PRENSA

Prueba Eléctrica de Circuitos Impresos Sin Componentes Montados

12 de agosto de 2014

UNICA ALTERNATIVA VALIDA PARA OBTENER EL CERO DEFECTO

Introducción al diseño de placas cero defecto

El aumento de la complejidad y densidad, junto a diseños de trazas más delgadas exigen la prueba eléctrica (ET) de las placas de circuito impreso sin componentes montados como requisito indispensable. La confirmación de la calidad de un circuito impreso es necesaria para asegurar no incurrir en costos que deben ser evitados, previniendo no solamente la pérdida del valor de la placa sino también de todo el valor agregado posterior, incluidos los componentes.

El fabricante de placas de tipo profesional que pasa por alto esta necesidad no siempre lo hace deliberadamente. Evitar o soslayar el llevar a cabo la operación de prueba eléctrica no implica en absoluto reducir costos en la fabricación. Muchas veces es producto de la falsa interpretación y sobre valuación que se hace de programas dedicados a mejorar la calidad de un diseño con el objetivo final de facilitar los procesos de fabricación de placas. Estos programas conocidos con el acrónimo inglés DFM (Design For Manufacturing), no resuelven los problemas para obtener placas con cero falla, cualidad requerida por los fabricantes de bienes finales electrónicos. Adicionalmente, la inclusión de la prueba eléc- trica en el proceso de fabricación de placas, sin duda alguna elimina los costos originados por las labores manuales adicionales de inspección y "reproceso" llevadas a cabo con el afán de "salvar" la placa. El incierto resultado de estos manipuleos terminan afectando al montador de la placa, al fabricante del equipo y al equipo en si mismo.

Para evitar sorpresas de mal funcionamiento y consecuentemente demoras en la puesta en marcha de placas estratégicas, el diseño de las mismas debe ser realizado previendo todas las posibilidades de verificación eléctrica necesarias. La providencia de esta acción permite la elección y disponibilidad de puntos de prueba que pueden simplificar drástica- mente el proceso de prueba eléctrica y así ahorrar dinero.

Para cumplir con esta exigencia, la herramienta de diseño para "verificación eléctrica" co- nocida como DFT (Design For Testability) es una parte integral del programa de diseño y suple las carencias mencionadas más arriba relacionadas con el DFM.

Sin embargo, en un esfuerzo para encontrar la oportunidad proyectada para un nuevo producto, en ocasiones los diseñadores son presionados para completar un diseño en los tiempos teóricamente establecidos. Al comenzar un diseño, es común encontrarse con información incompleta respecto al listado de materiales. La disponibilidad de componen- tes juega un rol determinante para la ecuación costo-prestación, que es uno de las premi- sas que todo ingeniero de diseño tiene como objetivo en su labor. Así, bajo la presión para colocar el producto en el mercado, la posibilidad de diseñar con inclusión de prueba eléc- trica a menudo no se concreta. Por lo tanto es aconsejable una revisión de las condiciones a tener en cuenta para la prueba eléctrica, con la participación de por lo menos el diseña- dor, el proveedor de circuitos impresos y el responsable del montaje de las mismos para que entre las partes se asuma el compromiso de unificar los criterios respecto a los sis- temas de verificación a implementar.

 

Distintos tipos de pruebas eléctricas

Hay dos categorías básicas para pruebas eléctricas de circuitos impresos:
  • La prueba eléctrica del circuito impreso sin componentes y,
  • La prueba de placas.
 

En el primer caso la prueba es llevada a cabo al final del ciclo de fabricación del circuito impreso y examina para detectar la presencia de cortos, aperturas y continuidad de las trazas y aislación entre trazas, esto último para detectar residuos provenientes de una incorrecta elaboración de los circuitos impresos. Durante la fabricación del circuito impreso hay otras inspecciones y verificaciones a lo largo del proceso. Sin embargo, la verificación eléctrica es la clave para un desempeño óptimo.

En el caso de las placas montadas la verificación eléctrica también se realiza al final del proceso de ensamble. En razón de que el proceso de montaje tiene muchas variables rela- cionadas con el posicionamiento y soldadura de los componentes siempre se lo trata de mejorar. Hay un gran esfuerzo realizado por los montadores de placas en evitar los efec- tos y características que no se comportan de acuerdo con las especificaciones del proceso. Por consiguiente, las verificaciones a nivel de montaje comprenden el análisis de procesos de manufactura, la verificación operacional del comportamiento de cada componente en forma individual, también popularmente conocido como in-circuit testing (ICT), la prueba funcional para asegurar que el producto se desempeña de acuerdo con el propósito para el cual fue diseñado y combinaciones de las tres verificaciones mencionadas.

Prueba eléctrica del circuito impreso sin componentes

En este primer capítulo comenzaremos a referirnos a esta verificación eléctrica. Como mencionamos anteriormente la utilización de la herramienta DFT permite definir los puntos de prueba desde el inicio mismo del diseño del circuito impreso, proveyendo una adecua- da cobertura de verificación y a la vez reduciendo la cantidad de puntas de prueba requeridas, permitiendo además ubicar las puntas de prueba en forma tal de minimizar la com- plejidad del dispositivo. Los componentes electrónicos han rápidamente aumentado en cantidad y disminuido su tamaño físico, por lo que las empresas han sido forzadas a adop- tar las soluciones de prueba que brinda la herramienta DFT al reducir notablemente las dificultades de acceso físico a los circuitos impresos.

Se cumple así un requerimiento mandatorio para mantener el producto con el suficiente perfil competitivo que el mercado actual exige.

