Prüfung von Baugruppen mit Flying-Prober System GR Pilot Der Testadapter ist virtuell - EPP

Prüfung von Baugruppen mit Flying-Prober System GR Pilot

Der Testadapter ist virtuell

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Flying-Probe-Testsysteme sind inzwischen in der Lage, die meisten SMT-Baugruppen uneingeschränkt zu prüfen, ausgenommen ist die Kontaktierung an einigen Advanced-Packages. Die Roving- oder Moving-Probe, man spricht auch von Fingertestern, können mit Hilfe der CAD-Daten schnell programmiert und sehr flexibel eingesetzt werden. Flying-Probes sind mittlerweile akzeptiert als sinnvolle Alternative.

Das Ende der konventionellen In-Circuit Testsysteme wurde bereits mehrmals prognostiziert. Besonders die immer kleineren Strukturen auf Boards erschweren zunehmend den Zugang zu den Schaltungsknoten und damit auch den Einsatz der „klassischen“ Nadelbettadapter. Außerdem sind die Möglichkeiten des Adapterbaus inzwischen nahezu ausgeschöpft. Trotzdem konnte man durch innovative Testtechniken, besonders mit Software-Werkzeugen, die Testprobleme bisher immer lösen. Auch in der Entwicklung erkennt man mittlerweile die Bedeutung von fertigungsgerechten und testfreundlichen Designs .

