Глава 36
36.1. Введение
Достиженияв области производства корпусов компонентов привели к миниа-
тюризации элементов печатных плат, включаявысокую плотность межсоеди-
нений (HDI-high-density interconnection), что в совокупности с ростом скоро-
сти передачи данных оказало существенное влияние на разработку электриче-
ских испытаний. Конструирование испытательного оборудования, в том числе
адаптеров стоит дорого и требует улучшенных средств контроля. Все чаще тре-
буютсяновейшие методы испытаний, например, измерение волнового импе-
данса. Конкуренцияже в масштабах всего мира требует снижениясебестоимо -
сти. Между тем, производители оригинального оборудованияв свою очередь
требуют, чтобы производители печатных плат принимали на себяответствен -
ность за бракованные изделия, следовательно, расширяли свою зону ответст-
венности. Эта глава посвящена ответам на вопросы: почему, когда и как со-
временные методы электрических испытаний помогают удовлетворить все эти
требования.
36.2. Влияние плат HDI
В настоящее времяинженеры-испытатели сталкиваютсясо значительными из-
менениями в требованиях к электрическим испытаниям печатных плат, кото-
рые проистекают из изменений в самих электронных изделиях. Среди этих из-
менений особенно значимыми являются те, что вызваны развитием различных
технологий полученияHDI. Примерами распространенных приложений HDI
являются непосредственное прикрепление кристалла к плате (DCA), высокая
плотность шариков припояна матричных корпусах (BGA), а также варианты
этих технологий, одним из которых являются корпуса компонентов размером
с кристалл (CSP). Кроме того, широко распространены корпуса с высокой
плотностью выводов. В дополнение к изменениям в геометрии HDI также
предполагает более высокую скорость передачи данных и тактовых частот. Со-
ответственно дляверификации испытаний применяются новейшие средства,
которые проверяют не только соединения электронных компонентов, но и на-
сколько данное соединение компонентов гарантирует точность передаваемого
сигнала.
В качестве аналогии влиянияHDI на развитие технологий созданияпечат -
ных плат можно привести преодоление звукового барьера в аэродинамике по-
летов. Эта аналогиятакже применима и к окончательным электрическим ис-
пытаниям. Ранее повсеместно считалось, что звуковой барьер непреодолим
или его способен преодолеть только Бак Роджерс на своей серебряной ракете.
Другими словами, никто не верил, что самолеты способны летать со скоро-
стью звука. Как выяснилось, преодоление звукового барьера — трудная задача,
котораятребует переосмыслениямногих аэродинамических принципов. Но в
результате воздушные суда преодолели звуковой барьер и все еще остались по-
хожими на самолеты — у них есть крылья, они сжигают топливо. Они соот-
ветствуют всем целям, поставленным на заре воздухоплавания, но достигают
их более прогрессивным способом. Процессы, разработанные под влиянием
конструкций плат с высокой плотностью межсоединений на конечные элект-
рические испытания, прошли сходное эволюционное развитие, используя из-
вестные базовые технологии, но в новых комбинациях и с дополнительны-
ми функциями, которые фактически расширили охват испытаний, а не сокра-
тили его.
Сейчас распространены предложениярадикально новых подходов к элек-
трическим испытаниям. К ним относятся использование электронных пуч-
ков, лазерное возбуждение фотоэлектрических эффектов и методы использо-
ваниягазоразря дной плазмы, аналогичные существующим летающим зондам.
В любом случае печатные платы тестируют без использованияспециаль -
ных адаптеров. На сегодняшний день все эти методы вступают в компро-
мисс относительно охвата тестированием возможных неисправностей и мало
что могут добавить к традиционным методам тестированияпечатных плат с
большой плотностью проводящего рисунка. Расширение критериев испыта-
ний не принесло облегчениябольшинству пользователей. Дляпроизводства
электронных изделий с HDI требуетсярастущее увеличение плотности и
уменьшение шага проводящего рисунка. Мелкая трассировка и глухие отвер-
стияповышают риск скрытых дефектов и в то же времяувеличивают инте-
рес к методам наиболее точных измерений предшествующих им признаков.
В результате ни один из этих подходов так и не нашел широкого приме-
нения.
Вместо радикальных прорывов на рынке произошло последовательное
улучшение доступности программных и аппаратных средств, обеспечивающих
эффективное сочетание лучших характеристик традиционных систем тестиро-
ванияи специализированных тест-систем, предназначенных дляособых рын-
ков, в частности дляносителей кристаллов малого размера.
36.2. Влияние плат HDI 1027
36.3. Зачем нужны испытания?
Зачем тратить деньги на испытания? Почему мы должны проверять готовые
изделия? Ответ состоит из нескольких частей. Первое допущение — не все пе-
чатные платы имеют хорошее качество. Если бы мы могли посмотреть на про-
изводство через призму развитияиндустрии печатных плат, использующую
одну технологию, то увидели бы экспоненциальное сокращение доли некаче-
ственных плат. Совершенствование процессов производства и широкий
спектр программ продолжают улучшать качество продукции. Несмотряна эти
улучшения, необходимость электрического тестирования остается.
36.3.1. Правило десяти
Одна из причин дляпроведенияиспытаний — это прекращение затрат на про-
изводство бракованной продукции. Рассмотрим печатную плату как компо-
нент полностью собранного изделия. Общепринято, что относительный пока-
затель стоимости брака полностью собранного электронного изделияможно
выразить с помощью правила десяти (рис. 36.1). Смысл правила заключается в
том, что чем раньше будет выявлен брак, тем меньше будут потери от послед-
ствий брака. В качестве примера приведем разрыв цепи на печатной плате, ко-
торый не был найден во времяэлектрических испытаний. На бракованную пе-
чатную плату устанавливают компоненты, припаивают и тестируют. Если брак
будет обнаружен на печатной плате с установленными компонентами, то вос-
становление или очистка платы будет несравнимо дороже, чем восстановление
платы без компонентов. Возникают ситуации, когда сборщик печатных плат
перекладывает на производителя«голых» печатных плат часть расходов на уда-
ленные компоненты, монтаж и/или производственные затраты. Это более
справедливо в случае дорогих интегральных схем (ИС) с большими возможно-
стями, которые присутствуют во многих изделиях. Если же брак был не заме-
чен на стадии окончательных испытаний и дошел до конечного потребителя,
1028 Глава 36. Тестирование печатных плат. Основные цели и определения
1 2 3 4
Рис. 36.1. Правило десяти: стоимость найденного брака: 1 — несмонтированная
печатнаяплата; 2 — печатнаяплата с припаянными компонентами;
3 — система; 4 — конечный пользователь
то это влечет за собой еще более высокие затраты. Некоторые из этих расхо-
дов в виде обслуживания, простоя оборудования, стоимости запчастей и опла-
ты труда являются очень ощутимыми. Прочими затратами можно считать по-
терю бизнеса и репутации.
36.3.2. Удовлетворение потребностей потребителей
Если правило десяти является логическим осознанием общего положения ве-
щей, которое указывает на необходимость испытаний, то с требованиями поль-
зователяскладываетсяпротивоположна якартина. Пользователь печатных план
уверен, что электрические испытанияне только целесообразны и необходимы,
но и должны быть частью процесса производства печатных плат. Это обязан-
ность и ответственность производителяпечатных плат, призванные удовлетво-
рить условиям контрактов на покупку его изделий. На практике мы видим, что
требованияпотребителяотражены в контрактах совсем по-разному.
36.3.2.1. Сплошное или 100%-ное тестирование печатных плат. К сожале-
нию, требование «100%-ных электрических испытаний» может оказатьсяпро -
сто словами в контракте или большом пакете документации. Такие техниче-
ские условияне только относительно бессмысленны, эмитент таких требова-
ний позволяет предположить, что все печатные платы будут протестированы
при самых жестких требованиях, следовательно, выпуск бракованной платы
просто невозможен. Это в корне неверно. В таких технических условиях не
определено, из каких тестов должно состоять 100%-ное испытание. Покупа-
тель печатной платы будет недоволен, когда приобретет бракованную плату.
Хотяконкретный брак печатной платы может иметь вполне объективное объ-
яснение (не мог быть обнаружен во время электрических испытаний или в ре-
зультате применяемых специальных методов), технические условия 100%-ного
испытанияделают все эти объяснениянеприемлемыми. Во многих случаях
подобные технические условиявыходя т в сочетании с возлагаемым на потре-
бителяограничением стоимости данных испытаний, что в свою очередь на-
кладывает свои ограниченияна зависящую от затрат тщательность испытаний,
проведенных производителем.
