Proto se na výrobních linkách stále častěji používají pokročilá řešení v oblasti ICT (In-Circuit Tests), spočívající v ověření obvodu a jeho parametrů pomocí automatizované řady měření. Tento typ kontroly se samozřejmě provádí již desítky let – ale rostoucí miniaturizace elektroniky vyžaduje stále přesnější sondování PCB desek a kabelových svazků. V době komunikačních systémů pracujících na velmi vysokých frekvencích musí být přesnější i samotná měření, zatímco běžné využívání digitálních systémů nenávratně změnilo metodiku ICT. V současné době se často setkáváme se zkratkou FCT (functional testing), která odkazuje na podrobné ověření funkčnosti obvodu již v závěrečné fázi výroby, a to jeho napájením a simulací provozu v hotovém zařízení.

Testery elektronických obvodů se skládají z mnoha komponentů – svorek, kontrolérů, měřicích systémů, senzorů. Jedná se o programovatelná a konfigurovatelná zařízení. Obsahují také jeden důležitý spotřební prvek: zkušební jehly. Jedná se o přesné pružinové sondy určené pro vytváření dobrého, avšak krátkodobého kontaktu s obvodovými prvky – především s vývody pasivních prvků a integrovaných obvodů a s poli na PCB. Kromě měření a kontroly kontinuity drah se používají i pro jiné účely. Mohou proniknout do konektorů a umožňují otestovat připojení kontaktů bez použití pouzdra zásuvky nebo zástrčky. Používají se také v digitální elektronice, kde mimo jiné slouží k programování mikrokontrolérů pomocí techniky ISP (In-System Programming) a k provádění testů prostřednictvím komunikace se systémy instalovanými v obvodu (např. prostřednictvím sériového portu nebo CAN sběrnice v automobilovém průmyslu). Specializované jehly se používají při výrobě akumulátorů, respektive článků a sad, které se musí před skladováním nabít na optimální úroveň pro skladování a přepravu. Důležitou oblastí, kde se zkušební jehly používají, jsou elektronické servisy, kde automatizované testování obvodů umožňuje urychlit proces detekce a odstraňování poruch.

Zkušební jehly – základní parametry

První rozdíl mezi zkušebními jehlami zaznamenáme již na první pohled. Jedná se o tvar hrotu (špičky). Určení jednotlivých hrotů projednáme v další části textu. Zaměřme se nejprve na elektrické a mechanické parametry, kterým je třeba věnovat pozornost v souvislosti s typem prováděných zkoušek.

Vzhledem k tomu, že jehly jsou v permanentním provozu, jsou opakovaně přitlačovány k PCB komponentům, podléhají opotřebení a znečištění. V dnešní době, kdy se v elektronickém průmyslu běžně přechází na bezolovnaté pájky (tvrdší a chemicky agresivnější tavidla), hraje obzvláště důležitou roli tvrdost a povlak zkušební jehly. Proto se často setkáváme s ocelovými sondami a sondami vyrobenými z beryliové mědi (CuBe), tedy slitiny vyznačující se velkou odolností a elektrickou vodivostí srovnatelnou s čistou mědí. Pro ochranu hrotu před korozivními faktory jsou jehly nejčastěji pokryty zlatem nebo niklem – takto si zachovávají svou trvanlivost i při častém kontaktu s tavidly a jejich rozpouštědly.

Všimněte si, že jednoduchý, nula jedničkový test kontinuity lze provést pomocí sond s relativně vysokým odporem. Podrobná kontrola obvodu (nebo jeho kalibrace) však bude založena na přesném měření, které vyžaduje spojení s nejnižším možným odporem. Proto lze nominální odpor nalézt v charakteristikách všech zkušebních jehel. Souvisejícím faktorem je zde pracovní stlačení pružiny, protože pouze přítlak vyvinutý v souladu s doporučeními výrobce zaručuje dosažení spojení s určitým odporem (pracovní stlačení nastane při působení síly definované samostatným parametrem). Zde jsou dvě důležitá varování: (1) stlačení pružiny by nemělo překročit maximální zdvih (v tomto případě nebude sonda tlumena); (2) síla přítlaku se přenáší na součásti testovaného obvodu – nesprávně zvolená sonda může poškodit komponenty, dráhy atd.

Posledním důležitým parametrem je přípustná provozní teplota – protože automatizované testy se někdy provádějí mezi jednotlivými fázemi výroby obvodu nebo krátce po ukončení procesu pájení přetavením. Jinými slovy, existují situace, kdy jehla přijde do kontaktu s prvky s vysokou teplotou. Toto platí také pro podmínky tak zvaných stres testů a environmentálních testů, při kterých se testuje chování obvodu při maximálním zatížení nebo extrémních tepelných podmínkách.

Při výběru sond pro testování obvodů s vysokou hustotou komponent bude důležitý ještě jeden parametr: minimální rozteč, ve které může daná jehla pracovat.

