Prüfadapter ermöglichen elektrische Boardtests kleinster Serien

Für die wirtschaftliche Baugruppenfertigung Peter Reinhardt, Obermühlhausen/Diessen

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Sämtliche Elektronikbaugruppen werden in den Fertigungen der Unternehmen in der Regel auch elektrisch geprüft, sei es funktionell bzw. im In-Circuit-Verfahren oder auch mit der adapterlosen Flying-Probe. Mithin gibt es – neben den optischen Kontrollen wie AOI (automatische optische Inspektion) und AXI (automatische Röntgeninspektion) auch eine breite Palette von elektrischen Testern wie funktionelle oder In-Circuit-Systeme, welche die Baugruppen per boardspezifischem Adapter kontaktieren. Insbesondere für mittelständisch orientierte Fertigungen mit kleineren Stückzahlen ist die kostengünstige Adaptierung der Boards von großer Bedeutung. Hier werden solche Lösungen vorgestellt.

Wir, die Reinhardt System- und Messelectronic GmbH, entwickeln und fertigen seit 1979 Funktionstestsysteme und seit 1988 auch kombinierte Funktions- und In-Circuit-Testsysteme. Allerdings offerieren wir erst seit 1988 eigene Konzepte und Lösungen für die Adaptierung der Baugruppen. Unsere Kunden bedienten sich – wie praktisch all jene der anderen Testeranbieter – auf solche relativ teuren Prüfadapter, die auf dem Markt für Testfixture verfügbar waren. Wir mussten jedoch rasch feststellen, dass das, was damals an Adaptionen für Boardtester angeboten wurde, keinesfalls die Zuverlässigkeit, Ergonomie und Wirtschaftlichkeit aufwies, die im Grunde nötig a war. Zwangläufig entwickelten wir deshalb aus dieser Einsicht heraus eigene Lösungen dafür, die mit diesem Problem auf wirtschaftlich sinnvolle Weise umgehen. Der „klassische“ Prüfadapter im Boardtest, der vor 30 Jahren die übliche Konfiguration war, bestand aus einem Vakuum-gesteuerten Mechanismus, der das Prüfobjekt Baugruppe auf die Prüfstifte drückte. Diese Lösung war natürlich mechanisch relativ aufwändig. Zudem musste ein absolut dichter Abschluss hergestellt werden, wobei eine spezielle Dichtlippe nötig ist, die aus Silikongummi besteht. Dieser wichtige Bestandteil der Lösung wurde allerdings im Lauf der Nutzungszeit doch ziemlich schnell (gemessen in Kontaktierzyklen) undicht und musste nachgearbeitet bzw. erneuert werden. Weiterhin zeichnet sich dieser Konzept durch Vakuumpumpen aus bzw. in den Testern integrierte Module, die aus der Druckluftversorgung im Unternehmen das Vakuum erzeugte. Außerdem ist dazu ein Leitungsnetz nötig, das die Systeme mit Vakuum bzw. Druckluft versorgt. Diese aufwändige Lösung verursacht zwar hohe Kosten, hatte jedoch auch Vorteile für den Prüfbetrieb. Durch diese Art der Adaptierung war die Bauteilseite der Baugruppen stets frei zugänglich, so dass man unter anderem auch noch fehlende oder verkehrt bestückte Bauteile eindeutig erkennen konnte. Jedoch wurden die Baugruppen und damit die eingesetzte Prüftechnik mittlerweile wesentlich weiter entwickelt. Dies macht es nötig, oft auf beiden Seiten der Baugruppe zu kontaktieren oder Bauteile durch kapazitive Probes zu überprüfen. Das wiederum hatte zur Folge, dass auf dem Vakuumadapter oben eine Klappe angebracht werden musste, um einen Zugang zu den Komponenten zu ermöglichen. Dieses Baukonzept verteuerte natürlich die Adaptierung weiter und schränkte zudem die Vorteile der freien Zugänglichkeit wieder ein.

