Ein System für alles

MTQ Testsolutions, Amerang

Diese kleinen aber intelligenten Karten sind das Herz von embedded Systemen und verteilten Computeranwendungen. Unabhängig von der jeweiligen Endanwendung haben diese Karten mehr oder weniger immer die gleiche Architektur: eine Kombination von Analog- Digital- oder Digital-Analog-Umwandlung (oder beides) für die Ein- und/oder Ausgabe, eine Netzwerk-Schnittstelle und einen zentralen programmierbaren Mikrocontroller, meist mit Flash- und RAM-Speicher. Die programmierten Inhalte des Flash-Speichers definieren die Funktion und Betriebsparameter des Moduls.

Besonders im Automobil-Bereich sind diese Karten häufig zu finden, beispielsweise für ferngesteuerte Sensoren, mechanische Aktuatoren wie Schließsysteme, LED-Beleuchtungssysteme für den Innenraum und Außenbereich, Bedienfelder wie die Klimatisierung im Fond (HVAC) und zahlreiche Anwendungen im Motorraum, die von der zur Steuerung bis hin zur Überwachung von Drehsignalen reichen. Manchmal werden mehrere Steuerfunktionen, wie für Scheibenwischer und Lüfter auf einer einzigen Karte zusammengefasst, so dass sich die Anzahl der benötigten Bauteile, die Komplexität und die Gesamtkosten reduzieren lässt. Fast all diese Module sind mit dem zentralen Nervensystem des Autos über einen LIN-Bus (Local Interconnect Network) verbunden.

Durch die steigende Nachfrage bei kleinen ISP-Karten ist eine Vielzahl von Zulieferern entstanden, die über Erfahrungen in Sensor-, Aktuator- und vernetzten Steuerungsanwendungen verfügen. In diesen Unternehmen sind Projektteams für Entwicklung, Fertigung und Teststrategie von Lösungen für unterschiedlichste Endanwendungen verantwortlich. Obwohl diese Baugruppen im Hinblick auf die Architektur alle relativ ähnlich sind, unterscheiden sie sich doch in einigen Punkten, so dass die Design- und Fertigungsteams eine große Flexibilität für die Programmierung und Prüfung der Karten benötigen. Die Auswirkungen dieser Flexibilitätsanforderungen für die Fertigung und Teststrategien sowie die hierzu benötigten Anlagen werden nachfolgend untersucht.

Die Produktion der Microcontroller-Boards erfolgt immer häufiger im Nutzen, wobei diese je nach Größe acht bis mehr als dreißig Einzelkarten enthalten können. In der Fertigungslinie wird der Nutzen normalerweise komplett bestückt, programmiert und getestet. Nach dem Endtest folgt dann die Vereinzelung. Diese Nutzenfertigung hat sich als kostengünstige Möglichkeit bewährt, um einen hohen Fertigungsdurchsatz zu erreichen, da bei vielen Fertigungsschritten wenige große Baugruppen die Kosten und Risiken von sehr kleinen Karten reduzieren können.

Da jede Karte einen Mikrocontroller und Speicher enthält, kommt der Bauteilprogrammierung, und zwar besonders dem Zeitaufwand für die Programmierung sowie der Überprüfung des Speichers eine hohe Bedeutung zu. Teilweise werden zwar vorprogrammierte Chips verwendet, die On-Board-Programmierung (d.h. Einbau eines „leeren“ ISP-Bauteils und nachfolgende Programmierung auf der Karte) ist weit verbreitet. Nicht nur die Kontrolle der jeweiligen Softwareversionen ist einfacher, sondern auch die Speicherung von Variablen wie Seriennummer, Datum und/oder Messwerten (z.B. Kalibrierungs-Konstanten) in die einzelnen Geräte. Darüber hinaus sind die in den neuesten Chip-Architekturen verwendeten Phasenänderungsspeicher wärmeempfindlich, was eine Programmierung der Chips vor dem Reflow-Lötprozess aufgrund der hohen Temperaturen ausschließt.

Um einen hohen Durchsatz zu erreichen, wird versucht, möglichst alle ISP-Speicher auf dem Nutzen gleichzeitig zu programmieren. Mit älteren Kombinationstestern lassen sich oftmals nur maximal vier Bauteile gleichzeitig beschreiben, moderne On-Board-Programmierer können dagegen einige hundert Chips parallel programmieren.

Zugleich muss das ISP-Programmiersystem den Code für jedes Bauteil während dieses Gang-Programmierprozesses speziell anpassen können, um individuelle Variablen auf jeder Karte abzulegen. Das Bauteilprogrammierungssystem muss über eine umfassende Algorithmusbibliothek für alle gängigen Bauteilanbieter verfügen, sowie auch mit verschlüsseltem Code arbeiten können, den viele OEMs zum Schutz ihrer IP (Intellectual Property) während des Fertigungsprozesses nutzen.

