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Für morgen gerüstet

Testsysteme für elektronische Flachbaugruppen
Für morgen gerüstet

Es ist eine bittere Tatsache, dass die Fertigungsfehler heute je nach Baugruppe und Fertigungsmethode in der Größenordnung zwischen 3 und 30 % liegen. Das verlangt einen hundertprozentigen Test aller Baugruppen.

Peter Reinhardt, Reinhardt System- und Messelectronic, Dießen

Unterschiedliche Produktionsverfahren liefern auch unterschiedliche Qualitäten, doch überall muss möglichst ein hundertprozentiger Test durchgeführt werden. Reinhardt hat Firmen mit Eigenprodukten, die dem Prüffeld voll bekannt sind und bei denen sich durch Kommunikation mit der Entwicklung auch die Zukunft der Produkte in etwa umreissen lässt, so dass die passende Prüftechnik mit der nötigen Zukunftsfähigkeit eingekauft werden kann. Anders der Dienstleistungsbereich, der in Deutschland mit immerhin rund 450 Firmen existiert. Hier weiß man nie, wie die nächsten Aufträge aussehen werden, welche Technologie angewandt wird und wie die Entwicklungen der nächsten Jahre verlaufen werden, da die Dienstleister keinen Einfluss auf die Firmen geltend machen kännen. Die meisten heute verfügbaren Testsysteme sind ziemlich klar gegliedert, entweder Incircuit-Tester oder Funktionstester. Kombinierte Tester sind rar, in vielen Fällen auch sehr teuer und entsprechend unflexibel.
Dass das nicht so sein muss, ist nachfolgend festgehalten: Wir besprechen ein zeitgerechtes kombiniertes Incircuit-Funktionstestsystem, das auch Flexibilität und Zukunftsträchtigkeit gerade für die Firmen bringt, die den Trend weder beeinflussen noch steuern können. Der Traum jedes Prüffeldleiters ist eine Art „eierlegende fliegende Wollmilchsau“, die allen gegenwärtigen und vor allen Dingen zukünftigen Aufgaben gerecht wird. Von dieser Art der Testsysteme hat man sich bereits vor 10 Jahren verabschiedet, da sie meist zwischen 1 und 1,5 Millionen Dollar lagen und dadurch absolut unwirtschaftlich waren. Wir haben eine Generation entwickelt mit einem ungeheuer breiten Leistungsspektrum: Das ATS-KMFT 470-2 (Bild) besteht bereits in seiner Minimalausstattung aus 4 programmierbaren Spannungsquellen, einer elektronischen Last, 6 Festspannungsversorgungen, einem Sinus- und Rechteckgenerator, 24 Stimulierungskanälen und 64 Messkanälen für Incircuit- und Funktionstest. Auch das Messsystem für den Incircuittest zum Testen von Pinkontakttest, Kurzschluss- und Unterbrechungstest, LSI, BGA-Lötfehlertest, Polaritätstest für Elkos und Bauteiltest für Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten, Transistoren, FETs, Optokoppler, Thyristoren, Dioden, Zenerdioden usw. gehören zum Grundausbau. Acht dynamische Guards für jedes Bauteil können diese Bauteile vom Rest der Schaltung isolieren und gewährleisten eine sichere Erkennung des fehlenden oder defekten Bauteils. Mit der zwischen 20 Hz und 100 kHz frequenzvariablen Impedanzmessung können sowohl die Resonanzen und Impedanzen als auch Netzwerke in komplexer Form auf richtige Bestückung gerade mit Induktivitäten, Kapazitäten und Widerständen als Parallelschaltungen einwandfrei erkannt werden. ESD-Defekte (Kurzschluss nach Masse oder Vcc) oder Bonding-Drahtbrüche, die während des Fertigungsprozesses aufgetreten sind, werden genauso sicher erkannt. Die Fehlererkennung wird natürlich graphisch auf dem Bildschirm angezeigt. Im Reparaturfall entstehen daher nur geringste Zeitverluste, da sich so auch an dezentralen Reparaturstationen die Instandsetzung mit vollgraphischer Fehlerortung in kürzester Zeit realisieren lässt.
