Bis zu 24 Flying Probes prüfen beidseitig die Baugruppen Fliegende Nadeln auf beiden Seiten Karim Hosseini-Dehkordi, Scorpion Technologies, Hamburg - EPP

Bis zu 24 Flying Probes prüfen beidseitig die Baugruppen

Fliegende Nadeln auf beiden Seiten Karim Hosseini-Dehkordi, Scorpion Technologies, Hamburg

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Traditionelle In-Circuit-Tester (ICT) können bei geringen Produktionsstückzahlen unwirtschaftlich sein, aber auch Flying-Probe-Tester (FPT) als Alternative haben ihre Grenzen. Der FPT „Flying Scorpion“ von Scorpion Technologies bietet eine neue Flying-Probe-Technik, die einige Limits der bisherigen Systeme überwindet.

Vor allem beim Prüfen von Kleinserien bestückter Leiterplatten kommen herkömmliche ICT mit Nadelbettadaptern allmählich an ihre Limits. Die wachsende Komplexität der Bauelemente und die zunehmende Packungsdichte erschweren das Kontaktieren mit Nadelbettadaptern beträchtlich. Während die Kosten für die Adapterherstellung steigen, nimmt die Produktlebenszeit ab, was die effektiven Prüfkosten pro Board in die Höhe treibt. Zudem können Weiter- oder Nachentwicklungen und sonstige Änderungen der Baugruppe den Adapter bereits im nicht ausgereiften Zustand hinfällig werden lassen.

