בדיקות Flying Probe למעגלים לאחר ייצור – לא מה שחשבתם

דב  מכליס, אמדו טכנולוגיות

מהנדסי בדיקות/הנדסת יצור ואנשי יצור מכירים כמושג “בדיקות Flying Probe”. חלקם אף בודקים במבדקי FP מהדור הישן במקומות שונים. חשוב להבין שב”בדיקות FLYING PROBE” הנושא חשוב ביותר הינו מכני – היכולת לגעת בנקודות בדיקה/פדים במעגל הנבדק. במידה ויכולת זו אינה קיימת במעגלים הצפופים של היום, הבדיקה המתבצעת הינה חלקית בלבד!
מבדקי הדור הישן אינם יכולים לבצע בדיקות מקיפות במעגלים של ימינו כיוון שלא תוכננו לכך. למעשה בדיקה רצינית ואיכותית במעגלים הצפופים של ימינו יכולה להתבצע בארץ רק בדור החדש של משפחת מבדקי Flying Probe המיוצרים על ידי חברת Spea ומשלבים דיוק רב, מהירות גבוהה מאוד ומספר שיטות בדיקה. אין זה מפתיע שמבדקים אלה הם הנמכרים ביותר באירופה וזה בזכות היותם הפיתרון הטוב ביותר לבדיקת מעגלים אלקטרוניים צפופים מאד תוך כדי חיסכון כספי גדול בזכות ויתור על הצורך במתאמים (שלרוב עלותם גבוהה מאוד).
השינויים בטכנולוגיה מקשים על בדיקת המעגלים לאחר הייצור בשיטות הבדיקה הישנות
טכנולוגיית ה-SMT ובעקבותיה גם טכנולוגיית ה-BGA גרמו במהלך השנים האחרונות לשינוי בטופולוגיות המעגלים האלקטרוניים המיוצרים ברחבי העולם. רכיבים דיסקריטים ופסיביים בטכנולוגיות SMT הולכים וקטנים בצורה משמעותית בגודלם הפיזי, מורכבים מ-2 צידי המעגל המודפס וגורמים לצפיפות גדולה מאוד. כתוצאה מכך השטח הפיזי שניתן להקצות ל-Test Pads, שהינם הכרחיים בשיטת הבדיקה המסורתית-ICT, צומצם בצורה משמעותית ובאפליקציות רבות אינו קיים כמעט לחלוטין.
במהלך השנים הקודמות ומזה למעלה מ-20 שנה בדיקות ICT, אשר בודקות כל רכיב המורכב ע”ג המעגל בפני עצמו בכדי לאתר תקלות יצור אופייניות, היו יעילות ביותר והוכיחו עצמם ברוב האפליקציות הייצוריות.
בכדי לבצע בדיקות ICT יש צורך בגישה ישירה לכל הצמתות שע”ג המעגל ב-Pads ספציפיים אשר יוצרו במיוחד לצורך כך בד”כ בצד המעגל שבו מורכבים רכיבים נמוכים יותר.
לצורך הבדיקות נבנתה מיטת סיכות (Bed of nails) ספציפית לכל סוג מעגל שבאמצעותה נוצר מגע בין כל צומת במעגל לבין מערכת הבדיקה. העלות הינה גבוהה, זמן הפיתוח ארוך ושינויים במעגל הביאו לעיתים לצורך בבניית מיטת סיכות חדשה בעלות גבוהה נוספת.
כיום סביבת הייצור הינה כזו המשתמשת בטכנולוגיית Ultra fine pitch ובטכנולוגיית BGA בצורה מסיבית ולכן משאירה מעט מאד מקום פנוי במעגל (אם בכלל) עבור נק’ בדיקות ההכרחיות לבדיקות ICT כמתואר לעיל. בתנאים אלו ברור כי במקרים רבים כיום קשה עד בלתי אפשרי לפתח תוכנית בדיקה ולבנות מיטת סיכות אשר יאפשרו בדיקות ICT בשיטה המסורתית.
בנוסף לכך, שיטת הבדיקות המסורתית השניה – בדיקות פונקציונליות – טובה בעיקר לבדיקות סופיות ולא לבדיקות בקו הייצור מאחר ובשיטת בדיקה זו אין איתור תקלות מדויק. לעיתים תהליך הבדיקה אף אינו מתבצע כלל עקב תקלה יצורית מסוימת.הפיתרון – שילוב בדיקות FLYING PROBE ו-JTAG
בשנים האחרונות חברות רבות בתעשיית האלקטרוניקה העולמית עברו בסיום תהליך הייצור לשימוש בשני סוגי בדיקות אוטומטיות – בדיקות Boundary Scan ובדיקות במערכות מסוג Flying Probe. (בדיקות JTAG -Boundary Scan מתאימות למעגלים ו/או קטעי מעגלים דיגיטליים בלבד אשר מתוכננים לכך מלכתחילה).
בתחילה, מבדקי Flying Probe יועדו לבדיקות מעגלי אבי טיפוס ולבדיקות מעגלים בסדרות ייצור קטנות. הדורות הראשונים של מבדקים אלו התמקדו בבדיקות פשוטות של מציאת קצרים ובדיקות רכיבים פסיביים פשוטים.
היום משתמשים במבדקי Flying Probe מהדור החדש גם לצורך בדיקות מעגלים אלקטרוניים בתהליך הייצור. השיפורים הרבים הנ”ל הביאו למעשה ליצירת דור חדש לחלוטין של מבדקים מסוג זה.
מי שמכיר את דור המבדקים הישן, שעדיין פעיל אצל כמה קבלני משנה בארץ, יופתע לגלות עד כמה גדול השוני. למעשה ניתן לומר שמבדקי Flying Probe מהדור הישן לא מסוגלים לבצע היום בדיקה מקיפה באמת של מעגלים. לעומתם, בזכות שינויים משמעותיים הן במהירות, הן ביכולות והן בדיוק הרב שלהן, מבדקי הFlying Probe של ספאה מותאמים בדיוק לצרכי בדיקות ייצור. הם תוכננו מראש כדי לעמוד בפני המציאות החדשה המבוססת על רכיבי SMT דיסקרטיים ופסיביים, ועל טכנולוגיות BGA ו-Ultra fine pitch.

