Que son pruebas de funcionamiento (ICT) de una tarjeta ensamblada

El test de funcionamiento (ICT) de una tarjeta ensamblada (PCBA), tiene el propósito principal de detectar a tiempo defectos del proceso de ensamble que podrían se fatales al momento de conectar una tarjeta a sus condiciones reales de operación. Si adicionalmente a la tarjeta le adherimos un numero de serie, podremos obtener la trazabilidad desde el momento de la prueba hasta su comportamiento durante su tiempo de operación.

Que se necesita para efectuar este tipo de prueba?

El proceso de prueba en circuito involucra los siguientes componentes:

Dispositivo bajo prueba (DUT):  Usualmente consiste en una o varias tarjetas parcial o totalmente ensambladas e inclusive puede ser un producto totalmente terminado.

Equipo de pruebas:  Puede ser tan sencillo como una fuente de poder para alimentar la tarjeta e incluir multímetros y generadores de señal hasta complejos equipos que analicen el comportamiento del dispositivo que se está probando.
El equipo de prueba puede ser controlado manualmente por un operario o mediante un computador donde corre un programa dedicado a la prueba y su certificación de las diferentes funciones requeridas. En este caso el equipo usualmente necesita una interfaz de Hardware conectada entre los puntos de prueba y el puerto de entrada del computador.

Fixture de pruebas:  Es el accesorio donde se fija la tarjeta para brindar el soporte mecánico y las conexiones eléctricas requeridas por el tipo de prueba.
Puede contener electrónica simple como fuentes de alimentación, Buffers de señal, convertidores de nivel, pulsadores para inyectar estímulos, etc.,  que permitan conectar en su forma básica la tarjeta para su prueba.

Que procedimientos industriales se usan en las pruebas de funcionamiento para PCBAs?

Prueba en circuito (ICT) utilizando cama de agujas:

Este procedimiento utiliza básicamente las propiedades de una punta de prueba que al hacer contacto con un Pad o una soladura en un circuito impreso, se mueve dentro de un tubo cilíndrico que  posee en su interior un resorte el cual se comprime con el movimiento de la aguja para generar la presión necesaria sobre el punto de prueba, asegurando su buen contacto eléctrico para la toma de una medida específica.

Existen puntas de prueba de diferentes formas que permiten asegurar la toma correcta de una señal eléctrica, situándose con seguridad en el borde de los terminales de componentes de Fine Pitch como 0402 y 0201. De la misma manera, existen puntas especiales para la toma de señales de alta velocidad como es el caso de las puntas del tipo coaxial que garantizan la integridad de la señal a medir.

En este procedimiento nuestra tarjeta ensamblada (PCBA) es colocada sobre unas guías de precisión y obligada a desplazarse sobre un cama de agujas retráctiles que hacen contacto eléctrico con los diferentes Pads de la tarjeta. Dichas agujas se encuentran fijadas sobre una superficie rígida que puede contener si se requiere, las aperturas necesarias para que los componentes de mayor altura de la tarjeta permitan su libre desplazamiento hasta efectuar los contactos eléctricos requeridos con los diferentes puntos de alimentación y prueba del PCBA.
Las agujas están construidas en un material revestido en oro para garantizar un contacto eléctrico confiable  y sus extremos opuestos están conectados al equipo de prueba que permite procesar y evaluar sus señales por parte de un operario o un programa específico diseñado para tal efecto.

Dependiendo de los requerimientos de la tarjeta, se podrán efectuar los siguientes tipos de prueba:

• Test básico ICT de bajo nivel: Esta prueba tiene el propósito principal de detectar con anterioridad en una tarjeta ya ensamblada, cualquier falta de conexión o corto circuito para que una vez se le aplique voltaje, no corra el riesgo de producir daños a los diferentes componentes o quemarse totalmente haciendo nuestro producto inservible.

