Load detect для проверки качества пайки

Подтяжки напряжения на микроконтроллерах

Во всех современных микроконтроллерах уже давно как (больше 11 лет) есть подтяжки напряжения на пинах GPIO. Зачем в микроконтроллерах есть функция pull-up/pull-down, если можно просто воспользоваться установкой логического уровня push-pull?

Вы наверное скажете, что подтяжки к питанию нужны для конфигурации пинов шины I2C/1-Wire, нужны для кнопок. Верно! Но это не единственная причина.

Определение бракованных пинов на плате

Часто приемлемая ситуация, когда вам принесли 6-слойную электронную плату прямо с производства, которую ни разу не включали. В таких случаях часто встречаются аппаратные баги: короткие замыкания на GND, короткие замыкания на VCC или непропай пинов MCU. Как выявить эти бракованные пины?

Использование load-detect

Подтяжки к питанию и земле на пинах MCU могут помочь с выявлением бракованных пинов. Это называется load-detect (LD) и является частью прошивки, чисто программным компонентом.

Идея очень проста. Надо пробежаться по всем подтяжкам, в каждой подтяжке прочитать и запомнить логическое состояние пина. Затем найти в подсказке строчку которая и скажет, что подключено к пину со стороны улицы.

Фазы разработки конечного автомата

1. Фаза 1: Перечислить возможные состояния конечного автомата

   • На пине нет подтяжек напряжения
   • На пине подтяжка к GND
   • На пине подтяжка к VCC

2. Фаза 2: Определить входы конечного автомата

   • У конечного автомата будет только один вход – сигнал переполнения таймера. TimeOut.

3. Фаза 3: Определить действия конечного автомата

   • Измерить логический уровень на пине
   • Установить на пине подтяжку к питанию (Set pull Up)
   • Установить на пине подтяжку к заземлению (Set pull Down)
   • Отключить на пине какие-либо подтяжки (Set pull air)
   • Вычислить решение о состоянии пина на основе накопленных измерений

В результате load-detect может выявить короткое замыкание пинов прямо в BGA корпусах, где даже щупом осциллографа к пинам не подлезть!

Вычисление решения

Тут сразу надо отметить что такое вычисление решения. Вот Look Up таблица принятия решения по измерениям автомата Load detect. Как видно после одного цикла измерений согласно комбинаторному правилу перемножения может быть максимум 8 различных вариантов (222 = 2**3 = 8). В ячейках таблицы измеренные логические уровни GPIO пина на котором работал LoadDetect.

Open load означает, что пин ни к чему не подключен или, если формально, подключен к резистору с бесконечным сопротивлением одним концом и на GND другим. Еще говорят Z-состояние. И то же самое с VCC.

Фаза 4. Таблица переходов для состояний конечного автомата

Как работать с этой таблицей. Если автомат был с состоянии pull-air и сработало прерывание по переполнению таймера, то автомат переходит в состояние pull-down. Если автомат был с состоянии pull-down и сработало прерывание по переполнению таймера, то автомат переходит в состояние pull-up. Если автомат был с состоянии pull-up и сработало прерывание по переполнению таймера, то автомат переходит в состояние pull-air. Это один цикл измерений. Дальше автомат продолжает работать непрерывно новые и новые циклы.

Фаза 5. Граф переходов конечного автомата

На самом деле всё, что я тут написал можно объяснить только одной вот этой картинкой графа конечного автомата. Надо пробежаться по всем трём подтяжкам, в каждой подтяжке прочитать состояние пина и найти в подсказке строчку, которая соответствует этим измерениям и покажет в соседней колонке, что, собственно, подключено к этому конкретному пину со стороны улицы. Easy!

Фаза 6. Написать программный Си-код

Прежде всего LD надо сконфигурировать. Указать с какими пинами ему надо работать а с какими не надо.

Вот API. Как и любой программный компонент его надо проинициализировать load_detect_init(), затем прокручивать load_detect_proc() где-то с супер цикле.

А это код самого драйвера load-detect. Как видите все функции тривиальные и помещаются на один экран.

void load_detect_init(void) {
    // Инициализация
}

void load_detect_proc(void) {
    // Логика обработки состояния

    // Новые измерения
}

Как видите драйвер load-detect разом командует сразу всеми N пинами из конфига, подобно тому как в армии лейтенант командует сразу всем взводом (ровняясь! смирно! Напра-аааа-во!). Поэтому все N пинов переключают свои подтяжки синхронно.

Фаза 7. Отладить конечный автомат

Добавление интерфейса командной строки через UART-CLI для просмотра отчетов работы LD

Для того чтобы просмотреть отчет работы LD вам в прошивку надо добавить интерфейс командной строки поверх UART-CLI. Что это и зачем есть отдельный текст здесь. Иначе без UART-CLI Вы просто никогда не узнаете, где, собственно, обнаружились короткие замыкания. В прошивке отчет LD выглядит как ASCII табличка, где каждому GPIO пину поставлено в соответствие состояние его нагрузки: short GND/VCC или оpen-load.

