Desenvolvimento
de estratégia
de testes para
placas de circuito
impresso
Os fabricantes de equipamentos de teste e
inspeção aperfeiçoaram seus produtos e, hoje,
um leque de soluções de teste é oferecido para a
indústria eletrônica
Por Ricardo Serafini Volpato
A demanda do mercado por
produtos cada vez menores e com mais
funcionalidades, levou à miniaturização
dos componentes eletrônicos e aumentou
a complexidade das placas de circuito
impresso (PCB). Este cenário criou
vários desafios para os engenheiros de
testes, que passaram a ter que testar mais
funcionalidades em uma placa cada vez
mais susceptível a defeitos.
Seguindo essa tendência do mercado,
os fabricantes de equipamentos de teste
e inspeção aperfeiçoaram seus produtos
e, hoje, um leque de soluções de teste
é oferecido para a indústria eletrônica
e cabe à engenharia de teste avaliar
quais soluções disponíveis são as mais
indicadas para o teste da sua PCB [1].
Estratégia de Teste e Inspeção
No processo de montagem de uma
PCB, uma infinidade de defeitos é
gerada por fatores diversos (máquina,
material, mão de obra, processo, etc).
A maneira como esses defeitos
serão verificados depende da estratégia
de teste e de inspeção adotadas pela
engenharia de testes.
Há várias filosofias que norteiam uma
estratégia de testes. Alguns engenheiros
preferem executar uma bateria exaustiva
de testes funcionais para chegar em
100% dos defeitos cobertos, outros
se concentram mais no emprego de
técnicas de teste e inspeção na linha de
montagem (inspeção ótica automática,
testador in-circuit, etc).
Existe ainda um terceiro grupo que
prefere investir em procedimentos
de controle de processo no lugar
de equipamentos de testes. Mas,
independente da filosofia, em qualquer
estratégia de teste deve-se ter atenção
sobre dois aspectos importantes: as
oportunidades de defeito da PCB e
o histórico de defeitos do processo
produtivo.
Analise das oportunidades
de defeito da PCB
Durante sua montagem, a PCB está
sujeita a ocorrência de uma série de
defeitos como ausência, deslocamento,
curtos, abertos, part_number incorreto,
etc. Conhecer todos os potenciais
defeitos da PCB é fundamental para
se ter êxito na escolha das técnicas de
teste. Por conta disso, a análise das
oportunidades de defeito é o passo
inicial na elaboração de uma estratégia
de teste. Ela visa identificar cada
potencial defeito da PCB e calcular sua
quantidade.
Essa análise leva em conta os
encapsulamentos montados e os
processos de montagem envolvidos
(printer, forno, solda onda, etc.). O
histórico de defeitos do processo
também é considerado, para enfatizar
os defeitos mais frequentes frente aos
de baixa incidência. Com o resultado da
análise é possível saber quantos defeitos
estão associados às juntas de solda,
quais componentes possuem polaridade,
quais estão sujeitos à tombstone, quais
não possuem serigrafia de identificação,
etc. Essas informações servirão para
justificar o emprego de uma técnica de
teste em relação à outra e, assim, guiar o
desenvolvimento da estratégia.
Escolha das técnicas
de Teste e Inspeção
Definir técnicas adequadas para compor
a solução de teste compartilhado é uma
atividade que exige experiência do time
de testes. Cada técnica tem suas vantagens
e limitações, portanto, o correto é reunir
diferentes técnicas para criar um filtro
impermeável a defeitos [2].
Figura 1 –
Uso várias
técnicas
As técnicas de inspeção (AOI,
raio-X, inspeção visual) verificam se
a montagem dos componentes está
conforme, mas nada garantem sobre
seu funcionamento. Já as técnicas de
teste (ICT, MDA, Boundary-scan, teste
funcional) verificam o funcionamento
dos componentes e da placa, mas são
insensíveis a defeitos de deslocamento
e insuficiência de solda. Portanto, toda
estratégia de teste deve reunir pelo
menos uma técnica de cada tipo.
Outro aspecto importante no
desenvolvimento da estratégia de testes
é a redução de custos. Na tentativa de
maximizar a cobertura de defeitos, a
Figura 2 –
Cobertura
de teste
compartilhada
engenharia de teste também deve se
preocupar em minimizar a sobreposição
da cobertura entre as diferentes técnicas.
