В эпоху, доминирующую благодаря 112G/224G SerDes и сигнализации PAM4, целостность высокоскоростных сигналов (SI) стала главной проблемой в проектировании и производстве печатных плат. Каждое переходное отверстие, каждая трасса и каждое паяное соединение BGA могут стать узким местом производительности. В такой сложной и плотной электронной среде традиционные методы тестирования уже недостаточны. В этот момент выделяется технология Boundary-Scan/JTAG — это не просто стандарт тестирования, но и основной столп, обеспечивающий качество и надежность на протяжении всего процесса, от верификации проекта до массового производства. Это ключ к решению проблем сверхвысокоскоростных соединений и низких потерь.

Как эксперты по SI высокоскоростных соединений, мы понимаем, что даже незначительный производственный дефект, такой как холодная пайка или короткое замыкание под BGA, может привести к коллапсу всего бюджета канала, препятствуя открытию глазковой диаграммы. Boundary-Scan/JTAG (Joint Test Action Group, стандарт IEEE 1149.1) предоставляет элегантное, неинтрузивное решение. Оно позволяет нам глубоко получать доступ к выводам ИС без физических зондов, проверяя тысячи скрытых точек межсоединений, тем самым выявляя и устраняя проблемы на самых ранних этапах жизненного цикла продукта. Это критически важно для предоставления высококачественных услуг Turnkey PCBA, поскольку это фундаментально улучшает выход годных изделий и надежность продукта.

Почему тестирование высокоскоростных печатных плат не может обойтись без Boundary-Scan/JTAG?

По мере развития технологий корпусирования устройств в сторону BGA (Ball Grid Array), LGA (Land Grid Array) и разъемов высокой плотности, традиционное внутрисхемное тестирование (ICT) методом «ложа из гвоздей» сталкивается с беспрецедентными проблемами физического доступа. Зонды не могут достичь тысяч паяных шариков под корпусами BGA, а также не могут найти опору среди выводов с шагом 0,4 мм. Это резко снижает охват методов тестирования, основанных на физическом контакте.

Технология Boundary-Scan/JTAG элегантно решает эту проблему. Интегрируя последовательный сдвиговый регистр (т.е. ячейки граничного сканирования) рядом с выводами ввода/вывода внутри микросхемы, она соединяет все выводы в «цепочку сканирования». Во время тестирования нам нужно получить доступ только к нескольким выделенным портам доступа для тестирования (TAP) на микросхеме – TCK, TMS, TDI, TDO и, опционально, TRST – чтобы контролировать и наблюдать состояние всех JTAG-совместимых выводов устройств на всей печатной плате.

Преимущества этого метода очевидны:

1. Преодоление физических ограничений: Устраняет необходимость в сложных тестовых приспособлениях для каждой тестовой точки, значительно упрощая сложность и стоимость разработки приспособлений (ICT/FCT).
2. Улучшение тестового покрытия: Обнаруживает дефекты, такие как обрывы, короткие замыкания и мостики под корпусами BGA и разъемами, которые традиционные методы не могут идентифицировать.
3. Упрощение дизайна: Уменьшает потребность в физических тестовых точках на печатных платах, освобождая ценное пространство для трассировки высокоскоростных сигналов – что особенно важно для проектов высокой плотности, таких как HDI PCB.
4. Раннее Обнаружение Дефектов: Тестирование JTAG сразу после сборки позволяет выявить и устранить производственные дефекты до функционального тестирования, предотвращая эскалацию проблем и снижая общие затраты на ремонт.

Как JTAG Обеспечивает Целостность Сигнала в Высокоскоростных Соединениях?

Для обеспечения целостности высокоскоростного сигнала безупречные физические соединения являются основополагающими. Бюджет производительности канала 112G SerDes чрезвычайно ограничен — любая неоднородность импеданса, перекрестные помехи или увеличенные потери, вызванные производственными дефектами, могут привести к сбою соединения. Boundary-Scan/JTAG выступает в роли «хранителя» этой физической основы.

