Panoramica sui test per PCB e accorgimenti in fase di design

In tutti i processi manufatturieri vige la regola d’oro secondo al quale prima si trovano i componenti difettosi sulla linea di produzione minore sarà l’impatto monetario dato dallo scarto o rilavorazione del componente difettoso. 

La linea di produzione e assemblaggio di PCB non si astiene dal rispettare questa regola, per questo il PCB viene testato duranti i vari stage di produzione così da individuare le parti difettose il prima possibile.

È possibile raggruppare i test di produzione PCB in tre categorie principali:

1. Test di fabbricazione del PCB: eseguiti direttamente sulla scheda non assemblata appena uscita dalla linea di produzione. Durante questo test si vuole assicurare che tutte le connessioni siano state sviluppate correttamente testandone la continuità e la presenza di eventuali corti tra nets. In caso di piste progettate con impedenza controllata si può misurare l’impedenza effettiva tramite l’ausilio di un Time Domain Reflectometer (TDR). 
2. Test di assemblaggio: eseguiti dopo aver assemblato la scheda con lo scopo i verificare la qualità dei componenti assemblati e la buona saldatura degli stessi al PCB. 
3. Test funzionali: vengono eseguiti per ultimi al fine di testare la funzionalità della scheda ed eventualmente eseguire la programmazione di tutti i componenti con memoria (per esempio microcontrollori o FPGA).

I test di fabbricazione e assemblaggio possono essere eseguiti dal produttore di PCB pur non conoscendo la funzionalità del prodotto in quanto è sufficiente fornire la netlist e il valore dei componenti. Mentre per il test funzionale si richiede spesso lo sviluppo di una test fixture e software di controllo dedicato da parte del progettista di PCB.

I test di fabbricazione e assemblaggio vengono spesso eseguiti con l’ausilio di flying probes (descritte in seguito), ad eccezione di produzioni per grandi volumi. Mentre, generalmente, per i test funzionali si utilizzano tecniche di In Circuit Testing (ICT) tramite letto ad aghi sviluppato custom per il PCB. Quest’ultima soluzione, essendo più rapida nell’esecuzione dei test per unità, può essere anche adottata per i test di assemblaggio riutilizzando lo stessa test fixture.

Flying probes

Il test automatizzato tramite flying probes consente di posizionare da due fino a sei punte “volanti” sul PCB per contattare pads, via o test points. Una volta avvenuto il contatto diversi tipi di test come continuità o cortocircuito possono essere effettuati. 

I vantaggi della tecnica flying probes sono dati dal fatto che non richiedono uno sviluppo di una test fixture ad-hoc per lo specifico PCB ma sono totalmente programmabili ed i tempi di setup per il test sono relativamente veloci. Tuttavia, essendo limitate al massimo a sei punti di contato, le flying probes richiedono un test time per unità piuttosto lungo e non permettono operazioni complesse, come test su bus di comunicazione per esempio. Alla luce di questi pro e contro le flying probes risultano un’ottima scelta per i test di fabbricazione PCB ed in alcuni caso di assemblaggio per sistemi semplici. Invece per sistemi più complessi, sia per i test di assemblaggio, ma soprattutto per i test funzionali un approccio ICT con letto ad aghi è consigliato.

A livello di progettazione ci sono alcune accortezze da osservare quando si pensa di testare il PCB per mezzo di flying probes. Non tanto per i test di fabbricazione per i quali, non essendo ancora stati saldati i componenti, i pads sono totalmente accessibili, ma soprattutto per i test di assemblaggio. Tali accortezze sono per esempio utilizzare via untented (via con apertura di soldermask) così che la via stesso possa essere utilizzata come pad di atterraggio per la flying probe. Oppure prevedere i pad per i componenti leggermente più lunghi sul lato esterno del componete così da dare spazio alle punte per il contatto. 

In Circuit Test

Il testing ICT consiste nel prevedere dei test point sul PCB, idealmente uno per net, che verranno poi contattati tramite una test fixture del tipo letto ad aghi sviluppata appositamente per il PCB da testare. La test fixture sarà in grado di “eccitare” i test point in maniera opportuna in modo da verificare il corretto assemblaggio dei componenti misurandone per esempio resistenza o capacità. L’ICT potrà anche verificare la funzionalità della scheda, per esempio controllando il bus SPI e verificando che le varie periferiche rispondano correttamente. Generalmente la test fixture viene anche utilizzata per programmare tutti i componenti con memoria non volatile sulla scheda.

I vantaggi di questa tecnica sono la velocità di test per unità in quanto consente di eseguire più test in parallelo alle spese di uno investimento maggiore in termine di sviluppo della text fixture stessa.  

Dal punto di vista progettuale si deve provvedere al posizionamento dei test points, possibilmente su un unico lato dalla scheda così da ridurre i costi della test fixture. Generalmente i test points devono avere una dimensione di circa 40mils (1mm), distanziati 100mils (2.54mm) l’uno dall’altro. Per ottenere un contatto migliore si raccomanda una finitura di tipo ENIG per i test point.

Benché posizionare un test point per ogni net della scheda potrebbe sembrare un esercizio pedante e prono ad errori alcuni tool di progettazione vengono incontro al progettista. Per esempio, Altium tramite il suo Testpoint Manager consente di visualizzare velocemente quali net sono provviste di test points e quali no. Inoltre, grazie al DRC dedicato ai test point si può specificare le dimensioni minime dei test points siano essi veri e propri test point oppure via o pads utilizzati come test point.