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Leistungsfähige Testsysteme

Incircuit- und Funktionstest von elektronischen Flachbaugruppen
Leistungsfähige Testsysteme

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Erfahrungen haben gezeigt, daß es bis heute notwendig ist, Flach-baugruppen hundertprozent zu testen, wobei typische Fehlerraten zwischen 2 und 8 % zu erwarten sind und 8 % eher die Regel sind als 2 %. Verschiedene Testverfahren wie der Incircuittest und der Funktionstest können Aussagen über die Fehler bzw. die Funktionsfähigkeit einer Baugruppe machen.

Da erfahrungsgemäß über 80 % der auftretenden Fehler Fertigungsfehler sind, eignet sich der Incircuittest besonders, um diese Fehler bauteilgenau und unter relativ geringem Programmieraufwand zu erkennen und, wenn ein leistungsfähiges Testsystem dahintersteht, diese Fehler auch voll graphisch bauteil- oder punktgenau zu orten. Je nach Entwicklungsgrad sollte eine gut entwickelte Flachbaugruppe zu nahezu 90 % oder mehr bei fehlerfreier Bestückung bereits funktionsfähig sein.

In der Praxis jedoch existieren diese gut entwickelten Baugruppen bestenfalls zur Hälfte. Jeder erfahrene Prüffeldtechniker mußte bereits feststellen, daß gut 20 bis 30 % aller Baugruppen erst im Prüffeld gängig gemacht, d.h. nachentwickelt werden, bevor sie dem weiteren Fertigungsprozeß zur Verfügung gestellt werden.
Prüfschärfe und Aufwand
Der Funktionstest kann nur die momentane Funktion prüfen. Erfahrungsgemäß können selbst bei reinem Funktionstest bestenfalls 90 % der Fehler bzw. der Funktionen erkannt werden, der Rest wird leider nicht geprüft. Das ist nicht abhängig vom verwendeten Testsystem, sondern liegt an der Vorstellungsgabe des Prüfingenieurs, denn nur der Teil der Funktion, von dem sich der Prüftechniker bzw. Ingenieur eine Fehlerart vorstellen konnte und dafür entsprechende Prüfschritte zur Überprüfung der Funktions-sicherheit entwickelte, kann auch geprüft werden. Wird nur ein Funktionstest durchgeführt, kann man zwar selbst bei Falschbestückung oder fehlenden Bauteilen eine Funktion feststellen, allerdings kann sich beim Zusammenschalten der Baugruppen, durch Alterung oder Temperaturveränderungen eine Nicht-Funktion ergeben. Das kann zu nicht nachvollziehbaren Ausfällen führen, die sporadisch oder erst nach vielen Wochen und Monaten auftreten.
Nachdem es sich aufgrund des starken Wettbewerbes heute kein Unternehmen mehr leisten kann, zweifelhafte Qualität zu liefern, muß die Prüfung so scharf wie möglich durchgeführt werden, ohne dabei den Wirtschaftlichkeitsfaktor zu vernachlässigen, denn jedes Produkt muß am Ende bezahlbar und wettbewerbsfähig bleiben. Das bedeutet, daß das Testen elektronischer Flachbaugruppen immer eine Gratwanderung zwischen der Prüfschärfe und der Bezahlbarkeit sein wird, wobei die Aufwendungen an Zeit und Material in diese Zahlen mit eingehen sollten. Deshalb ist es ein Irrglaube anzunehmen, man könne bessere Qualität und Wirtschaftlichkeit erreichen, indem man ein Testsystem benutzt, dessen Preis unweit einer Million liegt, im Gegenteil.
Heute muß man gründlich abwägen, ob die geplante Investition erstens von der vorhandenen Mannschaft programmiert und bedient werden kann und zweitens ob man sich die Investition und die damit verbundenen Wartungskosten leisten kann. Drittens muß die Leistungsfähigkeit dieser Tester zukunftsweisend sein, so daß man den Incircuittest sowie den Funktionstest über die volle Breite des Fertigungsspektrums einsetzen kann. In den letzten Jahren sind gerade namhafte Firmen im Testbereich immer eingleisiger geworden. Sie bieten entweder nur den Incircuittest ohne Erweiterungsmöglichkeiten auf Funktionstest an oder nur den Funktionstest im Bereich von VXI-Lösungen ohne jegliche Incircuittestmöglichkeit. Die optimale Lösung heute ist ein wirtschaftliches Testen als Kombination über den Incircuittest und den nachfolgenden Funktionstest. Der Test kann zwar nicht unbedingt in allen Fällen in derselben Adaption stattfinden, aus Handlinggründen ist jedoch der kombinierte Incircuit- und Funktionstest, soweit vom Prüfling möglich, die wirtschaftlichste Variante.