Тестирование межсоединений JTAG загружает специфические тестовые векторы в цепочку сканирования для точной проверки:

• Межмикросхемные Соединения: Обеспечивает целостность и корректность пути от выводного контакта драйвера одной микросхемы к выводному контакту приемника другой микросхемы.
• Обнаружение Обрывов: Идентифицирует обрывы, такие как пустоты в пайке BGA, изломы выводов или разрывы дорожек печатной платы.
• Обнаружение Коротких Замыканий и Перемычек: Обнаруживает непреднамеренные электрические короткие замыкания между соседними выводами или дорожками. Например, при тестировании интерфейса памяти DDR5 критически важны правильные соединения адресных линий, линий данных и управляющих линий. С помощью JTAG мы можем проверить электрические соединения сотен линий по одной, не запуская контроллер памяти, гарантируя, что аппаратная платформа является «заведомо исправной» перед проведением высокоскоростного функционального тестирования. Это значительно сокращает цикл отладки и обеспечивает надежность конечного продукта. Как профессиональный производитель, Highleap PCB Factory (HILPCB) включает тестирование JTAG в качестве стандартного шага в свой процесс производства высокоскоростных печатных плат, чтобы гарантировать, что каждая печатная плата, поставляемая клиентам, демонстрирует исключительные электрические характеристики.

Ключевая роль Boundary-Scan/JTAG в процессах производства печатных плат (PCBA)

В современных услугах по производству электроники (EMS) Boundary-Scan/JTAG является ключом к бесшовной интеграции проектирования, производства и тестирования. Он охватывает весь жизненный цикл сборки печатных плат (PCBA), и его ценность максимально проявляется, особенно при предоставлении комплексных услуг Turnkey PCBA.

1. Фаза проектирования (DFT): Планирование топологии цепочки сканирования JTAG, маршрутизации сигналов и терминирования на ранней стадии проектирования является основой для успешной реализации тестирования. Услуги DFM (Design for Manufacturability)/DFT (Design for Testability) компании HILPCB тесно сотрудничают с клиентами, чтобы гарантировать соответствие дизайна JTAG лучшим практикам.
2. Валидация прототипа: На этапе прототипирования JTAG является мощным инструментом для быстрой отладки аппаратного обеспечения. Инженеры могут использовать его для проверки качества пайки, изоляции областей неисправностей и даже загрузки тестового кода без пайки микросхем хранения прошивки.
3. Массовое производство SMT: На производственных линиях SMT (Surface Mount Technology) тестирование JTAG обычно следует за пайкой оплавлением. Оно быстро отсеивает дефектные платы, вызванные проблемами процесса пайки (например, плохая печать паяльной пасты, смещение компонентов), предотвращая их попадание в последующие процессы и тем самым повышая эффективность производства.
4. Системная интеграция и ремонт: На более поздних этапах жизненного цикла продукта JTAG остается надежным инструментом для диагностики и ремонта, позволяя быстро локализовать неисправности и направлять усилия по ремонту.

Совместная стратегия между JTAG и другими методами тестирования

Хотя Boundary-Scan/JTAG является мощным инструментом, это не панацея. Он в основном сосредоточен на межсоединениях между цифровыми ИС и неэффективен для тестирования аналоговых компонентов, цепей питания, самих разъемов и устройств, не поддерживающих JTAG. Поэтому надежная стратегия тестирования обычно включает комбинацию нескольких методов.

• JTAG + Тест летающим щупом: Для мелкосерийного, высокономенклатурного прототипирования или производства тест летающим щупом предлагает исключительную гибкость без необходимости в дорогостоящих приспособлениях. Он может охватывать аналоговые компоненты, дискретные компоненты и тестовые точки, которые JTAG не может тестировать. JTAG обрабатывает межсоединения цифрового ядра, в то время как летающий щуп занимается периферийными цепями, дополняя друг друга.
• JTAG + Внутрисхемное тестирование (ICT): Для массового производства ICT обеспечивает более высокую скорость тестирования. Благодаря тщательному проектированию оснастки (ICT/FCT), ICT может тестировать несколько узлов одновременно. В этом режиме JTAG используется для тестирования устройств, таких как BGA, которые физически недоступны, в то время как ICT обрабатывает остальное, образуя идеальное сочетание "структурного тестирования" и "электрического тестирования".
• JTAG + Функциональное тестирование (FCT): JTAG обеспечивает электрическую корректность аппаратной платформы, прокладывая путь для функционального тестирования. Платы, протестированные с помощью JTAG, могут больше сосредоточиться на программном обеспечении, микропрограммах и проверке функциональности на системном уровне во время FCT, а не на устранении проблем с подключением оборудования.

Эта многоуровневая, совместная стратегия тестирования является отличительной чертой высококачественных услуг Turnkey PCBA, гарантируя, что продукты проходят наиболее полную проверку перед выходом с завода.