Testadapter binden sehr viel Kapital
Solche Adaptierungs-Lösungen liegen in den Kosten je nach ihrer Komplexität, dem verwendeten Testsystem und der Größe der Baugruppe zwischen 3.500 und 20.000 Euro. Und diese natürlich für jeden Baugruppentyp im Prüffeld. Dies führt bei einigen hundert verschiedenen Baugruppen zu sehr hoher Kapitalbindung allein für die Boardtestadapter. Solch teure Adaptionen sind bei den Stückzahlen, die typisch in mittelständisch orientierten Fertigungen (High-Mix/Low-Volume) hergestellt werden, eindeutig als unwirtschaftlich zu betrachten. Bei Losgrößen zwischen 50 und 300 Boards, die in etwa 80 % der mittelständisch orientierten Baugruppenfertigungen die Regel sind, werden die Prüfkosten zu hoch, allein wegen der Aufwendungen für die Adaption. Hinzu kommt auch noch der Zeitaufwand für die Herstellung und Auslieferung an den Anwender, der zumeist möglichst schnell fertigen und die Baugruppen geprüft ausliefern soll. Ein wirtschaftliche Prüfung der Baugruppen, wobei ja auch noch ein Prüfprogramm zu erstellen und zu debuggen ist, ist somit nur noch schwierig bis überhaupt nicht realisierbar.
Das vom Unternehmen Reinhardt entwickelte Konzept basiert auf Niederhaltern aus Isoliermaterial, die das Prüfobjekt definiert auf das Nadelbett andrücken. Derzeit stehen für den manuellen Betrieb sechs verschiedene Typen und für den pneumatischen Betrieb weitere fünf verschiedene Typen für die Adaption zur Verfügung. Eine Besonderheit der Adapter ist, dass all diese Lösungen für die beidseitige Kontaktierung der Flachbaugruppen konstruiert wurden, um so alle Aufgaben in der Boardkontaktierung erfüllen zu können. Die Kontaktfelder sind in all diesen Adaptern, die in fünf verschiedene Standardgrößen offeriert werden, innerhalb der entsprechenden Adaptertypen einfach austauschbar. Die Adapterschubladen, wie wir sie nennen, bestehen nur aus einer 8 mm dicken GFK-Platte, welche mit VG-Leisten bestückt ist, welche die Verbindung zum eigentlichen Prüfadapter und damit zum Testsystem herstellen. Diese Adapterschubladen werden mit Führungsstiften, die anhand von Bohrungen in den Prüfobjekten beim Andrücken exakt geführt und somit präzise auf die gefederten Prüfstifte gedrückt. Die Führungsstifte haben eine sehr geringe Führungstoleranz von nur wenigen hundertstel Millimetern, so dass auch bei fragilen Feinleiter-Baugruppen eine sichere Kontaktierung gewährleistet ist.
Nachdem der eigentliche Adapter, also nicht die Anpressmechanik, nur aus einer austauschbaren Platte (Schublade) besteht, liegen die Kosten bei einem Adapter mit einer Nutzgröße von 360 x 230 mm bei typisch nur 400 bis 600 Euro. Das ermöglicht auch bei sehr kleinen Losgrößen noch eine kostengünstige und damit wirtschaftliche Adaptierung. Die Adapter sind in folgenden Nutzgrößen lieferbar: 95 x 95 mm, 92 x 180 mm, 198 x 180 mm, 360 x 230 mm und 670 x 462 mm. Mit diesem Adaptionskonzept, das bei allen unseren Adaptern beidseitig genutzt werden kann, ist natürlich bei doppelseitiger Kontaktierung auch der Kostenaufwand zu verdoppeln.
Wir empfehlen unseren Kunden, soweit sie Einfluss auf das Layout der Platine nehmen können, die Leiterplatte so zu entwickeln, dass für die Kontaktierung jeder Leiterbahn eine kleine Prüffläche vorhanden ist. Zudem ist es vorteilhaft, soweit wie möglich jede Leiterbahn auf die Oberseite des Prüfobjekts per Durchkontaktierungen zu führen, so dass sie von unten auch als Prüffläche genutzt werden kann. Auf diese Weise kann man mit einem einseitigen Adapter auch komplexe Baugruppen prüfen, obwohl sie beidseitig bestückt sind.
Das Andrücken des Prüfobjekts erfolgt durch einen frei rangierbaren Niederhalter, der zu jedem Adapter mitgeliefert wird und auf die Höhe der jeweilige Niederhalterposition justiert werden kann. Diese Niederhalter werden entweder über vier separate Schrauben oder eine Zentralschraube fixiert. Sie lassen sich einfach in typisch einer Minute austauschen. Das trifft auch für die Adapterschubladen zu. Sie können in weniger als einer Minute ausgewechselt werden. Die unterschiedlichen Adapterserie können mit je nach Ausführung mit etwa 200, 400 und 1000 gefederten Kontaktstiften bestückt werden.