Aquelas que possuem a operação mais
onerosa (ex. teste funcional) devem ser
minimizadas, visto que muitos defeitos
já estão cobertos pelas demais técnicas
utilizadas na linha de montagem (SPI,
AOI, ICT, etc.).
Análise da Cobertura de Defeitos
Atualmente é comum encontrar
cálculos equivocados para expressar
a cobertura de defeitos de uma
solução de teste. Alguns fabricantes
de equipamentos de teste costumam
usar a relação (%) de componentes
testados por componentes totais como
forma de apresentar a eficácia da sua
solução. Outros, principalmente de
ICTs, assumem que a cobertura do teste
é a relação entre nós acessíveis por nós
totais da placa [3]. Ambas as abordagens
são falhas por não levarem em conta
todos os possíveis defeitos da PCB e
trazem percentuais de cobertura sempre
acima do que efetivamente está coberto.
Além disso, essa abordagem não é clara
em relação aos defeitos não cobertos,
dificultando a definição de técnicas de
teste/inspeção complementares.
Algumas métricas surgiram para
tornar o cálculo da cobertura de defeitos
mais assertivo, dentre elas se destaca
a PCOLA-SOQ da Agilent. Essa
métrica considera que todo componente
está sujeito aos defeitos de presença
(P), valor incorreto (C), polaridade
(O), funcionamento inadequado (L),
deslocamento (A), curtos (S), abertos
(O) e insuficiência de solda (Q).
Naturalmente, alguns dos defeitos
acima não se aplicam para determinados
tipos de componente (ex. resistores
não possuem defeitos de polaridade)
e essas particularidades são levadas
em consideração no cálculo das
oportunidades de defeito da PCB
(tabela 1). A cobertura de cada técnica
é avaliada separadamente. A tabela 2
representa a cobertura de defeitos dada
por uma AOI.
O percentual de cobertura é dado pela
relação do número de defeitos cobertos
(DC) pelo número de defeitos totais da
PCB (DT), conforme a equação CAOI =
(DC/DT)*100%
solução de teste compartilhado muito
dependente de uma única técnica. Além
disso, a adoção de regras DFT tem um
forte impacto no custo da solução de
teste, principalmente na montagem de
fixtures para ICT/MDA.
DFT – DESIGN FOR TEST
As regras de DFT compreendem um
conjunto de regras que visam facilitar
e maximizar a cobertura de defeitos da
PCB [4]. Elas devem ser seguidas no
início do projeto da placa, mesmo que as
técnicas de teste/inspeção de produção
ainda não tenham sido definidas. Placas
que tenham seguido regras de DFT são
mais flexíveis e podem ser testadas em
diferentes cenários, não deixando a
indutores SMT (esses componentes
são mais robustos à ESD e provem
de fornecedores de qualidade);
APLICAÇÕES
A metodologia para desenvolvimento
de uma estratégia de teste descrita
nos tópicos anteriores foi aplicada em
uma placa-mãe de um computador
tipo Desktop. A etapa inicial de
análise apontou que existiam 18116
oportunidades de defeitos, distribuídas
em 1141 componentes e 5588 juntas de
solda. A ocorrência de alguns defeitos
foi descartada devido à baixíssima
incidência no histórico de montagem.
Foram eles:
• Curtos em componentes discretos
(resistores, capacitores, diodos,
SOT23, etc);
• Defeito de funcionamento inadequado em resistores, capacitores e
A tabela 3 apresenta as oportunidades
de defeito calculadas para a PCB em
estudo, classificadas de acordo com a
métrica PCOLA-SOQ. A maioria dos
defeitos (80%) está associada às juntas
de solda, por se tratar de uma placa com
vários CI’s e BGA’s.
Tabela 1 – Tabela de
oportunidades
Tabela 2 – Defeitos
coberto AOI
(1-coberto, 0 não
coberto) defeitos
(1-aplicável, N-não
aplicável)
Tabela 3 –
Tabela de
oportunidades de
defeito
A solução de teste desenvolvida
combinou as técnicas AOI e MDA. Essas
duas técnicas foram escolhidas porque
são complementares entre si. A AOI
possui bom desempenho na inspeção
do corpo dos componentes (P-C-OrientA-Q), e o MDA é eficaz no teste do seu
funcionamento (L), e detecção de curtos
nas juntas de solda.
