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Flying Probe weiter auf dem Vormarsch

Doppelseitiges Testverfahren für die optimale Prüfstrategie
Flying Probe weiter auf dem Vormarsch

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Takaya erweitert das Produktspektrum um ein weiteres Flying-Probe-System. Es prüft mit zehn fliegenden Nadeln Leiterplatten gleichzeitig von der Ober- und der Unterseite, verfügt über ein Laser-Höhenmesssystem, nutzt Kameras und LED-Sensoren für die beidseitigen optischen Prüfungen, und kann mit einer Signaturanalyse die Tests erheblich beschleunigen. Die nochmals verbesserte Prüfgeschwindigkeit und die größere Testabdeckung weiten die Einsatzmöglichkeiten des Flying-Probe-Tests deutlich aus.

Takaya, im Vertrieb von Systech Europe ist mit mehr als 2.300 Systeminstallationen der weltweit führende Anbieter von Flying-Probe-Systemen. Bereits mit der Vorstellung des einseitigen Testsystems hatte der Hersteller seine Technik komplett neu überarbeitet und Geschwindigkeitssteigerungen von bis zu 50 % und eine verbesserte Genauigkeit von 25 % erreicht. Das neue beidseitige Flying-Probe-System APT-1600FD kommt mit weiteren neuen Funktionen und ist nochmals leistungsstärker.

Prüfen von beidseitig bestückten Leiterplatten

Mit dem neuen Flying-Probe-Test (FPT) können die bestückten Leiterplatten gleichzeitig von beiden Seiten geprüft werden. Das Wenden der Baugruppen, ob manuell oder automatisch, entfällt damit. Durch die beidseitige Prüfung kann der Test beschleunigt werden.

Für die Prüfung stehen auf der Oberseite vier und auf der Unterseite zwei verfahrbare Probenköpfe bereit. Auf beiden Seiten können jeweils zwei weitere Nadeln vertikal im 90-Grad-Winkel für den Zugriff zwischen hohen Bauelementen genutzt werden. Der große Testbereich von 540 x 468 mm von der Oberseite steht auch im vollen Umfang auf der Unterseite zur Verfügung.

Mit dem Testsystem stehen außerdem weitere Prüfkanäle zur Verfügung, wodurch die Testmöglichkeiten auch im Funktionstestbereich deutlich erweitert wurden. Durch die beidseitige Prüfung werden zudem Prüflücken geschlossen, wenn beispielsweise ein Bauteil nur einen Zugriffspunkt von der Oberseite und einen Zugriffspunkt von der Unterseite hat. Dann kann dieses Bauteil nun von oben und von unten kontaktiert werden.

Auch bei der Prüfung von mehreren Baugruppen im Nutzen ergibt sich durch die beidseitige Prüfung ein weiterer Vorteil: Um den Zugriff von der Unterseite zu ermöglichen, reichen bei mehreren Gruppen die Anzahl der Nadeln nicht aus. Eine Lösung wäre hier die Verwendung eines Nadeladapters von der Unterseite. Dieses ist allerdings aufwendig und unflexibel. Diese Beschränkung entfällt beim neuen System, da jetzt auch auf der Unterseite bewegliche Nadeln zur Verfügung stehen, die alle Prüfpunkte abfahren können. Bei solchen Gruppenprüfungen kann sich die Prüfzeit jetzt deutlich verkürzen.

Laser-Höhenmesssystem erkennt die Verwölbung der Leiterplatten

Beim beidseitigen Testen ist die Unterstützung der Baugruppe von der Unterseite nur im begrenzten Maße möglich. Umso wichtiger ist es, dass die Verwölbung der Baugruppe messtechnisch ermittelt und die Positionen der Prüfnadeln in X/Y- und in Z-Richtung automatisch korrigiert werden, um den Anpressdruck immer gleich zu halten.

