Pruebas de sonda volante (Flying Probe Testing): cómo mejoran el control de calidad en la fabricación de PCB
14 min
- Métodos de prueba
- ¿Qué es la prueba de sonda volante?
- Qué comprueba la prueba de sonda volante
- En qué se diferencia la prueba en circuito de la prueba de sonda volante
- Cómo funciona la prueba de sonda volante
- Medida de la impedancia de las pistas en la prueba de sonda volante
- Principio de funcionamiento de la prueba Kelvin a 4 hilos
- Ventajas de la prueba de sonda volante
- Inconvenientes de la prueba de sonda volante
- Preguntas frecuentes sobre la prueba de sonda volante
- Conclusión: prueba de sonda volante
El proceso de fabricación de placas de circuito impreso (PCB) incluye una fase de pruebas fundamental. Cada placa tiene que someterse a pruebas para que el fabricante detecte cualquier problema eléctrico o del circuito antes de que salga de la planta. Si una PCB supera estas pruebas, hay más garantías de que funcionará de forma fiable. Los métodos de prueba más habituales son la prueba en circuito (ICT) y la prueba de sonda volante (Flying Probe Testing, FPT).
Seis sondas (agujas) de alta precisión, cuatro en la cara superior y dos en la inferior, se programan para hacer contacto con los pines de los componentes (incluidos los de paso fino) u otros puntos de contacto de una placa de circuito impreso o de un montaje y realizar estas pruebas eléctricas. Además de la prueba eléctrica, el comprobador de sonda volante también permite hacer pruebas funcionales y grabar programas a través de la interfaz JTAG. La FPT es una técnica de prueba de PCB muy precisa y extremadamente versátil que valida los montajes de PCB sin necesidad de utillajes ni bancos de prueba específicos. En este artículo vas a ver a fondo los principios, el proceso, las capacidades y las aplicaciones de la prueba de sonda volante en PCB.
Métodos de prueba
- ICT inteligente: prueba de cortocircuitos, pines abiertos y componentes.
- Prueba de impedancia Model-Z (NZT): detecta cortocircuitos y también da las características de los parámetros de la red, teniendo en cuenta todos los componentes.
- Método de electroescaneo: se examinan las conexiones de los pines y se detectan las soldaduras abiertas a partir de la intensidad de campo.
- Pruebas ópticas: mediante el análisis de imágenes de cámara (ampliable).
- Prueba Kelvin a 4 hilos: medida de la impedancia de las pistas.
¿Qué es la prueba de sonda volante?
La prueba de sonda volante (FPT) es un método de prueba automatizado que sirve para comprobar el funcionamiento eléctrico de las placas de circuito impreso (PCB). Usa sondas volantes que se desplazan por la placa para hacer contacto con distintos puntos de prueba y medir parámetros como la resistencia, la capacidad y la continuidad. A diferencia de la prueba en circuito tradicional, que usa un utillaje fijo de cama de agujas, la prueba de sonda volante es flexible y no necesita utillajes a medida. Por eso es ideal para producciones cortas, prototipos y diseños que cambian a menudo.
Un comprobador de sonda volante usa una o varias sondas de prueba, que pueden hacer contacto con la PCB tanto por la cara superior como por la inferior para llegar a los puntos de prueba. Las sondas se van desplazando de un punto a otro de la placa para probar varios conductores o componentes, siguiendo las instrucciones de un programa que describe la placa concreta que se está probando. Estas máquinas usan agujas de gran precisión para comprobar que la PCB funciona correctamente. La FPT también es ideal para producciones de volumen bajo y medio.
Qué comprueba la prueba de sonda volante
Las sondas volantes van montadas en brazos o cabezales controlados por un sistema robótico de movimiento de precisión, que las lleva a cualquier punto de prueba de la superficie de la PCB. Las sondas volantes permiten una cobertura completa de las pruebas eléctricas en montajes que van desde placas sencillas hasta PCB multicapa complejas con miles de puntos de prueba.
- Cortocircuitos y circuitos abiertos
- Defectos en el patrón de pistas
- Respuesta en tensión y en frecuencia
- Valores de los componentes pasivos
- Conectividad e integridad de señal
En qué se diferencia la prueba en circuito de la prueba de sonda volante
La prueba en circuito (ICT) es un método que sirve para evaluar la calidad y el funcionamiento de cada componente de una placa de circuito impreso (PCB). Este tipo de prueba usa un utillaje, conocido como «cama de agujas» (bed of nails), con muchas sondas que hacen contacto con los puntos de prueba definidos en la PCB.
Estas sondas inyectan señales de prueba y miden parámetros eléctricos como la tensión, la corriente, la resistencia y la capacidad para comprobar que los componentes están bien colocados, funcionan correctamente y están soldados sin defectos. La ICT es especialmente eficaz en la producción en serie, pero necesita un utillaje de prueba a medida, que puede ser caro y tardar en fabricarse, así que es menos adecuada para prototipos o tiradas cortas.