תכונות מכניות – דיוק, מהירות, אמינות
דור המבדקים החדש מתבסס על טכנולוגיה מתקדמת הכוללת שדה מגנטי, מנועים לינארים וכריות אויר.
המנועים הלינאריים, אשר מייצגים טכנולוגיית תנועה חדשה, מייצגים את דרישות העתיד ממנועים במהירות ובתאוצה.
כמו בכל סביבת הייצור, גם בבדיקות הזמן הנדרש לביצוען הינו חשוב ולכן למבדקי Flying Probe המבוססים על מנועים לינארים מהירות רבה יותר מבעבר. לשם השוואה – במבדקי Flying Probe מדורות קודמים בהם השתמשו במנועי צעד או מנועי DC התאוצה המקסימלית הגיעה עד g1 ועקב כך המהירות היתה קטנה בהרבה ממנועים לינארים עם תאוצה של 6g.
בשילוב עם Encoders אופטיים ניתן להגיע במבדקי Flying Probe החדשים מתוצרת חברת SPEA לרזולוציה של µm1.25 וזאת מכיוון ש-Encoders אלו מורכבים ישירות על ציר ה-Probe. עובדה זו גורמת גם לדיוק וגם לרפיטיביליות (Repeatability) מצויינים. תכונה זו חשובה מאוד הן בטווח הקצר (פחות הודעות תקלה סתמיות ולא אמיתיות) והן מבחינת הטווח הארוך (מבדקים אשר משתמשים בצירים מכניים רגילים מושפעים במשך הזמן מתנאי סביבה שונים כמו שינויי טמפרטורות. בדיקה חוזרת של אותו מעגל על אותו המבדק יכולה להניב תקלות שגויות רבות עקב מיקומי פרובים לא מדויקים).
תכונות אלו מאפשרות ליצור מגע על שטח הלחמה קטן ברכיבי SMD אשר מופיע בין קצה רגל הרכיב לקצה ה-PAD.
עם מבדקים אלו אין צורך יותר לדרוש ממהנדסי הפיתוח כי ידאגו לכלול שטחים מיוחדים ל-Test Pads בתכנונים חדשים. עם זאת ובמידה ומתכננים מראש כי בדיקות המעגל יבוצעו על מבדקים אלו כדאי גם במקרה זה להתיעץ לגבי תכנון לבדיקתיות וזאת בכדי להגיע למקסימום תועלת ולכיסוי תקלות רב יותר.

