Präzision für höchste Anforderungen

Itochu Systech, Düsseldorf

Atlas Elektronik ist im Wesentlichen im Bereich der Wehrtechnik tätig, beispielsweise für von HDW gebaute U-Boote. Daneben entwickelt und fertigt die Thyssen-Krupp-Tochter in einem Zweigwerk in Wedel bei Hamburg Torpedos. In den zivilen Bereich fallen Produkte für die Sicherheit von Wasserstraßen und Häfen. In diesem Kernbereich hat sich das Unternehmen auf die Unterwasserschall-Technologie spezialisiert.

Für die Vermarktung der Fähigkeiten des Bremer Spezialisten für zivile und militärische maritime Produkte ist Atlas EMS zuständig. Durch das Kompetenzzentrum für Entwicklung, Produktion und Service der Atlas Elektronik kamen Kontakte zu Firmen aus der Luftfahrt und der Medizintechnik zustande. Hier bietet das Unternehmen Konzeption, Entwicklung, Layout, Produktion bis hin zum komplett fertigen Produkt als Dienstleistung an. Am Standort Bremen sind rund 1 700 Mitarbeiter beschäftigt, dazu kommen 194 Mitarbeiter am Standort Wedel bei Hamburg.

Die Geschichte begann vor über 100 Jahren auf einer Schiffswerft, eines der ersten Patente bezog sich auf eine Unterwasser-Schallortungsanlage – damals noch gänzlich ohne Elektronik. Zu den Spezialitäten der heutigen Atlas Elektronik gehören denn auch Unterwasser-Schallaufnehmer, das „nasse Ende“, wie sie Dipl.-Ing. Uwe Wiesner, Leiter der Produktion, nennt. Diese Schallaufnehmer müssen nicht nur meerwasserbeständig, sondern wegen der großen Tauchtiefen auch druckfest sein.

Wiesner ist mit seinen rund 80 Mitarbeitern zuständig für das Layout, die Bestückung und die Prüfung von elektronischen Flachbaugruppen. Etwa die Hälfte der Produkte, die durch diese Abteilung laufen, kommen aus dem eigenen Haus, die andere Hälfte sind Fremdprodukte. Dazu gehören beispielsweise Baugruppen für Airbus Industries oder für den Euro-Fighter. Diese Leiterplatten werden nach Kundenspezifikationen entwickelt oder hergestellt. Man verfügt über alle notwendigen Zulassungen, um Produkte sowohl für den zivilen als auch den militärischen Einsatz zu entwickeln und zu fertigen. Dazu kommen eine Reihe von Zertifizierungen für die Raumfahrtindustrie.

Um auch komplexesten Anforderungen gerecht zu werden, arbeiten die Entwickler in Einzelfällen mit bis zu 24-lagigen Multilayern; die Standard-Obergrenze liegt bei 18 Lagen, im Micro-Via-Bereich sind es 14 Lagen. Auch bei Starrflex-Leiterplatten werden Boards mit beachtlichen Abmaßen verwendet: Teilweise sind Abmessungen von 400 x 700 Millimetern erreicht, die blanke Leiterplatte kann in diesem Bereich an die 5 000 Euro kosten. Spezialfertigungen dieser Art tragen beispielsweise die Elektronik von Torpedos.

Jährlich werden im Unternehmen etwa 60 000 bis 70 000 Leiterplatten produziert. Davon wird die überwiegende Mehrzahl in relativ geringen Losgrößen von bis 1 000 Stück gefertigt, nur zwei oder drei Boards erreichen Auflagen von etwa 10 000 Stück. Bei diesen Leiterplatten ist der Test mit Nadelbett-gestützten Incircuit-Testern wirtschaftlich, zumal sie über einen längeren Zeitraum unverändert gefertigt werden. Der komplette Rest wird mit Flying-Probe-Testern geprüft.

