Pro klassischem Boardtest

Peter Reinhardt, System-und Meßelektronik, Dießen

Der Flying-Prober ist zur Zeit als Super-Modeerscheinung in aller Munde. Tatsache ist, daß er in der Anschaffung das 4 bis 5fache kostet wie unsere Testsysteme, in die bereits Funktionstests eingebunden sind. Doch ist die Probe im Durchsatz um den Faktor 15 bis 20 langsamer und die Prüfschärfe liegt zwischen 70 und 80% eines MDAs (Manufacturing Defects Analyzer). Der einzige Vorteil gegenüber klassischen MDAs liegt darin, daß die Probe keinen Adapter benötigt und in 1 bis 2 Tagen programmierbar ist. Die anderen Punkte schlagen negativ zu Buche. Solch ein mechanisches Wunderwerk der Technik ist wesentlich wartungsintensiver und erzeugt damit wesentlich höhere Unterhaltskosten als ein In-Circuit-Tester mit Prüfadapter. Die aufwendige Präzisionsmechanik leidet unter Verschleiß. Eine Temperaturstabilisierung ist notwendig, damit die benötigte Genauigkeit eingehalten wird. Alle dies spielt bei In-Circuit-Testern und deren Adaptern keine Rolle.

Der Grund für die reduzierte Prüfschärfe liegt darin, daß allgemein nur 4 (bestenfalls 8) Probes zur Verfügung stehen, so daß ein Test von jeder zu jeder Leiterbahn nicht möglich ist und die Zahl der Guardpunkte aufgrund der geringen Kontakte eingeschränkt ist. Polaritätstests von Elkos und Tantals sowie Lötfehlertests vonFinepitch-ICs und BGAs sind ebenfalls nur mit erheblichen Einschränkungen möglich. Die Illusion, daß man jede Baugruppe kontaktieren kann, bringt die Realität schnell zu Tage, denn zur sicheren Kon-taktierung braucht auch die Probe Prüfflächen, die von keinem Bauteil verdeckt sein dürfen. Selbst bei der schnellsten Flying-Probe kann eine Doppel-Europakarte nur in 6 bis 8 Minuten, bei automatischer Zuführung, getestet werden. Wenn diese8 Minuten auf 3 Schichten fürs Jahr hochgerechnet werden, sind das bestenfalls 30.000 Baugruppen im Jahr, hingegen kann ein MDA in 3 Schichten 500.000 Baugruppen testen (mehr als Faktor 16). Nachdem auch die Probe einen Operator braucht, sind zudem auch die Personalkosten um das 16fache höher.

Geht man davon aus, daß eine Probe zutypisch 50% ausgelastet wäre, und eine Nullserie aus etwa 50 Einheiten besteht, müßte man jährlich je Schicht 100 Null- oder Kleinserien fahren, was insgesamt 5000 Baugruppen ergeben würde. Bei einer Investition von DM 370.000 plus weiteren DM 100.000 an Nebenkosten, wie Wartungsvertrag für Software, Klimatisierung, Energie und Personalkosten, ergibt das bei 5jähriger Abschreibung (DM 870.000 in5 Jahren) im Jahr DM 174.000. Das bedeutet, es entstehen Kosten von DM 35/Baugruppe, zu denen noch die Programmierkosten hinzukommen, circa DM 30/Board. Die Prüfkosten betragen somit DM 65. Beim MDA liegen die Kosten von Tester und automatischer Adaptionserstellung bei einer Investition von DM 110.000 plus Nebenkosten von DM 45.000 im Jahr (inklusive Wartung und Personal), in 5 Jahren also DM 335.000. Im Jahr können 85.000 Baugruppen in einer Schicht getestet werden, was 1700 Null- oder Kleinserien (je 50 Einheiten) bedeuten würde, wobei der Test je Baugruppe circa DM 0,8 kostet. Dazu kommen noch die Programmier- und Adaptionskosten, die typisch DM 1.500 bis 2.000 DM betragen, so daß insgesamtDM 40,80 auflaufen. Der Vergleich von DM 40,80 beim In-Circuit-Tester zu DM 65 bei der Flying-Probe ist gravierend. Beim Großserieneinsatz läuft die Wirtschaftlichkeitsschere noch weiter auseinander, weil sich beim ICT der Programmieranteil dann nur noch auf wenige Pfennige beläuft, doch die Festkostendifferenz von DM 35 der Probe zu DM 0,8 beim MDA stehen bleibt.

