Ist Testen wirklich nur ein kostenträchtiger Produktionsschritt?

Anforderung bestimmt Testmethode

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Das Testen hat in den letzten Jahren einen drastischen Wandel erfahren. Neben den klassischen elektrischen Testverfahren In-Circuit- und Funktionsprüfung sind verstärkt optische und Röntgen-Inspektionsverfahren in die Elektronikfertigung eingezogen. Es wird also ein immer höherer Prüfaufwand betrieben, um die komplexen Elektronikprodukte möglichst fehlerfrei zu fertigen. Andererseits zwingt der harte Wettbewerb in dieser Branche dazu, die Produkte so kostengünstig wie möglich herzustellen. Da die hohe Integration auch die Qualität der Elektronik erhöht, stellt sich die Frage, ist der Fertigungsschritt Prüfen nur kostenträchtig und könnte entfallen? Diese Frage diskutierte die Redaktion mit ATE-Spezialisten.

Das Testen hat sich in den letzten 10 Jahren stark verändert. Gerade in der SMD-Fertigung verlagert sich der Test immer mehr von den Endgeräten, sprich elektrischer Test, zu einer Fertigungsprüfung, in der AOI- und AXI-Systeme verstärkt Anwendung finden. Sie ergänzen laut Thorsten Niermeyer, AOI-Produktmanager bei Agilent Technologies, die Produktpalette der In-Circuit-Tester und erhöhen die Fehlerabdeckung. Das Erfassen der elektrischen Funktionsfehler am Ende der Linie allein sei nicht mehr ausreichend, um kosteneffektiv zu arbeiten. Er meint: „Das Prüfen von komplexen Schaltungen am Ende der Linie wird immer notwendig bleiben. Um die Qualität der angelieferten Prüflinge zu erhöhen, sehe ich einen verstärkten Bedarf von Prüfsystemen in der Linie, die möglichst frühzeitig Prozessfehler aufdecken und ein Feedback geben. So denke ich wird in Zukunft eine kostengünstige Ergänzung aus Fertigungs- und Endtest erreicht werden.“

„Testen ist nicht nur dazu da, die Kontrolle der Fertigung zu erhalten, sondern es dient auch zu ihrer Optimierung. Es geht beim Testen nicht mehr nur rein um die Verifizierung, ob eine Baugruppe funktioniert, sondern zunächst einmal darum sicherzustellen, dass die Fertigung optimiert werden kann“, führt Peter Kuhlemann, Field Product Specialist bei der Teradyne Assembly Group, aus. Deshalb seien die Kosten, die mit einem Inspektionssystem zusammenhängen nicht nur im Zusammenhang damit zu sehen, dass man die Qualität sicherstellt, sondern dass man die Fertigung optimieren und damit Kosten einsparen könne. Dies erkläre den Trend zu visuellen Inspektionssystemen, die dazu dienen, auftretende Fehler so frühzeitig wie möglich zu erkennen und damit kostengünstig zu optimieren. „Zunächst muss man auf die gestellte Frage antworten, ja es sind Kosten mit dem Testen verbunden, aber der Sinn der Tester ist es, die Fehlerkosten in der Fertigung zu optimieren. Der elektrische Test ist bei Baugruppen immer erwünscht, aber durch die hohe Packungsdichte wird die Kontaktierung immer schwieriger und daher auch der Trend zur optischen Inspektion“, ist er überzeugt.