יכולות בדיקה נרחבות
בכדי שניתן יהיה להרחיב את יישומי המערכת גם לבדיקות יצור נרחבות (ולא רק לדגמים ו/או לסדרות ייצור קטנות) ניחנה המערכת ביכולות בדיקה נרחבות בשילוב עם יכולות מוכחות – ICT ,Boundary Scan NZT ובדיקות אופטיות.
המערכת מסוגלת לבדוק בדיקות פרמטריות נרחבות לכל הרכיבים האנלוגיים (כולל לדוגמא טרנזיסטורי הספק, דיודות זנר וכו’) ובדיקות ICT למינהן גם עם הפעלת מתח על הכרטיס (וכמובן גם ללא הפעלת מתח בשלבי הבדיקה הראשונים).
NZT – בדיקות חדשות של “עכבה” בכל צומת (Nodal Impedance Test) מקטינות את זמן הבדיקה בצורה משמעותית ביותר ומאפשרת עקב כך התקנת המערכת בקו ייצור רגיל למעגלים (ולא רק לדגמים/סדרות קטנות).כמו כן, בדיקות אלו מאפשרות איתור מדויק יותר של התקלה בזמן קצר.
המערכת מהדור החדש משלבת גם בדיקות אופטיות מתקדמות ביותר ברמה של מבדקי AOI הקיימים כיום בשוק (לא כולל בדיקת הלחמות).

מערכת הפעלה
בהתאם לקיים כבר במערכת מדורות קודמים, מכילה מערכת ההפעלה את כל היכולות הנדרשות החל מקריאת קבצי CAD מכל התוכנות המובילות בשוק, המשך בביצוע אנליזה מתקדמת על קבצי CAD אלו ובניית תוכנית בדיקה למעגל הרלוונטי וכלה במתן תוצאות של בדיקתיות הכרטיס לצורך אפשרות לשיפורה באמצעים שונים.
בעת קריאת קבצי CAD מביאה המערכת בחשבון גם את הנתונים המכניים של הרכיבים השונים בכדי לתכנן את תנועת הפרובים ע”ג הכרטיס הנבדק. במקרה של המצאות רכיבים גבוהים המערכת תגדיר אזור ללא תנועת פרובים (NO FLY ZONE) וזאת בכדי שלא יגרם נזק לפרובים הנעים בעת מעבר על גבי רכיבים אלו.
כמו כן, במקרה של טיפול ברכיבים עדינים או באזור צפוף ביותר, ניתן להגדיר את הכח המופעל בעת נחיתת הפרוב על גבי המעגל- Soft Landing או במקרים מיוחדים גם Ultra Soft Landing.
בנית תוכנית הבדיקה ע”י המערכת (Test Program Generator) מבוססת על מערכת מומחה וזאת בכדי להביא למינימום את הזמן הנדרש ל-Debug הכרטיס הנבדק.
התוכנה חכמה דיה כדי לאפשר חזרה על אותה בדיקה מס’ פעמים על מנת לוודא שאם קיימת בעיה היא לא נובעת ממגע לא תקין של הפרובים בכרטיס (למשל כתוצאה מלכלוך).
התוכנה מאפשרת אופטימיזציה של תנועת הפרובים כך שהבדיקות תתבצענה לפי סדר הקירבה הפיזית של הרכיבים זאת על מנת לקצר את משך זמן מעבר הפרובים בין בדיקה לבדיקה.
כמו כן ניתן להריץ בסוף התהליך רק את הבדיקות שנפלו על מנת לוודא שאין נפילות סרק.
פונקציה נוספת מאפשרת העברת אינפורמציה לעמדת תיקונים לצורך תיקון הבעיות שנתגלו, ולאחר מכן מאפשרת להריץ את אותו הכרטיס (לפי מס’ סידורי) רק על גבי הטסטים שנפלו כדי לוודא האם תוקנו התקלות.
עמדת תיקונים זו תאפשר לראות במדויק את מיקום התקלה על גבי הכרטיס וזאת כדי לחסוך בזמן התיקון.

סיכום
כפי שצוין לעיל האתגרים שמציבים המעגלים האלקטרוניים החדשים הן מבחינת איכויות הבדיקה הנדרשות והן מבחינת הדיוקים הפיזיים למגעים הינם גבוהים ביותר.
מרבית מערכות ה-Flying Probe מהדורות הקודמים אינן עונות עוד על הדרישות הנוכחיות ולא מסוגלות לבצע את הבדיקות אותם דורשים, הן מבחינת יכולות מכניות והן מבחינת יכולות הבדיקה האלקטרוניות. המעבר לבדיקה בדור החדש של מבדקי Flying Probe המיוצרים על ידי חברת Spea, ואשר הינם המבדקים המדויקים, המהירים והאמינים ביותר, הינו הצעד החסכוני והבטוח ביותר עבור המעגלים של ימינו.