36.3.2.2. Испытания по техническим условиям. В зоне ответственности как
производителяпечатных плат, так и их потребителянаходитсясогласование
технических условий испытаний: определенияпороговых значений испытаний
и методов тестированияс учетом их применениядляданной конструкции пе-
чатных плат без компонентов. Некоторые ограниченияпороговых значений и
методики могут быть связаны с применяемым оборудованием и возможностя-
ми производителя. Именно производитель должен предоставить конечному
пользователю информацию о технических условиях испытаний и их стоимо-
сти. Он должен передать конечному пользователю данные о применяемых тес-
тах, возможности обнаружения брака, рисках и связанных с испытаниями за-
тратах. Со своей стороны конечный пользователь «голых» печатных плат дол-
жен разработать технические условия, соответствующие производимым печат-
ным платам, а также принимать и планировать любые компромиссы между
36.3. Зачем нужны испытания? 1029
тщательностью испытаний и их стоимостью или пределами технических усло-
вий. Основные моменты, которые должны быть отражены в технических
условиях:
• испытание, управляемое данными, источник данных, формат и чистота
испытаний;
• пороговые значенияиспытаний: предельно допустимые дляпроверки
непрерывности цепи;
• пороговые значенияиспытаний: минимально допустимые пороговые
значенияи пороговые значенияприложенного напряженияпри испыта-
ниях изоляции;
• используемое испытательное оборудование: один тестер с одновремен-
ным доступом ко всем контрольным точкам, тестер с двумяконтактны -
ми плитами или система летающих зондов;
• оптимизацияконтрольных точек;
• допустимость следов контактов тестирующих зондов на печатных платах;
• акт об отклонениях в процессе производства (контакты и процедуры);
• требованияк специальным методикам испытаний (рефлектометрияс
временным разрешением, встроенные пассивные устройства и т.д.);
• акт о пропущенных дефектах.
Такие соглашениязаключают дляконструктивных коммуникаций, полно-
го понимания, хорошей репутации и надежного бизнеса.
36.3.2.3. Использование имеющихся стандартов. Длясоставлениятехниче -
ских условий на определенное изделие можно использовать отраслевые стан-
дарты и нормативную документацию, например, IPC-9252. Принципы и тре-
бованияк электрическим испытаниянесмонтированных печатных плат (кото-
рый заменяет IPC-ET-652). Нормативнаядокументациядолжна применятьсяс
учетом конкретной ситуации. Слишком жесткие технические условияприве -
дут к неприемлемым затратам на испытанияс минимальным улучшением ка-
чества продукции.
Подача произвольного напряжения или тока при поиске разрывов цепи
приведут только к повреждению изделия. И наоборот, слишком мягкие техни-
ческие условияиспытаний изоляции печатной платы с чувствительными уси-
лителями также являются неприемлемыми. Это лишь несколько примеров.
В стандарте IPC-9252 дана определеннаяклассификацияприложений печат-
ных плат, а также требованияк соответствующим электрическим испытаниям,
чтобы определить различные уровни примененияиспытаний.
Окончательное решение о пригодности данного набора требований дол-
жно приниматьсявместе с техническими специалистами покупателянесмон -
тированных печатных плат.
36.3.3. Электрические испытания как мониторинг
производственного процесса
Третьим преимуществом испытаний является совершенствование процессов и,
следовательно, сокращение расходов. Дляповышенияпроизводительности,
1030 Глава 36. Тестирование печатных плат. Основные цели и определения
сниженияотходов и общего улучшениякачества необходимо разработать сис-
тему измерений, в которой можно выразить результаты изменений. Лучшей
сферой для сбора данных являются электрические испытания. Для этого необ-
ходимо объединение результатов испытаний и данных о восстановлении плат.
Хотясистемы испытаний способны идентифицировать бракованную печатную
плату и определить место брака, оператор, занимающийсяее восстановлени-
ем, может детально классифицировать этот брак, чтобы связать его с опреде-
ленным производственным процессом (нанесение проводящего рисунка, ме-
таллизация, травление, нанесение паяльной маски и т.д.).
Эти данные могут быть количественно проанализированы различными
способами, а затем приняты меры к исправлению на одном или нескольких
уровнях.
36.3.3.1. Брак, характерный для операции. Во времяиспытаний могут быть
выявлены виды брака, нетипичные для индустрии или конкуренции. В по-
добных ситуациях трудно провести анализ, поскольку информация приходит
от потребителя, альтернативного поставщика или конкурента, поэтому явно
не будет достаточной и беспристрастной. С точки зрениязатрат и рентабель-
ности лучше проанализировать брак, характерный длякакой-либо операции.
Какие виды продукции выгоднее производить? Каковы будут затраты, чтобы
сделать их прибыльными?
36.3.3.2. Брак, характерный для процесса. Анализ брака может привести к
конкретному процессу, в котором постоянно возникает брак широкого спект-
ра изделий или нарушенияключевых характеристик одного и того же элемен-
та. Это может свидетельствовать о потребности в новых настройках, операци-
ях, материалах, обучении, персонале, оборудовании и т.д.
36.3.3.3. Брак, характерный для номера компонента. Данные о браке кон-
кретного компонента помогают исправить и оптимизировать процесс отно-
сительно будущего использованиякомпонентов с тем же номером. Необ-
ходим обмен данными электрических испытаний в реальном времени с ис-
пользованием программного обеспечения, к таким данным относятся размер
партии изделий и объем выпуска продукции, либо анализ работ по восста-
новлению печатных плат с помощью имеющегосяоборудования . В этой си-
туации, по результатам электрических испытаний можно внести некоторые
коррективы и быстрые измененияв процесс, что сразу улучшит качество,
снизит уровень отходов и затраты на восстановление и повторное тестирова-
ние изделий.
36.3.4. Улучшение системы качества
Дляанализа контролякачества брак — это показатель недостающий части
системы контролякачества или процесса. Данные электрических испытаний
имеют значение длямониторинга процесса только в том случае, если ис-
пользуютсяв системе контролякачества. Вполне возможно, что данные
электрических испытаний помогут производителю улучшить качество его
продукции.
36.3. Зачем нужны испытания? 1031
36.4. Виды брака печатных плат
С точки зренияэлектрических испытаний брак можно определить как откло-
нение измеренных параметров от параметров качественной печатной платы.
Обнаруженный брак не всегда влияет на функциональность печатной платы,
хотяв большинстве случаев он нарушает ее работу. Если специальных инст-
рукций от производителяили проектировщика явно недостаточно, могут
оказатьсяполезными некоторые руководящие принципы, приведенные
ниже.
Очевидно, что короткие замыканияи разрывы цепи на печатной плате на-
рушают ее функциональность. Можно ли в результате электрических испыта-
ний найти все дефекты? Нет. Выражение «все дефекты» слишком неопреде-
ленно.
Электрические испытания не способны выявить все дефекты, связанные с
эстетикой, совмещением с контактными площадками, прочностью сцепления
слоев и т.д., если все эти параметры не будут измерены в системе испытаний.
Кроме того, методы измеренияэлектрических показателей, типы используе-
мых тестеров, программы испытаний и требованияконечных потребителей ва-
рьируютсянастолько широко, чтобы в результате электрических испытаний
найти все дефекты.
Дляцелей дальнейшего обсуждениястоит уточнить различие между дефек-
том и отказом (неисправностью). Отказ в системе испытаний относитсяк объ-
екту, характеристики которого не отвечают ожидаемым критериям. Дефект от-
носитсяконкретно к печатной плате, ее конструкции, изготовлению, внешне-
му виду и т.д. Не все дефекты можно обнаружить с помощью тест-системы.
36.4.1. Типы отказов
В табл. 36.1 представлены распространенные типы отказов. Длянаиболее рас-
пространенных отказов следует проводить различиямежду типами испытаний
и типами отказов. Предпочтительнее говорить об испытаниях изоляции или
непрерывности цепи, чем о коротких замыканиях и разрыве цепи, поскольку
последние являются результатом испытаний, а не их типами. Методы испыта-
ний подробно рассмотрены в других главах.
Таблица 36.1. Типы испытаний и отказов
Испытание Отказ
Непрерывность (целостность) цепи Разрыв цепи
Изоляции Короткое замыкание и/или утечка тока
Рефлектометрия или анализ цепи Изменение волнового импеданса
Высоковольтные испытания Пробой изоляции
1032 Глава 36. Тестирование печатных плат. Основные цели и определения
36.4.1.1. Короткие замыкания. Короткое замыкание определяется как оши-
бочное (неожиданное или нежелательное) снижение сопротивлениясоедине -
ниядвух или более цепей или изолированных точек, которые также имеют
низкое сопротивление. Короткие замыканиярегистрируютсякак отказ при
испытаниях изоляции изделия. Короткие замыкания возникают в результате
различных причин: воздействия окружающей среды, травления, загрязнения
фотооборудования, плохого выравниванияслоев, использованиянекачествен -
ных материалов и неправильного растеканияприпоя .
36.4.1.2. Разрывы цепи. Разрывы цепи представляют собой отсутствие ожи-
даемой непрерывности электрической цепи, другими словами, отсутствие сое-
динения. Разрыв цепи разбивает цепь печатной платы на две части и более.
