Wraz z postępem w dziedzinie mikroelektroniki i nanoelektroniki, HDI oraz elementów aktywnych/pasywnych umieszczanych w wewnętrznych warstwach PCB, kluczowe znaczenie dla jakości przesyłania sygnałów ścieżkami obwodu drukowanego ma jego sygnatura. Szczególnie wrażliwe na wszelkiego rodzaju zniekształcenia, takie jak przesunięcia fazowe, wydłużenie czasów narastania i opadania zboczy, opóźnienia, dzwonienie itp. są szybkie układy cyfrowe – pamięci, mikroprocesory, układy transmisji danych. Niewielkie zmiany przebiegu sygnałów mogą powodować zmiany impedancji prowadzące w konsekwencji do zwiększenia współczynnika fali stojącej (SWR). W rezultacie, ogólna wydajność urządzenia może ulec nawet znacznemu pogorszeniu.
Jak wiemy, w technice pomiarowej stosowane są połączenia dwu- lub czteroprzewodowe. Można zastanawiać się nad sensem stosowania czterech przewodów dołączanych do dwóch punktów pomiarowych. Może czegoś nie wiemy? Przyjrzyjmy się tej koncepcji.
Rezystancja połączeń w standardowym teście elektrycznym (ET) odnosi się do rezystancji end-to-end (od końca do końca) pojedynczego obwodu. Jest to opisane w normie IPC-9252 dotyczącej testowania płytek drukowanych. Na dokument ten powołuje się wiele innych norm i może być on traktowany jako standard dla testów elektrycznych. W tabeli 4-1 tej normy zostały przedstawione parametry połączeń i izolacji dla urządzeń klasy 1, 2 i 3. Odnoszą się one odpowiednio do poziomów testowych A, B i C. W tym przypadku rezystancja połączeń dla klasy 3/poziomu testowego C wynosi 10 omów. Oznacza to, że aby rezystancja punkt-punkt w obwodzie była zgodna z normą, nie może przekraczać 10 omów. O poprawności układu można więc mówić, jeśli rezystancja jest mniejsza od 10 omów. Problem może jednak wystąpić w przypadku powlekania przelotek, obwodów mikrofalowych i obwodów krytycznych czasowo. Zalecane są wówczas pomiary wysokiej rozdzielczości wykonywane 4-przewodowym mostkiem Kelvina. Historycznie pomiar taki był stosowany do wykrywania anomalii powlekania. Jeśli anomalie takie występują w badanej płytce, zmiany rezystancji mogą wskazywać na zwężenie powłoki lub niewystarczające połączenie w mikroprzelotkach.
W dzisiaj stosowanych technologiach rezystancje mają wpływ na ogólną wydajność obwodu, a co za tym idzie, na wydajność produktu końcowego.
Należy pamiętać, że test z 4-przewodowymi połączeniami kelwinowskimi różni się od standardowego testu ciągłości i wymaga użycia specjalnie przystosowanego sprzętu. Nie jest też dobrym rozwiązaniem stosowanie systemów do automatycznego testowania obwodów drukowanych (testerów osprzętu). Głównym powodem jest możliwość osiągnięcia progu ciągłości. Prawdę mówiąc, większość testerów osprzętu z lat 80. i 90. będzie miała trudności z uzyskaniem wyników poniżej wymaganego 5-omowego progu ciągłości, chyba że są objęte rygorystycznym programem konserwacji obejmującym odnawianie kaset i interfejsów pomiarowych. W przeciwnym razie zanieczyszczenia i utlenianie utrudnią przeprowadzenie testów przy niższych wymaganiach dotyczących ciągłości. Po drugie, większość testerów osprzętu nie jest w stanie przeprowadzić 4-przewodowego testu Kelvina ze względu na brak technologii pomiarowej systemu. Rozwiązaniem są testy stołowe lub sondy latające.
Obecnie można korzystać z technologii umożliwiającej testowanie elementów pasywnych przy użyciu znanej wartości. Jest to metoda powszechna w przypadku rezystorów, kondensatorów i cewek indukcyjnych. Wartości te można poznać na maszynach i porównać lub zaprogramować z góry określoną wartość. Stosuje się jednak w przypadku niższych wymagań dotyczących rozdzielczości, zwykle 3 omów i większych. Nadal jest to pomiar 2-przewodowy, ale o większej dokładności uzyskanej dzięki mniej skomplikowanemu okablowaniu i zerowaniu rezystancji przewodów w maszynie. Zazwyczaj możliwości takiej nie ma w testerach osprzętu.
Aby w pełni wykorzystać potencjał pomiaru o wysokiej rozdzielczości, wymagany jest 4-przewodowy mostek Kelvina. Jak mówi teoria, jeśli do wejścia urządzenia testowanego (DUT) podawane jest jakieś wymuszenie, rezystancja rozproszona/ kontaktowa jest w tym przypadku bocznikowana, pozostawiając jedynie rezystancję rzeczywistą. Pozwala to na bardzo precyzyjne pomiary w zakresie miliomów, a nawet mikroomów. Są to więc naprawdę bardzo niewielkie zmiany rezystancji. Taka cecha jest bardzo korzystna w przypadku identyfikacji anomalii powłok galwanicznych. Cienka miedź w przelotkach spowoduje zmianę rezystancji, którą można wykryć za pomocą 4-przewodowego mostka Kelvina, a tym samym usunąć z łańcucha dostaw i zapobiec utajonej awarii w terenie.
Technologia pomiarów szybko się rozwija, a metoda z zastosowaniem 4-przewodowych połączeń kelwinowskich znalazła nową niszę na rynku szybkich podłoży, HDI i mikrofal. Zmiany rezystancji są jednym z czynników wpływających na jakość szybkiej transmisji i propagacji fal. Powodują one również zmianę reaktancji obwodów. Niestety, nie jest to dobra wiadomość – zmiana ciągłości o 5 omów może być zbyt duża. Obecnie konstruktorzy określają przewidywaną rezystancję obwodów. Dotyczy to również podłoży ceramicznych, dla których rezystancja obwodu musi być przewidywalna w zakresie od 300 mW do 1,2 W. Tak małe wartości wymagają stosowania pomiarów w konfiguracji 4-przewodowych połączeń kelwinowskich, a co za tym idzie, również odpowiednio przystosowanych przyrządów. Mogą być one zaprogramowane tak, aby test był niewidoczny dla operatora. Wszystkie wyniki są ujmowane w generowanych automatycznie raportach umożliwiających ocenę przewidywalności.
Powyższe spostrzeżenia potwierdzają, że 4-przewodowe pomiary kelwinowskie stały się bardzo ważną metodą i narzędziem w dziedzinie ET. Standardowe testy, ukryte pasywne odpytywanie i 4-przewodowy Kelvin powinny znaleźć się w zestawie narzędzi producenta.
Źródło: Todd Kolmodin, PCB magazine, 2/2024
Opr. Jarosław Doliński