Combinadas, as técnicas promoveram
cobertura de 75,3% dos defeitos. O
percentual não foi maior devido à falta
de acesso em alguns nós elétricos da
placa (pontos de teste). Além disso,
como o MDA não faz teste com a
placa energizada, componentes ativos
(analógicos e digitais) não puderam
ser completamente testados. A tabela 4
apresenta em detalhes a cobertura das
técnicas para cada tipo de defeito.
Uma lista contendo os defeitos não
cobertos foi gerada, e serviu de referência
para que a equipe de teste adicionasse
procedimentos de inspeção dedicados a
esses defeitos (inspeção visual). O teste
funcional da PCB também foi revisado,
buscando estender a cobertura sobre os
componentes não cobertos.
O desenvolvimento de estratégias de
testes com o rigor de análise apresentado
neste artigo ainda é raridade na indústria
eletrônica. A maioria das empresas
sequer conhece métricas para cálculo
da testabilidade de placa, como a
PCOLA-SOQ, e ainda continuam se
equivocando no cálculo da cobertura de
defeitos. Alguns softwares de análise
de testabilidade foram lançados no
mercado para dar suporte à equipe de
engenharia, mas ainda não possuem
preços atrativos.
Enquanto isso, as empresas continuam
a utilizar um conjunto padronizado de
equipamentos de teste e inspeção para
todas as placas montadas, deixando de
economizar recursos se praticassem
uma abordagem mais dedicada.
Referências
[1] Stig Oresjo, “New thoughts on test
strategies”
[2] Stig Oresjo, “A new test Strategy
for complex printed circuit board
assemblies”
[3] Kathy Hird, “Test Coverage: What
Does It Mean when a Board Test
Passes?”
[4] SMTA TMAG Testability Guidelines
Ricardo Serafini Volpato engenheiro de
testes, e Renato Scavone, coordenador da
Garantia da Qualidade, são servidores da
Fundação Certi - [email protected]
Benefícios da soldagem
com o uso de nitrogênio
O gás nitrogênio (N2) é o gás mais
abundante no ar que respiramos.
Cerca de 78% do ar é composto por
nitrogênio. Sua principal característica
para o processo de soldagem de
placas eletrônicas é que ele é inerte,
isto significa que ele não reage com
os materiais envolvidos no processo,
ao contrário do oxigênio que causa
a oxidação dos metais envolvidos na
soldagem. Como ele é o gás inerte com
menor custo, é largamente utilizado
neste processo.
O nitrogênio é obtido através da
separação dos gases do ar. Ele pode ser
retirado do ar através de um processo
criogênico, ou utilizando membranas
que ab/adsorvem determinados gases.
Processos diferentes irão gerar gases
com níveis de pureza diferentes. O nível
de pureza determina qual o percentual
de outros gases presentes, no entanto, o
gás que mais influência no processo é o
oxigênio, então é comum determinar-se
o percentual de oxigênio residual.
Baixos percentuais de oxigênio
residual irão alterar o desempenho [1]
dos processos que envolvem materiais
reativos, como metais não nobres e os
ácidos fracos presentes nos fluxos.
As
principais
alterações
de
propriedades que ocorrem com a redução
do oxigênio residual são a redução da
atividade do processo de oxidação e
alteração da tensão superficial [1]. Estas
duas propriedades são muito importantes
para o processo e independentemente do
tipo de soldagem utilizada (soldagem
por onda ou por refusão) a dinâmica
do processo será alterada. Defeitos que
estão relacionados a molhabilidade e
espalhamento como curtos, estalactites,
solder balls são melhoradas com o uso
de uma atmosfera inerte. No entanto
apenas estas características nem sempre
compensam o custo no uso destes gases,
que deve ser absorvido por reduções
no custo do processo ou custo da não
qualidade.
No processo de soldagem por onda,
o uso de nitrogênio tem um efeito
imediato na redução dos custos do
processo. Como o equipamento possui
um tanque de solda com o metal líquido
circulando por uma bomba durante
todo o processo, ocorre rapidamente
oxidação do mesmo, formando uma
borra. Esta borra consiste em perda
de material e consequentemente custo
com reposição da solda. A redução do
oxigênio residual reduz ou até inibe
a oxidação do material no tanque,
promovendo economia de material que
pode financiar o uso do gás inerte.