Разрывы цепи регистрируютсякак отказ при испытаниях на непрерывность
цепи изделия. Разрывы цепи возникают в результате избыточного травления,
недостаточной металлизации, загрязнения фотооборудования, наличия приме-
сей в материалах, ошибках в закреплении слоев и механического поврежде-
ния. Наиболее распространенная проблема при электрических испытаниях —
сообщенияо «ложных разрывах цепи», как правило, в результате локального
загрязненияизделияили зонда, которое препятствует контакту с тест-систе-
мой. Особую озабоченность при тестировании подложек с глухими микроот-
верстиями представляют скрытые дефекты (возникающие после испытаний во
времямонтажа печатных плат). Проводники могут быть разрушены в критиче-
ских точках, в которых могут образовыватьсятрещины в результате концент-
рации тепловых или механических напряжений. Мелкий проводящий рисунок
высокой плотности наиболее чувствителен к таким дефектам. Иногда их не
обнаруживают во время испытаний или же выявляется ограниченное количе-
ство разрывов цепи благодаряиспользованию особенно чувствительных изме-
рений сопротивления, способных выявить очень малое поперечное сечение
проводника, в котором в будущем возможен разрыв цепи. Частое выявление
таких дефектов указывает на необходимость измененияпроцесса, чтобы избе-
жать эксплуатационных отказов.
36.4.1.3. Утечка тока. Утечка тока по сути является коротким замыкани-
ем. Утечки также называют высокоомным коротким замыканием, которое от-
личаетсяот обычного (низкоомного) короткого замыканиявысокими значе-
ниями сопротивления. Четкое разделение сообщений об этих двух типах оши-
бок варьируетсяв зависимости от типа используемого оборудования, а некото-
рые тестеры не способны дифференцировать их в своих отчетах об отказе
печатных плат. Как и в случае короткого замыкания, утечки тока являются от-
казом в испытаниях изоляции изделия. Наиболее распространенными причи-
нами утечки тока являются повышенная влажность, воздействие химических
веществ или загрязнения. Загрязнение может произойти во время изготовле-
ния внутренних слоев, прессования, нанесения покрытия, паяльной маски
или на любой стадии обработки. Химические загрязняющие вещества часто
представляют собой отложениясолей металлов, оставшиесяпосле химических
процессов, используемых при производстве изделия. При чувствительных ме-
тодах испытаний даже отпечатки пальцев могут привести к обнаружению уте-
36.4. Виды брака печатных плат 1033
чек между различными цепями. Такие загрязнения часто распространяются на
целые области печатных плат, вызываясоединение нескольких цепей. Воз-
можность соединениянескольких цепей печатной платы нужно учитывать при
выборе алгоритма конкретных испытаний изоляции или метода испытаний,
поскольку в данной ситуации можно использовать методы испытаний разной
чувствительности. Методы испытанияизоля ции рассмотрены в других подраз-
делах данной главы. Некоторые схемы не чувствительны к высокоомным на-
грузкам, которые создают подобные загрязнения. Однако следует отметить,
что с течением времени в условиях электрического поля и высокой влажности
сопротивление короткого замыканияс высоким импедансом может значитель-
но снизится. Загрязнения способствуют росту металлических кристаллов, ко-
торые образуют металлические мостики между электрическими цепями и вы-
зывают короткие замыкания.
Таким образом, на участке с необычной утечкой токов в отдаленном буду-
щем можно наблюдать низкоомные короткие замыканияцепей. Это подчер-
кивает необходимость контроляи высокоомных испытаний высоконадежных
печатных плат как средства предотвращенияотказов при эксплуатации. Сле-
дует помнить, что по своей природе материалы печатных плат легко впитыва-
ют влагу в течение всего срока эксплуатации. Таким образом, даже «сухие» за-
грязнения, имеющие очень слабую электрическую проводимость, могут в ко-
нечном итоге привести к достаточной миграции металла во времяэксплуата -
ции и вызвать серьезные отказы изделия.
36.4.1.4. Определение волнового сопротивления. Многие схемы, производи-
мые сегодня, должны работать в очень широком диапазоне частот. К ним от-
носятся быстрые микропроцессоры и цифровые схемы, радиочастотные уси-
лители беспроводных устройств и т.д. Таким же образом, как дляподключе-
нияантенны к телевизору нам нужен специальный кабель, так и дляподдер -
жаниясвя зи между различными компонентами электронной схемы на
печатной плате нужны радиосигналы с соответствующими характеристиками.
Обычно определяют и измеряют один параметр — волновое сопротивление
линии передачи высокочастотного сигнала по трассе его прохождения. Этот
параметр сильно зависит от материалов, используемых при изготовлении пе-
чатной платы, толщины и ширины проводников, а также расстояния от земля-
ной шины и соседних источников сигнала. Распространенным методом изме-
ренияволнового сопротивлениялиний передачи сигнала являетсяприменение
рефлектометрияс временным разрешением (РВР). С помощью РВР можно из-
мерить волновое сопротивление в зависимости от расстояния вдоль трассы
прохождениясигнала. (В данном случае расстояние и время— понятияотно -
сительные, поскольку электрический сигнал проходит через печатную плату со
скоростью, близкой к скорости света.) РВР-испытаниячасто выполняютсяна
тест-купонах, которые прикрепляют к изделию во время изготовления, а затем
удаляют. РВР-испытаниятрасс самого изделиятакже проводят на отдельных
участках этих трасс, но испытание осложняется тем, что необходим участок
трассы длиной несколько сантиметров, который не будет нарушен ответвлени-
ями и другими конструкциями. Общие значения волнового сопротивления пе-
1034 Глава 36. Тестирование печатных плат. Основные цели и определения
чатных плат варьируютсяот низких — несколько десятков ом, до высоких —
несколько сотен ом.
Волновое сопротивление не следует путать с обычным сопротивлением по-
стоянному току, следовательно, его невозможно измерить обычными омметра-
ми, хотядляизмеренияиспользуетсяодна и та же единица — Ом.
Высокочастотные параметры межсоединений можно также определить в
диапазоне частот, используянапример, сетевой анализатор, но такие инстру-
менты обычно не применяютсядляиспытаний печатных плат. Дляизмере -
ний волнового сопротивлениятребуется , чтобы частота сигнала превышала
100 МГц.
36.4.1.5. Высоковольтные испытания изоляции. Высоковольтные испытания
(измерение электрической прочности) изоляции часто путают с испытанием
изоляции на пробой. Тесты являются очень похожими, и поскольку высокое
напряжение используется в испытаниях изоляции, то эти тесты могут давать
сходные результаты. Но испытание изоляции на печатных платах обычно про-
водят при напряжении между цепями 250 В или менее, а высоковольтные
испытаниячасто выполняютсяпри напряжении от 500 В до нескольких кило-
вольт. Во время высоковольтных испытаний изоляции проверяют электриче-
скую прочность изоляционного материала между цепями, подвергая его дейст-
вию таких высоких напряжений, что возможен катастрофический или лавино-
образный пробой, если изоляцияокажетсянеудовлетворительной. И, наобо-
рот, во время испытаний изоляции печатных плат стремятся обнаружить
небольшие токи, протекающие через загрязнения (или низкоомное короткое
замыкание), прежде чем произойдет пробой изоляции. Конечно, если изоля-
цияслишком слаба, то лавинообразных отказов следует ждать при любом на-
пряжении. Тест-системы для высоковольтных испытаний изоляции — это, как
правило, настольные устройства с парой проводов без переключающей матри-
цы. При проведении высоковольтных испытаний изоляции требуется, чтобы
напряжение было приложено в течение длительного периода времени.
Высоковольтное испытание изоляции является ценным инструментом для
проверки очень тонких изоляционных оснований перед травлением печатных
плат. С его помощью можно обнаружить неисправности или загрязнения в
толще диэлектрика перед производством последующих процессов. Нецелесо-
образно выполнять высоковольтные испытания изоляции между всеми про-
водниками готовой печатной платы, поскольку возможен воздушный пробой
между проводниками прежде, чем будет достигнуто высокое напряжение.
Проблемами высоковольтных испытаний изоляции является низкая скорость
подачи очень высоких напряжений, дорогое оборудование и электроника. Для
окончательной проверки изделияследует выполнить проверку сопротивления
изоляции.
36.4. Виды брака печатных плат 1035
ÃËÀÂÀ 37
ÌÅÒÎÄÛ ÈÑÏÛÒÀÍÈÉ ÏÅ×ÀÒÍÛÕ
ÏËÀÒ
David J. Wilkie
Everett Charles Technologies, Pomona, California
37.1. Введение
Несмотря на то, что основными испытаниями печатных плат являются элек-
трические испытания, следует помнить, что неэлектрические методы также
имеют важное значение в подтверждении соответствияили несоответствия
изделий эксплуатационным требованиям. Поэтому в настоящей главе содер-
жатсяподробные описанияэлектрических и неэлектрических методов испы-
таний.
