guide d`achat sur les testeurs de cartes électroniques

G uide d’achat
INST R U M E N T A T I O N É L E C T R O N I Q U E
Les testeurs de cartes

Les testeurs de cartes font rarement la
une de l’actualité. La faute en incombe
bien sûr au marché, avec les délocalisations des usines de production hors des
pays “dits” industrialisés. Malgré tout, il
leur faut sans cesse relever de nouveaux
défis pour raccourcir les temps de test
et surtout répondre aux nouvelles donnes des cartes électroniques, avec des
composants toujours plus rapides et
toujours plus complexes, de moins en
moins accessibles.
L
76
doc SPEA/Antycip
es applications de l’électronique se
multiplient à une vitesse vertigineuse, les technologies des composants sont en évolution permanente : avec ces deux ingrédients, le test des
cartes électroniques devrait être à la fête. Et
pourtant, ce n’est pas le cas. En France, et
plus généralement dans l’ensemble du
monde occidental, les constructeurs et leurs
représentants locaux déplorent les délocalisations massives de la production électronique, avec son cortège d’usines qui réduisent
leurs effectifs, voire qui ferment.
Il reste que le test de cartes doit en permanence relever des nouveaux défis. Les techniques traditionnelles que sont le test in situ
(ICT, In-Circuit Test) et le test fonctionnel
(FT, test fonctionnel), malgré leurs gros progrès, ne peuvent plus tout faire et elles n’ont
pu résister à l’arrivée de nouvelles techniques telles que l’inspection optique automatique (AOI, Automatic Optical Inspection) et
l’inspection radiographique automatique
(AXI, Automatic X-Ray Inspection). Si chacune de ces techniques a pu s’imposer, c’est
évidemment parce qu’elle permet de mettre
en évidence des défauts qu’une autre technique ne verra pas. Et si elle n’a pas supplanté
les autres techniques, c’est que parce qu’elle
a elle-même ses propres limitations. Face à
toutes ces techniques, la définition de la stratégie optimale dépend du type de carte à
tester et des priorités que l’on s’assigne. Il
faut forcément faire un compromis entre les
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coûts d’exploitation, les coûts d’investissement, le taux de couverture, la cadence de
test, la résolution du diagnostic, la rapidité
du retour d’informations des processus et la
fiabilité à long terme recherchée pour les
produits testés.
Par exemple, les méthodes optiques et à
rayons X (AOI et AXI) permettent de mettre
en évidence des micro-défauts et de les localiser très en amont du processus de fabrication, dès le report des premiers composants sur la carte. Les résultats des tests servent
à prévenir les dérives des machines et peaufiner les réglages. Lorsqu’elles sont implantées en amont de la chaîne de production,
l’AOI et l’AXI sont donc très utiles pour améliorer le processus de production. Mais l’AOI
et l’AXI ont un handicap majeur, qui est de
ne pas faire de test électrique et donc de ne
donner aucune indication quant au fonctionnement effectif de la carte.
Pour le test fonctionnel, c’est strictement
l’inverse. Il ne fait que du test électrique et il
est placé à l’autre bout de la ligne (à la sortie
des cartes). C’est le seul à garantir le bon
fonctionnement de la carte dans son ensemble. Par contre, s’il y a un problème, la localisation du défaut qui en est responsable est
souvent longue et difficile.
doc.Aeroflex
chances que la carte fonctionne correctement. Un test fonctionnel sommaire et rapide (de type go/no go) placé en bout de
ligne permettra de s’assurer que la carte
fonctionne.
Le test in-situ reste la technique la plus répandue. Avec la réduction de la taille des
composants, le rapprochement des interconnexions, la difficulté voire l’impossibilité
physique d’accéder à certains points de test
(en particulier les composants BGA, dont les
contacts sont placés sous la puce) ont bien
sûr diminué le taux de couverture des fautes.
