Электрические испытания пассивных компонентов

Пассивные компоненты стало труднее размещать на современных печатных платах, у которых постоянно растет плотность монтажа и уменьшается шаг между дорожками. Чтобы решить эту задачу, используются встраиваемые емкостные и резистивные компоненты. К несчастью, у испытательных лабораторий и центров возникли некоторые сложности, связанные с эффективным тестированием новых пассивных компонентов. В статье обсуждаются эти технологии, возможности проведения точных испытаний скрытых резисторов и конденсаторов с помощью многозондовых тестеров и летающих пробников.

Резисторы

В прошлом все нагрузочные повышающие, оконечные и делящие напряжение резисторы устанавливались на поверхность печатных плат (ПП). Как правило, стандартные сопротивления монтировались на платы с использованием сквозных отверстий.

Как видно из рисунка 1, стандартный угольный резистор и конденсаторы занимали достаточно большое пространство на печатной плате. С появлением технологии поверхностного монтажа вместо стандартных угольных сопротивлений стали применяться SMT-сборки (см. рис. 2).

Рис. 1. Конденсаторы и угольные резисторы на плате (с цветными кольцами на корпусах)

Рис. 2. Резисторы поверхностного монтажа

SMT-технология нашла широкое применение в отрасли благодаря тому, что значительно уменьшилось пространство, занимаемое компонентами на печатной плате, и появилась возможность размещать больше активных компонентов, благодаря чему не только уменьшилась общая площадь ПП, но и повысилась сложность монтажа. В результате того, что необходимость в сквозных металлизированных отверстиях под резисторы отпала, стало возможным задействовать внутренние слои печатных плат и, соответственно, увеличить функционал конечных изделий.

Однако технологии не стоят на месте. На следующем этапе их совершенствования потребовалось полностью спрятать пассивные компоненты на поверхности печатных плат, чтобы освободить дополнительное место под компоненты BGA, micro-BGA и с высокой плотностью межсоединений. К настоящему времени уже понадобилось освободить то пространство, которое занимают и эти высокопроизводительные компоненты, в силу их большого размера и необходимости обеспечить рассеивание тепла.

Рис. 3. Тонкопленочный скрытый резистор

Для создания встраиваемых резисторов применяются разные технологии, к которым относятся толсто- и тонкопленочные (см. рис. 3) с использованием трафаретной печати. Эти технологии позволяют создавать внутренние резистивные элементы в слое печатной платы, число которых определяет заданное сопротивление. В результате отпадает необходимость в традиционных пассивных компонентах. Величина поверхностного сопротивления измеряется в единицах Ом∙.

Например, сопротивление тонкопленочного резистора OhmegaPly рассчитывается следующим образом:

(1)

где Rs – поверхностное сопротивление слоя (Ом на квадрат) материала PRT; N – число квадратов, умещающихся на длине проводника.

С появлением встроенных резисторов, однако, потребовалось найти приемлемый способ тестировать новые печатные платы на соответствие спецификациям конечного пользователя IPC Class I, II, III или 3/A. Во многих случаях эти резисторы устанавливаются последовательно или параллельно, не позволяя сертифицировать продукцию с помощью стандартных установок для электроиспытаний, поскольку они к ним предъявляются более высокие требования, чем в стандартах IPC. Кроме того, нельзя подвергать встроенные резисторы воздействию высоких токов.

При испытаниях встроенных резисторов необходимо в каждом конкретном случае учитывать их максимально допустимую рассеиваемую мощность.