37.2. Неэлектрические методы испытаний
Есть два неэлектрических метода испытаний дляопределениясоответствияи
несоответствияпечатных плат, оба основаны на визуальной оценке:
• внешний осмотр;
• автоматический оптический контроль.
37.2.1. Внешний осмотр
Внешний осмотр проводят подготовленные операторы с использованием хоро-
шего освещения, по результатам осмотра они принимают решение о соответ-
ствии или несоответствии изделияопределенным требованиям.
Обычно изделие сравнивают с эталоном или его изображением. Если опе-
ратор часто осматривает печатные платы, то становитсяболее квалифициро-
ванным в поиске неисправностей и сразу ищет их в самых вероятных местах.
По мере увеличениясложности изделий мы понимаем, что дляконтролясо -
временной продукции этот метод больше не подходит. Многие межслоевые
дефекты просто невозможно обнаружить, как и определить внешний брак на
печатных платах с большой плотностью проводящего рисунка. Внешний
осмотр больше подходит дляобнаружениякосметических дефектов, таких как
плохое маскирование или механические повреждения. Такие дефекты обычно
выходят за пределы области электрических испытаний, поскольку они не мо-
гут быть обнаружены с помощью электрической контрольно-измерительной
аппаратуры.
37.2.2. Автоматический оптический контроль
Компьютерные методы визуального контроляназываютсяавтоматическим оп-
тическим контролем (АОК). С помощью оборудованиядляАОК происходит
сравнение печатной платы или ее внутренних слоев с данными и/или прави-
лами проектирования, которые запрограммированы в управляющем компью-
тере. Это могут быть общепринятые параметры, нормы проектирования или
диапазоны приемлемых значений длякаждого отдельного параметра печатной
платы. Как в случае внешнего осмотра, считается, что все найденные неис-
правности и отклоненияпараметров способны повлиять на последующую
функциональность печатной платы, но работа и качество межсоединений при
этом методе не проверяются. Выводы о непригодности печатной платы для
последующей эксплуатации только на основе несоответствияее внешнего вида
эталону могут привести к ложным отрицательным результатам контроля. Ме-
тод АОК используетсядляпроверки слоев платы перед прессованием, а не на
конечном этапе изготовления, чтобы повысить выпуск качественной продук-
ции, отсеяв большую часть бракованных слоев, и избежать ненужных затрат
на последующих этапах процесса. Таким образом, АОК имеет значительную
экономическую выгоду. Методами АОК можно обнаружить некоторые дефек-
ты, которые не определяются с помощью электрической аппаратуры, в част-
ности, «мышиные укусы» (локальные уменьшенияпоперечного сеченияпро -
водников). Методы АОК могут также использоватьсядляпроверки внешних
слоев после прессования, но это не является такой общепринятой практикой,
как контроль качества на конечных электрических испытаниях.
37.3. Основные методы электрических испытаний
Электрические испытанияокончательно устанавливают соответствие печатных
плат требованиям качества перед отправкой потребителю. Во время электри-
ческих испытаний происходит эмуляция функций проводящего рисунка и
изоляции путем подачи электрического тока через проводники и приложения
напряжения к изоляции. Для такого прямого измерения электрических харак-
теристик требуетсянепосредственный контакт печатной платы с измеритель-
ной аппаратурой. Почти повсеместно осуществляются два типа испытаний:
непрерывности и изоляции цепей. Некоторые другие тесты могут применяться
выборочно, в зависимости от продукта и требований заказчика.
Порядок испытаний, как правило, такой, что испытания непрерывности
проводятсяв первую очередь. Во времяэтих испытаний проверяют внутрен-
нюю целостность цепей, а также возможность контакта между испытательным
оборудованием и печатной платой. Испытанияизоля ции могут быть выполне-
ны контактированием только к одной точке цепи. При косвенных методах ис-
пытаний непрерывности и изоляции цепей не происходит непосредственных
измерений электрических характеристик. Эти методы широко используютсяв
системах летающих зондов.
37.3. Основные методы электрических испытаний 1037
37.3.1. Испытания непрерывности цепей
Во времяэтих испытаний проверяют целостность проводников внутри каждой
электрической цепи. Это производят путем последовательных измерений па-
раметров между двумяконтрольными
точками внутри каждой цепи. Сопро-
тивление, найденное при каждом из-
мерении, сравнивают с пороговым зна-
чением сопротивленияна выбранном
участке цепи. Если измеренное значе-
ние выше порогового, то даетсясооб -
щение об отказе. Длясложных цепей
требуютсямногократные измерения,
чтобы гарантировать, что все концы
цепи соединены между собой. Напри-
мер, цепь с контрольными точками,
обозначенными от А до D (рис. 37.1),
может быть проверена в последова-
тельности, представленной на рис. 37.2.
Дляцепи с четырьмяконтрольными
точками минимальное число испыта-
ний, необходимых дляопределениясо -
единениявсех точек, будет равно трем.
Если печатнаяплата содержит в общей
сложности N изолированных цепей и Х
контрольных точек, мы можем рассчи-
тать количество последовательных из-
мерений С: С = X – N. При выборе
контрольных точек системное про-
граммное обеспечение часто удаляет те
точки, которые не являются необходи-
мыми. Это называетсяоптимизацией
контрольных точек. На рис. 37.1 конт-
рольнаяточка, расположеннаяна про-
воднике между точкой D и ответвлени-
ем С не даст полезной информации.
Могут применяться различные правила
оптимизации, но делать это нужно
осторожно, чтобы обеспечить доста-
точный охват испытаний.
37.3.1.1. Испытания непрерывности
цепей: двух- и четырехзондовая комму-
тация. Дляэтих испытаний был скон-
струирован матричный коммутатор с
двух- и четырехзондовыми цепями.
1038 Глава 37. Методы испытаний печатных плат
Рис. 37.1. Пример тестируемой цепи
Начало
испытаний
непрерывности
Точка А Нет
соединена
с точкой В?
Да
Точка А Нет
соединена
с точкой C?
Да
Точка А Нет
соединена
с точкой D?
Да
Переход к
другой цепи
Рис. 37.2. Алгоритм испытаний непре-
рывности цепи
Сообщение об
отказе — разрыв
между А и В
Сообщение об
отказе — разрыв
между А и D
Сообщение об
отказе — разрыв
между А и C
На рис. 37.3 представлена схема дляизмеренияс использованием двух- и
четерехзондового матричного коммутатора.
В матричных тестерах используютсятвердотельные коммутаторы дляпод -
соединениясоответствующих контрольных точек к внутренней измерительной
системе (например, омметру). Ток I подаетсяв верхнюю контрольную точку,
проходит через электрическую цепь изделияи возвращаетсяв измерительную
систему через нижнюю контрольную точку. Измеряется результирующее на-
пряжение U в цепи. Затем рассчитывается сопротивление R непрерывных про-
водников по формуле R = U/I.
37.3.1.2. Конструкция двухпроводного матричного коммутатора. Матрич-
ный коммутатор самой простой, доступной и наиболее распространенной кон-
струкции имеет пару коммутаторов длякаждой контрольной точки, которые
могут подключать контрольную точки к обеим сторонам омметра. Этот метод
представлен в правой части рис. 37.3. Однако, поскольку твердотельные ком-
мутаторы имеют собственное сопротивление, они вносят ошибки в измерения.
Сопротивление коммутаторов прибавляют к измеренному сопротивлению, что
повышает вероятность срыва испытаний. Эти ошибки могут быть уменьшены
в различных формах:
• используйте коммутаторы с низким открытым сопротивлением (следова-
тельно, малой ошибкой сопротивления). Это делается с помощью более
крупных кристаллов транзисторов. Такие устройства недороги, но их
труднее встроить в интегральные схемы. Таким образом, большаячасть
двухпроводных схем основана на отдельных выходных транзисторах как
на коммутаторах;
• используйте программное обеспечение, чтобы автоматически вычитать
открытое сопротивление коммутаторов. Поскольку сопротивление ком-
мутаторов значительно варьируетсяв зависимости от устройства и изме-
нений температуры, возможны ошибки;
• сделайте несколько измерений длякаждого непрерывного участка, а за-
тем вычтете наибольшее сопротивление коммутатора. Однако это замед-
37.3. Основные методы электрических испытаний 1039
Сила тока I Сила тока I Контрольная точка 1
Контрольная
точка 1 Сопротивление
коммутатора
Источник Вольтметр c Источник Вольтметр c
тока высоким сопро- тока высоким сопро-
тивлением тивлением
Ошибка Скоопмрмотуитавлтоернаие Контрольная тивления икоз-мзмаустоапторроа-
точка 2
Сила тока I Сила тока I Контрольная точка 2
а) б)
Рис. 37.3. Схемы измерений при испытании непрерывности цепи: а — для че-
тырехзондовой коммутации; б — длядвухзондовой коммутации
ляет процесс испытаний, поскольку требуются дополнительные измере-
нияи высококачественные адаптеры, чтобы контактное сопротивление
не изменялось во времявыполнениявсей последовательности измере-
ний;
• попытайтесь определить сопротивление каждого коммутатора. В некото-
рых измерительных системах нужно, чтобы оператор установил закора-
чивающие пластины поверх всех контрольных точек, а затем система
определит сумму сопротивлений коммутаторов и сопротивление при
контакте с этой пластиной. Обратите внимание, что данный метод дей-
ствительно может добавить ошибку, если в контрольной точке будет
определенно высокое значение контактного сопротивления, возможно,
из-за загрязнения зонда. Чрезмерное значение полученного сопротивле-
ниявычитают из всех последующих измерений, сделанных зондом, мас-
кируявысокое сопротивление изделияв некоторых случаях. В итоге не-
сколько увеличиваетсявероя тность прохожденияиспытаний печатной
платой, которую следует считать бракованной.