Проблемы и меры противодействия при реализации цепочек JTAG для высокоскоростных проектов

Как эксперт по целостности сигналов, я должен подчеркнуть: сама цепочка JTAG также является цифровой сигнальной линией. При неправильном проектировании могут возникнуть проблемы с целостностью сигнала, особенно на больших и сложных платах backplane.

Ключевые проблемы включают:

• Затухание сигнала: Цепочка JTAG может проходить через всю печатную плату, соединяя десятки устройств с общей длиной в несколько метров. Сигнал TCK (Test Clock) может затухать и искажаться после передачи на большие расстояния.
• Сдвиг тактового сигнала: Чрезмерная длина трасс TCK и неподходящие топологии могут привести к несовпадению времени прибытия тактового сигнала на разных устройствах, что вызывает проблемы с синхронизацией.
• Несоответствие импеданса и отражения: Трассы сигналов JTAG также требуют контроля импеданса. Неправильное согласование или звездообразные топологии могут вызвать сильные отражения сигнала.
• Перекрестные помехи: Если трассы сигналов JTAG проходят параллельно другим трассам высокоскоростных сигналов слишком долго, они могут страдать от перекрестных помех, и наоборот.

Стратегии снижения рисков:

1. Оптимизация топологии: Отдавайте предпочтение последовательным топологиям и избегайте звездообразных соединений. Для больших печатных плат проектируйте несколько независимых, более коротких цепочек сканирования и выбирайте их через контроллер JTAG.
2. Буферизация сигнала: Устанавливайте буферы на промежуточных или критических узлах длинных цепочек для восстановления и усиления сигналов JTAG, особенно TCK.
3. Стратегия согласования: Используйте подходящие подтягивающие резисторы на линиях TDI, TMS и TCK и последовательные резисторы на линиях TDO для улучшения качества сигнала и предотвращения плавания шины.
4. Специальные правила трассировки: Трассируйте сигнальные линии JTAG как группу и соблюдайте достаточное расстояние от других высокоскоростных сигналов или источников шума. Обеспечьте контроль импеданса 50 Ом для однопроводных линий.

На фабрике печатных плат Highleap (HILPCB) наши инженеры DFM используют профессиональные инструменты SI-моделирования для предварительного анализа JTAG-проектов клиентов, обеспечивая стабильную и надежную работу после физической реализации.

Помимо тестирования соединений: Расширенные применения JTAG

Значение Boundary-Scan/JTAG выходит далеко за рамки простого тестирования соединений. Его гибкая архитектура делает его универсальным инструментом для работы с платами и системами.

• Программирование в системе (ISP): JTAG является стандартным интерфейсом для загрузки прошивки или конфигурационных данных в программируемые устройства, такие как FPGA, CPLD, микроконтроллеры и Flash-память. Это позволяет программировать устройства на производственной линии и даже удаленно обновлять прошивку после выпуска продукта, что значительно повышает гибкость.
• Тестирование кластеров памяти: Через JTAG можно управлять процессорами или FPGA для записи и чтения тестовых шаблонов в/из подключенных кластеров DDR-памяти, что позволяет проводить углубленное функциональное тестирование интерфейсов памяти без запуска операционной системы.
• Отладочные работы после производства чипов: Для разработчиков чипов и инженеров по отладке систем JTAG предоставляет "черный ход" в чип, позволяя получать доступ к внутренним регистрам, устанавливать точки останова и выполнять код пошагово, что делает его идеальным инструментом для низкоуровневой отладки оборудования.

Эти расширенные возможности делают хорошо продуманный интерфейс JTAG ценным активом на протяжении всего жизненного цикла продукта, особенно в сложных проектах Turnkey PCBA, где он упрощает каждый этап производства, тестирования и обслуживания.

• Ускорение выхода на рынок: Значительно сократите циклы отладки оборудования благодаря быстрой и точной диагностике неисправностей.
• Снижение производственных затрат: Раннее обнаружение и исправление дефектов позволяет избежать дорогостоящих доработок и брака, особенно при использовании сложных процессов, таких как `Селективная волновая пайка`.
• Повышение качества и надежности продукта: Гарантируйте, что каждая отгружаемая PCBA проходит строгие структурные испытания для снижения частоты отказов в полевых условиях.
• Упрощение полевого обслуживания: Поддержка удаленной диагностики и обновлений прошивки для снижения затрат на послепродажное обслуживание.