Kostengünstige und flexible Lösung

Peter Reinhardt, Reinhardt System- und Messelectronic, Dießen

Die Entwicklung von Baugruppen, Hybriden, Modulen und Systemen erfolgt immer rascher. Ein großer Teil der Produkte verläßt nicht einmal den Nullserienstatus oder hat nur eine Lebensdauer von ein bis zwei Jahren. Das hat zur Folge, daß die Time to Market deutlich kürzer geworden ist und Produkte in ganz anderen Zeitabständen getestet werden als noch vor einigen Jahren. Mit unseren wirtschaftlichen Testsystemen lassen sich einfach und praxisnah Programme erstellen, so daß Zeit und Kosten auf 1/7 bis 1/10 gesenkt werden können.

Ein wesentliches Kriterium beim automatischen Testen ist die Kontaktierung des Prüflings. Prüfadapter von uns liegen bei 10 bis 20 % der üblichen Kosten, so daß Losgrößen bis 50 Stück noch wirtschaftlich geprüft werden können. Mit dem automatischen Adaptererstellungssystem lassen sich aus den Gerberdaten, den Schaltunterlagen und mit der Baugruppe Prüfadapter in typisch 3 bis 5 h erstellen, inklusive Berechnung der Prüfpunkte, Bohren der Löcher, Setzen und Verdrahtung der Prüfstifte. Dagegen sind 1½ bis 2 Tage Vorbereitungsarbeiten notwendig, um für einen Dienstleister die nötigen Unterlagen und Informationen bereitzustellen.

Der Traum vieler Prüffeldleiter ist eine Art „eierlegende fliegende Wollmilchsau“, die alle gegenwärtigen und vor allen Dingen zukünftigen Anforderungen erfüllt. Doch von dieser Art der Testsysteme hat man sich bereits vor zehn Jahren verabschiedet, da sie damals im Preis meist zwischen 1 bis 1,5 Mio. DM lagen und dadurch absolut unwirtschaftlich waren. Unser Boardtester ATS-KMFT 470-2 dagegen bietet bereits in seiner Minimalausstattung mit vier programmierbaren Spannungsquellen, elektronischer Last, 6 Festspannungsversorgungen, Sinus- und Rechteckgenerator, 24 Stimuli- und 64 Meßkanälen ein breites Leistungsspektrum. Auch ein In-Circuit-Testsystem für die Kontrolle von Pinkontakt, Kurzschluß, Unterbrechungen, BGA-Lötfehler-, Polaritäts- und Bauteiltest gehört zum Grundausbau. Acht dynamische Guards können die Bauteile vom Rest der Schaltung isolieren, um fehlende oder defekte Komponenten sicher zu erkennen. Mit der zwischen 20 Hz und 100 kHz einstellbaren Impedanzmessung lassen sich auch komplexe Netzwerke mit parallel geschalteten Induktivitäten, Kapazitäten und Widerständen auf richtige Bestückung hin überprüfen. ESD-Defekte (Kurzschluß nach Masse oder Spannungsversorgung) oder Brüche der Bonddrähte, die während des Fertigungsprozesses aufgetreten sind, werden ebenfalls sicher erkannt. Die Fehler werden auf dem Bildschirm angezeigt. Im Reparaturfall wird die Instandsetzung durch eine grafische Fehlerortung unterstützt.

Manche Firmen versuchen immer noch, auf den ICT zu verzichten. Mit allgemeinen Funktionstest lassen sich bestenfalls 90 % der Fehler entdecken, da die Programme nicht alle möglichen Fehlereffekte sicher erkennen. Darüber hinaus können auch durchaus 20 bis 30 Bauteile falsch bestückt sein, ohne daß die Basisfunktion in Frage gestellt ist. Erst wenn die Baugruppe später mit anderen Boards als System integriert wird, können dann Funktionsstörungen auftreten. Ein In-Circuit-Test ist daher unumgänglich.

Während der ICT früher sehr stark an das Backdriving von ICs gebunden war, kommt man dank der heutigen Testsystemtechniken ohne dieses Verfahren aus, da nur noch 20 bis 25 % der Bauteile über dieses Verfahren getestet werden können und die Ausfallrate dieser Komponenten im allgemeinen zwischen 20 und 50 ppm beträgt. Defekte, die im Fertigungsbereich durch ESD-Handling, aber auch durch falsches Biegen bzw. Thermoschocks während des Lötverfahrens entstehen, werden durch die heutigen In-Circuit-Testverfahren einwandfrei erkannt und angezeigt.