Испытание резисторов

Электрические испытания необходимы для того, чтобы подтвердить правильность номинальных значений резисторов, а также определить брак или те компоненты, параметры которых находятся за пределами поля допусков. Рекомендуется, чтобы эти электрические испытания поначалу выполнялись на этапе формирования внутренних слоев, чтобы иметь возможность исключить бракованную плату до прохождения ею следующих этапов производства. Большинство современных систем автоматизированного проектирования и производства обладают способностью выдавать данные тестирования, включая информацию о скрытых пассивных компонентах. Например, данные о расположении резисторов или точек тестирования, об ожидаемом значении, верхних и нижних пределах допуска обеспечивает формат данных IPC-356A. Тестирование резисторов осуществляется и другими способами, к которым относится использование универсального многозондового тестера (матрица с игольчатыми контактами), подвижного пробника или системы для измерений вручную. Наконец, точность показаний зависит от точности измерительной системы, толщины медного слоя между пробником и резистором, сопротивлений контактов, пробников и выводов. Необходимо избегать того, чтобы измерительный ток превышал допустимую нагрузку на испытуемый резистор во избежание его разрушения. На рисунке 4 представлена схема стандартного измерения сопротивления при ограниченном токе.

Рис. 4. Измерение сопротивления в режиме ограничения тока.
Standard Test – стандартное испытание

При использовании большинства автоматизированных систем испытаний рекомендуется придерживаться следующих принципов.

Следует задавать номинальную мощность резистора, если эта функция поддерживается испытательной установкой.
Необходимо ограничить испытательный ток значением 20 мА.

Подвижный пробник (или многозондовый тестер), как правило, оснащен омметром, который позволяет быстро получить значения сопротивления для узлов печатной платы.

Определив значение резисторов, установка проводит с ними все необходимые тесты и регистрирует результаты. Она сравнивает ожидаемое значение с полученным (с учетом разрешенных допусков) и записывает результаты прохождения испытаний. По завершению полного теста печатной платы система (помимо данных об отсутствии разрывов цепей) сообщает результаты испытаний, указывая все резисторы, которые не отвечают заданным требованиям. Многие современные установки предоставляют также все полученные значения резисторов конкретной печатной платы для статистического управления процессами.

Защита резисторов

При тестировании резисторов с помощью летающего пробника необходимо ограничить испытательный ток/напряжение. Подвижные пробники используют две методологии измерений: в режиме неизменного тока и неизменного напряжения. В зависимости от конкретного типа этого тестера могут возникнуть те или иные проблемы его использования. Например, если в групповом списке соединений указано значение BR, летающий пробник, соответственно, определяет, как наилучшим образом протестировать резистор. Если в системе используется источник неизменного тока, она должна автоматически установить соответствие параметров испытания заданному диапазону значений.

Если в испытательной установке используется источник стабилизированного напряжения, она может автоматически подстроиться под соответствующий уровень мощности. Система с источником стабилизированного тока ограничена лишь максимальным значением напряжения. При измерениях в режиме постоянного тока активная мощность не контролируется, что может привести к разрушению испытуемого устройства. Метод испытаний при постоянном токе имеет слишком много ограничений в отношении современных резисторов. Эти измерения должны осуществляться в режиме постоянного напряжения. В этом случае ток выбирается исходя из фактических результатов измерения сопротивления и не является расчетной или ожидаемой величиной. При этом мощность вычисляется как произведение напряжения на ток: P = UI. В случае испытаний в режиме неизменного напряжения для расчета требуемого напряжения источника необходимо лишь знать фактическое значение сопротивления. Величина напряжения для измерения определяется с помощью формулы U = P/I. Измерение тока выполняется при расчетном напряжении, а получающийся результат пересчитывается в величину сопротивления, выраженную в омах.

Конденсаторы

Как и в случае со встроенными резисторами, емкостные элементы интегрируются в слои печатных плат (см. рис. 5). При этом отпадает необходимость в монтаже развязывающих конденсаторов на поверхность платы, и освобождается дополнительное пространство, а общие размеры устройства сокращаются.

