Bei automatischen Testeinrichtungen für Elektronikschaltungen wird es immer schwieriger, den Einsatz herkömmlicher Nadelbettadapter zu rechtfertigen. Hohe Packungsdichten in Kombination mit immer kürzer werdenden Produktlebenszeiten verhindern häufig, dass sich die Kosten für den Adapter amortisieren. Die Alternative sind sogenannte Flying-Probe-Systeme, bei denen die Testprobes zu den einzelnen Testpads gefahren werden.
Durch diese Flexibilität eignen sie sich besonders für den automatischen Test von Prototypen, in der Produkteinführungsphase, bei der Produktion kleinerer Stückzahlen oder vieler unterschiedlicher Baugruppen, wo sich die für Nadelbettadapter anfallenden Kosten nicht rechnen. Zur Weiterentwicklung von Flying Probes mit beigetragen haben moderne DC-Servomotoren, die hohe Funktionalität, Leistung und Dynamik bei minimalem Bauvolumen bieten und sich einfach in die Applikation integrieren lassen.
Kleinserien und Prototypen großer komplexer Backplanes mit Hunderten von Steckverbindern oder Komponenten kostengünstig elektrisch zu testen ist eine technische Herausforderung. Die in Hamburg ansässige Firma Scorpion Technologies hat sich mit ihrem Flying-Probe-Tester der jüngsten Generation dieser Herausforderung gestellt. Der Flying Scorpion ist ein multifunktionales Backplane-Testsystem, mit dem präzise Tests mit hoher Geschwindigkeit durchführt werden können. In Verbindung mit dem CAD-Konvertierungsprogramm des gleichen Herstellers lassen sich selbst größte Backplanes mit hochpoligen Steckverbindern noch am selben Tag automatisch testen, an dem die CAD-Daten vorliegen.
Flexible Testmöglichkeiten von zwei Seiten
Die prinzipielle Funktionsweise dieser flexiblen Testsysteme ist einfach zu verstehen. Zunächst positionieren Planarantriebe die beweglichen Joystick-Probes über den Testpunkten. Die sogenannten Läufer sind je nach Ausbaustufe mit 2 bis 5 Probes bestückt. Die Tests sind dabei beidseitig, also sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite der Backplanes möglich (Bild 1). Dank eines ausgeklügelten Dreiachspositioniersystems können sich die Testnadeln oder -cups frei in allen drei Raumachsen bewegen und auch unzugängliche Testpads seitlich in variablen, genau definierbaren Anstellwinkeln anfahren. Die entsprechenden Testkoordinaten lassen sich anhand der CAD-Daten errechnen und für die Positionierung nutzen. In allen drei Achsen wird dabei sehr präzise positioniert, um auch extrem kleine Testpads zu erreichen. Dadurch können z.B. auch DIN-Leisten, VHDM- oder HMZD-Stecker und Sockelverbinder zuverlässig kontaktiert werden. In der X- und Y-Achse beträgt die Genauigkeit +/- 10 µm, in der Z-Achse +/- 100 µm.
Um diese hohe Positioniergenauigkeit zu gewährleisten, müssen die an den Achsen der Flying Probes eingesetzten Antriebssysteme hohe Anforderungen erfüllen. Sie müssen beispielsweise möglichst spielfrei arbeiten. Gleichzeitig verlangt der Einsatz innerhalb eines bewegten Systems nach leichten Antrieben, die aber trotzdem vergleichsweise viel Leistung erbringen müssen. Immerhin sind die Flying Probes für bis zu 12 Tests pro Sekunde ausgelegt. Weitere wichtige Forderungen der Applikation des Hamburger Unternehmens waren Wartungsfreiheit, Langlebigkeit und einfacher Service, um einen reibungslosen Betrieb der Testsysteme zu gewährleisten.
Kompakte Antriebe für die Flying-Probes
Die Wahl fiel schließlich auf Antriebslösungen aus dem Standardprogramm des Kleinmotorenspezialisten Faulhaber. An den drei Achsen jedes der beweglichen Test-Probes sind bürstenlose Servoantriebe der Serie 1628 eingesetzt (Bild 2). Der Selten-Erde-Magnet des Rotors und die Faulhaber-Schrägwicklung verleihen diesen Motoren eine hohe Dynamik und Leistung bei verhältnismäßig kleinem Bauvolumen. Bei Drehzahlen bis 40.000 U/min, 11 W Abgabeleistung und einem Drehmoment von 2,6 mNm sind die Antriebe bei 16 mm Durchmesser lediglich 28 mm lang und wiegen nur etwa 30 g. Ein sehr fein laminiertes Blechpaket reduziert die Verluste durch Wirbelströme im Stator auf ein Minimum. Der Wirkungsgrad der Antriebe ist dadurch mit ca. 70% vergleichsweise hoch.
Die Antriebe arbeiten praktisch verschleißfrei; ihre Lebensdauer wird grundsätzlich nur durch Lebensdauer der Kugellager und der eingesetzten Elektronikkomponenten begrenzt. Wird der Motor bei den im Datenblatt empfohlenen Werten betrieben, ist eine durchschnittliche Lebensdauer von mehr als 10.000 Betriebsstunden zu erwarten. Die für die Applikation notwendige Untersetzung liefert eine direkt am Antrieb angebaute Spindel.
Magnetischer Impulsgeber mit geringen Abmessungen
Für eine präzise Positionierung ist es zwingend, die Ist-Position der Motoren zu kennen. Auch hierfür fand sich im „Antriebsbaukasten“ des Herstellers eine passende Lösung. Bei den am Flying Scorpion eingesetzten Achs-Positioniersystemen werden die aktuellen Positionen an jedem Motor mit einem magnetischen Impulsgeber erfasst, der pro Umdrehung 256 Impulse liefert. Die Impulsgeber (Bild 3) bestehen aus einem am Rotor befestigten magnetischen Zahnring und einem Hybridschaltkreis. Der auf dem Hybrid integrierte Sensor wandelt die Magnetfelddifferenzen zwischen Zahnkopf und Zahnfuß in elektrische Signale um, die von einem integrierten Schaltkreis aufbereitet werden. An den Ausgängen stehen dann zwei um 90° phasenverschobene Rechtecksignale zur Verfügung, die die Systemsteuerung der Flying Probes anschließend weiterverarbeitet. Die einfach aufgebauten, robusten Impulsgeber sind sehr kompakt und lassen sich direkt am Motor anbauen. Sie werden am freien Ende der Motorwelle aufgesteckt und mit drei Schräubchen fixiert, der Antrieb wird lediglich um etwa 10 mm verlängert. Die Anschlüsse von Impulsgeber und Motor sind in der beschriebenen Anwendung in einem gemeinsamen Flachbandkabel geführt, was den elektrischen Anschluss deutlich vereinfacht.
Auch die mechanische Montage ist einfach und praxisgerecht (Bild 4). Die kompletten Antriebseinheiten müssen lediglich mit je drei Schrauben an der Achse fixiert werden. Ein im Rahmen von Servicearbeiten notwendiger Austausch ist dadurch einfach und schnell möglich. Die miniaturisierte Antriebstechnik trägt damit wesentlich dazu bei, dass sich automatische Testsysteme mit den präzise und mit hoher Geschwindigkeit positionierbaren Flying Probes eine neue Dimension erschließen.
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