• Test ICT de bajo nivel tipo MDA: La prueba ICT puede ser de tipo MDA (Manufacturing Defect Analizer), debiendo medir valores de componentes pasivos como resistencias, condensadores, diodos, etc., para detectar componentes faltantes, mal colocados, equivocados o deteriorados durante su exposición a la temperatura del proceso de soldadura y que sean relevantes para prevenir el daño parcial o total de la tarjeta.
  Este tipo de prueba está orientado a procesos manuales de ensamble de componentes donde factores como la ausencia de marcas, el tamaño reducido y la apariencia similar de muchos componentes SMD discretos entre otros, pueden eventualmente ocasionar errores de ensamble por parte de un operario y poner en riesgo la integridad de una tarjeta al momento de su prueba de funcionamiento.
• Prueba ICT de alto nivel: Un grado mas complejo de prueba en circuito puede involucrar además de los procesos anteriores, un test de funcionamiento simulando las condiciones de trabajo de la tarjeta. Si este tipo de prueba cubre el 100% de la funcionalidad de la misma, luego solo restaría su conexión con éxito al mundo real, asegurando su funcionamiento y ahorrándonos costos por el eventual tiempo invertido en la búsqueda de fallas.  Usualmente, el costo de este tipo de prueba es de 15 a 25 veces el de la prueba MDA y solo es recomendado en altas producciones o cuando el tipo de producto o la orientación de nuestro negocio lo requieran.
  En este procedimiento normalmente la cama de agujas es conectada a una interfaz que puede tener instrumentos de medición para evaluación de los correspondientes datos o tener un puerto para su conexión a un computador donde corra por ejemplo un programa diseñado en Labview  para el producto y que interactúe con la tarjeta enviándole estímulos, evaluando las las lecturas correspondientes y eventualmente asociándolas por ejemplo a una etiqueta serial adherida a la tarjeta para efectos de certificación y trazabilidad del procedimiento.

Ventajas:

• Tiempo rápido del proceso de prueba.
• Solo requiere la información de donde queremos ubicar las puntas de prueba para la elaboración del dispositivo donde se alojará la tarjeta para el procedimiento.
• Trazabilidad del comportamiento de la tarjeta si se implementa su serialización.

Desventajas:

• Requiere la fabricación de un accesorio (Fixture) para la fijación precisa de la tarjeta y las agujas de prueba.
• Las modificaciones en una eventual actualización de la tarjeta podrían ser incompatibles con el Fixture diseñado para la versión anterior.
• Puede requerir Pads dedicados de prueba incluidos en el diseño de la tarjeta.

Prueba en circuito (ICT) tipo Flying probe:

Este procedimiento fue diseñado inicialmente para para evaluar  uno a uno la integridad de todos los nodos eléctricos y los componentes de la tarjeta una vez esté ensamblada. El equipo usado controla por un sistema CNC de precisión  el movimiento de una o mas agujas, ubicándolas en los terminales de los componentes, puntos de soldadura y Pads de prueba.

La precisión obtenida es suficiente para probar la integridad de la conexión existente entre un pin de un circuito integrado y los diferentes nodos que componen su Net eléctrico.  Su baja velocidad de operación limita su uso a prototipos y bajas producciones especiales que requieran este tipo de prueba. Algunas versiones sofisticadas de los equipos que efectúan este proceso incluyen posibilidad de programar en circuito los dispositivos de la tarjeta que lo requieran así como implementar procesos de prueba tipo JTAG/ Boundary Scan Testing, haciéndolos comparables a un sistema avanzado de prueba ICT por cama de agujas y obteniendo mas rapidez en el proceso.

Ventajas:

• No se requieren accesorios especiales (Fixtures) para su implementación ya que las puntas de prueba se mueven automáticamente para hacer contacto con los puntos de prueba requeridos.
• Las modificaciones en caso de actualización de la tarjeta pueden ser hechos por Software.
• Tiempos reducidos de desarrollo del procedimiento ya que el programa de control del sistema normalmente es extraído de los archivos de fabricación de la tarjeta.

Desventajas:

• La velocidad de operación de la prueba es muy lenta comparada con sistemas automáticos de prueba (ATE) implementados con cama de agujas ya que solo un numero limitado de puntas deben tomar una a una las mediciones requeridas.
• Dificultad de implementar ciertas pruebas en Pads de componentes altos.
• Costo alto de los equipos.

Conclusiones:

Cualquiera que sea el método elegido para probar una tarjeta antes de conectarla a sus condiciones reales de operación, presenta una ventaja muy importante a tener en cuenta en los procesos automatizados de ensamble de circuitos impresos. Los procesos industriales automatizados de ensamble de tarjetas electrónicas tienen la particularidad de replicar un mismo error en todas las tarjetas, a diferencia de los procedimientos manuales donde eventualmente podemos detectar un error mas temprano y detener el proceso a tiempo ya sea por el ensamble de un componente con valor o encapsulado equivocado.
Su uso está determinado por la confiabilidad requerida y el alcance de nuestro producto.

PRECAUCIÓN:  Las anteriores consideraciones están basadas en nuestra propia experiencia han sido utilizadas por nuestros clientes con éxito así como en nuestros procesos de pruebas certificadas de funcionamiento (ICT) de tarjetas ensambladas.  Úselos con propósitos educativos solamente y bajo su propio riesgo con otros fabricantes.