell'investimento anche nei casi di NPI.
Fanno parte del collaudo sia la meccanica di contattazione delle net (il letto d'aghi o fixture) sia il programma sw di analisi del circuito.
Gli ICT hanno dominato per anni la strategia del test nella produzione delle schede elettroniche, per la rilevante capacità di individuare vari tipi di difetto, inclusi quelli relativi ai componenti. Come spesso accade, l'evoluzione della circuiteria elettronica ha spinto alla crescita quella dei sistemi di test, che hanno visto integrare su un'unica piattaforma strumentazione elettronica e programmi di software particolarmente evoluti e capaci di dare vari gradi di risposta a tutte le esigenze di copertura.
Un ICT è utilizzato principalmente per intercettare errori nati in seno alla produzione, come componenti mancanti o di valore errato, circuiti in corto o aperti, polarità invertite e così via.
Il grado di copertura dato da un sistema di test è sempre relativo e dipende dal tipo di scheda e dalla sua applicazione, raramente si ha una copertura totale, per ottenere la quale serve a volte adottare test funzionali dedicati.
Il test combinazionale unisce il test ICT con quello funzionale utilizzando hardware di stimolo e di misura. Lo stesso sistema può anche essere usato con funzione di troubleshooting sulle schede di ritorno dal campo, sempre secondo la sequenza ICT e funzionale.
Un buon ATE funzionale può lanciare algoritmi di test che in poche decine di secondi sanno analizzare un pcb di media complessità; ciò vuol dire che un migliaio di net possono venire testate in 30-40 secondi. Il sistema indica esattamente quale dei componenti non risponde alle aspettative in quanto a valore, tolleranza o, per i componenti digitali, quali presentano errori nel comportamento della logica.
Dal test ICT al funzionale
La prima fase del collaudo che viene effettuato sui pcb deve verificare l'assenza di corto circuiti, la presenza e l'integrità dei componenti montati, il loro corretto orientamento, nonché ogni singolo funzionamento.
Di solito per eseguire il test è richiesta un'attrezzatura (specifica per ogni scheda) comprendente lo schematico e i file gerber, utili per la costruzione della fixture di contattazione e del programma. Il letto d'aghi può essere azionato in modo manuale o pneumatico, mentre il programma di collaudo è eseguito con il linguaggio dello specifico sistema di test adottato. La documentazione completa consente di ottimizzare lo sviluppo dei pattern logici.
La sequenza classica dei collaudi elettronici standard comprende prima i collaudi parametrici e poi le prove funzionali analogiche quindi le prove digitali.
Il test parametrico, attraverso la fixture, connette tutte le risorse del sistema di test alla scheda da collaudare. Si eseguono per prime le prove non alimentate, ovvero i collaudi preliminari per verificare la corretta contattazione dei canali e per verificare la correttezza delle interconnessioni tra pcb sotto test e strumentazione. Si passa poi alla prova corti per evitare che alimentando la scheda si verifichino eventi catastrofici.
Il percorso di test prosegue con la verifica dei componenti discreti (resistenze, capacità, induttanze e diodi). Dei transistor, oltre all'orientamento, si verificano i parametri, così come per i mosfet si testano conduzione e interdizione.
All'attivazione delle alimentazioni si verificano le tensioni generate sul pcb, al cui termine partono le varie sequenze di prove che stimolano tutte le parti del circuito, con controllo di ogni singola uscita.
Se i test precedenti hanno dato esito positivo, si passa alle prove alimentate come le prove funzionali analogiche, il controllo di operazionali e comparatori, la verifica degli oscillatori, il test dei regolatori di tensione lineari e switching. Tocca di conseguenza ai circuiti logici su cui vengono monitorate le uscite mediante stimolazioni degli ingressi.
Ben più complessa è la sequenza dei collaudi funzionali, dove non è raro che debbano anche venir eseguite tarature mediante trimmer o dip switch.
Il collaudo funzionale
Il collaudo funzionale è l'unico metodo sicuro per accertare e certificare il buon funzionamento di pcb e apparati elettronici anche complessi. Si applica all'uscita della linea di produzione prima che il dispositivo sia immesso sul mercato. Per sua natura il collaudo funzionale è posto a verifica del dispositivo da collaudare attraverso una serie di simulazioni che richiamano e riproducono nel modo più realistico possibile le condizioni di funzionamento standard del UUT stessa nonché delle condizioni ambientali in cui dovrà operare.
Negli anni, a dispetto delle numerose tecniche di ispezione via via introdotte, il collaudo funzionale ha mantenuto inalterata ogni sua prerogativa. Gli altri metodi di test e di ispezione sono più che altro rivolti ad evidenziare problemi di processo, a trovare il componente rotto che è un problema certo e immediato, ma non sono in grado di appurare se e come il dispositivo lavorerà sul campo, né il caso in cui il componente sia alterato ed esposto a rottura, o ci sia un'anomalia che ne accorcia la vita media.
Ormai i componenti sono sempre funzionanti anche e soprattutto quelli complessi perché collaudati all'origine, ma esiste una casistica fisiologica di difetti, non individuabili dai sistemi di ispezione, che possono arrivare al cliente finale e solo col tempo trasformarsi in veri e propri guasti.
