Testen von elektronischen Flachbaugruppen

Frühausfälle mindern

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Bisher ist es noch nicht gelungen, elektronische Flachbaugruppen, Module, Hybride oder auch ganze Geräte fehlerfrei zu fertigen. Tatsächlich ist eine Fehlerrate zwischen 2 und 30 Prozent zu erwarten. Ein hundertprozentiger Test der elektronischen Flachbaugruppen ist deshalb zwingend notwendig.

Peter Reinhardt, Reinhardt System- und Messelectronic GmbH, Dießen

Innerhalb Deutschlands testen über 30 Prozent ihre Baugruppen überhaupt nicht, obwohl sie wissen, dass Fertigungsfehler auftreten. Weitere 30 Prozent inspizieren wenigstens optisch, der verbleibende Rest testet mehr schlecht als recht elektronisch und wiederum 11 bis 12 Prozent davon testen ernsthaft elektronisch. Der verbleibende Rest versucht sich am Funktionstest: Der Prüfling wird in ein Endgerät gesteckt, in der Hoffnung, es möge alles funktionieren. Fertigungsfehler werden dabei jedoch auf keinen Fall erkannt. Eine zweite Gruppe schafft wenigstens Hilfsgeräte, mit denen die Funktion mehr schlecht als recht geprüft wird, aber ebenfalls keine Fertigungsfehler erkannt werden. Die dritte Gruppe versucht, so ernsthaft wie möglich, mit Funktionstestern die Baugruppe zu testen, aber auch in diesem Fall werden Fertigungsfehler nur sehr eingeschränkt erkannt.
Incircuittest und visuelleInspektion
Die einzige Einrichtung, die Fertigungsfehler bis zu einem Grad von 95 bis 98 Prozent sicher erkennen kann, ist der Incircuittest in Verbindung mit dem optischen Test (visuelle Inspektion). Incircuittest ist kein Schlagwort, sondern steht dafür, dass mit ihm Fertigungsfehler bestmöglich erkannt werden. Bei diesem Prüfverfahren ist der Prüfling stromlos; mit Hilfe der Prüfnadeln wird die Kontaktierung zu den Leiterbahnen hergestellt, und diese werden dann über Relaismatrixen (Umschalter) mit dem Messgerät verbunden. Das Messgerät stellt dann erst einmal fest, ob die verwendete Prüfnadel Kontakt zum Prüfling hat. Ist das gegeben, folgt ein Kurzschluss- und Unterbrechungstest der Netze (Leiterbahnen). Diese Fehlerklasse (Lötfehler) ist die häufigste und liegt nach unseren Erfahrungswerten bei 53 Prozent. Nach einem erfolgreichen Kurzschluss- und Unterbrechungstest wird überprüft, ob die Bauteile wie Widerstände, Kondensatoren, Transistoren, Dioden, Zenerdioden, FETs, aber auch die Diodenstrecken von ICs an der richtigen Stelle wertgenau innerhalb der zulässigen Toleranzen in der richtigen Richtung (polaritätsrichtig) bestückt sind. Diese Fehlerrate beträgt bei bedrahteten, aber auch bei SMT-Baugruppen typisch 32 Prozent. Defekte an den vorhergenannten Bauteilen liegen etwa bei 7,8 Prozent und Defekte an digitalen Bauteilen sind aufgrund der hohen Prüfschärfe der Lieferanten kleiner als 1 Promille. Der verbleibende Rest von ca. 7 Prozent entfällt auf elektromechanische Bauteile wie Stecker, Schalter, Transformatoren, Relais und natürlich die Leiterplatte. Diese Defekte oder Fertigungsfehler können in den meisten Fällen nur optisch (visuell) erkannt werden, der Incircuittest bietet aber eine weitere gute Testmöglichkeit.
Der zur Zeit so favorisierte Flying Probe Tester hat gegenüber dem Incircuittester eine reduzierte Prüfschärfe und bringt nicht die Lösung des Problems. Seine Stärke liegt in der Prüfung von Baugruppen mit sehr großen mechanischen Abmessungen oder von Baugruppen mit weit über 1000 Netzen. Seine, bedingt durch den Verfahrweg der Probe, geringe Testgeschwindigkeit reduziert die Prüfschärfe und erhöht die Kosten.
Wird also ein Incircuittest vorab durchgeführt, hat das den Vorteil, dass später beim Funktionstest nur noch eine sehr geringe Fehlerzahl zu erwarten ist und damit auch ein großer Prozentsatz der Frühausfälle verhindert wird, die sonst beim Kunden, im Endgerät, in Installationen möglicherweise auf der anderen Seite der Welt auftreten und zu enormen Kosten und Imageverlusten führen.