Nach dem In-Circuit- wird später der Funktionstest durchgeführt. Dabei wird der Prüfling unter Spannung gesetzt und zuerst die Stromaufnahme geprüft. Bei Überstrom wird in kürzester Zeit die Versorgungsspannungen abgeschaltet, um eine Zerstörung des Prüfobjekt zu verhindern. Es stehen über 30 Quellen zur Verfügung, die Stromstärken vom unteren Mikroamperebereich bis zu 32 A und Spannungen von µV bis zu einigen hundert Volt abdecken. Alle Quellen haben eigene Abschaltrelais und können unter Programmkontrolle ein- oder ausgeschaltet werden. Ströme und Spannungen sind vorwählbar und können auch über Rampen per Inkremente bis zu einem Endwert laufen. Mit insgesamt 9 Stromlasten von wenigen Mikroampere bis 100 A lassen sich Leistungselektronik und Stromversorgungen testen, die ebenfalls als Rampen aktiviert werden können.

Zur Auswahl stehen auch 4 Wechselspannungsquellen mit in 0,1-Hz-Schritten verstellbarer Frequenz sowie, motorgesteuerte AC-Quellen bis 8,5 A und 305 V. Für Stimulieaufgaben wird ein Sinus- und Rechteckgenerator angeboten. Maximal 30 IEC-Busfähige Stimuli- und Meßgeräte können eingebunden werden, zudem stehen RS232- und RS485-Schnittstellen zur Verfügung, so daß sich Generatoren anderer Hersteller integrieren lassen. Über die 24 standardmäßigen Stimuliematrixkanäle ist es möglich, die Signale dieser Quellen unter Programmkontrolle an die Eingänge potentialfrei zuzuschalten. Zudem können Arbitrary- und beliebige Pulsgeneratoren mit eingebunden werden. Die Matrixkanäle bedienen Schaltströme bis 5 A. Die niedrigen Thermospannungen erlauben, im Mikrovoltbereich mit geringen Fehlspannungen zu operieren.

Zum Schalten von Strömen >16 A bei Spannungen von 400 Veff dient eine 8-Kanal-Matrix bzw. eine 24-Kanal-Leistungsmatrix, die auch parallel geschaltet werden kann, um die Ströme zu erhöhen. Einschaltfolge und Zeitverzögerungen sind während des ganzen Anschaltvorgangs vorprogrammiert. Für das Messen steht eine große Anzahl von Modulen zur Verfügung, ein Großteil davon ist bereits im Standardtestsystem enthalten. Für besondere Testaufgaben lassen sich zusätzliche Meßmodule auch später noch nachrüsten.

Die komplette Meßtechnik für den ICT ist mit den Dreileitertechnik-Matrizen vorhanden, ebenso die Meßmöglichkeiten für den Pinkontakt- und den Verdrahtungstest Für Lötfehler bei LSIs mit Fine-Pitch-Anschlüssen und BGAs steht eine Testmethode zur Verfügung, die die Defekte erkennt und auf dem Bildschirm anzeigt. Eine Aussage über die visuelle Lötstellenqualität wird bei dieser Messung nicht gemacht, da hier die elektrische Leitfähigkeit überprüft wird.

Wie der Lötfehlertest arbeitet auch der Polaritätstest mit kapazitiven Probes, die auf dem Bauteil plaziert und über einen 16-kanaligen Verstärker ausgewertet werden. Damit lassen sich Aluminium- und Tantal-Elkos auf Polarität prüfen. Mit dem nachfolgenden Bauteiltest können auch im einprozentigen Bereich noch Widerstände bis 40 MV gemessen werden. Das Autoguarding-Verfahren läßt den Einsatz von maximal acht Guardverstärkern zu, die vom Testsystem und dessen Software vorgewählt werden. So werden die Guardpunkte in wenigen Sekunden selbständig gefunden und in das Programm eingebunden. Das Debugging-Verfahren, um kapazitive Parallelschaltungen zu kompensieren, läuft ebenfalls automatisch und setzt den dazu korrespondierenden Zeitwert selbständig ein. Ein automatischer Programmgenerator kann die Daten der Netzlisten übernehmen und daraus ein Programm mit Guarding- und Debugging-Routine erstellen. Bei typisch 200 Bauteilen dauert das weniger als 3 Minuten. Die Liste der Bauteile, die nicht über die Vorauswahl der Netzliste programmiert werden können, wird manuell erstellt. Damit wird die Prüftiefe exakt festgehalten und nicht testbare Komponenten wie Parallelschaltungen von Kondensatoren aufgelistet.