Použití a typy zkušebních jehel

Elektronické obvody jsou nejčastěji sondovány:

• v místech speciálně k tomu určených (polích test pad), které u přesné elektroniky se často pozlacují (Obr. 1b, 1c, 1d);
• na spojích mezi PCB a vývody komponentů do otvorů (Obr. 1e);
• ve VIA bodech (Obr. 1a), tedy pouzdrech spojujících PCB vrstvy (nejčastěji se jedná o oboustranné desky, ale např. u základních desek počítačů či mobilních telefonů se obvody skládají z většího počtu vrstev);
• na kontaktech kolikových konektorů a podobných konektorech (Obr. 1f).

V závislosti na testovaném bodu, jakož i na potřebě (nebo její absenci) proniknout vrstvou nánosů, zoxidovaných pájek nebo zbytků po tavidlech je třeba pro provedení testu zvolit jehlu s vhodným tvarem hrotu. Podívejme se tedy, jaké funkce jsou k dispozici pro jednotlivá řešení.

Obr. 1. Místa pro sondování elektronických obvodů.

Jehly s válcovým zakončením nebo polosférické

Jehly mají válcové zakončení, ploché (Obr. 2, 3) nebo polosférické (Obr. 4, 5), jsou bezpečným nástrojem pro sondování testovacích polí (zejména těch pozlacených a očištěných). Polosférické hlavy lze také použít pro měření prováděná na pájeném spoji výstupů nebo na samotných výstupech. Hlavní vlastností těchto koncovek je neinvazivnost.

Zaoblené ukončení znemožňuje poškrábání testovaných prvků.

V nabídce TME jsou rovněž dostupné jehly zakončené válcem s kuželovým rýhováním (Obr. 6, 7). Tento tvar usnadňuje testy prováděné na samčích kolíkových konektorech nebo v místě montáže THT prvků. Široký otvor umožňuje „uchopit“ výstupy, i když jsou ohnuté nebo umístěné nepřesně. Odborníci poukazují na to, že kuželové rýhování se může rychle znečistit – pokud je jehla provozována za neoptimálních podmínek nebo v servisech, které testují použitá a znečištěná zařízení. Nicméně jedná se o jedno z nejoblíbenějších řešení pro ověřování obvodů s otvory. Podobné vlastnosti mají hlavy frézované radiálně (Obr. 8) – přičemž jsou také kompatibilní s plochými a konvexními testovými body.

Obr. 2, 3, 4

Obr. 5, 6, 7

Obr. 8

Univerzální jehly s ozubenou špičkou

 Výše popsané koncovky mají jednu nevýhodu, která by se mohla ukázat jako kritická ve výrobních procesech používajících bezolovnaté pájky. Jejich konstrukce ztěžuje průnik nánosů a zbytků tavidla. Alternativou jsou válcové jehly, s vyfrézovanou horní částí a díky níž získaly matrici pyramidových jehlanů. Tyto sondy nejenže lze použít k připojení k většině měřicích bodů (test pady, vývody THT atd.), ale také pronikají přes horní vrstvu pojiva (např. oxidovaného), což snižuje riziko zkreslení výsledku testu.

Četné špičky usnadňují kontakt jak s plochými, tak i svislými prvky.

Obr. 9, 10, 11

Kuželové koncovky

Kuželové koncovky jsou nejstarším a stále nejčastěji voleným řešením. Je třeba mít na paměti, že mají svá omezení a představují různorodou skupinu výrobků.

Hlavy ve tvaru kužele (Obr. 12, 13, 14) lze použít téměř pro všechny typy testů, i když vyžadují přesné umístění. I malé odchylky velikosti PCB rychle vedou k řadě chybných měření. Zakončení seříznutá pod uhlem 60° a 90° se používají hlavně pro testování VIA bodů a samičích konektorů. Před aplikací lze nepájivou masku použít také k vytvoření dočasných připojení s jednou dráhou obvodu. Opět je zde třeba poznamenat, že v případě pouzder a konektorů, jejichž povrch může být jakkoli znečištěn, budou nejlepším řešením frézované / rýhované varianty (Obr. 15, 16, 17) – jejich hrany usnadňují pronikání nánosy.

Přesný kužel umožňující mimo jiné testování drážkovaných prvků.

Nejlepší pronikání usazeninami zajišťují v této skupině výrobků kuželové jehly seříznuté pod úhlem 30°, nebo dokonce i 15°. Patří mezi ně mimo jiné jehly s hlavami č. 13 a 14 značky TEKON, a také ostrá jehla 44.118.10.15 firmy FIXTEST (Obr. 18). Tyto sondy se nedoporučují pro testování bodů VIA vyplněných pájkou, protože mohou poškodit spojení mezi vrstvami DPS.

