6. Электрический контроль электронных узлов и средств

6.1. Задачи и методы электрического контроля электронных узлов и электронных средств в целом

Рассматривая классификацию испытаний электронных средств (п. 4.3.1), мы делили их на две группы: к первой относились испытания контроля качества, включающие квалификационные, приёмо-сдаточные, периодические, типовые и технологические испытания, ко второй – испытания на надёжность, которые, в свою очередь, делятся на две подгруппы: определительные и контрольные. Однако любой вид испытаний электронных средств в качестве обязательной составляющей включает в себя электрический контроль, который должен решать две основных задачи:

1. Определение работоспособности объекта.

2. Диагностика и локализация неисправностей, если объект находится в неработоспособном состоянии.

Диагностический контроль является частью технологического процесса производства электронных средств и их электронных блоков и используется на различных стадиях производства, начиная с контроля печатных плат на обрывы и короткие замыкания и кончая контролем готовых изделий, если в процессе каких-либо испытаний, например, технологических или приёмо-сдаточных, будет выявлен отказ. Таким образом, диагностический контроль в большинстве случаев достаточно чётко разделяется на два этапа. На первом этапе осуществляется контроль правильности функционирования испытуемого узла или электронного средства в целом. Для этого в большинстве случаев используются тестовые методы, суть которых состоит в том, что на информационные входы электронного узла или средства подают специальные тестовые сигналы, а на информационных выходах измеряются реакции проверяемого электронного средства на эти сигналы и сравниваются с эталонными (которые заранее вычисляются, исходя из логики правильного функционирования данного электронного средства, либо снимаются с точно такого же, но заведомо исправного электронного средства. Такие тесты называются функциональными, поскольку они предназначены для определения правильности или неправильности функционирования электронного средства. Такой тестовый контроль используются и при технологическом контроле, и при приёмо-сдаточных испытаниях, и при всех других видах испытаний.

При технологических испытаниях тесты повторяются циклически непрерывно в течение всего времени испытаний. Они могут длиться несколько суток и сопровождаться воздействием тепла, холода и других влияющих факторов. И лишь при обнаружении нарушений правильного функционирования или отказа начинается второй этап, на котором пускаются в ход диагностические тесты, предназначенные для выявления места неисправности (локализации дефекта) и причины, вызвавшей неисправность.

Функциональные и диагностические тесты могут быть разделены не только по времени, но и по технической реализации. Если для функциональных тестов проверяемого электронного блока практически всегда ограничиваются доступом к штатным разъёмам блока, то для диагностирования выявленной неисправности этого может оказаться недостаточно и потребуется использование специальных многозондовых адаптеров, обеспечивающих доступ к каждому элементу блока или к наиболее важным элементам. Поэтому для проведения функционального контроля, технологических испытаний и для диагностирования неисправностей используются, как правило, разные контрольно-испытательные стенды.

При производстве сложных систем, таких как вычислительные средства, контроль должен выполняться на всех этапах производства. Ориентация на финишный контроль является крайне неэффективной и дорогостоящей по следующим причинам. Во-первых, готовую ЭВМ весьма трудно проверить полностью, так как для сложных цифровых устройств синтез тестов, обеспечивающих 100%-ю полноту контроля, как мы убедимся дальше, практически невозможен. Во-вторых, диагностирование дефектов для многоблочных и многоплатных цифровых устройств в собранном виде также в большинстве случаев невозможно и должно проводиться в несколько этапов. В собранном виде определяется только дефектный блок, а далее, на последующих этапах, на специальных стендах диагностируется неисправный печатный узел и далее – неисправный компонент или монтажный дефект. То есть готовое устройство всё равно требует разборки. И, в-третьих, исправление найденных дефектов в готовом устройстве также затруднительно. Все сказанное требует комплексного подхода к разработке системы контроля.

Комплексный подход предполагает разработку системы контроля параллельно с разработкой самого электронного средства. В этом случае, во-первых, удаётся спроектировать контролепригодную систему, что существенно облегчает разработку собственно системы контроля, а во-вторых, облегчает запуск данного электронного средства в производство, поскольку технические средства и программное обеспечение системы контроля готовятся заранее.

Типовой технологический цикл производства электронных средств включает три основных этапа:

1. Изготовление печатных плат блоков элементов и межплатных соединений;

2. Сборка, монтаж и наладка блоков элементов;

3. Сборка, монтаж и наладка комплектных блоков и всей системы в целом.