37.3.1.3. Конструкция четырехзондового матричного коммутатора. В левой
части рис. 37.3 представлен матричный коммутатор Кельвина или четырехзон-
довый матричный коммутатор. Обратите внимание, что длякаждой контроли-
руемой цепи потребуетсячетыре зонда, поэтому любую контрольную точку
можно подключить к стороне высокого напряжения источника постоянного
тока и датчика напряжения, стороне низкого напряжения датчика напряжения
и источника постоянного тока путем переключения проводников. Поскольку
часть измерительной системы, относящаяся к датчику напряжения, имеет чрез-
вычайно высокое входное сопротивление, ток через дополнительную пару ком-
мутаторов, которые соединяют контрольные точки с этой цепью, практически
равен нулю. Результатом является нулевой перепад напряжений на этих пере-
ключателях, поэтому измерительная система способна точно определить напря-
жение на неизвестной нагрузке. Поскольку измерительнаясистема точно знает
силу тока через нагрузку и величину напряжения, она может точно рассчитать
сопротивление нагрузки. Главную ошибку в этой ситуации дают в основном
контактные сопротивленияадаптера и интерфейс адаптера и изделия. Кроме
того, через меньшие транзисторы происходит меньше утечек тока в выключен-
ном состоянии, что позволяет испытывать изоляцию при более высоких поро-
говых значениях сопротивления с меньшими ошибками. Этот метод позволяет
точно определить непрерывность цепи только при использовании зондов высо-
кого качества с низким контактным сопротивлением.
37.3.1.4. Пороговое значение сопротивления непрерывной цепи. Обычно в ка-
честве порогового значениясопротивленияпри испытаниях непрерывности
принимают величину от нескольких ом до 1000 Ом. В табл. 37.1 приведены
пороговые значениясопротивлений, рекомендуемые некоторыми стандарта-
ми. Стандарт IPC-9252 фактически расширил рекомендации стандарта
IPC-ET-652, который он заменил. Как уже говорилось ранее в этой главе, эти
данные нужно использовать осторожно. Как правило, нижнее пороговое зна-
1040 Глава 37. Методы испытаний печатных плат
чение используетсяпри более строгих испытаниях печатных плат. Цепи с со-
противлениями 5, 10 или 25 Ом хотяи встречаютсяредко, но могут сущест-
венно повлиять на точность измерительных инструментов или функциональ-
ность высокоскоростных компьютерных печатных плат. В то же время, следу-
ет отметить, что существуют практические и экономические соображения
относительно того, насколько низким должно быть пороговое значение сопро-
тивленияпри проверке непрерывности цепи. Часть ограничений накладывает
тест-система и характеристики матричных коммутаторов, однако большая
часть относитсяк типу используемых зондов. Во времяподготовки публика-
ции этой книги нижним пороговым значением сопротивлениябыло 10 Ом
при производственных испытаниях непрерывности с использованием качест-
венных систем и зондов.
IPC-ET-652 MIL-55110D МПК совет класса IPC-9252 (устаревшее).
Класс 1: общие электронные <50—100 Ом <50 Ом <10 Ом. Класс 2: специ-
альнаяслужба <50 Ом <20 Ом <10 Ом. Класс 3: высокаянадежность <
<50 Ом <20 Ом <10 Ом.
37.3.1.5. Сила тока при испытаниях непрерывности цепей. Относительно
силы тока при проверке непрерывности цепей стандарт IPC-9252 или боль-
шинство других источников не дают рекомендаций. Использование большой
силы тока было предложено в качестве средства выгоранияслабых проводни-
ков и мест «мышиных укусов». Но токи такой силы могут повредить и качест-
венные проводники. Если это происходит после того, как тест-система отме-
тила данное соединение как качественное, то в результате мы получаем брако-
ванную печатную плату, котораяопределена как соответствующаятребовани -
ям. Желательно, чтобы испытания непрерывности цепей не повреждали и не
разрушали проводники. Типичнаясила тока при испытаниях находитсяв диа-
пазоне от 5 до 50 мА.
37.3.1.6. Ложные разрывы цепи при испытаниях непрерывности. Распростра-
ненной проблемой при испытаниях непрерывности цепи является большой
процент ложных отказов из-за загрязнения зондов и изделия, неправильного
закрепленияизделияили повреждениязондов. Резкое улучшение результатов
часто наблюдаетсяпосле отмывки изделияи зондов. Дляповышенияпроизво -
дительности необходимо отделить оборудование длятестированияпечатных
37.3. Основные методы электрических испытаний 1041
Таблица 37.1. Рекомендуемые стандартами пороговые значения сопротивления при испыта-
ниях непрерывности цепей
Класс печатных плат в соот-
ветствии со стандартами IPC
IPC-9252,
Ом
IPC-ET-652
(устаревший), Ом
MIL-55110D
(устаревший), Ом
Класс 1 — бытовая электроника Менее 50–100 Менее 50 Менее 10
Класс 2 — специализированная
электроника
Менее 50 Менее 20 Менее 10
Класс 3 — высоконадежная
электроника
Менее 50 Менее 20 Менее 10
плат от пылеобразующих процессов, таких, как сверление и фрезерование.
Дляпробоятонкопленочных загрязнителей, оксидных пленок и обеспечения
хорошего контакта зонда с поверхностью печатных плат часто используются
высоковольтные импульсы. Поскольку ток не может преодолеть оксидную
пленку, некоторые тест-системы снабжают устройством, посылающим высо-
ковольтные импульсы со строго ограниченными силой тока и продолжитель-
ностью, следовательно, ограниченной энергией. Несмотряна краткость импу-
льсов, их энергиязначительно превышает уровень энергии при обычных про-
верках непрерывности цепей, поэтому существует небольшой риск поврежде-
нияпечатных плат. Добавление времени на автоматическое или ручное
повторное тестирование изделий увеличивает количество проверенных печат-
ных плат, но приводит к большим затратам, если обнаруживаетсяслишком
большое количество ложных разрывов цепи. Это целесообразно только при
поиске и исправлении основной причины неполадок.
37.3.2. Метод испытания изоляции
Испытанияизоля ции предназначены дляпроверки наличияадекватной элект-
рической изоляции между цепями, которые не предназначены для соединения
друг с другом. Обычно измеряют сопротивление между данной цепью и другой
цепью (группой цепей). Если при подаче определенного напряжения измерен-
ное сопротивление превышает заданный порог сопротивленияизоля ции, то
испытаниясчитаютсяпройденными. В противном случае поступает сообще-
ние об отказе. Пока существует контакт с цепью (в течение испытаний), для
проверки изоляции нужна только одна контрольная точка цепи. Фактическое
число измерений сопротивленияизоля ции, необходимых дляиспытаний дан-
ной печатной платы, может существенно различатьсяв зависимости от алго-
ритма испытаний и охвата испытаниями возможных неисправностей. Эти во-
просы обсуждаютсяв отдельном разделе.
37.3.2.1. Сопротивление изоляции и напряжение. Поскольку испытанияизо -
ляции представляют собой оценку способности изоляции выдерживать напря-
женияи предотвращать утечки тока, то общим длятехнических условий про-
ведения этих испытаний является не только регламентируемое минимальное
сопротивление, но и величина приложенного напряжения. Это напряжение,
которое изоляция должна выдерживать, при минимальном сопротивлении.
Учитываяотношение R = E/I, повышение напряжения также означает повы-
шение силы тока, протекающего внутри тест-системы. Таким образом,
тест-системы дляиспытаний высоковольтных печатных плат обычно способ-
ны проверять изоляцию при высоких уровнях сопротивления со значительной
скоростью. Типичные значениясопротивленияизоля ции могут варьироваться
в широких пределах: от 1 кОм до 1000 МОм. Наиболее часто отмечаютсязна -
ченияот 2 до 10 МОм, но более высокие значенияиспользуютсядляобнару -
жениязагря знений. Повышеннаявлажность в испытательной зоне может пре-
пятствовать использованию очень высоких пороговых значений и повлиять на
точность при более низких пороговых значениях сопротивления. Желательно
1042 Глава 37. Методы испытаний печатных плат
поддерживать относительную влажность на уровне 50–55 %. Распространен-
ные стандарты на проведение испытаний изоляции (табл. 37.2) не всегда идут
в ногу с возможностями нового оборудованиядлятестированияпри повышен-
ных и чувствительных пороговых значениях. В любом случае, назначение кон-
кретных пороговых значений при испытаниях в идеале должно быть основано
на компетентном анализе предполагаемого примененияконкретных схем в из-
делии.