Flying-Probe-Tester werden hier seit rund zehn Jahren eingesetzt, bis dahin wurden ausschließlich Nadelbett-gestützte Incircuit-Tester verwendet. „Als die Anschaffung eines neuen Testsystems anstand, stellten wir uns die Frage, mit welcher Tester-Technologie wir zukünftig unsere Baugruppen prüfen wollen“, erinnert sich Wiesner. „Wegen der zu dieser Zeit drastisch sinkenden Stückzahlen erschien die Beschaffung eines neuen Nadelbett-gestützten Incircuit-Testsytems als wirtschaftlich nicht mehr sinnvoll. Dazu kam eine gewisse Änderungshäufigkeit, beispielsweise bedingt durch den Ersatz von abgekündigten Bauelementen. Die dadurch hervorgerufenen Adapter-Änderungen mussten ebenfalls kostenmäßig bewertet werden. Das Ergebnis nach intensiven Betrachtungen: Flying-Probe-Tester stellen die wirtschaftlichere Lösung dar. Schicht-Röntgengeräte und AOI-Systeme waren keine Alternative; letztere bildeten, so Wiesner, in bestimmten Fällen lediglich eine sinnvolle Ergänzung zu Flying-Probe-Testern. Nach längerer Beobachtung des Marktes gab es für das Bremer Unternehmen nur einen seriösen Anbieter. Wenige weitere Firmen hatten sich an Flying-Probe-Testern versucht, aber kein stabiles Produkt entwickeln können. So fiel die Entscheidung nahezu zwangsläufig zugunsten des 8400 von Takaya/Itochu, der auch heute noch im Einsatz ist.

Vor rund drei Jahren kam dann das neuere Modell 9401 dazu, das einerseits aus Kapazitätsgründen notwendig wurde, andererseits musste Atlas den kommenden technologischen Herausforderungen Rechnung tragen. Der 9401 verfügt über ein verbessertes Messsystem und erlaubt höhere Testgeschwindigkeiten. Darüber hinaus kann der 9401 mit externen Zusatzeinrichtungen kombiniert werden, beispielsweise mit Boundary-Scan-Systemen. Den höheren Packungsdichten trägt der 9401 durch eine steilere Anstellung der Testnadeln Rechnung. Insgesamt überzeugte am 9401 das Paket aus gutem Preis-Leistungs-Verhältnis, Technik und der Möglichkeit, die bereits vorhandenen Testprogramme fast ohne zusätzliche Arbeiten auf den neuen Tester zu übernehmen. Davon waren in den sieben Jahren des 8400-Einsatzes mehr als 200 entstanden, von denen einige einen Wert von 100 000 Euro repräsentieren.

„Wenn ich zwischen Testsystemen für kleine Stückzahlen wählen muss, würde ich mich immer für den Flying-Probe-Tester entscheiden, weil der in der Summe mit dem zu leistenden Kapitalaufwand die beste Abdeckung bezüglich Laufzeit, Programmierkosten, Pseudofehlerrate und Fehlerfindung hat“, erklärt Wiesner. Bei hohen Stückzahlen und geringerer Komplexität sei der Nadelbett-Tester noch die bessere Wahl. Bei geringen Stückzahlen und höherer Komplexität der Leiterplatten ist der Nadelbett-gestützte Tester nach Wiesners Einschätzung jedoch chancenlos.

Als Beispiel führt Wiesner eine Leiterplatte an, die im Kundenauftrag gefertigt wird: DVS in Hannover ist ein kleines, aber im Bereich Studiotechnik weltweit agierendes Unternehmen, das Schnittsysteme und digitale Speichersysteme für HD-TV-Filme entwickelt. Unter anderem kommt aus diesem Haus auch eine Platine, mit der in Echtzeit perspektivisch korrekte Einblendungen in Livebilder vorgenommen werden können. Die Karte mit einer Größe von 10 x 15 Zentimetern und ca. 15 000 Testpunkten würde allein einen Nadelbett-Adapter mit 4 500 bis 5 000 Nadeln erfordern, was etwa 750 Nadeln pro Quadratzentimeter entspräche. Abgesehen von den physikalischen Problemen der Nadeldichte wäre ein solches Testsystem extrem teuer und damit nicht mehr wirtschaftlich einzusetzen. Bei dieser großen Anzahl von Nadeln würde auch die Pseudofehlerrate stark ansteigen, ein erneutes Kontaktieren – um Pseudofehler zu beseitigen – wäre dann ebenfalls problematisch.