Du fait de cette réduction du taux de couverture des fautes, qui ne pouvait que s’accentuer, certains ont cru pouvoir annoncer
(à tort…) la fin prochaine du test ICT.
On rappellera que ce n’est pas la première
fois que l’avenir du test in-situ pose question. A ses débuts, il testait les composants à
leur vitesse de fonctionnement réelle. La fréquence de travail d’un testeur ICT, tout autant
que le nombre de points de test, était un
critère de choix important. Puis quand, les
fréquences de travail des composants ont
augmenté, les testeurs in-situ se sont efforcés
de suivre mais on a vite compris que l’on ne
pourrait pas continuer indéfiniment comme
ça parce que le câblage des lits à clous (grosses quantités de fils entremêlés) ne permettrait plus de transmettre des signaux “propres” (du fait des effets inductifs et capacitifs).
Alors, on a renoncé à tester les composants
à vitesse réelle : ils sont testés à une fréquence plus faible que leur fréquence de
Les testeurs in-situ classiques utilisent des lits à clous pour accéder
aux nœuds de la carte à tester. Les architectures internes évoluent.
Les testeurs adoptent les architectures “pure pin” (non
multiplexées), ce qui accroît les performances et simplifie
l’utilisation (le développement de l’interface de test est simplifié).
travail effective et on fait la présomption que
s’ils fonctionnent correctement à cette fréquence, ils fonctionneront à la fréquence de
travail pour laquelle ils sont prévus. Tout le
monde s’en est accommodé, et cette approche a largement fait ses preuves, au grand
dam des constructeurs de testeurs, qui
auraient aimé que les industriels renouvellent plus fréquemment leur parc de testeurs.
Le défi des basses tensions
Mais il y a des défis qui ne peuvent être relevés sans une remise en cause du testeur. Un
de ces défis, et c’est sans doute le plus gros
défi actuel, réside dans la diminution de la
tension d’alimentation des composants électroniques. Avec la génération des appareils
portables en tous genres (PDA, téléphones ➜
Comparatif des techniques de tests
IVS
SPI
AOI
AXI
FPT
MDA
ICT
FCT
Le test in-situ, plus présent
que jamais
Court-circuit
●
✔
●
✔
●
✔
✔
●
Circuit ouvert
●
●
●
✔
●
●
●
●
Et puis il y a le test in-situ (ICT). Comme le
testeur fonctionnel, le testeur in-situ ne fait
que du test électrique. Il accède aux différents nœuds de la carte (et aux broches des
composants), ce qui permet de tester individuellement chaque composant. Par sa manière de procéder, le testeur ICT localise
immédiatement le composant défectueux.
Si le test révèle que tous les composants pris
un par un fonctionnent normalement, si les
interconnexions entre les composants ne
présentent pas de défaut, il y a de bonnes
Fiabilité de la soudure
●
●
●
✔
●
●
●
●
Composant erroné
●
●
✔
●
✔
✔
✔
●
Composant manquant
●
●
✔
✔
✔
✔
✔
●
Composant défectueux
●
●
●
●
●
●
✔
✔
Composant dans le mauvais sens
●
●
✔
●
✔
✔
✔
●
Fiabilité fonctionnelle
●
●
●
●
●
●
●
✔
IVS : Inspection visuelle
SPI : Contrôle de dépôt de pâte à braser
AOI : Contrôle optique automatique
AXI : Contrôle par RX automatique
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FPT : Test à sondes mobiles
MDA : Analyseur de défauts de fabrication
ICT : Test in situ
FCT : Test fonctionnel
● Couverture proche de 0
● Couverture moyenne
✔ Bonne couverture
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Attention au forçage
Idéalement, si le driver avait une impédance nulle, la tension de forçage programmée serait
effectivement appliquée aux points de test. En fait, les drivers présentent une impédance de sortie
et ils introduisent une chute de tension proportionnelle au courant appliqué. Pour compenser
cette chute de tension, la tension de forçage théorique Vprog est augmentée de 1,2 V à 1,7 V.