Die verschiedenen heute verwendeten Testmethoden werden je nach Firma unter verschiedenen Namen geführt. Dazu gehören Ausdrücke wie Vectorless Testing usw. Wir möchten darauf hinweisen, dass im allgemeinen Funktionstest bestenfalls 90 % der Fehler erkannt werden können, da derjenige, der die Programme erstellt, sich viele Fehler nicht vorstellen kann und so auch die nötigen Testschritte nicht entwickeln kann, um diese Fehler sicher zu prüfen. Darüber hinaus können auch durchaus 20 bis 30 Bauteile falsch bestückt sein, ohne dass die Funktion in Frage gestellt ist. Genauso können 20 oder mehr Bauteile fehlen und die Funktion trotzdem gewährleistet sein. Beim späteren Zusammenfügen der Systeme kann es höchstens passieren, dass die Baugruppe in Verbindung mit anderen Baugruppen, also in Systemen, nicht oder nur eingeschränkt funktionsfähig ist oder thermisch oder störungsmäßig wesentlich sensibler reagiert als vom Entwickler geplant. Deshalb ist ein Incircuittest unumgänglich. Verschiedene Firmen versuchen immer noch, den Incircuittest zu ignorieren oder einzusparen, was aber zu Frühausfällen oder durch thermische oder Störungseinwirkung zu Ausfällen führen kann. Während das Incircuittestverfahren früher sehr stark an das Backdriving von digitalen ICs gebunden war, kommt man dank der heutigen Testsystemtechnologien vollkommen ohne dieses Verfahren aus, da kaum noch 20 bis 25 % der Bauteile über das Backdriving Testverfahren testbar sind und die Qualität dieser Bauteile im allgemeinen zwischen 20 und 50 ppm angesetzt werden kann. Defekte, die im Fertigungsbereich durch ESD-Handling, aber auch durch falsches Biegen bzw. Thermoschocks während des Lötverfahrens entstehen, werden durch die heutigen Testverfahren im Incircuittest einwandfrei erkannt und angezeigt.
Nach dem erfolgreichen Incircuittest wird der Funktionstest durchgeführt. Dabei wird der Prüfling unter Spannung gesetzt und zuerst die Stromaufnahme geprüft. Im Fehlerfall werden bei Überstrom in kürzester Zeit die Versorgungsspannungen abgeschaltet, um eine Zerstörung des Prüflings zu vermeiden. Dafür stehen mindestens 30 Quellen zur Verfügung, die Bereiche vom unteren Mikroamperebereich bis zu 32 A und von µV bis zu einigen hundert Volt abdecken, so dass kaum Mängel bei den Stimulierungs- bzw. Versorgungsaufgaben auftreten dürften. Alle Quellen haben eigene Abschaltrelais und können unter Programmkontrolle ein- oder ausgeschaltet und die Ströme und Spannungen vorgewählt werden. Spannungen und Ströme können auch über Rampen von einem Wert über ein Inkrement und eine Zeit bis zu einem Endwert inkrementiert oder dekrementiert werden, wobei die Funktion überprüft wird. Mit insgesamt 9 Stromlasten von wenigen Mikroampere bis zu 100 A lassen sich auch Leistungselektronik und Stromversorgungen testen, die ebenfalls als Rampen aktiviert werden können. Es gibt auch 4 Wechselspannungsquellen, frequenzvariabel in 0,1 Hz-Schritten, bis zu motorgesteuerten Wechselspannungsquellen bis zu 8,5 A und 305 V, die ebenfalls mit Hilfe der Rampen programmiert werden können. Ein Sinus- und Rechteckgenerator steht für die Stimulierungsaufgaben für die Standardwechselspannungs- oder Rechteckversorgung zur Verfügung. Bis zu 30 IEC-/IEEE-fähige Stimuli- und Messgeräte können eingebunden werden, aber auch RS232- und RS485 stehen zur Verfügung. Es können also externe Generatoren beliebiger Hersteller mit eingebunden werden, die über komfortable Programmieroberflächen im Programmablauf eingestellt werden. Sogar die Rampentechnik lässt sich damit ausführen. Über die Stimulierungsmatrixkanäle können die Signale dieser Quelle unter Programmkontrolle an die Eingänge (in Zweidrahttechnik, potentialfrei) zugeschaltet