Die Bedienkräfte zum Schließen der Adapter liegen typisch bei 19 N, so dass ohne große Muskelkräfte diese Adapter problemlos betätigt werden können. Ein wichtiger Punkt bei unseren Adaptern ist noch die Ergonomie. Baugruppen lassen solch aufgrund der Pultform leicht einlegen und auch aus einer sitzenden Position heraus kann visuell stets der Vorgang voll kontrolliert werden. Der Griff zum Schließen des Adapters wurde so angeordnet, dass sowohl Links- als auch Rechtshänder diesen Mechanismus problemlos bedienen können. Bei den meisten Adaptern des Mitbewerbs jedoch ist der Hebel nur rechts vorhanden. Diese ergonomisch falsch platzierte Griff führt rasch zu Gelenkschmerzen und früher Ermüdung.
Pneumatische Adaptionen der Boards
Weil das Schließen der mechanisch niedergedrückten Adapter doch eine gewisse Kraft (19 N) erfordert und nicht überall diese einfache und kostengünstige Lösung favorisiert wird, haben wir selbstverständlich auch pneumatisch betätigte Lösungen im Programm. Solche pneumatisch betätigte Mechanismen sind bereits seit 1990 im Einsatz. Diese Adapter haben den Vorteil, dass außer dem Betätigen der 4 Schließknöpfe, welche die Forderungen der Berufsgenossenschaft in puncto Sicherheit erfüllen, keine weiteren Kräfte notwendig sind. Auch hier werden die selben Adapterschubladen der verschiedenen Grundgrößen genutzt. Diese Adaptertypen (145, 40, 42, 62 und 52) können rasch mit einer Steckverbindung an das Testsystem angeschlossen werden, so dass selbst ein kompletter Adapterwechsel in weniger als 1 Minute möglich ist. Dabei werden insgesamt bis zu 36 einzelne Stecker in einem Arbeitsgang verbunden.
Um die Adapter einfach und schnell erstellen zu können, haben wir ein darauf abgestimmtes Bohrzentrum entwickelt. Es ermöglicht, die sechs verschiedenen Adaptergrundgrößen einfach und rasch einzuspannen und dann automatisch sowohl die Löcher für die Fangstifte als auch für die gefederten Kontaktstifte zu bohren. Darauf folgt das Setzen der Prüfstifte, die bereits in Hülsen eingepresst sind und vom Adapterbohrzentrum mit hoher Präzision auf zwei Hundertstel Millimeter (0,02 mm bzw. 20 Mikron) genau eingepresst werden. Dieser Vorgang, der mit Hilfe des Adapterbohrzentrum vorgenommen wird, dauert bei einem Prüfadapter mit einer Nutzgröße von 360 x 230 mm und etwa 450 Stiften etwa 2 bis Stunden. Weitere 2 Stunden sind für das Verdrahten der VG-Steckerleisten mit den in die Platte eingedrückten gefederten Kontaktstiften mittels Wire-Wrap nötig. Diese Verdrahtung muss nicht „gezielt“ vorgenommen werden. Das heißt in der Praxis, dass die gelieferten VG-Leisten, die schon mit Wire-Wrap-Drähten versehen sind, nur noch an einen beliebigen Prüfstift gewrappt werden. Solch ein Federstift weist einen Vierkantpfosten auf, ähnlich wie die VG-Leiste, um die elektrische Verbindung herzustellen.
Damit gehört das von Reinhardt System- und Mess electronic entwickelte Adapterkonzept zu den kostengünstigsten Lösungen des Marktes. Es ermöglicht Adaptionen in den wichtigsten Größenordnung der Boards, wie sie in mittelständisch orientierten Fertigungen typisch vorkommen im günstigen Kostenbereich zwischen 400 bis 600 Euro. Insgesamt haben unsere Kunden – soweit die aktuelle Erhebung – mit diesem Konzept mehr als 55.000 Adaptionen vorgenommen. Auch diese große Zahl der Anwendungen zeigt, dass es sich bei dem von uns konzipierten Adaptionskonzept um eine wirtschaftliche und zuverlässige Lösung handelt. (gbw)
electronica, Stand A1.401
EPP 446
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