Neben der Ermittlung der Vorwölbung der Baugruppe kann das Laser-Höhenmesssystem auch zur Vermessung von Bauteilhöhen verwendet werden. So lassen sich verpolte Stecker anhand der Einkerbung erkennen oder fehlende oder gekippte Bauteile feststellen, was die Prüftiefe nochmals erhöht.

Kameras für optische Tests

Im Gegensatz zu einseitigen Flying-Probe-Systemen, welche nur von der Oberseite mit einem Kamerasystem ausgerüstet sind, besitzt der beidseitige FPT Kameras von beiden Seiten. Diese dienen zur Erkennung der Lage der Baugruppe, bieten aber auch eine Vielzahl von optischen Testmöglichkeiten (Vorhandensein von Bauteilen, Polarität, Verdrehung, Beschriftung, etc.). Auch die Erkennung des Barcodes ist über die Kamera von beiden Seiten möglich. Das optische System der APT-1600FD-A verfügt zusätzlich über eine Farberkennung für Bauteile. Damit können z. B. Stecker anhand Ihrer Farbgebung überprüft werden.

Sensoren für die LED-Prüfung

Der Test von Leuchtdioden gewinnt immer mehr an Bedeutung, LED-Sensoren sind daher ein Muss im Prüfprozess. Beim beidseitigen Testsystem sind jeweils zwei Sensoren auf der Oberseite und zwei Sensoren auf der Unterseite angeordnet. Mit diesen Sensoren ist es möglich, die LEDs im gesamten sichtbaren Farbspektrum auf Farbe, Helligkeit und Sättigung zu überprüfen. Dabei spielt es keine Rolle, auf welcher Seite die LEDs auf der Baugruppe platziert sind.

Signaturanalyse kann Testdauer
drastisch verkürzen

Die Messverfahren wurden durch eine neuartige Signaturanalyse ergänzt, die Net Signal Wave Analysis (NSW). Jedes Netz wird pro Prüfschritt mit einem Messsignal mit unterschiedlichen Frequenzen angesteuert. Für jede Frequenz wird die Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom ermittelt und somit aus den verschiedenen Messungen eine eindeutige Signatur für jedes Netz ermittelt. Diese Signaturanalyse kann zum einen zur deutlichen Steigerung der Testgeschwindigkeit beitragen, aber auch zur Erhöhung der Testabdeckung insbesondere im Bereich des Kurzschlusstests.

Dieser spezifische „Fingerabdruck“ eines fehlerfrei getesteten Netzes kann als Master (Referenz) für alle weiteren Prüfungen genutzt werden. Zeigt die Frequenzanalyse bei der nächsten Baugruppe die gleiche Signatur, kann z. B. auf die Prüfung jedes einzelnen Bauteils verzichtet werden.

Die Signaturanalyse lässt sich für bestimmte Bereiche des Testprogramms verwenden oder auch für alle Netze. Wenn die gemessene Signatur von der Referenz abweicht, wird automatisch jedes Bauteil dieses Netzes einzeln geprüft.

Eine solche Signaturprüfung kann den Test einer bestückten Leiterplatte je nach Baugruppe erheblich verkürzen.

Eine entwicklungsbegleitende Prüfunterstützung

Das Flying-Probe-Testsystem ermöglicht die Prüfung der elektrischen Funktionen bereits bei Prototypen, also im frühsten Stadium des Lebenszyklus einer Baugruppe. Da hier eine Vielzahl sehr unterschiedlicher Fehler auftreten können, ist eine manuelle Prüfung und Fehleranalyse durch den Entwickler entsprechend aufwendig. Hier eignet sich der FPT zur Fehlereingrenzung. Die notwendigen Prüfprogramme für Prototypen sind relativ schnell erstellt und ermöglichen, dass mit geringem Aufwand Bauteilwerte gemessen, Spannungen geprüft oder Messreihen durchgeführt und so Baugruppenfehler schneller erkannt werden können.