Siegfried Schneider, im Vertrieb bei Spea, fährt fort: „Ich sehe, dass die Fertigungsqualität immer stabiler wird. Daraus folgt, dass man kostengünstige Lösungen für den Test realisieren kann, die sicherstellen, das die Qualität weiterhin überwacht wird. Wir werden sicherlich immer einen elektrischen Test haben, aber neben den klassischen ICTs kann man hier zu Flying-Probe-Testern übergehen. Ich sehe weiterhin eine Kombination zwischen elektrischem und optischem Test zur Sicherstellung einer möglichst hohen Fertigungsqualität.“
„Der Test bleibt selbstverständlich auch in Zukunft ein wichtiger integraler Bestandteil der Produktion“, ergreift Daniel Seemann, Vertrieb und Marketing Systeme und Projekte Produktionstest bei Rohde & Schwarz, das Wort, und erklärt weiter: „Bevor man einen Funktionstest und den Software-Upload machen kann, muss man sicher sein, dass das Board beim ersten Einschalten keine Kurzschlüsse etc. aufweist. Dazu gibt der In-Circuit-Test neben dem Funktionstest die nötige Sicherheit. Wir wollen Board und Funktionstest stärker zusammenziehen, dadurch wird der Test für den Anwender kostengünstiger. Es entfällt viel Handling und man hat auch die Möglichkeit, die Software-Funktionen in die Speicher der Produkte zu laden. Das alles, vereinigt in einem modularen System, gibt die Möglichkeit, Testlösungen sehr kostengünstig und flexibel anzubieten.“
„Das Thema Kosten in der Elektronikproduktion ist schon immer ein sehr wichtiges Thema“, übernimmt Manfred Philipig, Marketing und Vertriebsleiter, Scorpion Technologies. „Bei den Kosten wird sehr oft vom No-Value-Add des Testens gesprochen. Auf der anderen Seite ist es so, dass in vielen kritischen Bereichen Elektronik eingesetzt wird, und es deshalb unerlässlich ist, ein Maximum an Testabdeckung zu garantieren. Es ist für viele Firmen essenziell, aus Haftungsgründen nachweisen zu können, dass adäquate Testverfahren durchgeführt werden. Damit verursacht Testen in den unterschiedlichen Produktionsschritten sicherlich Kosten, aber unter dem Gesamtaspekt eines Produktes in einer Fertigung ist Testen zu essenziell, um weggelassen zu werden.“
Zur Frage, welche Testtechnologien am besten eingesetzt werden sollen, antwortet Siegfried Schneider: „Die unterschiedlichen eingesetzten Testtechnologien dienen dazu, die Bedürfnisse der jeweiligen Fertigung, wie Komplexität der Baugruppen, Volumen etc. optimal zu erfüllen. Bei hohen Stückzahlen, die üblicherweise eine höhere Qualität aufweisen, eignet sich ein In-Circuit-Test, bei kleineren Stückzahlen und dem Prototyping ist eine Flying-Probe-Teststrategie die bessere. Es ist auch sinnvoll eine Kombination aus AOI und Boardtest bzw. AOI und Flying-Probe-Test einzusetzen. Das sind derzeit die verbreitetsten Teststrategien und werden es auch bleiben.“
„Die Testlösung nach den Bedürfnissen des Produktes auszuwählen ist sehr wichtig“, stimmt Niermeyer zu. Es gehe dabei nicht nur um das Volumen, das ausschlaggebend für Adapter- und Programmkosten ist, sondern sicher auch darum, eine hohe Fehlerabdeckung auf dem Endprodukt zu erreichen. Durch die verschiedenen Testmethoden werde dies erreicht. Er erklärt: „Wenn der ICT limitierte Zugriffsmöglichkeiten auf die Platine hat, dann muss man auf die optischen Verfahren AOI und AXI umschwenken, so dass es immer produktabhängig ist, wie getestet wird. Verdeckte Lötstellen sind sicher ein ausschlaggebender Faktor für den Einsatz von Röntgensystemen. Bei Standard-BGA-Komponenten ist der Fertigungsprozess jedoch nicht sehr fehlerträchtig. Man muss deshalb nicht gleich AXI einsetzen, weil es genügend andere effektive Methoden zu testen gibt.“
