Die Ascot GmbH mit dem Hauptsitz in Beverstedt inmitten des Elbe-Weser-Dreiecks wurde 1993 gegründet und hat sich seitdem auf die Entwicklung und Entflechtung von hoch integrierten elektronischen Schaltungen spezialisiert. Zu den Schwerpunkten zählen kundenorientierte Entwicklungen in den Bereichen Datenkommunikation, Videotechnik und FPGA-Design.
Man ist im In- und Ausland für guten Service und die hohe Qualität der Produkte bekannt. Um diese Qualität der Entwicklungen, Prototypen und Produkte zu sichern, setzt man auf mehrstufige Testverfahren. Das beginnt bereits bei der Entwicklung, wo die Netzliste des Schaltplans und des Layout teilautomatisch gegen die Spezifikation verifiziert wird. Außerdem werden Spezifikation, Schaltpläne und Layout stets zusätzlich von einem zweiten Mitarbeiter überprüft, bevor sie zum Kunden zur Abnahme gegeben werden.
Design for Testability
Um auch in der Produktion ein hohes Maß an Qualität zu sichern, wird schon bei der Entwicklung der Schaltung auf die spätere Testbarkeit hohen Wert gelegt: Design for Testability.
Da die Anforderungen bei der Produktion höchst unterschiedlich sind, hat man sich dazu entschlossen, Leiterplatten und Bestückung von Subunternehmen durchführen zu lassen. Typischerweise kommt es bei der Serienproduktion häufig nur auf Gesamtfunktionalität und kurze Durchlaufzeiten bzw. geringe Kosten an.
Bei Produktionsmustern und ersten Schaltungsprototypen hingegen ist die Gesamtfunktion nur selten testbar, da häufig die Software oder Programmierung noch nicht fertiggestellt ist. „Bei der Prototypenproduktion kommt es darauf an, dass der Kunde eine Leiterplatte bekommt, deren Schaltung genau der Schaltung im Schaltplan entspricht. Schließlich möchte er seine Programme entwickeln und seine Schaltung verifizieren und nicht Bestückungs- oder Leiterplattenfehler suchen“, erklärt Heiko Rühlemann, einer der beiden Geschäftsführer der Ascot GmbH. Deswegen setzt man auf ein mehrstufiges Testverfahren. Nach dem elektrischen Test beim Leiterplattenhersteller erfolgen weitere Tests beim jeweiligen Leiterplattenbestücker.
AOI beim Bestücker
Die Erfahrung hat gezeigt, dass eine rein visuelle Kontrolle durch die Mitarbeiter des Bestückers nicht ausreichend ist. Selbst bei hochqualifizierten und disziplinierten Mitarbeitern kann es vorkommen, dass sie abgelenkt sind oder aufgrund Ermüdung nach einer Weile Fehler einfach nicht mehr sehen. Deshalb arbeitet Ascot speziell in der Prototypenproduktion mit einem Bestücker zusammen, der auch ein AOI-System zur Kontrolle einsetzt.
„Mit dem AOI-System von Göpel Electronic stellen wir schon bei dem Bestücker sicher, dass auch tatsächlich alle Bauteile bestückt worden sind. Neben dem Fehlen von Bauelementen wird mit dem AOI-System auch die Lötung optisch untersucht. Dadurch können nicht fachgerechte Lötungen erkannt werden, das heißt Lötungen mit zu viel oder zu wenig Lotgut, falsche Löttemperaturen durch Form und Farbe der Lötung, aber auch eventuell entstandene Verbindungen zu Nachbarbauelementen (Kurzschlüsse)“, sagt Heiko Rühlemann.