Beim Flying-Probe-Tester lässt sich hingegen die Kontaktierung mit Hilfe der Nadel-eigenen Kamera anschauen und so feststellen, wo der Testpunkt kontaktiert wird, und die Messung problemlos wiederholen. Außerdem kann die Nadelstellung per Software verändert werden. Bei kritischen Messpunkten werden Pseudofehler auf diese Weise von vornherein vermieden. Mit dem Flying-Probe-Tester 9401 erfolgt bei Atlas die Prüfung der Karte in nur wenigen Minuten und völlig problemlos.

Zum Zeitpunkt der Entscheidung für einen Flying-Probe-Tester gab es diese Probleme nicht in dem Maß wie heute, da die SMD-Bauelemente noch wesentlich größer und die Packungsdichten niedriger waren. Atlas hatte aber bereits den Trend zur immer stärkeren Miniaturisierung erkannt – einer der Gründe für die Entscheidung. Gleichzeitig stiegen die Betriebsfrequenzen, was das Setzen zusätzlicher Testpunkte zunehmend unmöglich macht.

Eine Funktionalität der Takaya-Tester hält Wiesner für besonders herausragend: die Probe Permission. Mit dieser Software-Funktion kann der Zugriff der Nadeln beschränkt bzw. gesteuert werden, so dass jeweils nur die von ihrer Stellung her optimal geeigneten Nadeln kontaktieren. Würde man diese Beschränkungen beim Debuggen des Testprogramms von Hand eintragen, wäre der zeitliche Aufwand immens. Deshalb liefert Itochu eine Software mit ihren Testern aus, die in Deutschland exklusiv für die Takaya-Tester entwickelt wurde und die Zuordnungen automatisch übernimmt. Diese Software „kennt“ die Orientierung der einzelnen Bauelemente. Somit lässt sich die Pseudofehlerrate drastisch reduzieren. Natürlich spielt dabei auch die Präzision des Testsystems eine große Rolle – arbeitet die Mechanik des Testers ungenau, kann auch die beste Probe Permission keine guten Ergebnisse liefern. Die Probe Permission senkt nicht nur die Anzahl der Pseudofehler, sondern steigert auch die Erkennungssicherheit bei echten Fehlern. Dazu ein Beispiel: Ist ein Bauteil nur auf einer Seite korrekt gelötet, kann es zum Thumbstone-Effekt kommen, das heißt, das Bauteil steht leicht schräg über der Leiterplatte. Wird nun versucht, auf dieser hoch stehenden Seite mit einer wegen ihrer Winkelstellung ungeeigneten Nadel zu kontaktieren, kann es vorkommen, dass statt des Pads das Bauteil getroffen wird. In diesem Fall drückt die Nadel das Bauteil herunter und täuscht so eine nicht vorhandene Lötverbindung vor. Nach Entfernen der Nadel stellt sich das Bauteil wieder auf – der Strompfad ist wieder offen und der Fehler wurde nicht erkannt.