„Das Fehlerspektrum, das die verschiedenen Testsysteme abdeckt, ist sehr speziell“, meint nun Kuhlemann. „Es gibt kein einziges System, das alle Fehlerarten, die auftreten können, abdeckt. Deshalb gibt es den Trend, dass immer mehr eine Kombination, typisch aus einer optischen und einer elektrischen Testmethode, zur Anwendung kommt. Es gibt auch keine alleinige Teststrategie, die für alle Fertigungen passt – zumindest keine, die wirtschaftlich sinnvoll wäre. Durch die hohe Packungsdichte ist es oft nicht mehr möglich Testpunkte zu setzen, selbst bei optischen Verfahren stößt man bei hohen Bauteilen und vielen BGAs und Chip-Scale-Packages an die Grenzen. Bei hohen Stückzahlen kann man den Prozess durch die längere Zeit, die die Serien laufen, besser optimieren. Dabei kommt beim Testen dem hohen Durchsatz eine große Bedeutung zu. Bei kleinen Stückzahlen kommen die adapterlosen Systeme zum Einsatz. Diese Parameter geben die Auswahl der Tester vor.“
Philipig sieht zwei wichtige Entscheidungskriterien, die einen Testeranwender in die Richtung seiner Teststrategie lenken. „Die eine ist getrieben durch das Produktionsvolumen. Auf der unteren Seite gibt es sehr geringe Volumen mit extrem hoher Variantenvielfalt, auf der andern Seite eine reine Massenproduktion. Der zweite wichtige Punkt ist, um welches Produkt es sich handelt. Denn es gibt unterschiedliche Technologien und Märkte, die bedient werden, und die als solches definieren die Strategie. Dem einzelnen Anwender bietet sich damit eine Vielzahl an unterschiedlichen Testkonzepten, und es ist wichtig, dass dieser Anwender gut beraten wird, welche Testkonzepte mit welchen Kosten verbunden sind, und wo die entsprechenden Vorteile liegen. Heute können die Anwender sehr stark in den optischen oder strukturellen Röntgentest gehen, um eine Prozessverbesserung zu erreichen. Bei den elektrischen Tests gibt es eine große Vielfalt, um eine möglichst hohe Testabdeckung zu gewährleisten. Letztendlich geht es darum, am Ende des Tages eine garantierte Qualität abzuliefern. Das heißt, die höchste Testabdeckung in den relevanten Produktionsschritten zu haben, damit funktionsfähige Produkte gefertigt werden.“
„Die Anwender verlangen oft modulare Systeme, die sich auf die jeweiligen Anforderungen sehr schnell einstellen lassen, um damit die Kosten zu minimieren“, berichtet Seemann. „Das bedeutet, es kommen neue Testmethoden dazu, aber man möchte das auf einer Plattform erledigen. Dazu bieten wir sehr viel Integrationsberatung an. Wir wollen weg von einem kostenintensiven Maschinenportfolio, hin zu einem Methodenportfolio, das in eine Plattform integriert ist. Wir haben eine Plattform auf PXI-Basis vorgestellt und auch in unser AOI-System soll dieses elektrische Testgerät eingebaut werden, damit man mit einer Plattform alle nötigen Testschritte durchführen kann. Offene Hardware- und Testplattformen sowie Softwarekonzepte, ist ein sehr probates Mittel um kostengünstig einen Produktionstest durchzuführen.“
Dem stimmt auch Schneider zu: „In Zukunft werden verstärkt modulare Testsysteme benötigt, da sich die Systeme kundenspezifisch anpassen können müssen. Meiner Meinung nach ist dabei nicht nur das reine Testen sehr wichtig, sondern man muss eine Lösung zur Verfügung stellen, die nicht nur den Fehler detektiert, sondern auch die Ursache des Fehlers durch QS-Managementsysteme, die im Hintergrund stehen oder durch intelligente Strategien, die man in die Testsysteme integriert, analysiert.“