Le but est ici de forcer l’entrée du composant U2 sous test au niveau bas, ce qui nécessite
d’appliquer un niveau supérieur à Vih min.
• La tension de 1,7 V à l’entrée du driver produit 1,12 V sur la broche du composant testé U2 (DUT).
• U2 peut alors être testé car la tension est supérieure à Vih min (0,78 V).
• Il n’y a pas besoin de forçage sur l’entrée U1, donc les 1,7 V programmés donnent 1,6 V sur U1.
• U1 risque d’être endommagé car il subit une tension (1,6 V) supérieure à Vih max.
Pour compenser l’erreur de tension sur le forçage et obtenir le niveau désiré (ici, 1,12 V), les programmeurs augmentent le niveau de
tension du driver (ici, 1,7 V). On résout un problème, mais on en crée un autre : en effet, le niveau de tension de forçage appliqué sur le
circuit U1 pour porter son entrée au niveau haut atteint un niveau trop élevé (ici, 1,48 V), risquant d’endommager le circuit.
Pour éviter ces inconvénients, il faut utiliser des “drivers” à basse impédance de sortie
➜ mobiles, lecteurs MP3, etc.), les fabricants
de composants sont invités à réduire la consommation, afin de ménager la batterie. Cela
passe par une diminution de la tension d’alimentation. Par ailleurs, la diminution de la
consommation des composants permet de
réduire les besoins en ventilation des composants et d’augmenter la fréquence de traLes testeurs à rayons X permettent de tout voir, même ce qui est
caché et est inaccessibles aux autres techniques de test. Réservés
au départ à la mise au point des process de production, ils sont
devenus des testeurs de production à part entière.
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vail. Ceci a permis en quelques années d’obtenir des augmentations phénoménales de
la puissance de traitement des cartes électroniques (et des PC en particulier).
L’augmentation de la densité des composants n’aurait pas pu se faire sans une diminution de leur tension d’alimentation. Par
exemple, pour les technologies CMOS, plus
les structures des transistors sont fines, plus
les couches de semi-conducteurs et d’oxydes
sont fines. Et plus elles sont fines, plus elles
sont sensibles aux champs électrostatiques,
donc aux tensions d’alimentation (l’intensité
du champ étant proportionnelle à la tension
d’alimentation). Par exemple, lorsque l’on a
pu maîtriser la technologie de fabrication à
0,25 µm, il a fallu descendre la tension d’alimentation à 2,5 Vcc de façon à être sûr que
le composant fonctionne correctement. Le
mouvement de baisse de la tension d’alimentation est inexorable : en une dizaine
d’années, elle est passée progressivement de
5 V à 0,8 V et elle pourrait continuer de diminuer encore un peu dans les années qui
viennent.
Cette diminution des tensions a des consé-
quences très importantes pour le test ICT.
Pour tester un par un les composants de la
carte, le test ICT fait appel à des techniques
de désactivation et d’inhibition afin d’isoler
le composant sous test des effets électriques
indésirables produits par les composants qui
l’entourent. Pour réaliser le test des composants numériques, le testeur utilise des drivers/sensors, capables de forcer les états logiques requis en entrée et de lire les états
logiques résultants en sortie. Les drivers numériques sont des sources de courant basse
impédance destinées à forcer temporairement les nœuds de la carte aux niveaux logiques exigés par le test. Cette technique
consistant à suralimenter momentanément
les sorties d’un composant afin de forcer un
nœud à son état logique opposé est connue
sous le nom de “forçage”. Avec l’arrivée des
technologies basse tension, les “drivers/sensors” utilisés sur les testeurs classiques trouvent leurs limites. Ils sont trop imprécis pour
fournir les tensions logiques haute et basse
(nécessaires au forage) attendues sur broches d’entrée du composant. Le problème
vient de l’impédance de sortie du “driver” :
plus celle-ci est élevée, plus la chute de tension qui en résulte est élevée et plus faible
est la tension effectivement appliquée sur la
broche du circuit intégré. Pour compenser
les erreurs de tension, les programmeurs
augmentent les tensions de test mais les risques de surtension sont alors plus élevés,
avec le risque de détruire les composants…
Au niveau des “sensors”, c’est un peu la
même chose : s’ils sont trop imprécis, ils ne
peuvent pas être utilisés pour le tests des
composants alimentés en basse tension car
ils présentent une marge d’erreur trop importante pour faire le distinguo entre le niveau haut et le niveau bas. Il y a donc un
risque de voir un composant basse tension
indûment signalé comme étant défectueux :
c’est ce qu’on appelle un faux défaut.