Um also eine elektronische Flachbaugruppe nach den heute geforderten Qualitätsnormen zu prüfen, ist ein Incircuit – verbunden mit einem visuellen Inspektionstest ein absolutes Muss, und sollte durch einen umfangreichen Funktionstest ergänzt werden. Beim Funktionstest wird die zu testende Flachbaugruppe mit den entsprechenden Betriebsspannungen versorgt und anschließend die Stromaufnahme gemessen. Das Messen von Referenzspannungen und reproduzierbaren Spannungsknoten ist ein weiterer Teil des Funktionstests. Dann werden die Eingangssignale (Spannungen, Ströme, Frequenzen, Impulse, Kurzschlussverbindungen und serielle und parallele Logiksignale) angelegt. Mit einem vordefinierten Zeitraster wird die Funktion der Elektronik auf der elektronischen Flachbaugruppe mit einer Messeinheit überprüft. Die ermessenen Werte werden über entsprechende Toleranzfenster ausgewertet. Aus diesen Ergebnissen wird eine Gut/Schlecht-Aussage gemacht oder ein Protokoll der ermessenen Parameter erstellt.
Prüfflächen einplanen
Da bekannt ist, dass Baugruppen nicht fehlerfrei gefertigt werden, und das schon solange Flachbaugruppen hergestellt werden, ist es eine Ignoranz von Entwicklern, wenn sie Baugruppen nicht testfähig herstellen. Wenn sie eine Baugruppe entwickeln, tragen sie Sorge, dass alle Bauelemente auch auf dem Prüfling Platz finden. Prüfflächen besitzen dieselbe Priorität wie Bauelemente. Sie können also nicht einfach die Prüfflächen weglassen, da sie sonst einen umfassenden Test, der binnen weniger Sekunden abgearbeitet wird und über die grafische Fehlerortung den Fehlerort punktgenau auf dem Bildschirm anzeigt, ignorieren und dann unter extrem hohen Kosten die Baugruppe reparieren oder gegebenenfalls verschrotten. Bei jedem Auto heute ist seit weit mehr als zehn Jahren ein Teststecker vorhanden, mit dem die Diagnose bzw. die Fehleranalyse erfolgt. Beim Automobil sind für die Diagnostik ein Extrastecker, Kabel und Sensorik nötig, um die Diagnostik zu ermöglichen. Bei Leiterplatten brauchen nur Prüfflächen erstellt werden, die im eigentlichen Fertigungsprozess keinerlei Kosten verursachen. Deshalb brauchen elektronische Baugruppen Prüfflächen, mit denen die Testeinrichtung oder das Testsystem sie kontaktieren kann.
Das Erstellen von Prüfflächen wird in vielen Fällen zwischen der Prüfabteilung und dem Entwickler in Form eines Kuhhandels abgearbeitet, d.h., man versucht, die Prüfabteilung mit einem Minimum an Prüfflächen abzuspeisen. Gerade von Leuten, die Layouts machen, hört man immer wieder, es sei unmöglich, sie könnten auf keinen Fall mehr Prüfflächen setzen. Wenn wir jedoch die Baugruppen sehen, können wir dann allerdings mit Sicherheit sagen, dass man darauf noch ausreichend Prüfflächen, sei es als runde Pads, sechs- oder achteckige Pads (Prüfflächen), setzen kann. Die Größe der Prüffläche wird durch die Baugruppengröße vorgegeben, da man davon ausgehen muss, dass bei der Erstellung der Baugruppe Fertigungstoleranzen zu erwarten sind. So werden bei einer Baugruppe, deren Außenmaße sich nicht über 10 cm in X- und Y-Richtung belaufen, Prüfflächen problemlos im Bereich von 0,8 mm und sogar kleiner, genutzt. Bei Baugruppen in doppelter Größe sollte die Prüffläche 1,2 mm, bei Baugruppen in dreifacher Größe 1,8 mm betragen. Das stellt sicher, dass bei zulässigen Fertigungstoleranzen der Leiterplattenhersteller noch eine sichere Kontaktierung möglich ist. In engen Situationen empfiehlt es sich, Durchkontaktierungen zu wählen, die meistens zwischen 0,6 bis 0,8 mm liegen und dann auch noch die Möglichkeit bieten, Netze von der oberen Seite der Baugruppe auf die untere (d.h. die Prüfseite) zu ziehen.