Сборка для верификации микроконтроллерных плат

По-хорошему для верификации микроконтроллерных плат с производства должна быть собрана отдельная прошивка (сборка), которая прокручивает шестерни механизма load-detect. В этой сборке должны быть такие компоненты как TIMER, GPIO, UART, CLI, LD, LED. Эту сборку обычно называют BoardName_IO_Bang. Получается так, что плата как бы изнутри тестирует сама себя.

Лично мне load-detect однажды очень помог найти один чрезвычайно красивый аппаратный баг в первой ревизии одной новой платы. Схемотехники для мультиплексора RS2058 при трассировке взяли для схемотехники распиновку от корпуса MSOP10, а PCB поставили корпус QFN. Пины для MSOP10 и QFN, естественно, не совпадают по номерам. В результате мультиплексор RS2058 не пропускал сигнал и вообще не управлялся.

Вывод

При помощи манипуляции подтяжками напряжений на пинах микроконтроллера и измерений в нужный момент логического уровня на GPIO пине можно запросто определять такие высокоуровневые события как короткое замыкание на GND/VCC или отсутствие нагрузки (подключено бесконечное сопротивление).

Добавляйте в свои прошивки компонент load-detect. Это позволит Вам делать bring-up новых электронных плат легко и эффективно.

Ключевые понятия

• Application programming interface
• Voltage at the Common Collector (Supply voltage)
• printed circuit board
• Ball grid array
• Application-Specific Integrated Circuit

Ссылки

• load detect one pin look up table
• H-мост: Load Detect (или как выявлять вандализм)
• Почему Нам Нужен UART-Shell? (или Добавьте в Прошивку Гласность)
• Как делать тест PCB на пропай?
• Что такое конечный автомат Мили?
• Сколько времени длится переходной процесс установки подтяжки напряжения?

Опросы:

• Вы делаете load-detect для контроля пайки в новых электронных платах? (Проголосовало 31 пользователь, воздержались 7 пользователей).
• Вы делаете отдельные тестировочные прошивки для контроля качества изготовления электронных плат? (Проголосовали 34 пользователя, воздержались 7 пользователей).
• Вы поняли из этого текста механизм работы load-detect? (Проголосовали 37 пользователей, воздержались 4 пользователя).

Почему микроскоп Andonstar эффективен?

Микроскоп Andonstar — это эффективный инструмент для визуального контроля пайки SMD и BGA-компонентов. Его высокое качество изображения и увеличение позволяют увидеть и выявить мельчайшие дефекты паяных соединений.

Преимущества использования микроскопа Andonstar:

• Определение дефектов пайки на раннем этапе производства
• Увеличенное изображение для точного контроля качества
• Легкость в использовании
• Возможность фиксации изображения для последующего анализа
• Повышение эффективности процесса контроля пайки

Микроскоп Andonstar является незаменимым инструментом для специалистов, занимающихся пайкой электроники и контролем качества паяных соединений.С его помощью можно оперативно обнаруживать и устранять дефекты, что способствует улучшению надежности и стабильности работы электронных устройств.

Вывод

Анализ дефектов пайки микросхем является важным этапом в производственном процессе. Выявление и устранение дефектов на ранних этапах помогает повысить качество и надежность электроники. Микроскоп Andonstar предоставляет возможность качественного визуального контроля пайки SMD и BGA-компонентов, что делает его эффективным инструментом для специалистов, занимающихся пайкой электроники.

Причиной может быть смещение апертур трафарета, низкое качество или избыток паяльной пасты, загрязнения на поверхности платы. Для предотвращения их образования рекомендуется правильно дозировать пасту, следит за её сроком годности, обеспечить чистоту поверхности и полное совмещение апертур.

Образование бусинок контакта и шариков припоя

Капиллярное затекание припоя

Это возникает, когда припой проникает вверх по выводам компонента или растекается по печатной плате, что может привести к короткому замыканию, отсутствию или перемешиванию контактов.

Такое часто происходит из-за его избыточного количества или низкого качества, нарушения технологии процесса, использования слишком толстого трафарета. Один из рабочих способов, как защитить места пайки деталей от натёков, заключается в строгом контроле дозирования, соблюдении температурного режима, чтобы деталь была достаточно прогрета, а припой полностью расплавился.

Затекание припоя на выводы компонентов

Повреждение или растрескивание компонента

Этот дефект возникает, когда компонент получает механические повреждения в процессе сборки, например, из-за чрезмерного давления, перегрева, перекоса из-за избыточного содержания припоя или неправильного размещения на печатной плате.