Por outro lado, ganhos com redução
de defeitos através do aumento da
molhabilidade e redução da tensão
superficial não são tão simples de serem
calculados, defeitos dependem muito
de características como componentes e
layout da placa, e melhorias relativas
à redução de defeitos têm que ser
identificadas dentro de um número
grande de amostras, para que sejam
significativamente observadas. Testes
deste tipo chegam a durar até dois
anos [2], um ano sem a utilização do
nitrogênio e outro ano utilizando.
É o caso, por exemplo, do benefício
causado pela ausência de oxigênio
durante o pré-aquecimento da soldagem
por onda. Neste caso ocorre redução
na oxidação dos metais aparentes nos
componentes e placa, bem como do
fluxo e benefícios oriundos destes
fenômenos são visualizados apenas na
redução dos defeitos de processo.
Este também é o caso do processo
de refusão. Com o desenvolvimento
de fluxos no-clean para soldagem no
ar, é comum que estudos sobre o uso
de nitrogênio não apresentem reduções
significativas no número de defeitos,
uma vez que elementos como tipo de
componentes e layout possuem um
efeito muito maior nos defeitos. No
processo de refusão, o efeito do uso
de nitrogênio é mais aparente no caso
da redução do pitch, principalmente
em casos onde o produto exige o uso
de pastas de solda com tamanho de
partícula reduzido. A redução da metade
do diâmetro da partícula promove um
aumento da área de material exposta à
atmosfera em quatro vezes, acelerando
o processo de oxidação.
O uso de ligas sem chumbo também,
com frequência, evidencia o benefício
do nitrogênio. Isto é devido ao aumento
da atividade do estanho para oxidação,
neste caso uma atmosfera inerte passa a
ficar mais importante.
Outro fator que leva ao uso de
nitrogênio é o aumento da confiabilidade
da junta de solda. Em equipamentos que
trabalham em ambientes hostis, ou que
demandam altos níveis de confiabilidade,
a redução na oxidação dos componentes,
melhoria da molhabilidade e até mesmo
redução dos teores de resíduos iônicos
presentes na montagem final podem
aumentar a vida útil através do uso de
nitrogênio no processo [3].
Com o atual cenário de montagem de
placas eletrônicas, o custo da introdução
de nitrogênio no processo somente deve
ser aceito caso retorne em benefícios
para a empresa. Estes benefícios são
normalmente observados em campo.
Por este motivo, o LABelectron, como
laboratório de desenvolvimento de
processos, passa a contar agora com
condições de testar e produzir placas
eletrônicas utilizando um processo com
atmosfera inerte.
Os fornos de refusão, tanto para a
linha de pequenas séries, quanto para a
célula de introdução de novos produtos,
estão aptos ao uso de nitrogênio. As
máquinas de solda, tanto por onda
quanto seletiva, também estão prontas
para o uso de nitrogênio. A máquina
de solda seletiva com inertização no
pote de solda e a máquina de solda por
onda com um sistema de inertização
completo, chamado de túnel.
O sistema de inertização em túnel é o
sistema mais avançado de inertização do
processo de soldagem de placas. Neste
sistema a placa é afastada do oxigênio já
na etapa do pré-aquecimento, e a pureza
final do nitrogênio na área de soldagem
é superior, desta forma, não apenas a
oxidação do material do pote de solda
é evitada, como também os benefícios
da soldagem com nitrogênio são mais
aparentes.
Para maiores informações sobre
soldagem com o uso de nitrogênio,
entre em contato com: Engº José Carlos
Boareto, coordenador da Área de
Introdução de Novos Produtos do CPC [email protected]
Referências
[1] S.M. Adams; E.K. Chang;
M.J. Kirschner; Atmospheres and
Performance During Soldering; Nepcon
West 1994.
[2] Gerhard, M. & H.-E. Kiecker; Quality
Improvement by the Implementation
of Reflow Soldering with Nitrogen;
Productronica Conference, Munich
1996.
[3] Ehrlich, M., Laneus, G.S., &
Reichelt, G.E.; Investigations about
the Reliability of Atmospheric and
Inert Wave-soldered 1812-Capacitors
at Various Footprint- Configurations.
Nepcon West 1994.