Układy elektroniczne po montażu komponentów poddawane są automatycznym testom optycznym AOI oraz rentgenowskim X-Ray. Standardem w produkcji płytek PCBA są również obecnie testy funkcjonalne FCT (Functional Circuit Test) oraz elektryczne ICT (In-Circuit Test), sprawdzające jakość połączeń, wartość elementów i poziom polaryzacji. Kluczem do nich są odpowiednie sondy z dostosowanymi końcówkami. 

Testy funkcjonalne i elektryczne wykonywane są przy pomocy fikstur, czyli specjalnie zaprojektowanych matryc z obsadzonymi sondami, zwanymi inaczej igłami, pinami czy szpilkami. Sondy osadzone są w gniazdach, inaczej tulejkach lub obsadkach. Fikstury stanowią wymienną część urządzenia zapewniającego mechaniczny docisk podczas zbierania danych pomiarowych. W przypadku testerów ICT docisk aktywowany jest automatycznie, ale przy dużej ilości sond i konieczności zastosowania większej siły, konieczny jest podsys próżniowy.

— Jest wielu producentów igieł testowych w Europie, Stanach Zjednoczonych, Korei Południowej czy w Chinach, które Semicon ma w swojej ofercie. Wśród firm europejskich, takich jak Ingun, Feinmetall czy Fixtest, na uwagę zasługuje PTR Harmann. Spośród firm amerykańskich, oprócz ECT i JQT, warto wymienić QA Technology, natomiast wśród firm koreańskich wyróżnia się LEENO — mówi Dawid Kądziela.

Fikstura z igłami testowymi, Źródło: Semicon

Każda sonda testowa osadzona jest w dopasowanej oprawce, co zapewnia jej stabilność mechaniczną. Popularnym rozwiązaniem są wkręcane igły w nagwintowane standardowe gniazdo, ułatwiające serwisowanie i wymianę igieł lub gniazdo specjalnego zastosowania: nierotacyjne, izolowane, otwarte, do szybkiej wymiany igieł przełączających i gwintowane do zastosowań w fiksturach podciśnieniowych. W przypadku pracy stykiem do dołu igła jest lekko wygięta, dzięki czemu zakleszcza się w oprawce i nie wypada podczas testowania. Sonda składa się z trzech części – cylindra, sprężyny i kontaktującego się z badaną jednostką trzpienia zakończonego stykiem elektrycznym z szeroką gamą końcówek. Ten ostatni wykonany jest z wysoką precyzją poprzez toczenie i charakteryzuje się niskim zużyciem oraz dobrym przewodnictwem. Zazwyczaj pokrywany jest złotem z uwagi na konieczność zapewnienia jak najmniejszej rezystancji styku z punktem testowym. Do aplikacji heavy-duty najlepszy jest styk z hartowanej, drobnoziarnistej stali, zwłaszcza przy ostrych końcówkach. Podczas pomiaru różnicy potencjałów lub używania wysokiego napięcia, znacznie lepiej sprawdzą się trzpienie wykonane z postarzanej miedzi berylowej (CuBe) ponieważ charakteryzują się lepszą przewodnością elektryczną. 

Wybrane rodzaje gniazd, źródło – PTR Hartmann

Sprężyny produkowane są przeważnie z drutu wykonanego ze stali sprężynowej powlekanej złotem w celu poprawienia właściwości styku i zmniejszenia zużycia lub srebrem dla poprawienia przewodności elektrycznej. Dzięki temu mogą wykonywać kilka tysięcy cykli testowych. Powłoka nakładana jest w taki sposób, aby nie wpływać na właściwości strukturalne materiału. Sprężyny bez powłok stosowane są podczas pracy w wysokich temperaturach. Standardowy zakres temperatur to -30 st.C do 120 st.C. Określana siła sprężyny nawiązuje do roboczego skoku igły, który z reguły wynosi 2/3 wartości maksymalnej. Obudowa chroni ruchome części i dzięki bardzo małym tolerancjom zapewnia precyzyjne prowadzenie styku elektrycznego. 

— Wspomniane przeze mnie wcześniej sondy PTR Hartmann dzielą się na różne kategorie. Mamy w ofercie igły do ICT/FCT, wysokoprądowe, przełączające, do testów Push-Back, rotacyjne, nierotacyjne, interfejsowe, pneumatyczne, bateryjne i wysokoczęstotliwościowe. Dobór główki igły testowej uzależniony jest od elementu, z którym igła ma się kontaktować. Ostra przeznaczona jest do padów lub przelotek, ząbkowana do powierzchniami nieregularnych, a wklęsła do kontaktu z nóżką komponentu. Istnieją też główki płaskie stosowane do powierzchni, na której nie chcemy pozostawić śladu. Natomiast do przetestowania elementu wewnątrz złącza wybierzemy końcówkę okrągłą lub w kształcie łopatki — wyjaśnia Dawid Kądziela.