„Alle Testsysteme in eines zu integrieren, halte ich nicht für optimal“, bleibt Niermeyer skeptisch. „Ich muss zwar meinem Vorredner zustimmen, dass modulare Testsysteme, die spezifisch auf die Anforderungen zugeschnitten sind, die Fehler besonders gut finden können. Mehrere dieser Tester zusammengefasst bieten intelligente Lösungen durch gemeinsame Softwarepakete und Datenanalysen, um kombinierte Fehler- und Trendaussagen zur Prozessverbesserung zu erhalten. Nur durch die Kombination dieser Testverfahren kann man eine Qualität erreichen, wie sie der Endabnehmer fordert. Da manche Tests an spezifischen Fertigungsschritten gemacht werden, werden dort auch künftig modulare, aber sehr spezifische Systeme eingesetzt werden.“
Philipig spinnt den Faden weiter: „Es wird hier der interessante Aspekt eines Universaltesters für alle Anwendungen diskutiert, quasi One-Size-fits-all. Es gibt bestimmte Bereiche, in denen verschiedene Testtechnologien auf einer Teststation vereint werden. Man muss sich aber immer wieder fragen, warum das gemacht wird. Sehr viele Fertigungen brauchen die unterschiedlichsten Testansätze auf einer Station, weil sie es sich nicht leisten können, drei oder vier unterschiedliche Testmethoden zu evaluieren, zu beschaffen, einzusetzen und zu warten. Aus diesem Grund gehen viele Low-Volume-Fertigungen mit hohem Produktmix dazu über, sehr viele Testtechnologien, soweit es technisch möglich ist, auf einer Station zu vereinen. Sobald das Volumen höher wird, wird die Testzeit ein kritisches Thema. Man wird dann auf High-Tech-Maschinen gehen, die diese individuellen Aufgaben sehr schnell und damit kostengünstig durchführen können. Wichtig ist für uns als Lieferanten, dass wir, basierend auf den Erfahrungen, den Anwender entsprechend beraten, um die optimale und kostengünstigste Lösung zu realisieren.“
„Ich kann mich Herrn Philipig in seiner Argumentation nur anschließen“, nimmt Kuhlemann den Faden auf. „Man kann nicht einfach sagen, der Kombinationstester ist die ideale Lösung. Er ist nur dann sinnvoll, wenn man nur einen Anbieter, nur eine Teststation, nur eine Programmierumgebung und damit in der Summe evtl. günstigere Anschaffungskosten haben will. In einer Hochvolumenfertigung kann ich es mir nicht leisten, ein solches System für einen Fertigungsschritt zu nutzen, während der Rest des Systems brach liegt – was bei Kombitestern in aller Regel der Fall ist. Ein weiterer Nachteil, der mit kombinierten Testern verbunden ist, ist, dass in aller Regel nicht die optimale Lösung für einen bestimmten Fertigungsschritt geboten wird. Man benötigt aber kombinierte Tester für eine hohe Fehlerabdeckung, egal ob in einem System integriert oder mehrere einzelne zusammengestellt.“
Seemann relativiert nun seine vorherige Aussage: „Ich glaube auch nicht, dass es eine einzig allein selig machende Teststrategie gibt. Das ist nicht möglich und deshalb wird auch das Maschinenportfolio in der Großserie weiter bestehen bleiben. Wir kommen vom Funktionstest und setzen erst später mit dem Testen an. Wir wollen sicherstellen, dass die Funktion stimmt und setzen dazu alle relevanten Prüfverfahren ein, auch Boundary Scan und die Kalibrierung. Ich stimme den Kollegen hier aber zu, dass dedizierte Maschinen in der Massenfertigung ihren Platz behalten werden.“
Zur Frage, wie sich der steigende Softwareanteil in der Elektronik auf den Test auswirkt meint Niermeyer: „Der Softwareanteil im Prüfling ist beim Funktionstest sicher ein wichtigerPunkt. Diese Funktionsprüfung bedarf aber ihrerseits wiederum einer komplexen Software in den Testsystemen. Dabei muss die Bediensoftware aber immer einfacher werden. Hier ist die Investition der Hersteller gefordert, um eine einfache und schnellere Programmierung zu erlauben. Der Softwareanteil ist bereits sehr hoch, nichtsdestotrotz bleibt die Hardware und die Innovation in Hardware weiter erhalten, weil immer komplexere Prüflinge zu testen sind. Ohne leistungsfähige Hardware kann man auch mit der besten Software nicht das nötige Ziel erreichen.“