Momentan können zwar noch alle Arten von Baugruppen geprüft werden, allerdings ist dies immer seltener mit Hilfe üblicher Testadapter möglich. Großes Interesse wird deshalb den Flying-Probes entgegengebracht, die ohne Adapter auskommen (adapterloser Test). Bis vor kurzem wurden hauptsächlich Systeme für Barebords bzw. Leiterplatten angeboten, sogenannte Flying-Ohmmeter. Nun gibt es jedoch eine neue Generation leistungsfähiger Flying-Probes für den Baugruppentest (ermöglichen In-Circuit- und Funktionstest), die für den Einsatz in Fertigungslinien, zumindest bei überschaubaren Losgrößen, die erste, langsame Generation von Baugruppen-Probes ablösen. Besonders in puncto Testgeschwindigkeit und Genauigkeit wurden die Flying-Probes deutlich weiterentwickelt. Damit sind sie zur willkommenen Ergänzung im Prüffeld geworden.
Alternative für viele Testaufgaben
Was hat die Verbreitung der Flying-Probe-Tester forciert? Zum Beispiel können Boards, die besonders feine Strukturen, aber keine Testpads aufweisen, nicht mehr mit Nadelbettadapter geprüft werden. Mit einer Flying-Probe ist dies problemlos möglich. Zudem fehlte bisher besonders bei Prototypen und Kleinserien eine Alternative zum In-Circuit- oder Funktionstest per Prüfadapter. Für den Prümittelbau und die Programmierung muß man mit einigen Tagen rechnen, oft ist dieser Aufwand für kleine Stückzahlen zu hoch.
Außerdem hat sich die Denkweise in der Volumenfertigung geändert. Wenn ein Fertigungsprozess stabil läuft und sehr geringe Fehlerraten aufweist, dann muß nicht mehr jede Komponente auf einer Baugruppe vollständig geprüft werden, sondern eine Funktionsprüfung am Ende der Linie kann völlig ausreichen. Soweit eine insbesondere bei Konsumgütern praktizierte Prüfphilosophie. Um eine einfache und schnelle Reparatur von defekten Baugruppen zu ermöglichen, kann man beispielsweise in der Reparaturschleife auch eine Flying-Probe zur Fehlerdiagnose einsetzen.
Flying-Prober sind inzwischen in der Lage, die meisten SMT-Baugruppen zu 100% zu prüfen (ausgenommen einige Bauteile mit modernen Gehäusetechniken). Zudem können sie mit Hilfe der CAD-Daten schnell programmiert werden, und sie lassen sich sehr flexibel einsetzen. Insgesamt hat dies inzwischen zu einer großen Akzeptanz geführt. Zur neuen Systemgeneration gehört der Pilot von GenRad. Dieser Flying-Prober weist alle wichtigen Funktionen auf, die einen guten In-Line Tester auszeichnen. Besonders bemerkenswert ist die solide mechanische Ausführung des Systems, die hohe Genauigkeit und Testgeschwindigkeit gewährleistet.
Gerade die Testgeschwindigkeit zählte bisher zu den größten Einschränkung der Flying-Prober. Hier gehört der GR Pilot mit 10 Tests/s zu den schnellsten Systemen. Um eine derart hohe Testrate zu erreichen, wurde das System mit luftgelagerten Achsen ausgestattet. Diese Lagertechnik hat sich auch schon in anderen Applikationen bewährt, wo es auf Präzision und Geschwindigkeit ankommt. Zudem erfordern diese Lager kaum Wartung, da eine mechanische Abnutzung durch Reibung wegfällt. Der Antrieb erfolgt mit bürstenlosen Motoren, die ebenfalls sehr wartungsarm sind und ihre Leistung sehr gleichmäßig abgeben. In die Motoren sind Positionscodierer integriert, darüber läßt sich die Stellung der Achsen und somit die exakte Kontaktierposition bestimmen. Dies erübrigt zum Beispiel auch eine Neujustierung nach einem Netzausfall während des Prüfbetriebs.
Genauigkeit durch mechanische Stabilität
Präzise Bewegungen erfordern natürlich auch hohe mechanische Stabilität, sie errreichte man durch eine schwere Grundplatte aus Gußeisen sowie massive Führungen der Tastköpfe aus solidem Granit. Die mechanischen Eigenschaften stellen die Grundlage für die genaue Positionierung der Probes bei den Messungen dar. Eine Positioniertoleranz von ± 5 µm für X- und Y-Achse bei einer Wiederholbarkeit von ± 5 µm ist spezifiziert. Sie ermöglicht die sichere Kontaktierung von Testpunkten mit einem Pitchraster von 16 mil (0,4 mm). Die Größe der Kontaktfläche sollte dabei mindestens 20 mil (0,5 mm) betragen, wobei in Einzelfällen auch Kontaktierungen bis zu einem Pitch von 7 mil (0,18 mm) möglich sind.
Problematisch am Einsatz von Adaptern im Produktionstest ist, daß man erst nach, eventuell auch parallel im Endstadium der Prüfprogrammierung (Debugging), mit dem Bau des Adapters beginnen kann. Selbst bei einfachen Prüfungen steht also immer erst der Adapterbau an. Unter dem Aspekt Time-to-Market bzw. Leadtime für die erste Auslieferung von Baugruppen kann das ein erstes Problem sein, abgesehen von den Kosten bei Kleinserien. Gerade hier bietet die Flying-Probe große Vorteile. Die Messungen werden programmiert und debuggt – schon kann der Prüfbetrieb beginnen. Voraussetzung ist, daß das System auch die nötige Teststrategien offeriert. Die Flying-Probe bietet hier nahezu unbegrenzte Möglichkeiten. Bis vor einigen Jahren war mit einem Flying-Prober nur die Suche nach Kurzschlüssen und Unterbrechungen sinnvoll, deswegen auch die Hauptanwendung im Leiterplattentest. Inzwischen lassen sich mit Flying-Probern auch In-Circuit- bzw. Funktionstests durchführen. Insofern stellt diese Technik keine Einschränkung mehr dar, sondern bringt als Alternative für Klein- und Mittelserien die nötige Testperformance kostengünstig auch zu diesen Fertigungsaufgaben.
Durch die modulare Architektur weist der GR Pilot über die Möglichkeiten früherer Flying-Prober hinaus. So kann er mit Tools erweitert werden, die eine Prüfung komplexer Baugruppen ermöglichen. Durch die Integration von weiteren Instrumenten und Modulen sind folgende Funktionen verfügbar: spannungslose Tests (Kurzschluß/Unterbrechung; passive Analogmessungen; Unterbrechungen an digitalen Bauteilen; Prüfungen unter Betriebsspannung (aktive Analogmessungen, einfache digitale Bauteile, Signaturanalyse an jedem Testpunkt, Boundary-Scan) sowie Funktionstests (analoge/digitale Eingangssignale und Messungen, Zählen von Ereignissen, Schreiben/Lesen von programmierbaren Bauteilen). Eine weitere Option ermöglicht zudem noch eine optische Inspektion der Baugruppe in puncto Anwesenheit, Plazierung und Orientierung von Bauteilen.
Bidirektionale Probes
Die elektrische Prüfung der Baugruppe erfolgt über einen „virtuellen“ Nadelbettadapter. Hierzu wird zu jedem Knoten der Schaltung ein Testpunkt zugeordnet, wodurch sich gleichzeitig auch der Bewegungsablauf der vier Meßspitzen optimieren läßt. Jede Pobe kann dabei zum Einprägen von Signalen bzw. zum Messen verwendet werden. Zusätzliche Testpunkte lassen sich mit magnetischen Testköpfen an der Unterseite der Baugruppe positionieren. Diese dienen auch zur Versorgung der Baugruppe mit Betriebsspannung, wenn beispielsweise aktive Bauteile geprüft werden.
Die Verwendung eines „virtuellen“ Adapters hat den Vorteil, daß das Testprogramm sehr einfach auf ein herkömmliches Testsystem mit Nadelbettadapter übertragen werden kann. Auch der GR Pilot kann mit Modulen für den Einsatz eines Nadelbettadapters vorbereitet werden. Außerdem sind als Optionen verfügbar: programmierbare Stromversorgung, programmierbarer Funktionsgenerator und ein IEC-Bus-Modul, das die Verbindung mit externen Instrumenten erlaubt.
Die intuitive und einfach bedienbare Programmieroberfläche (Windows Betriebssystem) führt den Anwender schrittweise durch die Programmerstellung. Die Koordinaten der Testpunkte lassen sich entweder aus den CAD-Daten übernehmen oder manuell mit Hilfe einer Kamera lernen. Vor dem Test wird die Baugruppe mit der Kamera anhand der Referenzpunkte auf der Leiterplatte ausgerichtet. Dabei nimmt das Programm alle notwendigen Einstellungen automatisch vor. Nachdem diese Testpunkte definiert sind, führt das System automatisch Programmgenerierung, Debugging und Optimierung des Programmes aus.
Die Vorteile solcher Flying-Probes wie GR Pilot – einfache und rasche Anwendung, hohe Flexibilität und Leistungsfähigkeit – werden die Verbreitung dieser adapterlosen Tester weiter vorantreiben. Schließlich stellen Flying-Prober heute keine teuren Experimente auf der Suche nach Testalternativen dar. Sie helfen, Probleme zu lösen, die, durch besondere Fertigungstechniken, kleine Losgrößen, Time-to-Market sowie hohen Kostendruck verursacht werden.
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