Neue Testmethoden für neue Fehler
Die verschiedenen Testmethoden wie Incircuittest und Funktionstest haben in den letzten Jahren extreme Erweiterungen erfahren, einerseits bedingt durch neue Technologien, andererseits durch neue Prüflösungen und neue Applikationen bzw. Produkte. Im Incircuittest sind bedingt durch die SMT-Technologie neue Fehler entstanden, für die auch neue Testmethoden entwickelt wurden. Das gilt bei komplexen ICs mit Fine Pitch-Verdrahtung oder bei ICs mit Ball Grid Array-Kontaktierung. Hier sind neue Fertigungsfehler entstanden, die auch neue Testmethoden verlangen. Sie sollten als wirtschaftliche Lösung zur Verfügung stehen, verursachen jedoch bei den meisten Testsystemherstellern Kosten, die für die allgemeine deutsche und mittelständische Produktion schlicht und einfach unbezahlbar sind. Seit etwa 2 Jahren existieren Testmethoden zum Erkennen von Polaritätsfehlem an Elektrolyt- und Tantalkondensatoren. Auch diese Testmethoden, die die Abdeckung der Fehler eines Prüflings um 3 bis 10 % erhöhen, sind bei den meisten heute marktüblichen Geräten so teuer, daß in vielen Fällen darauf verzichtet wird.
Bei 75 % aller Elektronikfertigungen in Deutschland überschreiten die Losgrößen ganz selten 5000 Stück. In der Praxis liegen sie im Bereich zwischen 200 und 400 Flachbaugruppen pro Los, wobei Prüfkosten, Adaptererstellung und natürlich die oben genannten Möglichkeiten die Prüfkosten so weit explodieren lassen, daß das Produkt unwirtschaftlich ist oder vom Kunden nicht mehr bezahlt werden kann.
Der Funktionstest geht heute mehr und mehr in den Bereich von VXI-Ansammlungen (Testsystem genannt) oder IEC-/IEEE-Stimuli- und Meßgeräten oder PC-Einsteckkarten, die mit wunderbaren Programmieroberflächen in sich selber phantastisch einzusetzen sind. Werden diese Geräte jedoch zu einem wirklichen Funktionstestsystem zusammengestellt, so benötigen sie ein alles umfassendes Betriebssystem mit der Möglichkeit, Einzelschritte oder Gruppen zu testen, Testparameter zu protokollieren. Außerdem sollte es Adaptersteuerung (In-linesteuerung), Statistik, Schleifentechnik und gezielte Sprünge sowie einfache und praxisnahe Programmieroberflächen beinhalten. Das jedoch steht nicht zur Verfügung, und wenn doch, dann zu Preisen, die sich bei den Stückzahlen in Deutschland nicht rechnen lassen. Es hat sich immer wieder als Trugschluß erwiesen, man könne mit Hilfe eines PCs und einiger ausgesuchter IEC-Stimulierungs- und Meßgeräte Testlösungen schaffen, welche dann mehrere Monate für das Erstellen eines Testprogramm benötigen. Ein weiteres Problem bei allen Testsystemen mit aufwendiger Programmierung ist die Transparenz bei der Programmerstellung: Änderungen oder Programmerweiterungen können nur noch von einer Person, und zwar von der, die dieses Programm erstellt hat, vorgenommen werden.
Ausgereifte Lösung
Nachdem nun die Problematik des Testens von Flachbaugruppen erläutert ist, wird eine Testlösung vorgestellt, wie sie im Grundkonzept bereits seit 1979 entwickelt und mittlerweile in der vierten Generation verfeinert und verbessert wurde. Dabei geht man davon aus, daß die Anwender neben dem Incircuittest, bestehend aus Pinkontakttest, Lötkurzschluß- und Unterbrechungstest, mit SMD-Lötfehlertest an Fine Pitch-iCs und Ball Grid Arrays über Bauteiltest für Kondensatoren, Widerständen, Induktivitäten, Dioden, Zenerdioden, Transistoren, FETS, Optokopplern, Linearverstärkern auch die Polarität von Elektrolyt- oder auch Tantalkondensatoren prüfen. Die Defekte werden in graphischer Form auf dem Bildschirm eindeutig angezeigt.
Hardware
Ein Anbieter liefert Funktionstestmöglichkeiten, wie sie nach seinen Angaben bis jetzt von keinem anderen Testsystemhersteller lieferbar Aus eigener Fertigung sind zum Beispiel 26 DC-Quellen, 4 AC-Quellen, 13 elektronische Lasten, über 256 Stimulierungs-matrixkanäle, 48 Leistungsmatrixkanäle mit 400 Veff und 20 A sowie verschiedenartige IEC- bzw. IEEE- oder RS232-Quellen lieferbar. Ein umfassendes Programm an verschiedenen Bussystemen wie IEEE, IEC, CAN-Bus, 12 C-Bus, RS232 etc. in bidirektionaler Form steht ebenfalls zur Verfügung. Auch für den Bereich Boundary Scan, ob zum Laden von FPGAs oder zum Testen von Boundary Scan-fähigen Baugruppen, kann ein Testmodul angeboten werden.