Die Meßmatrix kann in Gruppen von 64 Kanälen in einem Kartenträger auf maximal 832 Kanäle erweitert werden. Sollten höhere Kanalzahlen notwendig sein, läßt sich das System auf insgesamt 1664 Kanäle erweitern. In allen Fällen ist der Guardkanal bereits durch die Standard-Verdrahtung angeschlossen, so daß die Software nur noch den passenden Kanal ermittelt, um optimales Guarding sicherzustellen.

Um Widerstände unter 1 kV und Elektrolytkondensatoren über 1 mF zu messen, empfiehlt sich eineKelvin-Verdrahtung, die mit den Stimulierungsmatrixkanälen sowie zwei weiteren Nadelkontakten realisiert wird. Mit dieser Lösung werden bei Zweidraht-Anschlüssen noch Widerstände von wenigen Ohm mit 5 % Toleranz gemessen. Dazu müssen die Widerstände der Anschlußzweige wie Prüfadeln, Anschlußdrähte, Steckerverbindungen usw. bekannt sein und vom eigentlichen Meßwert abgezogen werden. Für den Autokalibrierungsprozeß wird eine Metallplatte in den Adapter eingelegt oder der Prüfling in Stanniolpapier gehüllt. Dann werden automatisch alle Anschlußzweige ermittelt und in einer Tabelle festgehalten. Danach kann dann der Absolutwert des Widerstandes bestimmt werden.

Auf ähnliche Weise werden auch die Schaltkapazitäten von Nadel, Adapter-, System- und Busverdrahtung eliminiert. Dabei wird die Baugruppe oder das Kurzschlußboard entfernt sowie alle verwen-deten Kapazitäten ermittelt und gespeichert. So ist es möglich, auch Kapazitäten von wenigen pF ebenfalls mit einer Toleranz von 5 % zu messen. Der Kalibrierprozeß benötigt weniger als eine Minute und kann beliebig oft wiederholt werden, so daß immer mit optimaler Genauigkeit gearbeitet werden kann.

Zum Standardmeßsystem gehört auch die Spannungsmessung mit 16 Bit Auflösung und 50 ppm Grundtoleranz. Die sechs Meßbereiche decken Spannungen von 100 µV bis 130 V ab und sind für die typischen Spannungen optimiert, um mit einer optimalen Auflösung zu arbeiten. Für Wechselspannungen stehen ebenfalls sechs Meßbereiche mit 35 Hz bis 100 kHz zur Verfügung. Spitzenspannung können als +Peak, -Peak und Peak-to-Peak bis 100 kHz gemessen werden. Als Meßfehler werden automatisch ±5 % in die Grenzwertfelder eingetragen, es können aber auch andere sowie asymmetrische Toleranzgrenzen vorgewählt werden. Auch der Sollwert läßt sich von Hand einstellen. Referenzmessungen von vorhandenen Werten sind genauso möglich wie Messungen von Relativ- oder Ratiowerten in Bezug zum Referenzwert. Widerstände werden in einer einfachen Widerstandsmessung überprüft. Die Software enthält standardmäßig bereits 5 IEC-Meßbereiche für Keithley 2000 bzw. Fluke 8842 für 10 ppm Abweichung und 6½-Stellen Auflösung. Die Standardmeßmatrix wird für diesen Bereich nur umgeschaltet. Für spezielle Aufgaben wie Klirrfaktor- oder Brummspannungsmessung im Niederfrequenzbereich kann ein Klirrfaktormeßgerät bzw. ein Psophometer eingebunden werden, zugeschaltet über die Stimuli- oder Meßmatrix.