Теперь несколько меньшее внимание уделяется тестовому напряжению,
чем раньше, возможно, в результате повышенного использованияслишком
тонкого проводящего рисунка. В старых или простых тест-системах значения
напряжения ограничивались 10–40 В, но при испытаний изоляции большин-
ство из них в состоянии прикладывать напряжение 100–250 В.
Более высокое напряжение вызывает увеличение силы тока, обеспечивая
лучшее соотношение сигнал/шум и в целом повышаяскорость проведенияис -
пытания изоляции при высоких пороговых значениях сопротивления. Чрез-
мерное напряжение не подходит для печатных плат с очень мелким проводя-
щим рисунком и может привести к повреждению от электрической дуги в
нормальных условиях (табл. 37.3). Типичные изоляционные свойства совре-
менного материала печатных плат позволяют предположить, что приложение
повышенного напряжения при низких (в широком диапазоне) пороговых зна-
чениях сопротивления имеет мало смысла. Повышение порога сопротивления,
а затем приложение высокого напряжения позволит получить адекватную ско-
рость и точность измерений.
Таблица 37.3. Величины напряжений при испытаниях изоляции, регламентируемые некото-
рыми стандартами
IPC-9252 IPC-ET-652
(устаревший)
MIL-55110D
(устаревший)
Минимальное
напряжение
при испытаниях
изоляции
Достаточно высокое
напряжение, чтобы
обеспечить высокую
силу тока, но избе-
жать дугообразования
Достаточно высокое
напряжение, чтобы
обеспечить высокую
силу тока, но избежать
дугообразования
Минимально 40 В или на-
пряжение, в два раза превы-
шающее эксплуатационное
напряжение печатной платы,
выбирается большее
37.3. Основные методы электрических испытаний 1043
Таблица 37.2. Пороговые значения сопротивления при испытаниях изоляции, регламентиру-
емые некоторыми стандартами
Класс печатных плат в соот-
ветствии со стандартами IPC IPC-9252 IPC-ET-652
(устаревший)
MIL-55110D
(устаревший)
Класс 1 — бытовая электроника Более 500 кОм Более 500 кОм Более 2 МОм
Класс 2 — специализированная
электроника
Более 2 МОм Более 2 МОм Более 2 МОм
Класс 3 — высоконадежная
электроника
Более 10 МОм Более 2 МОм Более 2 МОм
37.3.2.2. Метод измерений факти-
ческого сопротивления изоляции. Для
последовательности переключений во
времяиспытаний изоляции было раз-
работано несколько алгоритмов, их
выбор может повлиять на охват испы-
таний. При наиболее строгом методе
каждаяцепь проходит индивидуаль-
ное тестирование, чтобы определить
общее сопротивление утечкам тока
параллельно со всеми другими цепя-
ми изделия. Дляэтого требуетсяодно
измерение на цепь для печатной пла-
ты с тремяцепя ми, как показано на
рис. 37.4. На каждую цепь по очереди
подаетсявысокое напряжение. Все
другие цепи соединены между собой
и на них в этот момент подаетсяну-
левое напряжение. Обратите внима-
ние, что дляизмерений необходима
только одна контрольнаяточка в дан-
ной цепи.
Если цепь закоротило или прои-
зошла утечка тока в другую цепь,
либо любаякомбинацияэтих отка-
зов, то считается, что печатная пла-
та не прошла испытаний. Испыта-
ние продолжается, пока все цепи не
будут проверены.
На рис. 37.5 показана измерите-
льнаясистема во времяпроведения
трех испытаний. Обратите внима-
ние, что контрольные точки А и С
используютсядлясоединенияс со-
ответствующей цепью, а контроль-
ные точки В и D не нужны дляис -
пытанияизоля ции. Коммутаторы в
этих точках остаютсяв открытом со-
стоянии во время всех измерений.
Главной особенностью этого ме-
тода является ответ на вопрос: «На-
сколько хорошо даннаяцепь изоли-
рована от остальной части печатной
платы?» Рассмотрим пример, пока-
занный на рис. 37.6.
1044 Глава 37. Методы испытаний печатных плат
Рис. 37.4. Проверка фактической изоля-
ции печатной платы с тремяцепя ми.
Тест 1: напряжение в цепи АВ, цепи CD и
Е заземлены; тест 2: напряжение в цепи
CD, цепи AB и Е заземлены; тест 3: на-
пряжение в цепи E, цепи AB и CD зазем-
лены
КТ АВ
Источник
тока
Измерение
Коммутатор
КТ CD, E
Испытание 1
КТ CD
Источник
тока
Измерение
Коммутатор
КТ АВ, E
Испытание 2
КТ E
Источник
тока
Измерение
Коммутатор
КТ АВ, CD
Испытание 3
Рис. 37.5. Последовательность измерений
при испытаниях изоляции для трех цепей.
КТ — контрольнаяточка
Здесь пороговое значение сопротив-
ления изоляции составляет 100 МОм.
В цепи А существует четыре пути утеч-
ки тока по одному на каждую цепь B,
C, D и E. Сопротивление каждого пути
измеряется отдельно, оно значительно
выше порогового значения100 МОм.
Но мы можем лишь гарантировать,
что цепь А изолирована комбинацией
этих параллельных сопротивлений, что
определяется по формуле:
RA
(1/R ) + (1/R ) + (1/R ) + (1/AB AC AD R AE )
1
68 МОм.
Таким образом, из-за этого измеренияцепь не прошла испытанияфакти -
ческого сопротивленияизоля ции. Не исключено, что в реальной ситуации
причиной стало бы загрязнение, которое коснулось цепей А, B и C.
37.3.2.3. Логарифмический метод испытания изоляции. В табл. 37.4 пред-
ставлен логарифмический метод испытаний изоляции и его сравнение с мето-
дом испытаний фактического сопротивленияизоля ции, который описан ра-
нее. Логарифмический метод дает мощное преимущество и позволяет прово-
дить только небольшое количество измерений дляиспытаний сложных печат-
ных плат. Их число определяется как log2 (N) и округляется до ближайшего
целого числа, где N — количество цепей.
Таким образом, дляпечатной платы с восемью цепями, нам необходимо
произвести только три измерения. Преимущество еще больше для боль-
ших печатных плат. Дляреальной печатной платы с 4000 цепей требуетсявсе -
го 12 измерений.
Этот метод предполагает компромиссный охват испытанием утечек тока на
параллельные цепи. Рассмотрим пример, представленный в табл. 37.4. В верх-
ней половине таблицы приведены данные дляочень простой печатной платы с
восемью цепями и показана схема логарифмического метода.
При данном измерении цепи, отмеченные знаком «+», подключены к верх-
ней части измерительной системы. Цепи, отмеченные знаком «–», подключе-
ны к нижней части. Обратите внимание, что в каждом измерении около поло-
вины цепей имеют знак «+», а половина — знак «–».
Низкоомное короткое замыкание между двумяцепя ми было обнаружено с
помощью обоих методов (см. табл. 37.4). По крайней мере в одном измерении
знак «+» был на одной закороченной цепи, а «–» — на другой. Оба метода хо-
рошо работают по обнаружению низкоомных коротких замыканий, сопротив-
ленияпараллельных цепей не играют большой роли. Но рассмотрим влияние
двух утечек тока с сопротивлением 15 МОм: одна из цепи А в цепь В, а одна
из цепи А в цепь С. Если пороговое сопротивление составляет 10 МОм, этот
отказ не будет обнаружен логарифмическим методом, но метод проверки фак-
тического сопротивленияизоля ции потерпит неудачу в первом случае. Лога-
37.3. Основные методы электрических испытаний 1045
150 МОм 200 МОм
500 МОм
1,000 МОм
Изоляция цепи
относительно других цепей
Рис. 37.6. Определение утечки тока на
параллельных цепях
рифмический метод оказалсянеэффективным, поскольку при его применении
не произведено ни одного измерения, когда цепь А имела бы «+», а цепи В и
С — «–». (Если бы резистор был переключен с цепей А–В на цепи А–D, мы
могли бы обнаружить ошибку во втором измерении при использовании лога-
рифмического метода.)
Логарифмическим методом не всегда можно выявить большую утечку то-
ков между параллельными цепями при их определенной комбинации. Для тех
видов продукции, в которых допустим низкий уровень порогового сопротив-
ления, это может и не стать серьезной проблемой. Обратите внимание, что
этот риск может быть уменьшен за счет существенного увеличенияпорогового
сопротивления, чтобы большая часть утечки тока в отдельной цепи все же
была зафиксирована в сообщении об ошибке.