Чтобы избежать этого, необходимо правильно устанавливать и обрабатывать компоненты с осторожностью, чрезмерно не сдавливать, избегать механического воздействия. Также правильно подбирайте тип припоя, чтобы избежать локального перегрева, приводящего к тепловой деформации.

Отслоение припоя или контактной площадки из-за внутренних напряжений

Причинами могут быть неправильно подобранная температура инструмента, несоответствие коэффициентов теплового расширения или недостаточная прочность паяного шва.

Для предотвращения данной ситуации важно правильно выставить на паяльном оборудовании температурный режим, выбирать компоненты с совместимыми коэффициентами теплового расширения.

Отслоение припоя / контакта

Образование пустот

Если внутри паяного соединения образуются пустоты, это приводит к плохой проводимости, нагреванию и разрушению контакта в процессе эксплуатации. Чем выше рабочие токи, тем быстрее это произойдёт.

Наиболее частая причина проблемы кроется в высокой скорости предварительного нагрева (свыше 1,5°C/сек). Также ошибка может крыться в неправильно подобранной комбинации припоя и паяльной пасты. Нередко этот дефект сопровождается появлением шариков из-за разбрызгивания припоя под давлением газов. Для предотвращения образования пустот рекомендуется правильно подбирать и дозировать припой, контролировать параметры пайки.

Пустоты паяного соединения

Деформация паяных соединений

Когда паяное соединение получает механическую деформацию, например, из-за высокого давления или нарушения технологии, это приводит к отказу или нестабильной работе электронного блока.

Чтобы исключить подобные дефекты паяных швов, необходимо правильно устанавливать компоненты с достаточным, но не чрезмерным, усилием, следить за технологией пайки, избегать перегрева элементов платы.

Механическая деформация паяного соединения

Отсутствие контакта / паяного соединения

Это случается, когда на плате нет нормального паяного соединения, что приводит к отсутствию или нестабильности контакта. Причинами могут быть неплотное прижатие, неправильная температура, загрязнения поверхностей.

Чтобы избежать непропая на плате, рекомендуется правильно устанавливать компоненты и прижимать с достаточным давлением, контролировать температурный режим, очищать паяемые поверхности, не забывать про флюс.

Отсутствие паяного соединения

Дефекты компонентов в корпусах BGA

Для элементов микросхем в корпусах BGA характерны следующие дефекты:

Рентгеновский контроль платы BGA

Преимущества микроскопов Andonstar для визуального контроля пайки

Линейка цифровых микроскопов Andonstar оптимально подходит для визуальной проверки качества пайки, поиска дефектов плат и электронных компонентов.

Цифровой usb микроскоп Andonstar

Обзор устройств стоит начать с ряда их преимуществ, которые положительно влияют на контроль качества работ:

Микроскопы Andonstar из обзора можно поделить на группы по особенностям их конструкции и характеристикам:

Визуальный контроль является важным этапом производства электроники. Все дефекты, возникающие в процессе, легко выявляются и анализируются с помощью микроскопов Andonstar. Их высокое разрешение, комбинация многократного цифрового и оптического увеличения, удобно организованное освещения делают их эффективными инструментами для контроля качества пайки при сборке микросхем с SMD и BGA-компонентами.

Пайка bga микросхем

Как паять платы? Как расшифровывается BGA? На эти два часто задаваемых вопроса, во время прохождения курсов пайки, отвечают мастера Bgacenter. От английского – ball grid arrey, то есть массив шариков, своим видом похожий на сетку. Шарики из припоя наносятся на микросхему через трафарет, затем потоком горячего воздуха, расплавляется сам припой и формируются контакты правильной формы.

Процесс пайки BGA состоит из определенной последовательности действий, соблюдая которую получаем качественное соединение. Существует большое количество нюансов, ради которых и приезжают на обучение.

Начиная с того под каким углом и на каком расстоянии от платы держать сопло фена, температурные режимы демонтажа и монтажа микросхем, с какой стороны заводить лопатку. А при проведении диагностики, и наличии межслойного короткого замыкания ничего не нагревается.

Как в этом случае найти неисправный элемент или цепь? И много других тонкостей которые может знать действующий мастер сервисного центра. И тот кто может подтвердить свой уровень выполненными ремонтами.

Ремонт iPhone в Bgacenter

90 % успешности ремонта зависит от правильно выполненного демонтажа микросхем. Именно на этом этапе важно не оторвать пятаки и не повредить микросхему высокой температурой. А начинают выпаивание чипа, с удаления компаунда.

Компаунд – полимерная смола (клей), обычно черного или коричневого цвета, применяемая при изготовлении системных плат телефонов. Назначение компаунда:

Наиболее ответственные микросхемы, такие как: CPU, BB_RF, EPROM, NAND Flash, Wi-Fi в заводских условиях после установки, заливаются компаундом. И перед тем как выполнять демонтаж, необходимо очистить периметр от смолы.

Выпаивание микросхем/Soldering chips