Le soluzioni di collaudo funzionale fornite da molti produttori di ATE sono spesso definite general purpose, in quanto si tratta di sistemi di test in grado di collaudare svariati tipi di schede e dispositivi elettronici, con investimento minimo o nullo al variare del tipo di prodotto. Si tratta di sistemi modulari, estremamente flessibili, che possono essere utilizzati per eseguire misure di tipo analogico di segnale, analogico di potenza o analogico a radiofrequenza, digitale a bassa frequenza e digitale ad alta frequenza. Usualmente accettano l'integrazione di un'ampia gamma di strumenti esterni, gestiti via software in modo semplice e intuitivo, che ne espandono le potenzialità a piacimento, pur nel rispetto delle prerogative della specifica architettura.
Tra le principali caratteristiche si riscontra di norma una scheda di misura integrata con architettura DSP(digital signal processor) e di cui fanno parte generatori programmabili di tensione, di corrente e di forme d'onda, così come i relativi misuratori. Altri moduli trattano l'acquisizione in tempo reale dei segnali, la sincronizzazione, il condizionamento dei segnali analogici di stimolo e di misura. Accanto alle funzioni di oscilloscopio e di misura delle frequenze trovano posto I/O digitali con diversa banda passante, BUS di stimolo e di misura, carichi attivi e passivi programmabili, le matrici di relè. La gestione di tutta la strumentazione integrata avviene di solito attraverso pacchetti Labview e TestStand o similari.
Molti produttori di elettronica utilizzano soluzioni di collaudo home-made, pensando in questo modo di limitare i costi. Vengono spesso utilizzati banchi di test dove le connessioni degli strumenti di misura e dei carichi o di altri dispositivi utili per il test sono effettuate tramite relè connessi sulla base delle esigenze specifiche, dove è però assente una matrice di connessione general purpose.
Questa configurazione all'apparenza è semplice, ma nasconde alcune problematiche di fondo. Come primo problema risalta la complicazione della fixture, che deve essere dotata di accessori necessari al test, si evidenzia poi un grado limitato di automazione che porta quindi ad un rallentamento dell'intero processo di test, ma soprattutto, non essendo una configurazione flessibile, non può essere riutilizzata a fronte di eventuali cambiamenti o modifiche sul prodotto da collaudare. Non si può inoltre dimenticare che risulta in ogni caso oneroso nel tempo il supporto a tali soluzioni specifiche, che finiscono relegate in un angolo al termine del primo utilizzo, con grave danno economico per l'azienda.
I requisiti di sistema
Il sistema di collaudo deve essere robusto perché potrebbe dover lavorare anche su più turni, dovendo a volte garantire al collaudo un elevato quantitativo di pcb, senza diventare il collo di bottiglia dell'intero processo produttivo.
Siccome gli attuali prodotti hanno un ciclo di vita non elevato (come i PC o i telefonini) o sono soggetti a revisioni e modifiche continue come nel settore automotive, è importante che i sistemi di test abbiano un'architettura flessibile e scalabile; in ultima analisi adattabile ai diversi prodotti e alle nuove release di modo da poter essere sfruttati il più a lungo possibile.
Il PCB durante il transito e in uscita dalla linea di assemblaggio è sottoposto a numerosi controlli e collaudi per garantire una difettosità molto prossima a 0 ppm. Il processo normalmente prevede un sistema di collaudo dedicato per il test in-circuit e un altro dedicato al test funzionale. La soluzione ottimale sarebbe di avere sistemi di collaudo che abbiano la possibilità di integrare l'hardware ed il software necessario per poter eseguire tanto l'uno che l'altro. Questa possibilità costituirebbe un grande vantaggio perché in qualsiasi momento, con un tempo minimo di attrezzaggio, sarebbe possibile cambiare la destinazione d'uso del sistema di test.
Quando il sistema di collaudo prevede integrata nella sua architettura una matrice di potenza ed un bus di misura dedicato, un ulteriore importante vantaggio è costituito dalla possibilità di collegare tutte le risorse del sistema (driver, generatori, misuratori interni ed esterni) ai vari punti di test in maniera assolutamente configurabile. Ogni strumento può allora essere collegato su punti diversi dell'unità da collaudare per riprodurre le condizioni di test più appropriate. Lo stesso strumento si potrebbe anche utilizzare su un diverso prodotto semplicemente riprogrammandolo su altri punti di test, senza dover modificare di volta in volta la configurazione hardware del sistema di collaudo. Utilizzando per la programmazione un'interfaccia grafica di tipo intuitivo, se ne facilita di molto l'utilizzo. Ricorrendo a piattaforme software universalmente diffuse e utilizzate in molti ambienti di test, non solo si darebbe maggior flessibilità al sistema, ma si sfrutterebbe anche la preparazione del personale già addestrato.
Situazione molto diversa dall'avere dei banchi di test dedicati con una serie di strumenti esterni collegati tramite bus IEEE, in una configurazione hardware fissa e dedicata a un singolo prodotto.