Zvláštním případem zkušebních jehel se zakončením ve tvaru kužele jsou jehly se seříznutou špičkou (Obr. 19). Jejich tvar umožňuje vytvořit spojení s mnoha druhy testovacích bodů. Jsou  nejspolehlivější metodou testování zásuvek a zároveň nabízejí poměrně velkou kontaktní plochu, a tím také nízký odpor a větší proudovou kapacitu.

Obr. 12, 13, 14

Obr. 15, 16, 17

Obr. 18, 19

Jehly korunkově frézované

 
Lze říci, že jehly s korunkovým řezem (obvykle se čtyřmi špičkami) spojují výhody všech výše prezentovaných řešení. I když nejsou přizpůsobené pro testování VIA bodů a samičích konektorů, nabízejí: vynikající průnik nánosy a sedimenty; jejich četné, ostré hrany ztěžují ulpívání nečistot (samočistící efekt); obklopení středového bodu hlavice špičkami usnadňuje kontakt jehly s vývody THT prvků, a to i v případě drobných montážních nedokonalostí (ohyb, posunutí) a také vystředí sondu na konvexních testovacích polích.

Nabídka TME zahrnuje jehly s jemným korunkovým (mělkým, Obr. 20, 21) a ostrým (Obr. 22,23) zakončením, stejně jako variantu se třemi špičkami (Obr. 24).

Obr. 20, 21, 22

Obr. 23, 24

Speciální jehly a sondy

Sortiment TME zahrnuje kromě jehel pro základní elektrické testy také specializované sondy určené pro přesná měření, LED testování a provoz baterií (akumulátorů).

Automatizované čtyřvodičové měření

Čtyřbodové / čtyřvodičové měření spočívá v přiložení čtyř sond k části obvodu. Vnější pár umožňuje průtok proudu testovanou součástkou, zatímco vnitřní pár je určen k měření rozdílu potenciálů na vstupu a výstupu součástky. Pomocí údajů o intenzitě proudu a poklesu napětí měřicí přístroj s vysokou přesností určí odpor testovaného objektu. Na rozdíl od dvoubodového měření nebude výsledek zkreslen odporem měřicích kabelů – proto se tyto techniky nejčastěji používají ke zkoušení nízkých odporů v rámci testů a kalibrací přesné elektroniky (např. měřicích zařízení). Tato metoda se často označuje jako Kelvinovo (nebo Kelvinův) měření/systém.

Pro čtyřvodičová měření je určen speciální typ zkušebních jehel, z nichž každá je vybavena dvěma nezávislými kontakty. Prvky jsou přizpůsobeny k provádění měření na konektorech a speciálně určených zkušebních bodech. Pozlacení a materiál provedení zajišťují opakovatelnost a nízký odpor připojení, a to i při vysokém počtu a četnosti cyklů připojení a odpojení.

LED testování

LED testování v podmínkách sériové výroby je založeno na (1) elektrických měřeních a (2) připojení napájení a ověření, zda světlo vyzařované diodou má vhodný jas a barvu. Při provádění testů funkčnosti se také ověřuje, zda kontrolky správně informují o stavu zařízení. K ověření činnosti diody se používají speciální zkušební jehly, které se přikládají k LED a vysílají vyzařované světlo přes optické vlákno. Další měření provádí čidlo umístěné na druhém konci optického vlákna (nejčastěji zkoumá jak intenzitu, tak i vlnovou délku záření). Koncovka optického vlákna upevněná v jehle je obvykle umístěna v drážce, která omezuje dopad vnějšího světla, takže test nemusí být prováděn ve tmě.

V TME nabízíme výběr zkušebních jehel pro LED značky TEKON o průměrech od 1,1 mm do 5 mm. Tento rozsah odpovídá nejoblíbenějším velikostem světelných diod, a to od prvků SMD až po standardní kontrolky THT.

Bateriové sondy

Dalším specifickým typem zkušebních jehel jsou prvky určené pro vytvoření dočasných spojení s terminály zdrojů napájení. Tento druh sond se používá při testování jak běžných spotřebitelských baterií (AA, AAA atd.), tak i akumulátorů. Vzhledem k tomu, že všechny články mají optimální stupeň nabití, při kterém by měly být skladovány, používají se jehly přizpůsobené pro bateriové terminály také v procesu přednabíjení akumulátorů (v poslední fázi výroby), což umožňuje jejich bezpečné skladování a přepravu.

Velká plocha a síla stlačení zaručují dobré spojení s terminálem.

Koncovky bateriových sond obvykle mají tvar válce nebo polosférický tvar. Vzhledem k tomu, že rozměry zdrojů napájení jsou přísně definovány mezinárodními standardy, vyznačují se bateriové jehly malým stlačením pružiny.

Text připravila společnost Transfer Multisort Elektronik Sp. z o.o., článek vyšel v originále na webu TME.eu  https://www.tme.eu/en/news/library-articles/page/43763/test-probes-types-and-application/