werden. In diesem Bereich können natürlich Arbitrary und beliebige Pulsgeneratoren zur Stimulierung des Prüflings mit eingebunden werden. Standardmäßig stehen 24 Stimulierungsmatrixkanäle zur Verfügung. Sie sind mit S2-Relais der Firma SDS bestückt und können Schaltströme von 5 A bedienen, während sie mit geringsten Thermospannungen behaftet sind, um bei Stimulierungsaufgaben im Mikrovoltbereich mit geringster Fehlspannung zu operieren. Zum Zuschalten oder Umschalten von Strömen von 16 oder mehr Ampere 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. Während des kompletten Anschaltprozesses der Quellen und der Matrixkanäle sind Einschaltfolge und Zeitverzögerungen im Testsystem optimal vorprogrammiert, so dass sie bei den Programmieraufgaben nicht eigens berücksichtigt werden müssen. Für das Abmessen, ob Incircuit- oder Funktionstest, steht eine große Anzahl von Messmodulen zur Verfügung, deren Hauptanteil bereits im Standardtestsystem eingebaut ist. Nur wenige zusätzliche Module müssen für besondere Testaufgaben optional geordert werden und können auch später noch in das Gerät nachgerüstet werden. Die komplette Messtechnik für den Incircuittest ist bereits mit Dreileitertechnik-Matrixen vorhanden, ebenso die Messmöglichkeiten für den Pinkontakttest zur Sicherstellung der Adapterfunktionen oder des Verdrahtungstests zur Überprüfung von Leiterbahnverbindungen und Lötdefekten. Für die Fehler in der SMD-Technologie bei LSIs mit Fine Pitch-Anschlüssen, aber auch für Ball Grid Arrays, steht eine Testmethode zur Verfügung, die die Lötfehler sicher erkennt und die Fehler graphisch auf dem Bildschirm darstellt. Eine Aussage über die Lötqualität wird bei dieser Messung nicht gemacht, da hier nur die elektrische Leitfähigkeit überprüft wird. Wie der Lötfehlertest arbeitet auch der Polaritätstest mit kapazitiven Probes, die auf dem Bauteil plaziert werden und über einen 16-kanaligen Verstärker ausgewertet werden. Damit lassen sich Aluminium-Elkos, aber auch Tantal-Elkos sicher auf Polarität prüfen. Der nachfolgende Bauteiltest garantiert hohe Genauigkeit und Stabilität der Messung, so dass auch im einprozentigen Bereich noch Bauteile bis zu 40 MV bei Widerständen sicher gemessen werden. Das Autoguarding-Verfahren läßt den Einsatz von maximal 8 Guardverstärkern zu, die vom Testsystem und dessen Software vorgewählt werden. So werden die entsprechenden Guardpunkte in wenigen Sekunden selbständig gefunden und in das Programm eingebunden.
Das Debugging-Verfahren zur Kompensierung von kapazitiven Parallelschaltungen erfolgt bei dem Testsystem ebenfalls vollautomatisch und setzt den entsprechenden Zeitwert selbständig ein. Ein automatischer Programmgenerator kann die Daten beliebiger Netzlisten übernehmen und daraus selbständig ein Programm mit Guarding und Debugging erstellen. Bei typisch 200 Bauteilen dauert das weniger als 3 Minuten. Es verbleibt eine Reihe von Bauteilen, die über die Vorwahl der Netzliste nicht programmiert werden kännen. Deshalb wird eine Liste dieser Bauteile dargestellt, die dann von Hand unter Verwendung z.B. der Impedanzmessung in typisch 20 bis 30 Minuten ausgefüllt wird.
So wird die Prüftiefe exakt festgehalten und Bauteile, die nicht testbar sind, erkannt und in einer Liste dargestellt. Dazu gehören besonders die Parallelschaltungen von Kondensatoren auf den Betriebsspannungen oder zur Erstellung der Störsicherheit. Die Messmatrix kann in Gruppen von 64 Kanälen in einem Kartenträger bis auf maximal 832 Kanäle erweitert werden. Sollten höhere Kanalzahlen notwendig sein, kann ein zweiter Kartenträger mit dem ersten verbunden und so auf insgesamt 1.664 Kanäle erweitert werden.