37.3.2.4. Нарушения изоляции: различие между коротким замыканием и
утечкой тока. Ранее было дано различие между низкоомным коротким замы-
канием и утечкой тока, хотяоба отказа были обнаружены во времяиспытаний
изоляции. Если мы рассмотрим метод испытаний фактического сопротивле-
нияизоля ции и логарифмический метод испытаний, то увидим, что ни один
из них не определяет другой конец короткого замыкания или утечки тока (см.
табл. 37.4). При использовании метода испытаний фактического сопротивле-
ниямы знаем, что в цепи происходит короткое замыкание или утечка тока в
какую-то другую цепь, но мы не знаем, в какую именно. Логарифмический
метод изначально дает меньше информации: мы знаем только, что короткое
замыкание произошло между половиной положительных цепей и половиной
отрицательных (или заземленных). После обнаруженияотказа в каждом мето-
де должна включитьсяподпрограмма, котораясистематически переберет все
пары цепей, чтобы локализовать отказ. Поиск всех цепей с утечкой тока про-
исходит медленнее с неоднозначными результатами. Таким образом, некото-
рые тест-системы позволяют пользователю отключить поиск утечки тока.
1046 Глава 37. Методы испытаний печатных плат
Таблица 37.4. Сравнительная характеристика методов испытания изоляции
Метод и номер
испытаний
Обозначение цепи
A B C D E F G H
Логарифмический
1
2
3
+
+
+
+
+
–
+
–
+
+
–
–
–
+
+
–
+
–
–
–
+
–
–
–
Фактического сопротивления
1
2
3
4
5
6
7
8
+
–
–
–
–
–
–
–
–
+
–
–
–
–
–
–
–
–
+
–
–
–
–
–
–
–
–
+
–
–
–
–
–
–
–
–
+
–
–
–
–
–
–
–
–
+
–
–
–
–
–
–
–
–
+
–
–
–
–
–
–
–
–
+
В случае распределенных утечек, ясный ответ может быть нецелесообраз-
ным, так как все перебираемые пары цепей никогда не будут соединены па-
раллельно с путем, по которому происходит утечка тока. Локализациявысоко -
омной утечки тока может стать большой проблемой или вообще не представ-
лять трудностей. Точный результат зависит от фактического сопротивления
утечки, структуры цепей и порогового значениясопротивленияизоля ции. От-
метим, что система летающих зондов, «проверяющая» дефекты, может и не
обнаружить некоторые или все утечки тока по той же причине. Возможно,
имеет смысл возвращать такие печатные платы дляокончательных испытаний.
37.4. Специальные методы электрических испытаний
Некоторые специальные методы электрических испытаний были разработаны
дляобнаруженияболее сложных и мелких неисправностей, нежели обычные
короткие замыкания, разрывы цепи или утечки тока. Дополнительные методы
создавались под конкретные виды испытательного оборудования, в частности
летающие зонды. Эти вопросы будут рассмотрены ниже.
37.4.1. Высоковольтные испытания изоляции
Высоковольтные испытанияочень похожи на обычные испытанияизоля ции,
но обычно отличаютсявеличиной приложенного напряженияи, в некоторой
степени, ожидаемым поведением обнаруженной неисправности. При высоко-
вольтных испытаниях печатных плат обычно используется напряжение более
250 В, часто от 500 до 3000 В. Цель состоит в том, чтобы найти нарушенияв
диэлектрических (изолирующих) слоях печатной платы, которые во время экс-
плуатации при низких напряжениях могут привести к отказам.
Когда диэлектрик подвергается действию значительного напряжения, ко-
торое существенно превышает рабочее напряжение, некоторые типы дефектов
материала могут привести к «лавинообразным» отказам изоляции. В результа-
те ионизации промежуточных материалов или атмосферы сила тока внезапно
возрастает до относительно высоких значений. В месте отказа можно наблю-
дать искрение и/или возгорание. Это несколько противоречит обычному ис-
пытанию изоляции, при котором при низких напряжениях можно обнаружить
очень малый ток утечки. Чаще всего, обычные испытанияизоля ции намного
менее разрушительны, поскольку используемаяэнергиязначительно ниже.
Однако в зависимости от состоянияизделияискрение может наблюдатьсяпри
разных значениях напряжения, в таких случаях обычные испытания изоляции
происходят аналогично высоковольтным испытаниям.
Во многих случаях нецелесообразно выполнять высоковольтные испыта-
нияготового изделияза исключением ограниченного числа контрольных то-
чек. Еще одним фактором являются пределы возможностей оборудования, по-
скольку очень затратно конструировать тестовое оборудование и аппаратуру,
способных подавать такое высокое напряжение сразу к большому количеству
37.4. Специальные методы электрических испытаний 1047
контрольных точек. Однако само готовое изделие является далеко не лучшей
целью дляпроведениятаких испытаний. Современные печатные платы часто
сконструированы с очень малым расстоянием между проводниками.
На поверхностных слоях печатных плат элементы посадочных мест для
компонентов расположены настолько близко, что вряд ли выдержат очень вы-
сокое напряжение без дугообразования. Такие дуги могут уничтожить отлично
сделанную печатную плату. Напряжение, при котором образуются такие дуги,
зависит от геометрии печатной платы и атмосферных условий.
С учетом этого, наиболее распространенным практическим применением
высоковольтных испытаний является проверка материалов на предмет дефек-
тов перед травлением. Например, тонкие материалы FR-4, с двух сторон по-
крытые медной фольгой, можно проверить путем подачи высокого напряже-
нияс обеих сторон. В данном случае может наблюдатьсяионизациялюбых
трещин и других дефектов, что приведет к резкому возрастанию силы тока.
Таким образом, можно отбраковать дефектный материал, прежде чем будет
произведена дорогостоящаяпоследующаяобработка.
37.4.2. Встроенные тест-компоненты
Сейчас разработаны методы встраиванияопределенных электронных компо-
нентов внутрь печатных плат. Наиболее распространенным примером являет-
сявстроенный, или «захороненный» резистор. Такие резисторы создают путем
нанесенияслоячастично проводящего материала внутрь печатной платы.
С помощью селективного добавленияили удаленияэтого материала подбира-
ют нужное значение сопротивления. При этом можно добиться точности из-
мерений от нескольких единиц до нескольких десятков процентов. Типичные
значениясопротивлений — от нескольких до тысяч ом. Наиболее широкое
распространение эта технологиянашла в производстве высокоскоростных
цифровых цепей, предназначенных длязамены множества резисторов с сопро-
тивлением 200 Ом и ниже. Точное измерение этих значений является сложной
задачей, требующей правильно сконструированной аппаратуры и чистоты ис-
пытаний. Другаятрудность с использованием встроенных резисторов заключа-
етсяв получении нужных значений сопротивления. При изготовлении печат-
ных плат большую часть резисторов выбирают по форме и типу/толщине ре-
зистивного материала, а не по конкретному значению сопротивленияи допус-
тимым отклонениям.
Необходимо проанализировать характеристики проводящего рисунка пе-
чатной платы и рассчитать сопротивление серий цепей и их параллельного со-
единения, а потом измеряемое конечное значение сопротивления передать те-
стеру.
Также на печатных платах могут присутствовать и встроенные конденсато-
ры. Все печатные платы обладают емкостью между различными проводника-
ми, особенно между слоями. Величину емкости определяет площадь поверхно-
сти параллельных проводников, толщина изоляции между ними и диэлектри-
ческаяпроницаемость изоляционных материалов. Некоторые конструкции пе-
1048 Глава 37. Методы испытаний печатных плат
чатных плат созданы, чтобы максимизировать подавление шума от емкости
между силовыми и земляными слоями платы, для этого внутренний изолятор
делаетсякак можно тоньше. Некоторые идут дальше и используют специаль-
ные изоляционные сердечники для этих слоев.
Это распространеннаяформа встроенного конденсатора. Большинство
тест-систем дляиспытаний печатных плат не приспособлены дляизмерения
емкости, особенно малых значений. В некоторых случаях вообще не преду-
смотрено никаких испытаний, важно, чтобы тест-система допускала присутст-
вие емкости. Когда измерениявсе же предусмотрены, они включают только
несколько контрольных точек. В таких случаях целесообразно использовать
настольное оборудование.