Каждый из этих этапов является потенциальным источником дефектов. Кроме того, и используемые электронные компоненты могут оказаться дефектными. Статистика показывает, что при наличии входного контроля элементов, дефекты изготовления печатных плат, сборки, пайки и монтажа составляют наибольшую долю (до 70-90%) всех дефектов и лишь оставшиеся 10-30% дефектов приходятся на дефекты электронных компонентов (в зависимости от полноты входного контроля). При этом дефекты монтажа могут носить как характер константных дефектов, приводящих к постоянным логическим отказам, так и характер перемежающихся дефектов. Причинами первых могут быть ошибки в монтаже, наличие обрывов и коротких замыканий в печатных платах. Причиной вторых – некачественная пайка, создающая нестабильный электрический контакт, плохое контактирование в разъёмах и т.п. Аналогичный характер могут носить и дефекты электронных компонентов. Логические отказы электронных компонентов, например, интегральных микросхем, приводят к константным дефектам, а параметрические отказы могут приводить как к константным, так и к перемежающимся дефектам.

Поскольку обеспечить непосредственный доступ к элементам собранной электронной системы при многоблочной конструкции практически невозможно, то при контроле на уровне собранной системы речь может идти только о тестовом функциональном контроле, который позволяет обнаруживать лишь константные дефекты, да и то не все. Перемежающиеся дефекты, вызванные параметрическими отклонениями электронных компонентов и плохими контактами в пайках и разъёмах, проявляющиеся как нерегулярные сбои, при этом не обнаруживаются. Эффективный параметрический контроль возможен только на уровне компонентов до их установки в печатные платы. С некоторыми ограничениями он может производиться и на уровне смонтированных печатных блоков при условии параллельного доступа ко всем его элементов с помощью многозондовых адаптеров.

Всё сказанное подтверждает, что если дефект обнаруживается не на той стадии производственного процесса, на которой он возник, а на последующих, его обнаружение, локализация и устранение требует гораздо больших усилий и затрат. По данным американской фирмы Logical Solution стоимость обнаружения неисправной интегральной схемы при входном контроле составляет 0,5 доллара, при контроле печатного узла, на котором она смонтирована – уже 5 долларов, а при проверке готового устройства – 50 долларов, то есть на каждом следующем этапе происходит десятикратное возрастание стоимости обнаружения и исправления пропущенных дефектов. Примерно в той же пропорции возрастает стоимость диагностики и исправления дефектов монтажа, если они не приводят к катастрофическим последствиям при включении блока под напряжение. В противном случае последствия таких дефектов могут быть ещё более тяжелыми, приводя к выгоранию целых блоков и устройств; особенно опасны в этом смысле короткие замыкания на печатных платах и в межплатном монтаже.

Наконец, необходимо учитывать и тот факт, что задача контроля при производстве электронных средств не сводится только к контролю самого средства. По результатам контроля должна осуществляться своевременная корректировка технологии на всех её этапах и поддержание технологической дисциплины. И по этим соображениям также желательно выявление дефектов на тех стадиях производства, где они возникли. С учётом всего сказанного комплексная система контроля при производстве электронных средств должна включать в себя:

• подсистему входного функционального и параметрического контроля электронных компонентов, включая интегральные микросхемы;

• подсистему проверки печатных плат (до монтажа на них элементов);

• подсистему функционального и параметрического контроля блоков элементов (печатных узлов с установленными в них электронными компонентами);

• подсистему функционального контроля и испытаний устройств и электронных средств в целом.

Учитывая то обстоятельство, что дефекты могут быть не только явными, но и скрытыми, из-за чего даже исправное на момент контроля электронное средство может выйти из строя в первые же часы эксплуатации, необходимо в целях обеспечения требуемой надёжности совмещать отдельные этапы контроля с длительными технологическими прогонами, электротермотренировкой, термоциклированием, виброиспытаниями и т.д. Это обеспечит перевод скрытых дефектов в явные и ускорит старение и стабилизацию параметров всех электронных компонентов, входящих в электронное средство. С учётом же высокой сложности и трудоёмкости контрольных операций, каждая из указанных подсистем должна быть автоматизирована. При этом надо принимать во внимание гибкий характер современной технологии производства электронных средств, частую сменяемость производимых моделей. Такой же гибкой должна быть и система контроля, что может быть достигнуто использованием универсальных программно-управляемых технических средств, к рассмотрению которых мы и переходим.