Die Qual der Wahl im Prüffeld

Karl-Otto Schneider, S&K Prüftechnik, Bremen

Komplexe Baugruppen müssen auch in kleinen Stückzahlen bzw. als Vorserien mit geringen Vorlaufzeiten kostengünstig getestet werden. Solche Boards erfordern hohe Initialkosten für Prüfprogramme und Adapter, diese belasten bei kleinen Stückzahlen jedes Prüfobjekt überproportional. Zudem sind Vorlaufzeiten für die Adaption von sechs Wochen und mehr keine Seltenheit. Doch gerade diese Baugruppen sind, insbesondere bei kleinen Stückzahlen, kaum fehlerfrei herzustellen. Daher ist es hier besonders wichtig, Fertigungsfehler vor dem funktionellen Endtest wirtschaftlich zu erkennen und zu beseitigen. Dies sollte auf jeden Fall vor der Inbetriebnahme erfolgen, da ohne Produktionstest per MDA (Manufacturing Defects Analyzer) oder Flying-Prober die Fertigungsdefekte (Pastendruck, Lötfehler bzw. Fehlbestückung) bis zuletzt durchgeschleift würden und zu Folgefehler führen. Diese zeigen sich häufig durch Früh- oder Spätausfällen – mit Imageverlust und hohen Aftersaleskosten.

Mit dieser Problematik sind fast alle Hersteller komplexer Baugruppen konfrontiert. Bei größeren Serien rechnen sich zwar aufwendige Prüfeinrichtungen wie In-Circuit-Test (ICT), Teil- oder Funktionstest mit Nadeladapter, jedoch stehen diese bei Vorserien noch nicht zur Verfügung. Einerseits sind dafür die Vorlaufzeiten zu lange und andererseits ergeben sich aufgrund der Erfahrungen mit der Vorserie oft noch Board-Änderungen, die dazu führen, daß ein Adapter neu gebaut oder geändert werden muß. Speziell bei Funktionstests können sich erhebliche Änderungen ergeben.

Prüftechnik Schneider & Koch kann mit einem leistungsfähigen Flying-Prober bei vergleichsweise geringen Initialkosten für die Testprogramme Baugruppen im Kundenauftrag prüfen und reparieren. Man erreicht damit zwar nicht die Prüftiefe eines „klassischen“ ICTs, kann dafür aber mit geringen Vorlaufzeiten einen recht hohen Anteil typischer Fertigungsfehler finden und wirtschaftlich beseitigen. Schaltet man einen automatischen optischen Test mit dem von S&K entwickelten AOI-System Laser Vision davor, erhält man eine vergleichsweise gute Fehlerabdeckung zu günstigen Konditionen. Für den Auftraggeber kann anhand der CAD-Daten und möglichst einer Musterbaugruppe ein Prüfkonzept einschließlich Testability-Analyse erstellt werden.

Auf Wunsch kann zudem der Endtest durchgeführt und dem Auftraggeber eine funktionell überprüfte Baugruppe übergeben werden. Auch für die Prüfung von größeren Boardlosen bieten wir Testkonzepte und Lösungen an. Da wir auch leistungsfähige ATE-Systeme von GenRad, Rohde & Schwarz und Schlumberger einsetzen, stehen alle Testhausleistungen auf diesen Systemen zur Verfügung. Sowohl Testadaptionen einschließlich Programmierung, Prüfungen und Reparaturen werden durchgeführt. Hohe Qualität ist dabei besonders wichtig, Auftraggeber aus Luft- und Raumfahrt, Mil- und Medizintechnik, Verkehrstechnik, Industrie-Elektronik usw. machen davon Gebrauch. Die Zulassungen dafür liegen vor.

Im Fall langjähriger Geschäftsbeziehungen werden oft bereits während der Entwicklung funktionelle und mechanische Prüfbarkeitsoptimierung vorgenommen. Die geschickte Kombination aus ICT und Funktionstest, unter Einbeziehung von Firmware-Modulen der Baugruppen, ist ein Schwerpunkt. Dabei werden alle Testtechniken soweit sinnvoll auf Anwendbarkeit untersucht. Insbesondere die Boundary-Scan-Fähigkeit von ICs wird häufig für die Optimierung des Testkonzepts genutzt. Dazu wurde ein Softwaretool entwickelt. Mit diesem BS-Tool können, insofern kompatible Bausteine auf dem Board vorhanden sind, auch nichtkontaktierbare Bereiche einer Schaltung in-circuit getestet werden. Diese Silicon-Nails ermöglichen eine Prüfschärfe wie im ICT.

Entwickler können bei hochintegrierten Baugruppen nur noch selten alle Wünsche an die Prüfbarkeit (DfT, Design-for-Testability) erfüllen. Mit unserer 20jährigen Erfahrung gelingt es, häufig vermeintlich nicht testbare Baugruppen zu optimieren. Grundsätzlich jedoch sollten sich Entwicklung und Prüfung bereits frühzeitig während der Designphase damit befassen.