Schneider stimmt dem weitgehend zu: „Heute hat man im Bereich der Software wesentlich komplexere Abläufe. Ich bin der Meinung, dass man ein System benötigt, das eine gemeinsame Plattform nutzt aber modular aufgebaut ist, so dass man es von Kleinserien bis High-Volume ausbauen kann, wobei man sich aber immer in der selben Softwareplattform zur Programmierung bewegt, um möglichst schnell zu Testprogrammen zu kommen.“
Niermeyer bringt einen weiteren Aspekt ins Spiel: „Modulare Testsysteme brauchen in der Zukunft auch die Schnittstellenvielfalt der Produkte. D.h. man benötigt die Interface-Kompetenz, um die Produkte testen zu können. Wenn ein Automobilzulieferer seine Software auf das Produkt über CAN-Bus laden will, der Hersteller von mobilen Telefonen sich eine serielle oder sogar eine Bluetooth-Schnittstelle wünscht, dann muss man das bieten können. Diese Interface-Vielfalt wird künftig noch viel größer werden. Man kann sich in Zukunft sogar vorstellen, die komplette Software in ein Auto zu laden, und diese wird dann z.B. über den MOST-Bus an die einzelnen Komponenten weitergeleitet.“
Auch Philipig ist der Meinung, dass der Funktionstest ein wichtiger Prüfschritt ist: „Wenn man sich die Verteilung des Funktionstestmarktes anschaut, werden Zweidrittel immer noch auf Inhouse-Testern von Fertigungsunternehmen durchgeführt. Die Schnittstellenkompetenz ist nötig, denn beim Funktionstest muss man einfach wissen und verstehen, wie die Baugruppe funktioniert, um damit arbeiten zu können. Hier spielt wieder die Beratung eine große Rolle, um die für die jeweiligen Marktsegmente geeigneten Lösungen zusammen mit dem Anwender zu erarbeiten. Beim Funktionstest werden auch vermehrt Build-In-Testverfahren genutzt, um die Kosten zu senken und andererseits entsprechend die Testabdeckung einschließlich Diagnose zu erhöhen.“
„Die Fertigungstestverfahren sind im Prinzip immer gleich, der Funktionstest ist immer produktspezifisch, völlig maßgeschneidert und man benötigt in der Regel ganz spezielle Messgeräte“, erläutert Kuhlemann seine Meinung dazu. „Das hat den Nachteil, dass man die Systeme nicht einfach wiederverwenden kann. Deshalb ist der Plattformgedanke wichtig. Es gibt standardisierte Plattformen auf PXI- oder VXI-Basis, damit man diese Messgeräte implementieren kann. Die Software, die heute in die Produkte kommt, dient u.a. auch der Testunterstützung durch Boundary Scan oder Build-In-Testverfahren. Damit kann man kostengünstig prüfen. Bei Mobiltelefonen hat man keinen Prüfzugriff mehr und kann nur mehr mit dem Funktionstest prüfen.“
Schneider merkt noch an: „Ich bin der Meinung, dass man bei Prüfprogrammen noch Kosten einsparen kann. Durch schnelleres und einfacheres Erstellen wie der automatischen Generierung wird das erreicht. Man wird zwar nie ein Auto-Debugging haben, aber wir versuchen das Debugging so weit wie möglich zu reduzieren.“
Philipig hat folgende Zukunftsvision: „Die ATE-Hersteller stehen derzeit unter starkem Preisdruck. Es herrscht ein extremer Verdrängungswettbewerb durch Überkapazitäten. Die Anbieter sind deshalb gut beraten, auf ihre Kunden zu hören, um gemeinsam herauszufinden, in welche Richtung die unterschiedlichen Trends in der Elektronik gehen. Bleifreies Löten, höhere Integration, höhere Frequenzen, größere Baugruppen usw. sind die wichtigen Themen. Auf der anderen Seite ist es die große Frage, womit wird getestet, denn schnelle Produktionsanläufe sind äußerst wichtig. Deshalb muss man schnell zum Testprogramm kommen, denn sobald das Design steht, wird begonnen zu produzieren.“
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