Ob In-Circuit- oder Funktionstest, Voraussetzung ist stets die Kontaktierung des Prüflings, denn ohne sie gibt es keine Prüfung. Wir unterscheiden zwischen zwei Kontaktierverfahren: Im Funktionstest werden sie zumeist über die vorhandenen Steckerverbindungen gemacht und sind so recht sicher und kostengünstig. Für den In-Circuit-Test verwendet man gefederte Kontaktstifte. Es sollten also grundsätzlich Prüfflächen eingeplant werden, um die sichere Kontaktierung zu ermöglichen. Wir haben eine Reihe von Adapterkonzepten entwickelt, sie erlauben eine kostengün-stige und sichere Kontaktierung. Mitunserem halbautomatischen Adaptererstellungssystems können Adapter mit vielen hundert Pins in kurzer Zeit erstellt werden.

Herstellung und Prüfung von Leiterplatten sind in Westeuropa durch hohe Lohn- und Lohnnebenkosten recht teuer geworden. Viele Unternehmen haben daher ihre Großserien nach Fernost verlagert, um sie dort kostengünstiger zu fertigen. Auf dem europäischen Markt bleiben deshalb nur noch Mittel- bis Kleinserien, für die auch beim Prüfen und besonders beim Adapterbau umgedacht werden muß. Früher waren Serien mit Stückzahlen von 10.000 und mehr täglich durchaus üblich; die Kosten für die Adaption konnten somit auf eine hohe Stückzahl aufgeteilt werden – die Prüfung war also wirtschaftlich. Mittlerweile sind die Stückzahlen allerdings stark geschrumpft. Bedingt durch die Struktur des europäischen Marktes werden Baugruppen mit sehr hoher Typenvielfalt in geringen Stückzahlen produziert. Die Fertigung bewegt sich bei typischen Losgrößen zwischen 200 und 400 Stück, wobei maximal 5.000 Stück eines Boards aufgelegt werden. Die üblichen Adapterkosten liegen zwischen DM 5.000 und 20.000. Beim Umlegen dieser Kosten auf die sehr kleinen Serien ist ein wirtschaftlicher Test unmöglich.

Unser Adaptionskonzept reduziert die Kosten sowie die Zeitaufwendung erheblich. Das halbautomatische System (CNC-Bohrmaschine) errechnet die Positionen der Prüfstifte, bohrt den Adapter und setzt die Kontaktstifte präzise ein. Unsere Kunden erstellen damit selbständig Adapter in weniger als einem Tag.

Alle gängigen CAD-Systeme haben einen gemeinsamen Standard: die Gerberdaten. Unsere Software ermöglicht den Aufbau des Layouts aus den Vektoren und den Bohrinformationen. Sie kann bis zu 250 Lagen bearbeiten und auf dem Bildschirm darstellen. Von den Layern können verschiedene Codes ausgeblendet und einzelne Layer gespiegelt werden. Wenn alle Layer übereinander liegen, beginnt die Software alle Netze (Leiterbahnzüge) zurückzuberechnen. Die Software benötigt dazu wenige Minuten, selbst bei Doppel-Europakarten in Mehrlagentechnik. Es besteht die Möglichkeit, Endpunkte oder einen Punkt je Netz auszuwählen. Weiterhin können die Positionen der Fangstifte bzw. die Konturen der Leiterplatte eingegeben werden. Es ist möglich, den Adapter optimal zu nutzen, indem Bohrfelder für weitere Adaptionen plaziert werden. Die Software ermöglicht das Zentrieren oder Drehen der Adapterposition. Die Adapternutzfläche kann mit mehreren Bohrprogrammen belegt werden, so daß mehrere kleine Boards auf einen Adapterträger gepackt werden können.

Die Vorbereitung und die Rechenzeit für die Adaptererstellung und die graphische Fehlerortung dauern etwa 10 Minuten. Damit verkürzt sich die Zeit für diese Arbeiten gegenüber der bisher üblichen manuellen Technik um rund 1 bis 2 Wochen.

Nach der Berechnung kann der Adapter gebohrt werden. Die Hülsen mit den Kontaktstiften werden gesetzt, dann wird verdrahtet. Der Testsystemrechner kann das Adaptererstellungssystem steuern. In kurzer Zeit werden alle Bohrungen maßgerecht in die Adapterplatte gebohrt und miteinem speziellen Einpreß-werkzeug, das von der CNC-Maschine gesteuert wird, die Kontaktstifte mit der Hülse präzise eingedrückt. Dies dauert circa 2 Stunden. Danach wird eine Wire-Wrap-Verbindung zwischen den Kontaktstiften und der Stekkerleiste am Prüfadapter vorgenommen. Dieser Vorgang dauert bei 300 Verbindungen um die 2 Stunden. Damit läßt sich ein Prüfadapter inklusive der Rechenzeiten komplett in 4 bis 5 Stunden erstellen.