Messen von kleinen Widerständen oder großen Kondensatoren
Für das Messen von Widerständen unterhalb von 1 kV empfiehlt sich die Kelvin-Verdrahtung, die wir ebenfalls unterstützen und die mit den Stimulierungsmatrixkanälen realisiert wird.
Bei Elektrolytkondensatoren oberhalb 1 mF garantiert die Kelvin-Verdrahtung ebenfalls eine sichere Messung. Kelvin-Verdrahtung erfordert zwei weitere Nadeln und weitere Verdrahtung. Mit dieser Lösung werden bei Zweidraht-Verdrahtung noch Widerstände von wenigen Ohm mit 5 % gemessen. Dazu müssen alle Messzweige bestehend aus Nadel, Anschlussdrähten, Steckerverbindungen usw. bekannt sein und vom eigentlichen Messwert abgezogen werden können.
Der Autokalibrierungsprozess erfordert das Einlegen einer Metallplatte in den Adapter. Derselbe Effekt wird erzielt, wenn Prüfling in Stanniolpapier gehüllt wird. Dann werden vollautomatisch alle Anschlusszweige erlernt und in einer Tabelle innerhalb des Testsystems festgehalten.
Nachdem so die Messzweige bekannt sind, kann der Absolutwert des Widerstandes ermessen werden.
Funktionstest
Das ATS-KMFT 470-2 ist ein kombiniertes Incircuit-Funktionstestsystem, bei dem zu jedem Zeitpunkt der erfolgreiche Incircuittest verlassen werden kann, um die Funktion zu prüfen (Bild oben). Zum Standardmesssystem des ATS-KMFT 470-2 gehört u.a. die Spannungsmessung mit einer Auflösung von 16 bit und einer Grundgenauigkeit von 50 ppm. 6 Spannungsmessbereiche decken die Bereiche von 100 µV bis zu 130 V ab. Die Messbereiche sind für die typischen Spannungen der Elektronik optimiert, so dass das Messsystem immer optimale Auflösung anzeigt. Wechselspannungsmessung ist in derselben Anzahl von Messbereichen im Bereich zwischen 35 Hz und 100 kHz möglich, wobei auch hier eine hohe Linearität über den ganzen Bereich gegeben ist. Für das Messen von Spitzenspannung als +Peak, -Peak und Peak-to-Peak bis 100 kHz stehen weitere Messbereiche zur Verfügung. Über die komfortable Oberflächensoftware werden Werte auch automatisch erlernt, wobei im gleichen Prozess 5 % + und 5 % – berechnet und in die Grenzwertfelder eingetragen wird. Selbstverständlich können andere Toleranzgrenzen oder auch asymmetrische Toleranzgrenzen vorgewählt und abgemessen werden. Auch der Sollwert kann von Hand vorgewählt werden. Referenzmessungen von vorhandenen Werten sind genauso möglich wie das Messen von Relativ- oder Ratiowerten in Bezug auf den Referenzwert. Widerstände werden in einer einfachen Widerstandsmessung überprüft. Je nach Aufgabenstellung der Prüfung können auch IEC-/IEEE-fähige Messgeräte eingebunden werden. 5 IEC-Messbereiche für Keithley 2000 bzw. Fluke 8842 sind standardmäßig bereits in die Software eingebunden, so dass Sie dann auch Messaufgaben mit einer Genauigkeit von 10 ppm und einer Auflösung von 6 1/2 Stellen realisieren können. Die Standardmessmatrix wird für diesen Bereich nur umgeschaltet. Für Sondermessaufgaben wie Klirrfaktormessung oder Brummspannungsmessung im Telefonübertragungsbereich kann jederzeit ein Klirrfaktormessgerät bzw. ein Psophometer eingebunden werden. Zugeschaltet wird auch hier entweder über unsere Stimulimatrix oder über die Mesmatrix.
Die Zeit- und Frequenzmessung im Bereich 50 ns oder 25MHz mit einem Rezipromatikzähler erlaubt eine 31 bit Auflösung und damit optimale Darstellung von Zeiten und Frequenzen. Über eine 12 bit ±30 V-Schaltschwelle für Start und Stop wird Rise-Time, Pulsbreite, Tastverhältnis und Laufzeit zwischen 2 Kanälen problemlos gemessen. Phasenmessungen mit guter Auflösung sind genauso mäglich und erlauben speziell bei automatischen Einphasen von Kraftwerkselektronik eine sichere Prüfung. Im Mess-zeit-Abbruchsfenster wird die Abbruchszeit vorgewählt, um die Fehlererkennung auch bei nicht vorhandenem Messsignal einwandfrei zu gewährleisten. Das Messverfahren kann vor der Aktivierung, nach der Aktivierung und mit der Aktivierung des Messsystems starten.