Probleme dieser Art lassen sich mit FPT umgehen. Zum Einsatz kommen sie typischerweise beim Test von Prototypen, in der Produkteinführungsphase und in Fertigungslinien, bei denen die Kosten der Adapterherstellung wegen kleiner Stückzahlen und einer hohen Zahl verschiedener Baugruppentypen zu hoch ist. Im Gegensatz zu ICT mit Adaptern bieten FPT ein Antriebssystem, das die Prüfnadeln („Flying Probes“) direkt zu den gewünschten Testpads fährt. Bei konventionellen FPTs muss hierzu üblicherweise eine Spindel die Dreh- in eine Linearbewegung umsetzen, so dass die Prüfnadeln relativ langsam fahren, und eine Erweiterung der Systeme auf mehr Nadeln nicht möglich ist. Ein schlupfloser Planar-Antrieb, wie er im „Flying Scorpion“ von Scorpion Technologies eingebaut ist, bewegt die Flying Probes schneller und präziser, und ist obendrein wartungsfrei. Zudem ermöglicht er eine beidseitige Kontaktierung sowie einen flexiblen Einsatz der Prüfnadeln und eine Vergrößerung ihrer Anzahl.
Der Nadelbettadapter von ICT oder MDA-Systemen (Manufacturing Defect Analysis) kontaktieren jeden einzelnen Knoten auf der Baugruppe. Normalerweise verfügen sie über eine Nadel pro Knoten. Eine Relaismatrix schaltet die Messelektronik auf diejenigen Nadel-Kombinationen, die zum Testen der einzelnen Bauelemente und Leiterbahnen erforderlich sind.
Schnelle Tester auf Adapterbasis halten auch in Fertigungslinien Schritt, die extrem hohe Stückzahlen ausstoßen. Ihre Grenzen liegen jedoch in der Größe der Baugruppen und der Anzahl der Prüfpunkte. Jeder Baugruppentyp benötigt einen speziellen, eigens für ihn entwickelten Nadelbettadapter. Überdies gibt es immer mehr Boards, die unprüfbar sind, weil die Nadeln nur geringe oder überhaupt keine Kontaktiermöglichkeiten an den Knoten haben.
Berücksichtigt man dazu die Time-to-Market-Anforderungen der Baugruppenfertiger, sind Investitionen in Nadelbettadapter, die meist innerhalb von Wochen oder sogar Tagen veralten, oft problematisch. Investiert der Testsystem-Anwender zu früh, kann der Adapter durch Änderungen des Prüflings wertlos werden, bevor er zum Einsatz kommt. Investiert er zu spät, wird der Adapter möglicherweise kaum genutzt, bevor die Produktion der Baugruppe ausläuft.
FPT schaffen die Nadelbettadapter und die mit ihnen verbundenen Kosten komplett ab. Mit Hilfe der CAD-Daten lässt sich ein Prüfprogramm schon während der Designphase generieren, und debuggen noch ehe das erste Board für den Test verfügbar ist. Ein ICT mit Nadelbettadapter braucht hierfür deutlich mehr Vorlauf, weil die Programmerstellung erst beginnen kann, wenn sich das Design stabilisiert hat.
Limits der FPT
An ihre Grenzen stoßen aber auch herkömmliche FPT mit 4 Flying Probes. Diese greifen nur von oben auf die Baugruppen zu, was die Prüftiefe zwangsläufig verringert. Viele Tests benötigen aber simultanen Kontakt auf beiden Seiten der Boards. Die FPT verfügen daher entweder über feste Probes, welche die Baugruppen von unten her kontaktieren, und für jede Variante manuell neu zu platzieren sind (was mühsam und zeitaufwändig ist), oder über einen Nadelbettadapter für die Unterseite. Feste Probes zur Kontaktierung eines Boards von unten erfordern aber größere Prüfpunkte als Flying Probes und eine präzise Justierung des Boards entsprechend der Lage der Probes. Ist die eine Seite der Baugruppe geprüft, muss der Techniker sie normalerweise umdrehen, eine andere Prüfanordnung einstellen, ein neues Prüfprogramm laden und den Test für die andere Seite starten.
Die Einschränkung, nur 4 Probes mit einem festen Einstellungswinkel zu haben, kann auch die Fehlerabdeckung nachhaltig beeinträchtigen. Einfache Tests, die zusätzlich Guarding benötigen, sind nicht möglich. Wenn ein Prüfpunkt sich zwischen zwei hohen Bauelementen befindet, kann der Probe-Kontakt bei festen Anstellwinkeln unmöglich werden. Zudem lassen sich die Boards nicht über die Prüfnadeln mit Spannung versorgen, und für Flash- und Boundary-Scan-Tests sind zusätzliche Verbindungen erforderlich.
Vektorlose Prüftechniken dienen traditionell dazu, Open Circuits an ICs und Steckverbindern zu untersuchen. Dies verlangt spezielle Probesensoren auf der Oberseite oder manuell angebrachte Probesensor-Träger oder –Adapter auf der Unterseite. Für den Anwender ist dies unpraktisch, zeitaufwändig und teuer. Zudem muss er mit einem Verlust an Fehlerabdeckung leben. FPT mit Flying Probes auf beiden Seiten wie der „Flying Scorpion“ eliminieren diese Probleme, weil sie auch an der Unterseite programmierbare und bewegliche Probes bieten.