37.4.3. Рефлектометрия с временным разрешением (TDR)
Рефлектометрияс временным разрешением — это метод измерений, который
часто используетсядляоценки волнового сопротивлениятрасс высокочастот-
ных сигналов на печатных платах. Волновое сопротивление очень важно для
правильного функционированиявысокоскоростных цифровых или высокочас-
тотных цепей печатных плат. Такие печатные платы используютсяв компью-
терной технике, сотовых телефонах, радио и т. д. Волновое сопротивление
единичной трассы не следует путать с сопротивлением проводника постоянно-
го тока, которое проверяют во время испытаний непрерывности цепи посто-
янного тока. Трассы передачи сигнала с определенным волновым сопротивле-
нием часто соединены с цепями постоянного тока (с низким сопротивлени-
ем). На волновое сопротивление трасс высокочастотных сигналов часто силь-
но влияет ширина трассы, ее толщина, вертикальное расстояние от земляной
плоскости, расположение соседних трасс высокочастотных сигналов и относи-
тельнаядиэлектрическаяпроницаемость того типа изоляционных материалов,
которые были использованы дляпечатной платы. Эти параметры, как прави-
ло, остаютсяпостоя нными в пределах одной заготовки, что оправдывает ис-
пользование тест-купонов как средства мониторинга работы изделия. Стан-
дартные тест-системы дляиспытаний печатных плат (не летающие зонды) не
снабжены устройствами дляTDR, поскольку по их путям передачи сигнала не
проходит быстро нарастающий сигнал TDR. ИспытанияTDR обычно прово-
дятся на испытательном стенде вручную.
Тест-системы TDR прикладывают быстрорастущее напряжение к одному
концу проводника. Измененияволнового сопротивлениявдоль цепи приводят
к отражению волн напряжения, которые возвращаются в исходную точку, где
их улавливает посылавший их зонд. Результаты, как правило, представляют в
виде графика волнового сопротивленияв зависимости от расстоянияот точки
передачи сигнала. Из-за отраженияи нарушенияв точке передачи сигнала ис-
пытанияне следует проводить на проводниках минимальной длины, чтобы
получить достоверное измерение. Чрезвычайно короткие цепи — не лучшие
образцы дляпроведенияTDR-испытаний. Дляполученияжелаемых значе-
ний нужны проводники длиной 5 см и более. На длинных проводниках можно
37.4. Специальные методы электрических испытаний 1049
получить более точные результаты. Ответвленияна пути измерениясигнала
сильно нарушают точность измерений. Поэтому лучшей целью испытаний яв-
ляется проводник без ответвлений.
Типичный график результатов TDR-испытаний представлен на рис. 37.7.
На графике показан участок с волновым сопротивлением примерно 50 Ом,
нарастающим до бесконечности в конце разомкнутой цепи (справа), но сни-
жающимсямежду верхней и нижней границами нужного участка.
Распространено и практично испытание образцов с помощью ручных зон-
дов, однако положение руки и тела оператора оказывает большое влияние на
измерения, снижая воспроизводимость результатов. Некоторые производители
предлагают летающие зонды специально дляпроведенияTDR-испытаний. Не-
смотряна необходимость дополнительной настройки, они быстро работают на
высоких скоростях и обладают хорошей воспроизводимостью результатов.
37.4.4. Методы испытаний, специально предназначенные
для летающих зондов
Поскольку тест-системы летающих зондов могут контактировать только с па-
рой (или другим ограниченным количеством) контрольных точек за один раз,
они не способны к точным измерениям сопротивления изоляции, как матрич-
ные тестеры (и другая аппаратура). Проверка изоляции проводников постоян-
ного тока выполняется между парами цепей, причем количество измерений
снижаетсяпосле определенияцепей, находящихсяря дом с испытуемой це-
пью, следовательно, в них возможны проблемы с изоляцией. Другими слова-
ми, с помощью летающих зондов можно проводить испытаниянепрерывности
цепи постоянного тока и измерениясопротивленияизоля ции, как это было
1050 Глава 37. Методы испытаний печатных плат
Отказ
55 Ом
Соответствие
50 Ом
45 Ом
Отказ
Время или расстояние
Рис. 37.7. Типичные результаты измерений при проведении TDR-испытаний
рассмотрено ранее. Кроме того, большинство поставщиков летающих зондов
разработали альтернативные методы, которые снижают число измерений и
следовательно, времямеханического перемещениязондов. Эти методы рас-
смотрены далее.
37.4.4.1. Косвенные измерения сопротивления изоляции и проверка целостно-
сти цепи. Производители разработали различные методы косвенных измере-
ний, но в целом эти методы исходят из общего предположения, что данная
цепь печатной платы обладает определенной емкостью и другой электромаг-
нитной связью с соседними слоями и проводниками. Количество связей зави-
сит от геометрии вовлеченных проводников. Если проводник нарушен, его
остатки будут демонстрировать слабую связь. Аналогично, если проводник
«коротит» на другой проводник, то величина связи существенно возрастет.
Если тест-система нашла связь определенной величины от каждого проводни-
ка до земляной плоскости (или другого электрического оборудования), то с
определенной степенью достоверности считается, что все проводники являют-
сяцелыми. Никаких непосредственных измерений сопротивленияизоля ции
или проверок непрерывности цепей в этом случае не требуется. Вместо этого
используетсяанализ связей, чтобы подтвердить правильность конфигурации
печатной платы. В связи с отсутствием прямого измерения сопротивления
изоляции или непрерывности цепи, этот метод считается косвенным.
Как правило, эти методы обладают высокой надежностью в обнаружении
низкоомных коротких замыканий и разрывов цепи, но менее эффективны в
нахождении распределенных загрязнений или соединений с высоким сопро-
тивлением до нескольких мегаом и более. К специальным методам относятся
измерения емкости постоянного тока (в заряженном и разряженном состояни-
ях), измерения сопротивления-емкости источника напряжения при постоян-
ном времени, измерение емкости переменного тока и измерение индуктивно-
сти переменного тока между соседними цепями.
Емкостные методы измерений с использованием постоянного тока, как
правило, основаны на приближении:
C i
dt
dv
илиC i
t
v
,
где С – емкость цепи; i — величина электрического заряда; v — изменение на-
пряжения за время t.
Похожая, хотяи более сложнаякартина наблюдаетсяпри измерениях со-
противления-емкости при постоянном времени и индуктивности в цепи пере-
менного тока.
Используяпредыдущий пример, отметим, что если две цепи замкнуты, ре-
зультирующаяемкость равна сумме их отдельных емкостей. Большаяемкость
заряжаетсямедленнее, чем предполагаетсядлякаждой цепи. Тест-система от-
мечает две соседние цепи с подозрительно сходным поведением при зарядке
емкости. Тест-система отмечает такие цепи как подозрительные, либо их от-
браковывает, либо проверяет на наличие короткого замыкания с помощью из-
мерений при постоянном токе. Цепи с утечкой демонстрируют сниженную
37.4. Специальные методы электрических испытаний 1051
емкость и будут слишком быстро заряжаться и разряжаться. Эти зависимости
приведены на рис. 37.8.
Дляиспользованиякосвенных методов длябольшинства тест-систем тре-
буетсяпровести прямые испытанияпервой эталонной печатной платы на не-
прерывность и сопротивление изоляции. После успешного прохожденияис -
пытаний устанавливаетсясхема емкостей каждой цепи этой платы. Все эта-
лонные значениязатем сравниваютсяс измерениями емкости последующих
плат, как это было описано выше. Таким образом, получаетсяогромнаяэко -
номиявремени благодаряисключению повторяющихсяиспытаний каждой
цепи, особенно в случае испытанияизоля ции. Некоторые пользователи ком-
бинируют традиционные испытаниянепрерывности цепей с косвенными ме-
тодами, которыми заменяют испытания изоляции.
37.4.4.2. Анализ соседних цепей: испытания изоляции с помощью систем ле-
тающих зондов. Анализ соседних цепей упрощает тестирование изоляции лета-
ющими зондами за счет сокращениячисла измерений, даже при использова-
нии прямых методов измерения. При анализе соседних цепей система подго-
тавливает список цепей и всех трасс, находящихся рядом с данной цепью в со-
ответствии с набором геометрических критериев. На таких участках наиболее
вероятно появление коротких замыканий и утечек тока. Затем испытания изо-
ляции выполняются только между соседними парами проводников, это изме-
рение хорошо подходит к характеристикам летающих
зондов. Важно, чтобы этот анализ был трехмерным.
Цепи могут пересекатьсяв горизонтальных плоско-
стях, но на разном уровне. Отверстие или дефект в
изолирующем слое могут стать причиной короткого
замыканияили утечки тока. В примере, показанном
на рис. 37.9, цепь А можно считать соседней с цепью
В, но не с цепью С. Цепь В можно рассматривать как
соседнюю с цепями А и D. Если предположить, что
пороговое расстояние между цепями немного мень-
ше, чем расстояние от цепи Е до цепей B или D, то
цепь Е нельзясчитать соседней с ними.
1052 Глава 37. Методы испытаний печатных плат
Напря-
жение, В
Короткое замыкание
Номинал
Разрыв цепи
Время
Рис. 37.8. Косвенные измерения: разряд емкости при постоянном токе
Смежные
связи
Рис. 37.9. Анализ сосед-
них сетей