Adaptionskostengering halten
Die Nutzung von Prüfflächen setzt Nadel-adapter voraus, die auf der Basis von Vakuum oder manuellen bzw. pneumatischen Niederhaltern den Andruck auf den Prüfling (Flachbaugruppe) ermöglichen. Die Kosten für Vakuumadapter liegen beim 3- bis 5-fachen des Niederhalteradapters, bedingt durch die Abdichtung, die gerade bei den heutigen Baugruppen mit ihren vielen Durchbrüchen und Bohrungen, sehr aufwändig und kostspielig ist. Beim Setzen der Prüfflächen sollten die Adaptionskosten im Investitionsbereich so gering wie möglich gehalten und gleichzeitig auf die Robustheit und Langlebigkeit dieses Adapters geachtet werden. Das ist nur möglich, wenn man mit den Standard 1/10-Zoll-Nadeln arbeitet. Sie liegen auf der Investitionsseite in Verbindung mit einer Hülse mit WireWrap-Anschluss in einem Preisbereich zwischen 1 DM und 1,50 DM. Die Standzeit dieser Nadeln kann je nach verwendeter Baugruppe mit Prüfflächen, aber auch mit bedrahteten Durchlötungen zwischen 8000 und 15000 Kontaktierungen liegen. Diese Werte werden nur beim Niederhalterkonzept erreicht. Beim Vakuumadapter sind diese Zahlen nicht möglich, weil durch die vorbeiströmende Luft und die mitgerissenen Schmutzpartikel die Stifte verschmutzen und dadurch die Lebensdauer um wenigstens ein Drittel, wenn nicht sogar bis zur Hälfte reduziert wird.
Seit 1990 gilt bei uns die Produkthaftung, und davon ist unser Elektronikbereich mit Flachbaugruppen genauso wenig ausgenommen wie allen anderen Produkte. Der Gesetzgeber sagt ganz einfach, der Ersteller ist voll haftbar, wenn Mensch oder Sache zu Schaden kommen die auf Fertigungsfehler zurückzuführen sind. Darüber hinaus sagen diese Gesetze, dass, wenn Prüfmethoden bekannt oder üblich sind und diese aus irgendwelchen Gründen nicht eingesetzt oder genutzt werden, der Tatbestand der groben Fahrlässigkeit gegeben ist und der Produzent dieser Baugruppen ist für Schäden voll haftbar. Sie erkennen dass, nachdem keine fehlerfreie Produktion möglich ist, ein hundertprozentiger Test mit der entsprechenden Prüfschärfe für Incircuittest, optischen Inspektionstest und Funktionstest notwendig ist. Dazu muss der Prüfling so konstruiert werden, dass die genannten Testmöglichkeiten unproblematisch möglich sind.
Kompromisse wie Einsparen oder Unterlassen von Testpunkten sind nicht möglich, da aus physikalischen Gründen bereits einige Prüfmöglichkeiten mit gewissen Einschränkungen behaftet sind und so noch immer einige Promille, sogar bis zu Prozenten offenstehen, die durch die vorgenannten Testmöglichkeiten nicht zu erkennen sind. Zu diesen physikalisch nicht oder nur eingeschränkt prüfbaren Tests gehören der Anschluss der Masseleitungen und Vcc-Leitungen von LSIs, die Parallelschaltung der Abblockkondensatoren für die IC-Abblockung, die Parallelschaltung für Hochfrequenzstörfestigkeit von Kapazitäten oder das Parallelschalten von Widerständen.
Für das Testen von Netzwerken gibt es auf dem Weg der Impedanzmessungen verschiedene Möglichkeiten, um auch komplexe Netzwerke auf ihre richtige Bestückung zu prüfen. Bauteile wie Varistoren können über die Eigenkapazität auf Vorhandensein und richtige Bestückung geprüft werden, während gasgefüllte Hochspannungsschutzeinrichtungen ebenfalls nicht testbar sind.
Der restliche Bereich der Bauteile, auch im Busbetrieb von ICs, ist relativ unkompliziert prüfbar und erlaubt auch sichere Fehlerortung.
Bei der Verwendung von Exschutz-Doppeldioden ist heute ebenfalls ein Test möglich, der den Defekt einer Diodenstrecke erkennen lässt. Bei prüffähiger Entwicklung einer Baugruppe kann ein Höchstmaß an Fehlern erkannt werden, was auch die Frühausfälle stark reduziert.
Der in der Automobiltechnik geforderte Nullfehlerprozess ist in der Fertigung von elektronischen Flachbaugruppen immer noch Zukunft.
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