Obwohl Baugruppen mit hoher Qualität gefertigt werden, lassen sich Defekte nie völlig ausschließen, deshalb müssenBoards geprüft und auf wirtschaftliche Weise repariert werden. Außerdem müssen auch Feldrückläufer geprüft und repariert werden. Abhängig von der Stückzahl und der Komplexität der Baugruppen wählt man Prüfmethoden unter Kosten-Nutzen-Gesichtspunkten aus. Da bei hochintegrierten Baugruppen – ohne optimale Prüfung – Test und Folgekosten bis zu 50 % der Gesamtkosten erreichen können, ist eine sorgfältige Auswahl unerläßlich.

Die herkömmliche Methode für denBoardtest ist die Funktionsprüfung in Systemumgebung. Die Systemumgebung kann dabei entweder nach dem Zusammenbau des Systems als sogenannter Inbetriebnahme-Test oder durch spezielle Prüfaufbauten erfolgen. Mit leistungsfähigen Prüfautomaten können Baugruppen schnell und unproblematisch kontrolliert sowie Fehler klar diagnostiziert und später beseitigt werden. Im wesentlichen wird unterschieden zwischen In-Circuit- und Funktionstest.

Hier werden ohne angeschaltete Stromversorgung die Impedanzen der Knoten geprüft. Mit dieser Methode kann ein Großteil der typischen Fertigungsfehler gefunden werden. Der Prüfablauf besteht aus dem Kontaktierungstest aller Prüfnadeln des Adapters zum Board, einem Kurzschlußtest (jeder Knoten gegen jeden anderen) sowie dem Test aller passiven Bauelemente.

Der aktive ICT wird dem passiven nachgeschaltet, um sowohl die wesentlichen Funktionen der Bauteile als auch korrekte Bestü-kkung und die Lötstellen abzuprüfen. Er bringt insbesondere für digitale ICs eine deutliche Erhöhung der Fehlerabdeckung. Zusätzlich können Teilfunktionstests von Schaltungsbereichen (Cluster) oder auch Gesamtfunktionstest durchgeführt werden. Leistungsfähige Prüfsysteme ermöglichen eine weitgehend automatische Generierung der Prüfprogramme und Adapterverdrahtungs-Unterlagen. Der Prüfablauf sieht folgendermaßen aus: Kontaktierungstest, Kurzschlußtest, Test aller passiven Bauelemente ohne Versorgungsspannung sowie Test aller aktiven Bauteile mit Versorgungsspannung.

Der Flying-Prober stellt eine wichtige Alternative, die aufgrund ihrer geringen Initialkosten besonders bei Kleinserien, Prototypen, Reparaturrückläufer und Vorserien häufig eingesetzt wird. Er zeichnet sich daneben durch folgende Charakteristiken aus: relativ hohe Testzeiten, Opentest problematisch und der Shorttest muß auf benachbarte Lötstellen optimiert werden. Außerdem gibt es Schaltungsbereiche, die elektrisch nicht kontaktierbar sind.

In der „klassischen“ automatischen Funktionsprüfung werden Boards über ihre Schnittstellen bzw. Steckverbindungen kontrolliert. Das Prüfprogramm konzentriert sich auf die definierten Funktionen. Der Test zeichnet sich aus durch: ordentliche Fehlerdiagnose bei geschickter Programmierung, durch Simulation vereinfachte Diagnose, einen Fehler-Katalog sowie meßbare Fehlerabdeckung.

Bekannte Verfahren sind Boundary-Scan (BS) sowie die Nandtree-Methode; beide beschränken sich auf digitale Schaltungen. In der Praxis hat sich BS sehr bewährt und wird insbesondere mit komplexen Bauelementen und Advanced-Packages in Verbindung mit dem ICT genutzt, um deren verdeckte Lotverbindungen zu verifizieren, ohne dafür aufwendige ICT-Modelle entwickeln zu müssen. Durch die Nutzung der BS-Funktionen einzelner ICs können die Vorteile dieser Technik selbst für komplette Boards genutzt werden. Im Idealfall sind praktisch alle digitalen Bausteine eines Boards BS-fähig. Die Merkmale dieser Technik: Nutzung der BS-Zellen als Silicon-Nails, Zugriff auf Schaltungsknoten ohne direkte Kontaktierung sowie Verbindungstest der ICs. Bereits einzelne BS-fähige ICs erlauben eine Optimierung der Prüfbarkeit.

