6.3.4. Автоматические универсальные тестеры

Основными техническими средствами электрического контроля блоков и устройств электронных средств при их серийном производстве являются различные универсальные тестеры и специализированные контрольно-диагностические стенды.

Автоматические универсальные тестеры составляют наиболее многочисленный класс современного контрольного оборудования цифровых устройств. По своему назначению они разделяются на следующие виды:

• тестеры контроля интегральных схем, в том числе и БИС;

• тестеры поэлементного и функционального контроля электронных блоков и устройств.

Для проверки ИС в настоящее время применяются различные модели тестеров. В наиболее простых из них осуществляется лишь функциональная проверка контролируемых цифровых объектов. Тестовая последовательность генерируется, как правило, аппаратными средствами. А анализ реакции контролируемой схемы осуществляется двумя способами. Либо путём определения сигнатуры (стационарные сигнатурные анализаторы), либо с помощью сравнения реакции контролируемого и эталонного узла, то есть точно такого же, но заведомо исправного узла, на одно и то же тестовое воздействие, подаваемое параллельно на входы обоих этих устройств. Такие тестеры являются узко специализированными и применяются в основном для входного контроля микросхем определённых типов или для контроля узкой номенклатуры электронных блоков при крупносерийном производстве электронных средств. Для расширения номенклатуры контролируемых микросхем или электронных блоков тестеры часто снабжаются набором сменных аппаратных модулей – генераторов тестовых последовательностей, каждый из которых предназначен для контроля определённой микросхемы или блока.

С появлением микропроцессорной техники появилась возможность программной реализации тестовых последовательностей, записанных в ПЗУ единого генераторного блока, реализованного на базе микропроцессора. Такие тестеры более универсальны, но также относятся к специализированным, так как не могут быть перенастроены на контроль незапланированных заранее объектов. Они относятся к группе сравнительно дешёвых тестеров (до 10÷30 тыс. долларов). Примерами отечественных установок такого типа являются автоматические тестеры УТК-2, УТК-2М, УТК-3, УТК-5, стенд ЕСА117 и др. (УТК расшифровывается как ˝установка технологического контроля˝).

Более совершенными, но и дорогими являются универсальные автоматизированные тестеры на базе ЭВМ. Такие тестеры, как правило, сочетают возможности динамического функционального контроля и параметрического контроля при контроле микросхем, а при контроле электронных блоков – функционального диагностического контроля и поэлементного параметрического контроля. В таких тестерах тестовые последовательности и алгоритмы контроля задаются программно. Имеется возможность программно регулировать и логические уровни входных сигналов в зависимости от типа элементной базы контролируемого объекта (ТТЛ, ЭСЛ, МОП, КМОП и др.). Тестеры позволяют программно регулировать тактовую частоту в достаточно широких пределах, осуществлять допусковый контроль логических уровней в контролируемом объекте с программным заданием их допустимых пороговых значений, измерять токи, напряжения, длительность импульсов и интервалы времени между ними. Все их функции полностью программируемы.

В состав универсальных тестеров входят ЭВМ, мониторы, различные печатающие устройства, измерительный коммутатор, программируемые источники напряжений питания, цифровые приборы или преобразователи для измерения напряжений, токов, частоты, интервалов времени, быстродействующая буферная память, адаптеры для сопряжения с проверяемой ИС или электронным блоком. Тестеры, предназначенные для контроля микросхем, в качестве таких адаптеров используют универсальные зажимные контактные панели под все виды корпусов микросхем, которые предполагается контролировать. Тестеры, предназначенные для контроля электронных блоков, могут иметь адаптеры двух видов: в виде краевых разъёмов, для подключения контролируемых электронных блоков – печатных плат со смонтированными на них электронными компонентами и адаптеры типа ˝ложе из гвоздей˝ для ˝внутрисхемного˝ функционального и параметрического контроля электронных блоков.

Кроме ЭВМ со стандартными устройствами ввода-вывода, в такие тестеры входят: системный интерфейс, необходимый для связи ЭВМ со всеми программно управляемыми блоками и устройствами системы; программируемый источник питания для питания объекта контроля; генератор входных воздействий, обеспечивающий подачу необходимых логических сигналов или других необходимых электрических воздействий для измерения параметров объекта контроля; программируемый блок нагрузок, подключаемый выходу контролируемого напряжения для обеспечения необходимого режима электрической нагрузки, и цифровые измерительные приборы: вольтметр, амперметр, измеритель интервалов времени и другие.