Transientenrecorder
Der Transientenrecorder (Digitaloszillograph) dient zur graphischen Darstellung verschiedenster Signalformen (Bild 3). Er ist mit 100 ns Samples für einen Aufgabenbereich bis zu 200 – 300 kHz einsatzfähig. Kurvenformen beliebiger Art können vollautomatisch vermessen werden. Mit insgesamt 8 Messwerten können zu jedem dieser Messwerte Minimum- und Maximumgrenzwerte gesetzt werden, um sie innerhalb des Tests zu bewerten. Die Kurve wird in 2000 Schritten analysiert, wobei nach entsprechender Triggerung eine automatische Hüllkurve mit den vorgegebenen, jedoch beliebig veränderbaren Default-Werten erstellt werden kann. Die so erstellte Hüllkurve kann punktweise oder sektorweise manuell optimiert und korrigiert werden, um Überschwingern oder Toleranzen Rechnung zu tragen. Mit dem Transientenrecorder lassen sich Kurvenformen vollautomatisch überprüfen, ohne dass ein visueller Kontakt notwendig ist. In dieses Modul ist ein Logikanalysator mit 32 Kanal Breite und 8 K Tiefe eingebaut. Entwickelt für den 5 V-Bereich, kann er Logiksignale erlernen und abspeichern. Eine Besonderheit ist die Möglichkeit, sich bei freilaufenden Generatoren auf die Clock-Frequenz aufzusynchronisieren. Mit einer Triggermaske werden sich wiederholende Vorgänge in Echtzeit bis 20 MHz erlernt und abgespeichert und bei beliebigen Prüflingen mit Fehlerortung auf Kanal und Zeit vollautomatisch 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 RAM-Speichern oder anderen speichernden Elementen bis zu 10 MHz verwirklichen.
Logiktest
Die heutigen Baugruppen sind überwiegend logikbestückt, sowohl mit den klassischen Digital-ICs, aber auch LSIs oder GALs, PALs und ASICS. Wir testen sie mit unseren Logikkanälen, die zwischen 0 und 30 V und in bis zu 8 Logikfamilien programmierbar sind. Die Logik ist als statische Logik zu betrachten, die im Bereich um die 10 kHz arbeitet und mit Verzögerungen und Wartezeiten für Eingangsentprellung oder sonstige Verzögerungsschaltungen programmiert werden kann. Die Logik kann in Kombination mit der High Speed-Logik eingesetzt werden: Im statischen Bereich werden die Grundkonditionen des logischen Tests vorgewählt und mit der High Speed Logik Echtzeitaufgaben gelöst. Natürlich ist der High Speed- oder Echtzeitlogiktestbereich nahezu unmöglich zu programmieren, da es bis heute nicht möglich ist, Echtzeit nachzuempfinden. In den meisten Fällen bleibt es daher bei einem Hochgeschwindigkeitstest, jedoch mit eingeschränktem Echtzeitverhalten.
Für serielle Datenübertragungen steht standardmäßig die RS232-Schnittstelle bzw. die I2C-Schnittstelle im Grundausbau zur Verfügung. Für IEC- bzw. IEEE-Stimulierungs- und Messaufgaben gibt es eine eigene Karte, die das Timing aller gängigen Fabrikate an Stimuli- und Messgeräten kennt und so eine einfache und praxisnahe Programmierung dieser Geräte ermöglicht.
CAN-Bus und 15 weitere Feldbussysteme werden optional angeboten, so dass Sie die serielle Ansteuerung, Auswertung und Datenübertragung entsprechend der Vorgaben Ihres Prüflings vornehmen können. Für das Testen von Mikroprozessoren sollte in den meisten Fällen bereits der ROM-Bereich für den Selbsttest der zu testenden Baugruppen vorbereitet werden, so dass dieser Test auch ohne Testsystem durchgeführt werden kann.
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