Ein Adapter läßt sich von der ersten Idee bis zur Fertigstellung in weniger als einem Tag verwirklichen. Bei Fertigung der Prüfadapter durch Dienstleister benötigt der Auftraggeber zur Vorbereitung bereits 1 bis 2 Tage. Mit unserer Prozeßtechnik kann dies in 10 Minuten realisiert wer-den. Die tatsächlichen Kosten (Adapter-Wechselplatteneinsatz, Befestigungsmaterial, Prüfstifte und Verdrahtung) liegenerfahrungsgemäß zwischen DM 800 und 2.000. Nach unseren Berechnungen macht sich das Adaptererstellungssystem bereits nach drei Adaptern bezahlt. Bei jedem weiteren Adapter fallen nur noch 12 bis25% der sonst üblichen Kosten an.

Die Möglichkeit, binnen 4 bis 5 Stunden einen Adapter selbst zu erstellen, ist sehr hoch einzuschätzen, denn die damit erreichte Fertigungsflexibilität ist erheblich. Wir liefern zur Zeit Prüfadapter, die mit maximal 800 Nadeln beidseitig kontaktieren. Das Konzept basiert auf Adapter-Wechselplatteneinsätzen. Sie reduzieren die Kosten für die Erstellung sowie für Rüstzeiten, bei gleichzeitig hoher Kontaktiersicherheit und Lebensdauer.

Wir verwenden zur Kontaktierung einen von oben andrückenden Niederhalter, der das Prüfobjekt über die Führungsstiftein die Kontaktstifte drückt. Als Trägerplatine (Adapterschublade) verwenden wir je nach Zahl der Stifte eine Hartgewebeplatte bzw. eine GFK-Platte mit einer Dicke von8 mm. Der mitgelieferte Universal-Niederhalter ermöglicht das Einstellen einer neuen Platine in 2 bis 3 Minuten.

Das Adaptererstellungssystem besteht aus der Bohrmaschine und dem vakuumgesteuerten Setzwerkzeug sowie dem Aufspannblock mit zwei Magazinen. Im Aufspannblock werden die von uns gelieferten Universal-Adapterplatten aufgespannt und mit zwei Anschlägen der Nullpunkt in X- und Y-Richtung sicher fixiert, so daß später beim Bohren die Positionierung der Prüfstifte mit den vorgewählten Daten der Software übereinstimmt. Außerdem ermöglichen die Anschläge auch noch das sichere Bohren der oberen Universal-Adapterplatte zum Setzen und Positionieren der Stifte, die für den SMD-Lötfehlertest bzw. BGA-Test notwendig sind, doch auch für Polaritätschecks von Elektrolyt- und Tantalkondensatoren genutzt werden. Sollte die obere Universal-Adapterplatte für beidseitige Kontaktierung genutzt werden, sind auch Bohrungen für die Zentrierstifte herzustellen. Die Zentrierstifte sorgen für eine präzise und paral-lele Führung der oberen und unteren Wechselplatteneinsätze.

Das Niederhalter-Adapterkonzept besticht durch seine geringen Kosten, sichere Kontaktierung und den universellen Einsatzmöglichkeiten. Durch die Justierung der Niederhaltermodule ist er in wenigen Minuten für jeden neuen Prüfling einsatzbereit, Niederhalten kann alternativ manuell oder pneumatisch erfolgen. Bei geringem Kraftaufwand wird ein hoher Anpreßdruck erreicht. Ein paralleles Niederhalten der Baugruppe gegenüber dem Nadelbett wird durch vier wartungsfreie Präzisionslagerbuchsen erreicht. Die gute Zugänglichkeit des Nadelbetts sorgt für geringere Handlingzeiten.

Der untere Universal-Wechselplatteneinsatz wird einfach eingeschoben; der obere Einsatz kann mit wenigen Handgriffengegen einen anderen für Polaritäts- oderIC-Verpolungstest oder gegen den Universal-Niederhalter ausgetauscht werden. Bei Verwendung von Standard-Kontaktstiften sind beim manuellen Prüfadapter 550 Kontaktstifte (pneumatischer Adapter 800 Kontakstifte) problemlos bei einer Nutzfläche von 360 x 230 mm einsetzbar. Wie bereits erwähnt, stehen eine ganze Serie von Prüfadaptern für verschiedene Aufgaben und Baugruppengrößen zur Verfügung. Eine große Palette an kostengünstigem Zubehörmaterial rundet das Konzept ab. So haben wir für die Führung der Leiterplatte verschiedene Fangstifte entwickelt. Auch Führungsbleche für ein leichtes Einlegen von Baugruppen sowie vorgewrapte VG-Leisten stehen zur Verfügung. Der Adapter Typ 13 ist speziell für Baugruppen im Europakartenformat bzw. kleiner entwickelt worden.

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