Powłoki pokrywające styki igieł testowych to twarde złoto, rod, nikiel i srebro. Twarde złoto ma bardzo dobrą odporność chemiczną oraz pasywną powierzchnię, dlatego jest idealnym rozwiązaniem do sprawdzania połączenia elektrycznego. Rod ma bardzo wysoki stopień twardości do 1000 HV, a tym samym równie wysoki poziom odporności na zużycie. Nikiel wyróżnia się równomiernym nakładaniem warstw z doskonałą dokładnością konturu, co jest szczególnie korzystne w przypadku końcówek ostro zakończonych i spiczastych. Srebro natomiast zapewnia najlepszą przewodność elektryczną wśród metali, dlatego znajduje zastosowanie np. sondach wysokoprądowych. We wszystkich przypadkach pośrednią powłoką jest nikiel stosowany przeciwko dyfuzji materiałów.

• ICT/FCT

Sondy do testowania elektrycznego i funkcjonalnego występują najczęściej w 3-ech rastrach – 100 mil, 75 mil i 50 mil. Standardowy skok igły testowej jest niezawodnym rozwiązaniem przy komponentach o różnych wysokościach. Odległość można regulować za pomocą gniazda typu press-ring poprzez jego osadzenie na odpowiedniej głębokości. Szeroka gama główek umożliwia wszechstronne zastosowanie od punktów testowych, aż do kontaktu z nóżkami elementów THT.

• Wysokoprądowe (High Current Test Probe)

Tego rodzaju sondy dostępne są w standardowych rastrach -100 mil (2,54 mm) oraz 300mil (7,60 mm) z wyborem wielu rodzajów główek. Dostępne są w wersji wkręcanej, z gwintem. Stosuje się je w miejscach, gdzie występują wysokie prądy. Maksymalny prąd to zakres od 16 do 100 A. Różne siły sprężyny i wysokości kołnierzy pozwalają na zmianę wysokości montażu.

Igły wysokoprądowe, źródło – PTR Hartmann

• Przełączające (Switching Test Probes)

Sondy testowe z plastikową główką stosowane są głównie do sprawdzania komponentów w DUT. Działają na zasadzie mikro przełączników podczas pracy ruchomej części igły, kiedy obwód elektryczny otwiera się lub zamyka (sondy NO lub NC). Można je wykorzystywać jako element wykrywający zamknięcie pokrywy fikstury, albo samego badanego urządzenia. Mogą też być użyte jako wyzwalacz testu po zamknięciu testera. Gwintowana oprawka pozwala na precyzyjne określenie pozycji ON/OFF igły, dzięki możliwości regulacji na gwincie, używane głównie przy testach wiązek (cable-harness).

Igły Przełączające, źródło – PTR Hartmann

• Igły do testów Push-Back (Push-Back Test Probes)

Tego typu sondy wykorzystywane są do testowania złączy, gdzie potrzebny jest test wypychania. Dzięki zastosowaniu wysokiej siły sprężyn można sprawdzić poprawność obsadzenia styku w konektorze lub jego prawidłową pozycję, ponieważ wszystkie igły typu Push-Back są igłami przełączającymi. Element stykowy w badanym złączu jest wypychany za pomocą siły sprężyny igły testowej (nawet  25 N), przez co igła nie jest przełączona. Występuje w standardowych rastrach 2,54 mm oraz 4,0 mm.

Powyższe igły, pomimo że są najbardziej rozpowszechnione i stosowane w niemal każdej aplikacji testowej, nie spełnią wymagań testowych najnowocześniejszych urządzeń zasilanych akumulatorowo oraz tych, w których zastosowano złącza wysoko częstotliwościowe.

• Igły bateryjne (Battery Probe)

Tego typu sondy są stosowane przy przesyłaniu prądów z ładowarki do urządzenia oraz do przesyłania sygnałów. Zestawy stykowe mogą być lutowane bezpośrednio w PCB w procesie THT lub SMD, co znacznie ułatwia projekt i montaż.

Igły i styki bateryjne

• Igły wysokoczęstotliwościowe (High-Frequency Test Probe)

Składają się z dwóch przewodników (zewnętrznego i wewnętrznego) tworząc współosiowe ułożenie. Układ ten jest idealny do przesyłania sygnałów o wysokiej częstotliwości. Dzięki ograniczonemu obszarowi pomiędzy zewnętrznym i wewnętrznym   przewodnikiem zakłócenia z zewnątrz są tłumione, a sondy umożliwiają podłączenie do najbardziej powszechnych złącz, na przykład MCX lub SMA.

Igły wysokoczęstotliwościowe, źródło – PTR Hartmann

— Poza kontrolą płytek PCB igły używane są do kontroli wiązek kablowych, co jest standardowe w przemyśle motoryzacyjnym. Pierwszy sposób wykorzystuje dedykowane adaptery testowe wyposażone w kontr złącza. Tego typu rozwiązania, produkowane przez firmę CAMIRESEARCH, sprawdzają ciągłość połączeń w wiązce i kontrolują oporność przejść. Pozwalają również na testy wysokonapięciowe z napięciem do 1,5kV. Inny typ urządzeń testujących, wyposażonych w kontr-złącza z igłami testowymi, zapewnia ciągłość elektrycznych połączeń, obecność pinów w złączu i pewność ich obsadzenia — dodaje Dawid Kądziela.

Więcej informacji: Semicon

Dawid Kądziela: dkadziela@semicon.com.pl