Cómo funciona la prueba de sonda volante
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Cargar la PCB
La PCB se carga en el sistema de prueba sobre unos soportes de precisión.
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Alinear ópticamente la placa
Las cámaras alinean el sistema de coordenadas de la PCB con el del comprobador.
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Importar el programa de prueba
Los parámetros de prueba se importan a partir de los datos CAD.
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Contactar los puntos de prueba
Las sondas de los distintos cabezales tocan los nodos de prueba definidos.
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Realizar las pruebas eléctricas
El comprobador aplica estímulos y mide según las pruebas programadas.
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Mover las sondas
Los cabezales cambian de posición las sondas para cubrir todos los nodos definidos.
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Repetir las pruebas
Los pasos 4 a 6 se repiten hasta comprobar todos los puntos.
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Mostrar los resultados
Los informes de apto/no apto identifican claramente los defectos para poder repararlos.
Todos estos pasos se pueden agrupar en las tres fases siguientes:
Fase 1: programación y generación del programa de prueba
Antes de empezar, tienes que crear un programa de prueba de sonda volante. Normalmente, estos programas se desarrollan en un PC aparte con una aplicación específica de generación de programas de prueba. Estas aplicaciones suelen necesitar los archivos Gerber, la lista de materiales (BOM) y los archivos de diseño electrónico asistido por ordenador (ECAD) para generar los puntos de prueba.
Fase 2: carga de las placas
Una vez creado el programa de prueba, hay que cargar la placa en la cinta transportadora del comprobador. La placa avanza por la cinta hasta la zona de prueba, donde trabajan las sondas. Puede tratarse de una sola placa o de varias, y la prueba dependerá de lo que indique el programa.
Fase 3: proceso de prueba
A continuación, las sondas «vuelan» por la placa siguiendo el programa de prueba. Aplican señales de prueba para hacer pruebas eléctricas y funcionales en distintos puntos de la placa. Después se procesan las medidas para determinar si cada parte del circuito cumple lo esperado.
Si la placa no da los resultados esperados o se desvía de lo programado, el comprobador indicará que la unidad tiene un defecto y que, por tanto, no ha superado la prueba.
Medida de la impedancia de las pistas en la prueba de sonda volante
La prueba Kelvin a 4 hilos, también conocida como medida de resistencia a 4 hilos o medida con sonda de 4 puntos, es una técnica que sirve para medir con precisión resistencias de valor bajo. Se usa habitualmente en aplicaciones que exigen mucha precisión y un error de medida bajo, como la prueba de conductores eléctricos, resistencias o dispositivos semiconductores. En el caso de las PCB, se usa este método para medir la resistencia entre dos puntos.
Principio de funcionamiento de la prueba Kelvin a 4 hilos
1Sondas de corriente
Las dos sondas de corriente se conectan a los extremos del componente o del material que se está probando. Se encargan de hacer pasar por la muestra una corriente conocida y precisa. Normalmente se las llama sondas exteriores.
2Sondas de medida de tensión
Las dos sondas de medida de tensión se colocan sobre la muestra, normalmente a una distancia determinada de las sondas de corriente, y miden con precisión la caída de tensión en la muestra. Se las conoce como sondas interiores.
3Proceso de medida
Durante la medida, se hace pasar una corriente constante por la muestra a través de las sondas de corriente. Después, se mide la caída de tensión en la muestra con las sondas de medida de tensión. Como las sondas de corriente y las de tensión están físicamente separadas, la medida de tensión no se ve afectada por la resistencia de los cables ni por las resistencias de contacto. Además, gracias a la alta impedancia de entrada del voltímetro, no hay caída de tensión en sus puntas de contacto. Con esta disposición se obtiene un valor más preciso de la resistencia de la muestra.
4Cálculo
La resistencia de la muestra se calcula con la ley de Ohm (R = V/I), donde R es la resistencia, V es la tensión medida en la muestra e I es la corriente que circula por ella. Este método es especialmente útil para medir resistencias bajas o cuando se necesita una gran precisión de medida.
Ventajas de la prueba de sonda volante
La FPT tiene muchas ventajas. Estas son algunas de las principales razones para incorporar la prueba de sonda volante al proceso de montaje de placas de circuito impreso:
Ventajas
- Pruebas más baratas: la FPT cuesta menos que la ICT porque no necesita utillajes a medida.
- Ideal para producciones pequeñas y medianas: la prueba de sonda volante es muy adecuada para lotes pequeños, porque el coste y el tiempo de desarrollo son bajos. Aunque no sea la mejor opción para la producción en serie, se puede usar para muestras y prototipos.
