Barry Berends is hardwaredesign-engineer en projectmanager bij Transfer.

2 January 2016

Printplaten bevatten steeds meer componenten die niet meer benaderbaar zijn met conventionele testmethodes. Door een structurele test gebaseerd op boundary-scan te combineren met een pennenbed is een zeer hoge testdekking te halen op pcb’s, betoogt Barry Berends van Transfer.

Door de toenemende vraag naar compacte energiezuinige componenten verpakken fabrikanten hun chips steeds vaker als ball grid array, chip-scale package of quad flat no-leads. Bga’s, csp’s en qfn’s zijn dan ook niet meer weg te denken van de hedendaagse pcb’s. Met conventionele testmethodes zijn deze componenten echter niet meer benaderbaar.

Een nog regelmatig toegepaste conventionele methode is bijvoorbeeld in-circuit test. Hierbij controleert een aantal vrij bewegende probes of alle componenten op een printplaat op de juiste plek zitten en of er geen open of kortgesloten verbindingen zijn. Bga’s, csp’s en qfn’s hebben echter alleen pinnen aan de onderkant, en daar kunnen de probes niet bij.

Daarnaast blijven engineers vaak hangen in functionele tests omdat ze dit nou eenmaal gewend zijn. Bij problemen hebben ze er dan een hele kluif aan om uit te zoeken waar en waarom deze optreden. Bovendien moeten ze vaak al een stuk software ontwikkelen om de printplaat door te kunnen lichten. Functioneel testen is daarom een kostbaar traject dat veelal hoger opgeleide engineers vereist en een langere testtijd met zich meebrengt.

Hoge dekkingsgraad

Jtag-boundary-scan kan hier uitkomst bieden. Deze methode maakt het mogelijk pcb’s te testen na montage. Daarbij vormen bga’s, csp’s en qfn’s geen obstakels. Via speciale testlogica die ingebouwd zit in veel moderne ic’s kan een boundary-scan controleren of elk device goed is geplaatst en gesoldeerd op de printplaat. Omdat het de foutlocatie snel en exact kan aangeven, is het een kostenbesparende oplossing. Een ander voordeel is dat we al vroeg kunnen testen omdat er geen firmware nodig is. Bovendien is het met Jtag-boundary-scan mogelijk om verschillende devices op het design te programmeren, waardoor veel traditionele tooling overbodig wordt.

Bits&Chips event sponsor registration-early bird
Jtag JT 5705 FXT
Een fixture is uit te breiden met boundary-scanfunctionaliteit door een Jtag-controller toe te voegen zoals de JT 5705.

Een gangbare misvatting is dat het toepassen van Jtag-boundary-scan een hoop extra werk met zich meebrengt. We hoeven het design enkel uit te breiden met een paar passieve componenten voor impedantiecompensatie en signaaloptimalisatie en met een zogeheten Test Access Port (Tap) voor de verbinding tussen de componenten en de tooling. Dat is alles.

Met Jtag-boundary-scan is een heel hoge dekkingsgraad haalbaar. Het optimale resultaat bereiken we door in het begin van een project goed na te denken over de componentkeuze en de testmethode. Kies zo veel mogelijk chips die voldoen aan de boundary-scanstandaard IEEE 1149.1 en probeer de devices en netten die niet via boundary-scan te benaderen zijn te verbinden met niet-gebruikte i/o’s van componenten die dat wel ondersteunen, zodat we ze toch kunnen testen.

Verder kunnen we extra testpunten aanbrengen om ook analoge signalen mee te kunnen nemen in een zogeheten extended boundary-scan. Dit verhoogt de dekkingsgraad nog verder en reduceert zowel de testtijd als de testkosten. Het is wel zaak om deze testpunten in een vroeg stadium toe te voegen op schemaniveau, want later is daar vaak geen ruimte en tijd voor.

Redelijke dekkingsgraad

Het design kunnen we testen in een fixture. Dit is een speciale kast waarin alle benodigde ondersteunende hardware keurig is weggewerkt. De te testen printplaat gaat in een zogeheten wisseldeel, een losse cassette met een pennenbed dat we op maat kunnen maken op basis van de designdata, de Gerber-files. Bij het sluiten van de fixture maken de pennen contact met de Tap en de andere testpunten op het bord en komt er een verbinding tot stand met de hardware in de kast en van daaruit met de tooling. De wisseldelen maken het mogelijk om snel verschillende typen pcb’s te testen en door hun vaste interface naar de fixture hoeven we nauwelijks nog zelf te bedraden, wat de kans op fouten drastisch reduceert.

Transfer collage

De fixture is uit te breiden met boundary-scanfunctionaliteit door een Jtag-controller toe te voegen zoals de JT 5705, die zowel de standaard als de extended variant ondersteunt. De controller kunnen we op een off-the-shelf Jtag-carrierbord plaatsen; dit biedt alle benodigde voorzieningen voor de aansluiting op het pennenbed enerzijds en de fixture anderzijds. We kunnen er ook voor kiezen een eigen bord te ontwerpen. Dan dienen we zelf een voeding toe te voegen en connectoren om het pennenbed te benaderen. Het gebruik van de JT 5705 is niet gebonden aan een merk fixture.

In samenwerking met Jtag Technologies hebben we enkele jaren geleden een testbord ontwikkeld voor trainingen en demonstraties. Dit JT 2156-bord is volledig configureerbaar en er zijn verschillende foutmogelijkheden op in te stellen. Omdat we in de beginfase van het project hebben nagedacht over de componentkeuze en de te testen verbindingen, halen we bij dit design met standaard boundary-scan al een hoge dekkingsgraad.

Helaas komt het in de praktijk nogal eens voor dat het te testen design al klaarstaat voor productie en er geen mogelijkheid meer is om het pcb aan te passen. Dan is het vaak nog steeds zeer goed mogelijk om de printplaat via een pennenbed te testen en een redelijke dekkingsgraad te bereiken met extended boundary-scan. Voorwaarde daarvoor is wel dat het design ten minste één boundary-scancomponent bevat.

Jtag JT 2156
Samen met Jtag Technologies heeft Transfer enkele jaren geleden het JT 2156-testbord ontwikkeld voor trainingen en demonstraties.

Aanschafkosten uitsmeren

Met het bedrijf D&D Mechatronics hebben we een fixture ontwikkeld dat speciaal is gericht op extended boundary-scan, de Proofmaster M19 met Jtag-interface. Dit systeem heeft een voeding waarvan de spanning en stroom instelbaar zijn via een USB-verbinding, van 0 tot 20 V dc respectievelijk van 0 tot 2 A. De voeding is te benaderen met Jtag Functional Test (JFT) en direct te integreren in nieuwe of bestaande projecten.

De Proofmaster M19 biedt ook de mogelijkheid om een id-code in te stellen aan de hand waarvan te controleren is of het correcte wisseldeel is geladen. De wisseldelen zijn klantspecifiek in te richten met pennenbedden zonder bedrading, die zijn gebaseerd op de Gerber-data van het te testen design. De lage prijs van nieuwe cassettes vergemakkelijkt de stap naar hergebruik van de fixture, waardoor de aanschafkosten van de testkast uit te smeren zijn over meerdere projecten. Dat maakt de Proofmaster M19 interessant voor kleinere pcb-oplages.

Edited by Nieke Roos