Requerimientos para la prueba eléctrica

La prueba eléctrica de la última generación de circuitos impresos requiere tener en cuenta las siguientes premisas relacionadas con el diseño de la placa, de los equipos de prueba y procesos:
  1. Desde el punto de vista del acceso:
    • Verificación del circuito impreso al 100%. Todas las redes deben ser verificadas desde puntos de control ubicados estratégicamente de manera de conseguir una optimización de la cantidad de puntos de prueba que permitan una cobertura del l00%.
    • Exigencia de puntos de prueba más cercanos que en circuitos impresos tradicionales.
    • Prueba simultánea de ambas caras del circuito impreso.
  2. Desde un punto de vista eléctrico la verificación requiere:
    • La fijación de un umbral de resistencia de aislación entre redes de hasta 100 Mohms.
    • Una continuidad con un umbral de unos pocos Ohms.
  3. Desde el punto de vista del procesamiento de datos se requiere:
    • Un enlace directo entre el programa CAD de diseño y el sistema de prueba.
    • Una generación confiable de verificación de puntos de prueba y redes, incluyendo el re- conocimiento automático de las coordenadas de prueba.
    • Una secuencia rápida de prueba.
  4. Desde el punto de vista del dispositivo de prueba:
    • Lo ideal sería evitar el uso de un dispositivo dedicado. Si esto no es posible debido al tipo de equipo de prueba, entonces se aplica el  siguiente criterio:
    • Accesibilidad mecánica a las conexiones (pads) de paso fino (fine pitch). Reducción de costos en la preparación del dispositivo.
    • Confiabilidad y reducción de la complejidad. No dañar los puntos de prueba (pads).
 

No todos los sistemas convencionales de prueba responden a la totalidad de estos reque- rimientos. Podemos considerar tres categorías principales:

  • Sistemas de puntas de prueba desde un mínimo de dos hasta varias decenas de puntas móviles que se desplazan secuencialmente y contactan los diferentes puntos de prueba. Estos sistemas en principio fueron limitados a verificación de prototipos o pequeñas parti- das debido a su baja productividad.
  • Los sistemas de inspección óptica automática (AOI) en razón de no ser en realidad un dispositivo de verificación eléctrico está dedicado a inspección de las capas internas de los multicapa (inner-layers) y a la verificación de daños en las películas o fotolitos (photo- tools) para determinar su descarte.
  • Respecto al sistema de prueba conocido como "cama de clavos", sus puntas de prueba son guiadas de manera de contactar físicamente a las partes del circuito impreso. Pueden ser dedicados o universales.
 

¿Qué es necesario controlar en una prueba eléctrica de un circuito impreso?

APERTURAS: Podemos asimilar que un circuito impreso es simplemente un cable comple- jo. Por lo tanto, este cable interconecta componentes. Para verificar un cable es necesario y suficiente acceder a sus "extremos", en busca de una interrupción o "apertura". Los extremos de cada red de un circuito impreso serán los puntos a verificar (ver figura 1). En placas de alta densidad no siempre es posible verificar la continuidad de una red acce- diendo a sus extremos, por razones de difícil acceso. En tal caso hay que alcanzar, diga- mos, una solución de compromiso, que si bien no es lo más deseable permita cumplir par- cialmente con el objetivo de prueba. Un ejemplo puede verse en la figura 2.

Sin embargo, con la estrategia de incluir los puntos de prueba durante el proceso de dise- ño, se asegura el 100% de control de la placa sin grandes sacrificios de costo. General- mente esta situación se resuelve con dos opciones posibles. Disponer un espacio adicional entre componentes lo que involucra un aumento de tamaño del circuito impreso o incluir algún circuito impreso adicional.

El porcentaje de errores observados debido a interrupciones, cortes más o menos francos en circuitos impresos alcanza al 25%.

CORTOCIRCUITOS: Además hay que constatar la existencia de cortocircuitos o fallas de aislación entre un conductor y todos los otros como muestra la figura 3, es decir, asegu- rarse la aislación entre redes. Para detectar cortos entre redes solo es necesario acceder a un solo punto en cada red, el cual puede ser seleccionado en el lugar más conveniente. Los cortos son definidos como conexiones no deseadas de "baja resistencia" entre dos o mas redes o puntos aislados. Pero existen también pérdidas de aislación que son cortos de "alta resistencia" que conectan parcialmente dos o más redes que difieren de los anterio- res porque exhiben un valor de resistencia más alto que el umbral seleccionado para una aceptable continuidad y una adecuada aislación. Generalmente, estos cortos son genera- dos por contaminación iónica durante el proceso de fabricación de la placa.

Para dar una idea de la importancia de esta prueba, la experiencia nos indica que más del 75% de los errores detectados en circuitos impresos son "cortos", es decir, un cortocircui- to entre una o varias redes.

La utilización cada vez más frecuente de los dispositivos SMT involucra la disminución de tamaño de las placas y por supuesto la dificultades de acceso de las puntas de prueba. En estos casos, para aprovechar la productividad de los equipos de pick & place, los circuitos impresos se panelizan existiendo una separación entre circuitos impresos individuales. Pa- ra estos casos, donde exista componentes de densa configuración hay que aprovechar estos espacios que nos brinda la panelización para ubicar estos componentes de alta den- sidad lo más separados posible entre ellos y en la periferia de los circuitos impresos indivi- duales como se observa en la figura 4.

Prueba eléctrica: Un proceso inevitable

El propósito de esta publicación es proveer elementos técnicos relacionados con la verifi- cación de placas, exponiendo una visión general de la consistencia de la prueba eléctrica de circuitos impresos sin componentes montados para evitar el impacto de incurrir en cos- tos adicionales derivados de placas con fallas. Y fundamentalmente brindar una visión es- tratégica sobre la importancia de considerar la elección de los puntos de prueba como parte integrante del proceso de diseño.

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