Рис. 5. Эволюция конденсаторов, схематически представленная в направлении по часовой стрелке, начиная с верхнего левого угла рисунка: керамические бумажные конденсаторы; конденсаторы для поверхностного монтажа и внутренние емкостные элементы.
Ground Plane copper goes to board edges – медный заземляющий слой на краю платы; Dielectric – диэлектрический слой; Power Plane has circuit edge rout clearance – слой питания отгорожен по внутреннему краю; Ground Plane and Power Plane on opposite sides of a core – слои заземления и питания на противоположных сторонах емкостного элемента; Power Plane – слой питания; Area of the conductor layer – площадь проводящего слоя; Thickness of dielectric material – толщина диэлектрика; Ground Plane – заземляющий слой

И в этом случае возникают проблемы с электрическими испытаниями. Например, тестовое устройство может обнаружить ложные короткие замыкания на печатной плате. При стандартном электроиспытании на КЗ установка подает напряжение и считывает показания тока утечки в соседних цепях при использовании летающего пробника или в произвольных узлах в случае применения многозондового тестера. Между этими узлами задается определенное минимальное значение сопротивления. Если измеренное сопротивление оказывается меньше этого значения, сообщается об отказе. Например, согласно стандарту IPC-9252A Class III минимальное значение сопротивления утечки должно составлять 10 МОм. Поскольку эти измерения выполняются очень быстро, а на заряд конденсаторных элементов требуется некоторое время, тестовая установка может интерпретировать результаты измерения как обнаружение короткого замыкания.

Испытания

Многозондовый тестер

К сожалению, многие многозондовые тестеры предыдущих поколений не позволяют проводить испытания новых емкостных компонентов. Испытательные установки нового поколения начинают измерения только спустя некоторое время, отведенное на заряд емкостей. При этом также выполняется проверка целостности соединений. При испытаниях на изоляцию (короткие замыкания) оборудование подает напряжение на печатную плату и начинает выполнять измерения лишь спустя определенное время, необходимое на заряд емкостных элементов и их стабилизацию.

Летающие пробники

У этого оборудования – та же проблема при тестировании печатных плат со скрытыми конденсаторами. По умолчанию летающие пробники не обязаны тестировать каждое соединение на наличие короткого замыкания, как это делают многозондовые тестеры. С этой целью в летающих пробниках используется принцип смежного тестирования. Один щуп общего вывода подключается к узлу цепи, после чего другие измеряют токи утечки в соседних узлах. Это «окно» определяется в процессе автоматизированного проектирования. Чтобы избежать неправильных результатов, перед началом тестирования предусматривается пауза на зарядку емкостных элементов, как и в случае с многозондовым тестером. С этой целью новое программное обеспечение летающих пробников имеет таймеры задержки, использование которых на протяжении всего испытания, однако, может его замедлить.

Для оптимизации времени испытаний программное обеспечение было усовершенствовано таким образом, чтобы установка работала на полной скорости до момента обнаружения возможного короткого замыкания. Как только это происходит, тестер переключается в режим испытаний с задержками и выполняет измерения сомнительного узла, чтобы определить истинную причину срабатывания, вызванного замыканием или незаряженным конденсатором. Если в устойчивом режиме измеренное сопротивление между двумя узлами находится в заданном диапазоне, тестер сообщает об успешном прохождении испытания и продолжает работу. Если же утечка тока наблюдается по прошествии заданного времени, программа выдает сообщение об отказе узла.

Выводы

По мере совершенствования технологий и уменьшения размеров печатных плат растет необходимость во встраиваемых компонентах. Поскольку темпы использования скрытых резисторов увеличиваются, требуются методы определения параметров этих компонентов при проведении электроиспытаний с помощью автоматизированной системы проектирования. При этом параметры стандартных испытаний не должны превышать номинальные характеристики компонентов. Производители материалов для скрытых компонентов рекомендуют проектировать конфигурации как можно большей площади, чтобы обеспечить наилучший отвод тепла и, тем самым, продолжительный срок службы конечных устройств.

Возможность точно измерить значения скрытых компонентов позволяет повысить производительность и качество изделий. Кроме того, правильно выполненные электрические испытания сокращают время разработки, а также процент брака.

Источник: журнал «Электронные компоненты»