Der Medizintechnikhersteller Fresenius Medical Care bestätigt: „Die größten Vorteile sind die hohe Flexibilität bereits in der Produktentwicklung durch schnelle Prüfungen bei geringen Prüfkosten. So können wir auch auf Produktveränderungen aufgrund von Bauteilabkündigungen sehr schnell reagieren.“

Flexibilität bei den Stückzahlen

Der FPT zeigt seine Stärken insbesondere, wenn viele Produktvarianten sowie kleinere und mittlere Stückzahlen geprüft werden sollen. Die schnelle Erstellung von Prüfprogrammen, die verbesserte Prüfgeschwindigkeit und die große Testabdeckung haben den Einsatzbereich des FTP hier stark erweitert.

Der EMS-Dienstleister Merkur Elektronik deckt mit dem FPT bereits 80 % des gesamten Produkt-Portfolios ab und entlastet die ICT-Prüfung. Dies bestätigt auch der österreichische EMS-Dienstleister Graf Elektronik: „Unser vorrangiges Ziel ist es, unseren Kunden die größtmögliche Testtiefe anbieten zu können. Mit dem Flying Probe kontrollieren wir Prototypen, die Nullserie und auch Baugruppen aus der Serienfertigung bis zu einer Stückzahl von 10.000.“ Auch bei Zollner werden neben Prototypen zunehmend größere Serienstückzahlen abgedeckt und ersetzen in diesen Bereichen herkömmliche Nadeladapter.

Eine schnelle und flexible Programmerstellung

Ein besonderer Vorteil des FPT ist die relativ einfache Programmerstellung und ein Test ohne feste Nadeladapter. Die CAD-Daten aus der Elektronikentwicklung werden für das Prüfprogramm übernommen und von der Software in einem 3D-Modell der Baugruppe aufbereitet. Der Testalgorithmus wird anschließend anhand der Sachnummer in einer SQL Datenbank abgelegt und kann so bei jedem weiteren zu erstellendem Prüfprogramm wieder abgerufen werden. Produktänderungen lassen sich so recht schnell in das Prüfprogramm übernehmen. Bei Änderungen im Layout der Baugruppe erweist sich der FPT durch die geringen Kosten und durch die Schnelligkeit bei den Änderungen als ideale Prüfstrategie.

Für die Erstellung des Prüfprogramms bei kleinen Baugruppen benötigt der EMS-Dienstleiter BMK nur wenige Stunden und selbst bei komplexen Baugruppen mit einer hohen Bestückungsdichte ist das innerhalb von ein bis zwei Tagen umsetzbar. Merkur Elektronik betont, dass die Mensch-Maschinen-Schnittstelle des Takaya Systems auf der Höhe der Zeit ist. „Die Bedienung ist logisch aufgebaut und kann nach einer Einweisung auch von Mitarbeitern ohne Testerfahrungen durchgeführt werden. Heute benötigen wir für das Prüfprogramm nur noch 6 bis 8 Stunden“, so Merkur Elektronik. Graf Elektronik beschreibt als Erfahrung aus ca. 350 Projekten, dass bei einer neuen Baugruppe für die Erstellung des Prüfprogramms je nach Komplexität lediglich zwischen einer und acht Stunden erforderlich sind, einschließlich der Entwicklung von MDA- und Funktionstests.

Inline-System automatisiert die Prüfung

Die Prüfgeschwindigkeit der Flying Prober ist in den letzten Jahren wesentlich verbessert worden, somit werden die Systeme auch immer mehr in der Serienfertigung eingesetzt und die Automatisierung bietet hier entscheidende Vorteile. Die Systeme können in der Linie oder aber auch in der Verkettung mit einer Be- und Entladestation als vollautomatisches Testsystem eingesetzt werden.

Die Rüstvorgänge werden über den Barcode der Baugruppe eingeleitet und die Testergebnisse werden direkt, z. B. als XML-Datei, an ein MES-System gesendet.