Pour tester les électroniques à basse tension,
si l’on veut éviter les forçages imprécis qui
conduisent à la destruction de composants
ou les mesures imprécises qui conduisent à
des faux défauts, il est donc préférable d’utiliser des testeurs présentant des “drivers/
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Les à-côtés de l’in situ
Les difficultés pour accéder aux contacts sur
les cartes à haute densité a conduit les constructeurs à imaginer des adaptations. C’est le
cas du test structurel, appelé aussi “test sans
vecteur”. Il consiste à utiliser une sonde inductive ou capacitive pour détecter sans contact le passage d’un courant électrique dans
un conducteur placé juste à côté. Cette technique, qui sert surtout à mettre en évidence
les courts-circuits et les circuits ouverts, n’est
pas nouvelle mais elle ne cesse de s’améliorer en termes de précision, bruit, répétabi-
Les testeurs à sondes mobiles sont une variante des testeurs in-situ : grâce à leurs pointes de test en mouvement rapide, ils accèdent
en effet aux différents nœuds de la carte et testent les composants, l’un après l’autre. Leur principal intérêt est de pouvoir être mis en
œuvre très rapidement. Conçus au départ pour le test des prototypes, ils sont aujourd’hui couramment utilisés pour le contrôle en
production de petites séries.
lité. Avec sa nouvelle génération de sonde
VTEP, AgilentTechnologies annonce un gain d’un
rapport 7 sur le niveau de bruit, par rapport
à la technique TestJet proposée jusqu’ici. Il
est désormais possible de mesurer des capacités de 5 femtofarads à peine, et donc de
tester des contacts de très petites dimensions
(tels que ceux que l’on trouve sur les microBGA par exemple). La société indique que
par rapport à la génération TestJet,VTEP permet de tester 80 % de contacts en plus.
Un autre forme de test in-situ est apparue
dans un passé relativement récent : c’est le
test à sondes mobiles. A l’origine, ce type de
test a été conçu pour permettre une mise en
œuvre rapide, et éviter d’avoir à développer
des lits à clous et leurs interfaces, ce qui
prend du temps. La programmation est également relativement rapide mais le test luimême prend plus de temps qu’un test avec
lit à clous. Dans un premier temps, le testeur
à sondes mobiles était réservé au test des
prototypes. Par la suite, il a fortement augmenté ses performances en vitesse et il est
désormais couramment utilisé pour le test
des petites séries.
Autre technique destinée à repousser les li-
mites du test in situ classique : le test “boundary scan” ou, comme on l’appelle encore,
JTAG. Cette technique, imaginée à l’origine
par les concepteurs de circuits électroniques,
permet, à partir du connecteur de la carte,
d’accéder individuellement (via un bus interne) aux composants présents sur la carte.
Pour cela, il faut que les composants en
question soient dotés de la fonctionnalité
“boundary scan”. Certaines industries (les
doc Agilent
sensors” adaptés. Les “drivers” doivent avoir
une impédance de sortie très faible (inférieure à 1 Ω) afin de pouvoir appliquer des
tensions contrôlées aussi bien en l’absence
de charge que lors d’un forçage. Il est aussi
souhaitable qu’ils puissent mesurer en temps
réel l’intensité et la durée des courants de
forçage, afin de ne pas risquer d’endommager les composants. Autre caractéristique
souhaitable, la possibilité de programmer
indépendamment chaque “driver/sensor”,
en non par groupes : cela permet au programmeur comme au logiciel de génération
de programmes de test d’affecter des niveaux
logiques adaptés à chaque broche du composant et d’éviter les compromis résultant
de l’affectation de niveaux logiques communs par le testeur in-situ.