Die Zeit- und Frequenzmessung im Bereich 50 ns oder 25 MHz mit einem Reziprokzähler bietet 31 Bit Auflösung. Über eine 12 Bit ±30 V-Schaltschwelle für Start und Stop wird Rise-Time, Pulsbreite, Tastverhältnis und Laufzeit zwischen zwei Kanälen gemessen. Ebenso sind Phasenmessungen möglich. Im Meßzeitabbruchsfenster wird die Zeit so vorgewählt, daß die Fehlererkennung auch bei nicht vorhan-denem Meßsignal gewährleistet ist. Das Meßverfahren kann vor, nach und mit der Aktivierung des Systems starten.

Der Transientenrekorder/Digitaloszilloskop dient zur grafischen Darstellung von Signalformen bis 300 kHz. Die Kurve wird in 2000 Schritten analysiert, wobei nach der Triggerung eine automatische Hüllkurve mit den vorgegebenen, jedoch beliebig veränderbaren Default-Werten erstellt werden kann. Die Hüllkurve läßt sich punktweise oder sektorweise optimieren und korrigieren, um Überschwingern oder Toleranzen Rechnung zu tragen. Mit dem Transientenrekorder ist es möglich, Kurvenformen automatisch zu überprüfen. In dieses Modul ist ein Logikanalysator mit 32 Kanal Breite und 8 K Tiefe eingebaut. Eine Besonderheit ist die Möglichkeit, bei freilaufenden Generatoren auf die Clock-Frequenz zu synchronisieren. Mit einer Triggermaske werden sich wiederholende Vorgänge in Echtzeit bis 20 MHz erlernt, gespeichert und bei beliebigen Prüflingen mit Fehlerortung auf Kanal und Zeit automatisch getestet.

Auf dieser Karte sind außerdem 32 High- Speed-Logikkanäle mit 8 K Speichertiefe untergebracht, so daß Hochgeschwindigkeitslogiktests in jeder beliebigen Frequenz bis 10 MHz möglich sind, wobei 16 Treiber und 16 Comparatoren in 5-V-Technik zur Verfügung stehen. Damit lassen sich Read/Write-Tests an Speicherbausteinen durchführen.

Baugruppen sind überwiegend mit Logikbausteinen bestückt, sowohl mit „klassischen“ Digital-ICs, als auch mit LSIs oder GALs, PALs und ASICs. Um sie zu testen, stehen Logikkanäle zur Verfügung, die von 0 bis 30 V und in maximal 8 Logikfamilien programmierbar sind. Die Logik, die im Bereich um 10 kHz arbeitet und mit Verzögerungen und Wartezeiten für Eingangsentprellung oder mit sonstigen Verzögerungsschaltungen programmiert werden kann, ist als statisch zu betrachten. Sie läßt sich in Kombination mit High-Speed-Logik einsetzen: Im statischen Bereich werden die Grundkonditionen des Tests vorgewählt und mit den High-Speed-Komponenten Echtzeitaufgaben gelöst. Da es nahezu nicht möglich ist, Echtzeit nachzuempfinden, bleibt es bei einem Hochgeschwindigkeitstest mit eingeschränktem Echtzeitverhalten.

Im Grundausbau lassen sich die Daten über die RS232- bzw. die I²C-Schnittstelle übertragen. Für IEC-Bus-Stimulierungs- und Meßgeräte wird eine Karte angeboten, die das Timing aller gängigen Stimuli- und Meßgeräten kennt und so eine ein-fache und praxisnahe Programmierung ermöglicht. Weitere Optionen sind CAN-Bus sowie 15 andere Feldbussysteme.

Um Mikroprozessoren zu testen, sollte in den meisten Fällen bereits der ROM-Bereich für den Selbsttest der Baugruppen vorbereitet werden, so daß man auch ohne Testsystem auskommen kann. Sollte das nicht möglich sein, lassen sich durch einen ROM-Emulator Testprogramme für einen Selbsttest in das niederwertigste ROM laden. Das Prüfen von analogen oder digital/analogen Modulen kann ebenfalls über den ROM-Emulator gesteuert werden.

Für den Boundary-Scan-Test stehen Lösungen von JTAG und Göpel zur Verfügung, die neben den eigentlichen Testaufgaben auch noch die Fertigungsprogrammierung von Flash-Speichern ermöglichen. Die Hard- und Software dazu läßt sich einfach in das Testsystem einbinden.

EPP 224