Testabdeckung und Integration von weiteren
Prüf- und Testverfahren

Für die Prüfung sollte jedes elektrische Netz bei der Entwicklung mit einem Testpunkt versehen werden. Solche Testpunkte werden aus Platzmangel immer häufiger nicht berücksichtigt. Ohne diese Testpunkte sind ICT-Tests allerdings nicht möglich. Werden die fertigen Produkte erst unmittelbar vor der Auslieferung intensiv geprüft und Fehler festgestellt, müssen ganze Fertigungschargen geöffnet und fehlerhafte Bauteile ausgetauscht werden. BMK nennt deshalb als Stärke der FP-Technologie: „Die Prüfung ist auch ohne Testpunkte möglich, erfordert keinen Adapter und ist relativ schnell umsetzbar.“

Bei vielen EMS-Dienstleistern wird der FPT um weitere Prüf- und Testverfahren erweitert. Um eine möglichst große Prüftiefe zu erreichen, wurden bei Graf Elektronik standardmäßig auch unterschiedlichste Funktionstests integriert, um beispielsweise die Spannungsversorgung und Stromaufnahmen auf Baugruppen zu prüfen.

„Wir können auch diverse Bus-Kommunikationen nachbilden und zum Beispiel über einen I²C-Bus LED-Treiber ansteuern, ohne dafür Nadeladapter einsetzen zu müssen“, so der EMS-Dienstleister. Bei der Ihlemann AG wird zur Beschaltung von Relais vor der Erstinbetriebnahme im FPT ein fünfmaliger Schaltvorgang durchgeführt. Auch Netzteile können so vor der Auslieferung unter Spannung gesetzt und deren Spannungswerte überprüft werden.

Hohe Zuverlässigkeit sowie Kosten- und Prozesseffizienz

Bereits vor über 30 Jahren wurde das weltweit erste Flying-Probe-System durch den Hersteller Takaya zum Testen von elektronischen Baugruppen eingeführt. Durch den langjährigen Entwicklungs- und Verbesserungsprozess ist der FPT ein ausgereiftes Verfahren und wird auch im Mehrschichtbetrieb für den automatisierten Testbetrieb eingesetzt.

Das Unternehmen Atlas Elektronik, Hersteller von Marinetechnik, sieht die größten Vorteile in der Schnelligkeit, in der Flexibilität und Messgenauigkeit des Takaya-Testsystems sowie der Fähigkeit, auch kleinste Padgrößen zuverlässig zu kontaktieren.

Nach den Erfahrungen von Merkur Elektronik ist die Takaya-Technik sehr robust und arbeitet fehlerfrei: „Die Testqualität ist bei Standardbaugruppen genauso hoch wie beim ICT-Test, erfordert einen geringeren Personaleinsatz und ist dabei um den Faktor zwei schneller.“ Fresenius Medical Care bestätigt die Zuverlässigkeit der Technik: „Die Mechanik der Takaya-Testsysteme ist sehr robust konstruiert und wir sind beeindruckt davon, wie lange und genau die Maschinen arbeiten.“

BMK ergänzt: „Aufgrund kurzer Entwicklungszeiten fallen geringe Investitionskosten bei der Testerstellung an. Der FPT ist deshalb ein kostengünstiges Testverfahren – auch bei komplexen Baugruppen und kleinen Losgrößen.“

www.systech-europe.de


Pionier der Flying-Probe-Technologie

Im Jahre 1987 stellte Takaya das erste Flying Probe In-Circuit Testsystem vor und bereits 1989 wurde diese Technologie erfolgreich in Europa eingesetzt. Zum ersten Mal war es möglich Testprogramme ohne aufwendige Testadapter und einer langwierigen Programmierung zu erstellen. Takaya ist heute weltweit führend auf dem Gebiet der Flying-Probe-Technologie.

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