Auf der Funktionsmeßseite können weit über 1 000 Meßkanäle vorgewählt werden, auch koaxial. Das Grundmeßsystem mit 16 Bit Auflösung mißt DC, AC, Spitzenspannung. Unser Zeit- und Frequenzmeßsystem mit 31 Bit Auflösung dient zum Messen von Frequenzen, Perioden, Pulsbreiten, Anstiegs-zeiten, Abfallzeiten, Tastverhältnissen, Laufzeiten sowie Phasenmessungen. Ein eigenes Meßmodul für oszillographische Messungen inkl. Hüllkurvenauswertung steht genauso zur Verfügung wie ein 32-kanaliger Transientenrecorder mit 8 K Tiefe. Selbstverständlich können bis zu 30 IEC- und IEEE-fähige Meßgeräte mit eingebunden werden und über die Meßmatrix bzw. Stimulierungmatrix auch Aufgaben im Hochstrombereich lösen. So ist der Funktionstester für den Bereich Analog, Impulstechnik, Leistungselektronik, Digitaltechnik, Mikroprozessortechnik einsetzbar. Eine weitere wichtige Option ist das Auslesen von optischen Anzeigen wie LCD, LED oder Gas Discharge-Anzeigen, wobei auf Intensität, Kontrast und natürlich auch auf numerischen Inhalt geprüft wird. Auch Piktogramme jeglicher Art können ausgewertet werden. Ein vollautomatischer Abgleich über eigene Motorschrauber, die selbst von der optischen Anzeige gesteuert werden können, kann den Kalibrier- und Fertigungsprozeß weiter optimieren. Abgerundet werden die Leistungsfähigkeiten durch ein eigenes Adaptionskonzept, manuelle oder pneumatische Adapter wie auch In-linelösungen zur Großserienfertigung. Auch hier ist man einen besonderen Weg gegangen: Durch eigenes Erstellen all dieser Module und Adapter liegt die Lieferbarkeit, die Qualität und Zuverlässigkeit und ganz besonders die Kostengünstigkeit in einer Hand.
Software mit Erfahrung
Produktionstestsysteme, die Incircuit- und Funktionstest anbieten, sollten nicht nur eine Ansammlung von Stimulierungs- und Meßmodulen sein, sondern mit einer einfachen und praxisnahen Bedienung der Software eingesetzt werden können.
Die hier zugrunde liegende Software bietet eine anwenderfreundliche, praxisorientierte Programmieroberfläche, in die man nur die eigentlichen Prüfparameter in numerischer Form eingibt. Die Eingabe bietet höchste Transparenz. Eine andere Person kann nach etwa 1-2 Stunden Einweisung die Oberflächen jederzeit lesen, verstehen und korrigieren bzw. optimieren. Erfahrungen, die sich über viele Jahre Praxis angesammelt haben, finden sich in diesen Formularen wieder, so daß die Programmerstellung, ob Incircuittest oder Funktionstest, in 70 % aller Fälle von Facharbeitern ohne Informatikkenntnisse ausgeführt werden. Die Testsysteme bieten das Online-Editierverfahren. Damit kann man jeden beliebigen Testschritt, ob im Incircuit- oder im Funktionstest, erstellen und ihn sofort physikalisch ausführen, um auf dem Wissen des vorhergehenden Testschritts weitere Testschritte aufbauen zu können.
Neben der standardmäßigen Oberflächen-generierung haben die Testsysteme zusätzlich die automatische Programmgenerierung. Automatische Lernverfahren gehören im Incircuittest beispielsweise mit automatischem Guarden oder automatischem Erlernen von Debug-Zeiten zur Grundausstattung.
Im Funktionstest brauchen nur die Spannungsversorgungen und Ströme sowie die Eingangsparameter eingegeben werden, falls notwendig eine Initialisierung im Logik-bereich, dann brauchen nur die Meßpunkte zugeordnet werden.
Mit diesen Parametern, die in 2 bis 3 Minuten eingegeben werden, generiert der Programmgenerator 50 bis 60 % eines Grundfunktionsprogrammes automatisch.
LANs für QM
Für den Stromversorgungstest stehen maximal 13 Lasten zur Verfügung, die auch in den 1 000 Watt-Bereich gehen.
Auch hier steht ein automatischer Programmgenerator zur Verfügung, der AC- oder DC-gespeiste Netzgeräte mit bis zu beliebig vielen Lasten in typisch 1 bis 2 Minuten automatisch generiert, wobei Wirkungsgrad und weitere Parameter wie Ausregelzeit ebenfalls automatisch generiert werden. Windows- oder DOS-Programme können jederzeit eingebunden werden, auch zwischen den Testschritten.
Selbstverständlich können auch PC-Karten jeglicher Art auf der Stimuli- und Meßseite mit eingebunden und über die Programmieroberfläche in den Prüfprozeß eingeschlossen werden. Für Qualitätsmanagement und Vernetzung stehen verschiedene LANs zur Verfügung. Außerdem werden mit den gängigen CAM/CIM-Herstellern Softwaretreiber für diese Testsysteme erstellt. Man kann so von allen gängigen CAD-Systemen aus automatisch Programme generieren und von allen Testsystemherstellern, die bereits an diese Systeme angeschlossen sind, die Testprogramme automatisch übernehmen und für diese Testsysteme umprogrammieren.
Trotz der Formulartechnik können auch die unermüdlichen C-Programmierer die Programmierung in C vornehmen, so daß auch sie noch voll auf ihre Kosten kommen.
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