Коммутация входных и выходных цепей объекта контроля, необходимая для обеспечения измерений различных параметров и различных режимов работы объекта контроля осуществляется матричным электронным переключателем.

Структура тестеров функционального контроля отличается от вышеприведенной тем, что в них отсутствуют измерительные приборы, а вместо генератора входных воздействий используется формирователь тестовых наборов и эталонных реакций. Для фиксации состояний выходов объекта контроля используется анализатор уровней логических сигналов, который стробируется импульсами, создаваемыми формирователем импульсов стробирования.

В реальных тестерах обычно в той или иной мере совмещены обе структуры, так как их основную стоимость составляет ЭВМ с набором периферийных устройств и матричный коммутатор, что позволяет совместить функциональный контроль с параметрическим.

Программное обеспечение таких универсальных тестеров состоит из: операционной системы ЭВМ, входящей в комплекс; системы подготовки программ контроля, которая включает транслятор с языка высокого уровня, редактор и отладчик; управляющей системы, координирующей работу программных и аппаратных средств при выполнении программ контроля и, кроме того, осуществляющей обработку результатов и сбор статистических данных; системы диагностики самого тестера, а также программ, осуществляющих автоматизацию его калибровки и метрологической проверки.

Отечественной промышленностью такие универсальные тестеры серийно не выпускаются. Поэтому наши предприятия либо вынуждены их разрабатывать самостоятельно для своих нужд на базе серийных ЭВМ, либо закупать за рубежом. На Западе же существует целый ряд фирм, специализирующихся на разработке и выпуске таких тестеров. Кроме того, этим занимаются практически все крупные фирмы по выпуску ЭВМ, поэтому рынок таких тестеров весьма обширен.

Тестеры для контроля интегральных схем и БИС имеют следующие характеристики:

• число каналов сопряжения с проверяемой микросхемой – до 128 (по максимальному числу выводов микросхемы);

• частота функционального контроля – 10÷20 МГц;

• точность задания и контроля временных параметров – 2÷5 нс;

• объём буферного ЗУ тестов – 16÷32 Кбит на канал.

Цена таких комплексов 200÷500 тыс. долларов.

Учитывая, что в настоящее время налажено массовое производство СБИС, в том числе и микропроцессорных, тактовая частота которых поднялась до сотен МГц и выше и для проверки которых нужны тестовые наборы длиной в миллион и более слов, для их проверки потребовалось создание более совершенной контрольно-диагностической аппаратуры. Характеристики разработанных для этих целей автоматических тестеров таковы:

• число каналов – до 256;

• тактовая частота – от 100 до 1000 МГц (регулируется);

• объём буферного ЗУ – до 512 Кбит на канал;

• точность задания и измерения временных параметров – 0,2 нс.

Средняя цена таких тестеров – порядка 1 млн. долларов. Цена тестеров с рекордными техническими характеристиками достигает 3 млн. долларов.

Следующий класс автоматических тестеров – это тестеры для контроля печатных плат и проводного монтажа. Они предназначены для обнаружения дефектов монтажа типа обрыв и короткое замыкание на печатных платах до установки на них элементов, а также для контроля правильности распайки жгутов, кабелей и т.п. при межблочном монтаже. Основным узлом таких тестеров является матричный электронный коммутатор, управляемый программно от ЭВМ, входящей в комплекс. Для контроля печатных плат используются адаптер типа „ложе из гвоздей“, при этом число проверяемых монтажных точек у лучших из таких тестеров достигает десятков тысяч. Для контроля конкретной печатной платы для неё должен быть изготовлен специализированный адаптер или введены координаты всех контрольных точек в печатных платах, если тестер снабжён универсальным, программно-управляемым матричным адаптером, а также должна быть введена таблица соединений. Последняя может вводиться либо вручную с пульта подготовки данных, либо автоматически – с образцовой (то есть заведомо годной) печатной платы.