Die gesamte Backplane-Industrie kämpft mit ähnlichen Schwierigkeiten beim Test von Prototypen sowie kleinen und mittelgroßen Serien. FPT, deren Probes einen festen Antastwinkel zeigen, keine programmierbare Höhenkontrolle aufweisen und mit nur einem Probetyp arbeiten, können die Steckverbinderpins nicht kontaktieren, um sie auf Opens, Shorts und Connectivity zu prüfen. Herkömmliche FPT lassen sich zudem nicht nutzen, wenn eine der Flying Probes defekt ist. Das System steht still, bis die defekte Probe repariert ist.
Neue Version des fliegenden Scorpions
Die neueste Version des „Flying Scorpions“ lässt viele dieser Hürden hinter sich. Manuelles Setup oder Einrichten ist ebenso wenig erforderlich wie ein Umdrehen des Boards. Alle Tests sind in einem Prüflauf durchführbar. Als FPT mit verfahrbaren Prüfnadeln auf beiden Seiten verursacht der „Flying Scorpion“ keine Kosten und Setup-Zeiten für Adapter oder feste Probes auf der Unterseite.
Die Fehlerabdeckung des Geräts ist vor allem dann höher, wenn die für einen bestimmten Test benötigten Prüfpunkte nur von der Rückseite des Boards her zugänglich sind. Mit bis zu 24 Flying Probes gibt es praktisch keine Grenzen bei der Anzahl der Guards. Testen unter Versorgungsspannung, Flash-Programmierung und Boundary Scan sind ebenfalls möglich. Das „Dual-Motion-Konzept“ verringert die Prüfzeit; es umfasst gleichzeitiges Verfahren der Prüfnadeln, kürzere Verfahrwege und einen Algorithmus für die Vorpositionierung der Nadeln durch das Probe-Shuttle. Ist eine Nadel oder ein Shuttle defekt, lassen sie sich ausblenden, so dass der Anwender den Test fortführen kann.
Antastwinkel und Verfahrhöhe der Flying Probes sind dreidimensional programmiert, so dass der „Flying Scorpion“ auch Prüfpunkte zwischen hohen Bauelementen oder Pins innerhalb von Stec-
kern bei Backplanes zu kontaktieren vermag. Zudem kann der Anwender die Verwindung der Baugruppen – bei herkömmlichen FPT eine der Hauptquellen für Messfehler – ermitteln, und gegebenenfalls kompensieren.
Zusätzliche Merkmale des „Flying Scorpion“ sind:
  • Der Planar-Stator und die Shuttle-Technik erlauben das Prüfen großer Boards bis zu 1050 x 650 mm².
  • Unterschiedliche Probespitzen sind einsetzbar, was beim Test bestückter Backplanes von Vorteil ist. Hier kann ein Mix aus SMT-Nadeln und Cup Probes erforderlich sein.
  • Das Gerät ist kompatibel mit MDA-Testern. Wenn das Design stabil ist und die Produktionszahlen ansteigen, lässt sich das Prüfprogramm von FPT direkt auf einen Nadelbettadapter-Tester übertragen.
  • Doppelseitige automatische optische Inspektion (AOI) ist ebenfalls innerhalb ein und derselben Testsequenz möglich. Bis zu 8 Kameras sind einsetzbar (auf der Ober- und Unterseite jeweils bis zu vier Kameras).
Wer aus ICT und FPT das Optimum herausholen will, sollte die Techniken zu einem „Flying Fixture“ zusammenführen. Ein solches System würde die Vorteile des FPT und des ICT kombinieren – ohne Einschränkungen bei der Geschwindigkeit und ohne Nadelbettadapter zu brauchen. Hunderte von Probes würden beide Seiten der Baugruppe gleichzeitig kontaktieren. Nach jeder Neueinstellung der Probes verhielte sich „Flying Fixture“ wie ein Standard-Nadelbettadapter-Tester, in dem über eine Relaismatrix zwischen Hunderten von Probekombinationen hin und her geschaltet wird. Dies würde viele Tests in Sekundenschnelle erlauben. Jedes Mal, wenn sich „Flying Fixture“ in eine neue Position bewegt hätte, ließe sich der Prüfprozess wiederholen.
Vorstellbar ist ein Tester, der keinen Nadelbettadapter benötigt und sehr kleine Prüfpunkte kontaktieren kann. Die Testtiefe unterläge keinen Kompromissen, und das Prüfprogramm ließe sich rasch erzeugen und modifizieren, und zwar ohne den kostenträchtigen Einfluss von Prüfadaptern. Ein solches System wäre in der Lage, mit den Zeitplänen für Prototypen bei der Einführung neuer Produkte ebenso Schritt zu halten wie mit der Schnelligkeit und Flexibilität heutiger Fertigungslinien und den Anforderungen der Massenproduktion.
SMT, Stand 4-555
EPP 498
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