- Menos tiempo de desarrollo: el tiempo de prueba de la FPT depende del tamaño de la PCB. En la mayoría de los casos, se tarda entre 5 y 15 minutos por placa.
- Más flexibilidad: la automatización de la FPT facilita los cambios en las pruebas. Aunque tiene limitaciones en algunas pruebas más complejas, su capacidad para adaptarse a las variaciones la hace muy útil.
- Exactitud y precisión: las sondas se posicionan con gran precisión y fiabilidad, lo que ayuda a evitar problemas en los productos terminados.
Inconvenientes de la prueba de sonda volante
Inconvenientes
- Posibles daños físicos: como las sondas volantes hacen contacto físico directo con las vías y los pads de prueba, suelen dejar pequeñas marcas en la superficie de la placa, y algunos fabricantes (OEM) lo consideran un defecto de fabricación. Aun así, con los avances tecnológicos, los nuevos comprobadores de sonda volante están reduciendo este problema.
- Posible deterioro de las soldaduras: a veces, cuando un componente no tiene pad de prueba, la sonda puede tocar directamente la patilla del componente y dejarla floja o deteriorar la soldadura.
- No es adecuada para grandes volúmenes ni para placas grandes y complejas: la FPT solo trabaja con unas pocas sondas, que tienen que recorrer todos los puntos de prueba de la placa. En placas pequeñas y muestras no suele ser un problema, pero no es recomendable para placas grandes y complejas fabricadas en grandes volúmenes.
A pesar de estos inconvenientes, la FPT sigue siendo un método de prueba importante en la fabricación y el montaje de PCB, y seguirá teniendo un papel clave para que los productos electrónicos alcancen un gran rendimiento y una alta fiabilidad.
Lectura recomendada: Guía de pruebas de PCBA: métodos, procesos y estándares de calidad
Preguntas frecuentes sobre la prueba de sonda volante
P: ¿A partir de qué volumen de producción conviene pasar de la prueba de sonda volante a la prueba en circuito (ICT)?
En el sector, el punto de equilibrio suele estar entre 50 y 250 placas. Por debajo de esa cantidad, la FPT sale más a cuenta porque te ahorras los 2000-6000 $ que cuesta fabricar un utillaje de ICT. Pero cuando la producción supera las ~250 unidades, el ciclo lento de la FPT (15 min por placa) se convierte en un cuello de botella, y la prueba casi instantánea de la ICT (<1 min por placa) pasa a ser la opción más barata y rápida, a pesar del coste inicial del utillaje.
P: ¿La prueba de sonda volante puede comprobar las conexiones ocultas bajo un BGA?
Por lo general, no. La FPT necesita acceso físico a un punto de prueba. Si las soldaduras de un BGA quedan ocultas bajo el encapsulado y no se sacan (fan-out) a una vía o a un pad de prueba accesible, la sonda no puede tocarlas. Aun así, las máquinas de FPT más avanzadas usan sensores capacitivos «TestJet» para detectar circuitos abiertos en los pines de los BGA sin necesidad de contacto físico directo.
P: ¿Y si no tengo los datos CAD? ¿Puedo hacer igualmente la prueba de sonda volante?
Es posible, aunque no es sencillo. Este método se conoce como «ingeniería inversa» o «aprendizaje a partir de una placa patrón» (golden board). Se escanea físicamente una placa que funciona bien, la máquina aprende las impedancias de todos los puntos y crea el programa de prueba tomando esa placa como referencia. Es menos preciso que trabajar con los datos CAD/Gerber originales y la configuración lleva mucho más tiempo, pero merece la pena en placas antiguas cuyos datos ya no están disponibles o se han perdido.
P: ¿La marca que deja la sonda afecta a la fiabilidad de la PCB?
En la gran mayoría de los casos, no. La pequeña marca que deja una sonda en una soldadura suele ser solo estética y está dentro de lo que aceptan las normas de fabricación IPC. Sin embargo, si una sonda golpea por accidente una pista de cobre desnuda o el cuerpo de una resistencia pequeña, puede dañarla. Para evitarlo, los ingenieros programan ajustes de velocidad y presión de «aterrizaje suave» y limitan el contacto a pads de prueba sólidos o a soldaduras.
Conclusión: prueba de sonda volante
En resumen, la prueba de sonda volante permite comprobar de forma rápida, precisa y completa la calidad de las PCB montadas, sin necesidad de utillajes a medida. Gracias al control robótico de movimiento avanzado, a la tecnología de las sondas y a la automatización, los comprobadores de sonda volante pueden inspeccionar la gran mayoría de las placas montadas que entregan los fabricantes. Al sustituir las pesadas pruebas manuales, la prueba de sonda volante garantiza la calidad y la fiabilidad de forma eficiente y económica. Y, con los avances que siguen ampliando sus posibilidades, tendrá un papel cada vez más importante en la fabricación de productos electrónicos.
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