В последнее время появились модификации таких тестеров, которые позволяют производить контроль монтажа на уже смонтированных печатных платах. Смысл повторного контроля после монтажа и пайки микросхем заключается в том, что при пайке, особенно при автоматизированной пайке волной припоя, могут произойти короткие замыкания припоем между близко лежащими дорожками и переходными отверстиями. Кроме того, в результате термоудара горячим припоем может произойти отслоение металлизации в переходном отверстии и, вследствие этого, разрыв электрического контакта между металлизированным слоем отверстия и проводящими дорожками; между слоями двусторонней и многослойной печатных плат. Чтобы исключить влияние смонтированных на плате элементов испытательные напряжения должны иметь низкий уровень – 0,1-0,2 В, лежащий ниже порога открывания полупроводниковых переходов.

Имеются сейчас и многофункциональные тестеры, которые предназначены для комплексного контроля электронных блоков, смонтированных на печатных платах. Они производят контроль самой печатной платы на обрывы и короткие замыкания, параметрический контроль всех установленных на плате электрорадиоэлементов и электронных компонентов, включая резисторы, конденсаторы, индуктивности, транзисторы, диоды и микросхемы, и функциональный контроль установленных на ней БИС и всего блока в целом. Таким образом, эти тестеры выполняют контроль монтажа, внутрисхемный поэлементный параметрический контроль и функциональный контроль всего блока в целом. Естественно, что для этого необходим доступ ко всем элементам схемы, для чего используются адаптеры типа „ложе из гвоздей“ и многополюсный матричный коммутатор, позволяющий подсоединять любые зонды к различным измерительным схемам, подавать на них испытательные сигналы, определять логические уровни и т.д.

Для обеспечения возможности поэлементного параметрического контроля всех установленных на блоке элементов, не разрушая связей между ними, обусловленных монтажными соединениями печатной платы, используется метод потенциального разделения („электрической изоляции“). Сущность его состоит в искусственной декомпозиции многополюсной схемы на двухполюсники путём приложения электрических потенциалов, компенсирующих влияние связанных с двухполюсником элементов. Производительность таких тестеров – порядка 1000 измерений в секунду, время проверки блока, имеющего до 1000 контрольных точек – 10-20 с. Большинство таких тестеров имеют до 2-3 тысяч аналоговых каналов для параметрического контроля и до 1 тысячи цифровых. Максимальная тактовая частота при функциональном контроле – до 50 МГц. Средняя цена однопостовых тестеров – 200-300 тыс. долларов, многопостовых – до 2-3 млн. долларов (в многопостовых тестерах предусмотрено несколько пользовательских терминалов – контрольных постов – что позволяет одновременно и независимо контролировать несколько электронных блоков).

Программное обеспечение этих тестеров помимо тех программных средств, которые уже были упомянуты выше, содержит библиотеку тестов и контрольных процедур для широко применяемых интегральных схем и дискретных компонентов.

По оценкам фирмы Faultfinders (США), внутрисхемные тестеры позволяют обнаружить 99% всех дефектов сборки и монтажа блоков, включая обрывы и короткие замыкания, как в печатных проводниках, так и в самих элементах, отсутствие элементов или их несоответствие номиналу, неправильную установку номиналов и др.

Наконец, ещё один вид автоматических тестеров представляют тестеры функциональной проверки блоков и устройств. Функциональный контроль готовых блоков и устройств позволяет обнаруживать дефекты, не фиксируемые на предыдущих этапах, так как они могут быть обнаружены только в процессе функционирования всего блока или устройства в целом. Кроме того, здесь выявляются и дефекты, „случайно“ пропущенные на предыдущих стадиях контроля.

Современные тестеры динамического контроля блоков представляют собой достаточно сложные и дорогие (200-300 тыс. долларов) комплексы. Их предельные рабочие частоты достигают 50-100 МГц число каналов – до 500, объём буферного ЗУ – до 128 Кбит на 1 канал.

В настоящее время явно прослеживается тенденция к выпуску комбинированных тестеров, совмещающих функциональный контроль блоков с их внутрисхемным контролем. Они обходятся дешевле, чем покупать и те, и другие по отдельности, да и технология контроля упрощается.