L’isolation numérique est également un
atout : au niveau du programme de test, il
s’agit de désactiver ou inhiber automatiquement toutes les sorties sur la carte qui sont
connectées aux nœuds pilotés par le test.
Cette capacité est cruciale pour empêcher
des points de tension potentiellement dangereuses de se produire lorsqu’une sortie en
cours de forçage change soudainement
d’état logique.
Quelques offreurs
In situ avec lit
à clous
Les testeurs optiques (AOI) ne font pas de test électrique mais ils
mettent en évidence pas mal de défauts. Les informations
obtenues permettent de prévenir les éventuelles dérives des
machines de fabrication et d’éventuellement les recaler.
Accelonix (Teradyne, Takaya,…)
●
Aeroflex
●
Agilent Technologies
●
Antycip (SPEA, X-Tek)
●
MB Electronique (Cimtek, Electronix,…)
●
Rohde & Schwarz
●
Seica
●
Teradyne
●
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In situ avec
sondes mobiles
AOI (Inspection
optique)
●
●
●
●
●
●
●
●
AXI (Inspection
par rayons X)
●
●
●
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Guide d’achat
télécoms et le militaire) sont des inconditionnels du “boundary scan”. Pour que ce
type de test puisse être pratiqué, il faut que
la carte ait été prévue à cet effet et qu’il y ait
eu une réelle coopération entre les services
de conception et les services de fabrication
et de test.
La chasse aux défauts cachés
Toutes les cartes ne peuvent pas être testées
en in-situ. Mais la poussée de la miniaturisation a entraîné des problèmes d’accessibilité aux points à tester, de sorte que
deux nouvelles techniques sont apparues :
le test par inspection optique (AOI, pour
Automated Optical Inspection) et le test
par rayons X (AXI, pour Automated X-ray
Inspection). Dans les deux cas, il s’agit surtout de mettre en évidence les défauts de
soudure. L’AOI est apparu le premier sur le
marché. Il est bien adapté pour détecter les
courts-circuits et les circuits ouverts, lire
les marques et inscriptions sur les composants, contrôler l’orientation d’un composant, détecter l’absence d’un composant ou
un composant monté à l’envers, identifier
les fils de connexion mal posés. Les AOI,
80
Certains testeurs font appel aux standards de l’instrumentation, tels que le PXI, ce qui permet d’accéder aux nombreux modules
disponibles sur le marché. C’est le cas de ce testeur combiné (in-situ / combiné). Le constructeur a également développé des cartes
spécifiques afin d’aller au-delà des possibilités du PXI.
après des débuts difficiles (si on voulait un
taux de couverture élevé, on avait aussi
beaucoup de faux défauts), ont fini par
s’imposer. Et ce d’autant qu’ils sont relativement faciles à mettre en œuvre (ils peuvent se programmer en un jour seulement).
Mais ils ont aussi des limitations : s’agissant
de systèmes optiques, ils ne peuvent donner des indications que sur ce qu’ils peuvent voir. Tout ce qui est masqué leur
échappe. Ceci explique le succès du test par
rayons X (AXI), qui a lui aussi connu des
débuts difficiles. Il est sensiblement plus
onéreux que l’AOI, plus complexe à mettre
en œuvre (la programmation demande
typiquement deux ou trois jours) mais il
est inégalable pour observer et dimensionner (en volume) un joint de soudure, que
celui-ci soit visible ou masqué (pour les
composants dont les contacts sont placés
en dessous). L’AXI présente également l’intérêt de pouvoir contrôler simultanément
les deux côtés de la carte.
Jean-François Peyrucat
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