Das Programmiersystem selbst muss robust sein und auch gut für die hohe Änderungsrate der Fertigungsumgebung geeignet sein. Dies ist ein Grund, warum die meisten Implementierungsteams eine „Dongle“-Architektur ablehnen, die in Entwicklungslabors verhältnismäßig oft genutzt wird.

Der In-Ccircuit-Test (ICT) ist ein ideales Prüfverfahren für Baugruppen mit mehreren Einzelkarten, da sich fehlerhafte Karten einfach identifizieren lassen. Durch die Fehlerlokalisierung lässt sich verhindern, dass das System versucht, eine fehlerhafte Karte auf dem Nutzen weiter zu prüfen oder zu programmieren. Da dies normalerweise kleine Karten mit einer geringen Anzahl von Bauteilen sind und da jede Karte nach der Programmierung eine eigene „Intelligenz“ besitzt, werden für gewöhnlich keine hohen Anforderungen an den ICT gestellt. Auch auf Grund der in der Regel hohen Bauteilqualität und Fertigungsausbeute sowie des Fehlerspektrums moderner SMT-Prozesse reicht ein einfacher ICT. Die umfassenden Testmöglichkeiten mit digitalen Vektoren und „Backdriving“ der großen Tester sind bei den heute sehr zuverlässigen digitalen Chips nicht mehr erforderlich.

Nach der ISP-Bauteilprogrammierung und der Verifikation folgt ein Funktions- oder Endtest. Da sich die Architekturen von kleinen ISP-Karten im Allgemeinen kaum unterscheiden, umfasst die Funktionsprüfung meist ähnliche Elemente, wie den Test der Netzwerk-Schnittstelle. Trotzdem gibt es auch sehr spezifische Testanforderungen, beispielsweise im Hinblick auf die Erzeugung und Messung von analogen und digitalen Signalen. Diese Funktionen sind aber heute in vielen In-Circuit-Testern enthalten. Normalerweise erfordern kleinere Karten in der Regel nur einfache Funktionstests, so dass kostengünstige Testplattformen ausreichen.

Eine erfolgreiche Fertigungs- und Teststrategie muss die Test- und Programmieranforderungen gesondert betrachten, und zwar immer im Hinblick auf die Optimierung der Testabdeckung und die Minimierung der Programmier- und Verifikationszeiten. Auf Grund der heute sehr begrenzten Ressourcen erfolgt die Entwicklung und Implementierung der Tests nicht mehr wie früher mittels separater Teams für ICT, ISP-Programmierung und Funktionsprüfung, sondern durch ein einziges Team. Das Gleiche gilt im Prinzip auch für den ICT, die gleichzeitige On-Board-ISP-Programmierung/Verifikation von mehreren Chips und den Funktions-/Endtest, der heute ebenfalls auf einer einzigen Plattform erfolgt.

Die einzelnen Projekte und Taktzeiten sind unterschiedlich, wobei die On-Board- ISP-Programmierung oft länger dauert als der ICT- oder die Funktionsprüfung. Von Vorteil ist daher, wenn die Programmier- und Testplattform eine parallele Programmiermöglichkeit bietet, dann lassen sich die ISP-Test- und Verifikationszeiten minimieren. Je nach Einsatzbereich können andere Kombinationen mehr Sinn machen. Somit ist eine flexible Plattform, die eine Optimierung der Programmier- und Testprotokolle über verschiedene Projekte erlaubt, empfehlenswert.

Bei Nutzen-Baugruppen mit mehreren Karten sind noch weitere Anforderungen an die Testplattform zu berücksichtigen. Der Tester sollte große Leiterplatten von bis zu 35 x 45 Zentimeter unterstützen. Zudem muss das Gesamtsystem eine ausgezeichnete Störungsimmunität aufweisen. Die Plattform sollte robust und kompakt sowie problemlos weltweit einsetzbar sein. Standardisierte Windows-basierte Systeme, die sich einfach per Netzwerk in die Fertigungsumgebung integrieren lassen, lösen zunehmend die alten Testsysteme mit proprietären Betriebssystemen ab.

Die integrierten Test- und Programmierplattformen von heute haben nur noch eine geringe Ähnlichkeit mit den großen Kombinationstestern des späten 20. Jahrhunderts. Diese wurden für ganz andere Anforderungen entwickelt und sollten eine maximale Test. abdeckung selbst für ausgefallene Grenzfälle ermöglichen. Die heutigen integrierten Test- und Programmierplattformen bieten dagegen eine höchste Flexibilität hinsichtlich der Teststrategie und Systemkonfiguration. Somit können die Ingenieure quasi wie aus einem Baukasten die optimale Strategie für jede Art von Baugruppe zusammenstellen sowie implementieren und sind dadurch bestens für die große Vielfalt der kleinen ISP-Karten gerüstet.

Electronica, Stand A1.668

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