Die Board-Ausfallquote ist durch Komponenten-Frühausfälle anfangs relativ hoch und stabilisiert sich nach einigen Monaten auf niedrigem Niveau, um erst nach vielen Jahren wieder anzusteigen (Badewannenkurve). Damit die Frühausfälle bereits vor der Auslieferung von Boards oder Geräten weitgehend entfernt sind, dadurch werden kostenintensive Reparaturen sowie gravierender Imageverlust vermieden, setzt man Voralterungsprozeduren ein. Folgende Methoden sind populär:

• Dynamischer Run-in – Baugruppen laufen unter realen Betriebsbedingungen einige Zeit

• Passiver Burn-in (Hochtemperaturlagerung) – die Boards werden bei angehobenen Temperaturen gelagert, eventuell mit Spannungsversorgung, doch ohne Funktion. Anschließend funktionelle Kontrolle bei Normaltemperatur (bleibende Fehler werden erkannt)

• Aktiver Burn-in – Boards werden bei maximal zulässiger Betriebstemperatur extern stimuliert und geprüft, um Ausfälle sofort zu erkennen und bei gravierenden Fehlern abzuschalten (Vermeiden von Folgedefekten). Die Boards werden in der Klimakammer betrieben und von einem außerhalb der Kammer aufgestellten Prüfautomaten getestet und überwacht. Die Dauer liegt typisch zwischen 4 bis 48 Stunden und ist produkt- und fertigungsspezifisch, sie kann durch dynamische Temperaturzyklen drastisch reduziert werden, erfordert jedoch dann höhere Investitions- und Energiekosten

Bei kleineren und mittleren Losgrößen mit 50 bis 100 Baugruppen ist eine wirtschaftliche Lötstellen-Inspektion mit den bekannten Methoden nur schwer möglich. Mit relativ preisgünstigen AOI-Systemen sind die Fertigungsschritte (Pastendruck oder Bestückung) vor dem Löten relativ sicher und ohne losspezifische Anpassungen der Programme prüfbar.

Es gibt AOI-Systeme, die zusätzlich die Plazierung von diskreten SMDs und auch Lötstellen prüfen. Zusätzlich können die Einbaulage sowie eventuelle Kurzschlüsse an IC-Pins kontrolliert werden. In optimierten Fertigungsprozessen treten nach Anwesenheits- und Lageprüfung der Bauteile kaum noch Opens an IC-Pins auf. Leichte Koplanaritätsprobleme werden häufig durch etwas mehr Lotpaste kompensiert. Durch das zusätzliche Lot können aber statistisch betrachtet mehr Kurzschlüsse entstehen, die jedoch mit einfachen optischen und elektrischen Prüfverfahren erkennbar sind. Die sowohl optisch wie elektrisch schwer lokalisierbaren Unterbrechungen jedoch reduziert man dadurch. Deswegen kann mit relativ ein-fachen Prüfverfahren kostengünstig dieBoard-Qualität kontrolliert werden.

Sichere Lötprozesse sowie prozeßbegleitende Prüfschritte wie Kontrolle von Lotpaste und Bestückung reduzieren die Zahl der Lötfehler drastisch. Die Restquote von Lötfehlern ist – bei zugänglichen IC-Pins – so gering, daß die AOI-Pseudofehlerrate um den Faktor 10 bis 100 höher sein kann. Reparaturversuche an Pseudofehlern, insbesondere bei Finepitch-Strukturen, führen zu Folgedefekten, die häufig die Zahl der echten Fehler übersteigt. Bei Gehäusen ohne optisch zugänglichen Lötstellen sind für eine wirklich umfassende Qualitätskontrolle Röntgensysteme die einzig richtige Methode, allerdings sind die Aufwendungen hier höher.

Als Alternative bietet sich das von Rohde & Schwarz und uns entwickelte Laser Vision an, das eine erheblich größere Funktionalität und Flexibilität als herkömmliche AOI-Systeme aufweist. Das Instrument kann sowohl prozeßbegleitend nach der Bestückung als auch nach dem Löten eingesetzt werden kann. Es ist als Einzelplatz mit manueller Zuführung sowie als In-Line-Lösung verfügbar. Das günstige Preis-Leistungs-Verhältnis und leichte Programmierbarkeit mit geringem Debugaufwand stellt den wirtschaftlichen Einsatz sicher. Hier einige Hauptmerkmale:

• Anwesenheit, Lage und Lötstellen von diskreten SMDs

• Beschriftungsaufdruck identifizieren

• Einbaulage bzw. Polarität von Elkos, Trafos, Kühlkörpern, Schaltern, Steckern

• Höhenprüfung mit Laser-Meßeinheit

• Display- und Pixel-Test

• Tastatur-Test mit pneumatischer Zusatzeinrichtung

• Hoher Durchsatz durch Optimierung des Verfahrwegs (bis 6 Kameras)

• Off-line-Programmierung

• Fernwartung per DFÜ

Alle Testmethoden decken stets optimal nur ein bestimmtes Fehlerspektrum ab, deswegen müssen sie entsprechend den Anforderungen ausgewählt und eventuell kombiniert werden. Die Definition der Teststrategie und die Kombination der Methoden ist eine komplexe Aufgabe, die mit allen Beteiligten aus Entwicklung, Konstruktion, Fertigung und Prüfplanung eingehend abzustimmen ist.

EPP 225