Zusätzlich ist die Probe-Permission-Software in der Lage, Höheninformationen der einzelnen Bauteile zu verarbeiten. Werden die Höheninformationen nicht direkt vom CAD-System übergeben – nicht alle CAD-Programme sind dazu in der Lage – müssen die Informationen nur einmal pro Bauteil in die Datenbank eingegeben werden. Dadurch werden die Höhen der Testnadeln automatisch verändert und an die tatsächlichen Gegebenheiten angepasst. Unnötig hohe Hübe werden so vermieden und die Testgeschwindigkeit optimiert. Auch kann die Takaya-Software ermitteln, welche Netze und Bauelemente kontaktiert werden können bzw. welche nicht und einen entsprechenden Report ausgeben. Damit lässt sich sofort nach der Programmgenerierung erkennen, welche Bauteile testbar sind. Bei den Eigenentwicklungen rechnet man bei Atlas mit einer maximalen Rate von Restfehlern zwischen drei und fünf Prozent, die später im Funktionstest erkannt werden. Wiesner: „Wir finden mit dem Flying-Probe-Tester alle Fehler, die im zweipoligen Bereich auftreten. Was wir natürlich nicht entdecken können, sind dynamische Fehler und Fehler in den ICs.“

Gerade bei den relativ geringen Stückzahlen, die Atlas von jeder Baugruppe produziert, ist es immer eine wirtschaftliche Gratwanderung zwischen einer optimalen Fehlerabdeckung und den Kosten, um diese zu erreichen. „Wir streben deshalb nie eine 100-prozentige Fehlerabdeckung an, sondern wollen die Testprogramme möglichst gut und optimal automatisiert erstellen und mit geringstem Debugging-Aufwand eine stabile, gute Testabdeckung erzielen“, erklärt Wiesner. Wenn im Funktionstest vereinzelte Fehler festgestellt werden, gibt es eine Rückkoppelung, um den Test an dieser Stelle weiter zu verbessern. So erhält man über zwei bis vier Fertigungslose ein Prüfprogramm mit einer sehr hohen Fehlerabdeckung. Dieses Vorgehen sei, so Wiesner, in der Summe mit dem geringsten finanziellen Aufwand verbunden. „Diese Software hat uns geholfen, die Produktivität zu steigern, indem die Pseudofehler minimiert und die Erkennung tatsächlicher Fehler gesteigert wurden.“ Konkret: Die Anzahl der Pseudofehler konnte bei vergleichbaren Platinen mit Hilfe der Probe Permission um den Faktor 10 gesenkt werden. Diese Vorteile kommen nicht nur bei hochkomplexen Flachbaugruppen zum Tragen, sondern auch schon bei einfacheren.

Das Handling der Takaya-Systeme beschreibt Dipl.-Ing. Uwe True, Teamleiter Prüfung Elektronikbaugruppen, als einfach und übersichtlich. Zufrieden zeigt er sich auch über den Support: „Wir werden immer gut und schnell bedient, wenn tatsächlich einmal irgendwelche Probleme auftreten.“ Besonders hebt True die mechanische Stabilität der Tester hervor: „Wir hatten weder mit der alten noch mit der neuen Maschine jemals ein mechanisches Problem. Servicetechniker sehen unsere Geräte nur zur Jahreswartung. Die Verfügbarkeit beider Systeme ist außergewöhnlich hoch. Lediglich die Nadeln als Verschleißteil müssen in regelmäßigen Abständen ausgewechselt werden.“ Wiesner ergänzt: „Wenn es im Bereich der Software Klärungsbedarf gab, waren wir ebenfalls angenehm überrascht über die Reaktionszeiten von Seiten Itochus.“

Nach den guten Erfahrungen mit zwei Generationen von Takaya-Testern verwundert auch Wiesners positive Einschätzung der jüngsten Entwicklung, dem 9411 mit Moving Bottom Probes, nicht: „Wir sehen diese Technologie als konsequente Weiterentwicklung. Man kann die Bottom Probes beispielsweise zur Kontaktierung der Hauptäquipotenzialzüge – beispielsweise Ground oder Vcc – nutzen und damit die Testgeschwindigkeit steigern. Der zusätzliche Vorteil ist, dass man Äquipotenzialzüge, die auf der einen Seite der Leiterplatte beginnen und auf der anderen Seite aufhören, zum ersten Mal wirklich kontaktieren kann. Damit lässt sich die Restfehlerrate noch einmal senken und die Testabdeckung erhöhen.“

EPP 473