Dies ist insbesondere bei Leiterplatten mit vielen Bauelementen sehr wichtig, vor allem wenn diese mit anderen Testmethoden nicht überprüft werden können. Ein Beispiel hierfür sind die Abblockkondensatoren auf dem Altera-StratixIII-FPGA-Modul. Beim Fehlen von Kondensatoren würde das Board eventuell nicht mehr stabil funktionieren. Aber mindestens genauso fatal wäre es, wenn beim Löten Verbindungen zwischen Kondensatoren verschiedener Powerdomains entstehen. Denn dieses könnte z. B. dazu führen, dass der FPGA 3,3 V auf seinen 0,9-V-Core bekommen würde, was unweigerlich zur Zerstörung des mehrere tausend Euro teuren FPGA-Bausteines führen würde.
„Daher ist eine AOI mit dem Opticon Smartline für uns ein Muss für jede Baugruppe, egal ob es sich dabei um unser FPGA-Board oder um ein Kundenboard handelt“, erklärt Heiko Rühlemann.
Eine mögliche alternative Methode ist die Röntgeninspektion. Auch hierfür bietet Göpel Electronic Lösungen an. Für die Prototypenfertigung aber ist diese Methode aufgrund der verhältnismäßig hohen Kosten eher die Ausnahme.
Alternative Boundary-Scan-Test
Eine deutlich kostengünstigere Alternative dazu ist ein Boundary-Scan-Test. Beim BS-Test werden Testpattern per JTAG durch die scanfähigen ICs geschoben und die Signalpegel an der Gegenstelle abgefragt. Hierdurch können mit recht einfachen und kostengünstigen Mitteln Kurzschlüsse und Unterbrechungen erkannt werden. Die Qualität beispielsweise einer BGA-Lötung kann hiermit allerdings nicht beurteilt werden. Dieses ist aber auch nicht bei jedem einzelnen Board notwendig. Daher können für die Prototypenfertigung die Lötungen einzelner Boards mit entsprechenden Mikroskopen auch manuell kontrolliert werden.
Um die Testpattern für den Boundary-Scan-Test zu generieren, wird die Netzliste des Boards in die Software-Cascon-Galaxy von Göpel Electronic eingelesen. Anschließend werden die einzelnen Bauteile Modellen zugeordnet. Dies können einfache Widerstände oder Kondensatoren, aber auch komplexe ICs wie FPGAs oder Prozessoren sein. Zu diesem Zweck verfügt die Software über eine umfangreiche Modelbibliothek. Modelle, die nicht vorhanden sind, können entweder vom Hersteller als so genannte Boundary-Scan-Description-Files (BSDL) heruntergeladen oder auch manuell bzw. halbautomatisch erzeugt werden. Anschließend erzeugt die Software dann die nötigen Tests und die dafür benötigten Testpattern.
Der eigentliche Test erfolgt nach dem Laden der Daten nur noch durch einenTastendruck und innerhalb weniger Sekunden erscheint das Ergebnis in Form eines „Pass“ oder „Fail“. Heiko Rühlemann ergänzt: „Im Falle von ‚Fail‘ werden dann natürlich noch genauere Informationen über den Fehler ausgegeben.“ Die Ascot GmbH bietet daher ihren Kunden als zusätzliche Dienstleistung immer die Teilinbetriebnahme und den BS-Test an.
Schlussbemerkung
Die Erfahrung von Ascot zeigt: „Wer einmal diesen Service in Anspruch genommen hat, nimmt ihn immer wieder in Anspruch, denn die Zeitersparnis für den Entwickler ist immens, da er sofort mit der Entwicklung seiner Programme bzw. seiner Entwicklung starten kann, statt Leiterplatten- und Bestückungsfehler zu suchen“, so der Geschäftsführer und er fügt hinzu: „Mit der Auslieferung der getesteten Boards stellen wir unseren Kunden auch die Boundary-Scan-Daten zur Verfügung. Diese Daten erlauben es dem Entwickler, das Board auch selbst zu testen, wenn z. B. während der Entwicklung unerklärliche Probleme auftreten. Zur Durchführung der Tests benötigt der Kunde dann lediglich eine Cascon-Galaxy-Teststation. Auch sind die Daten nötig, wenn der Kunde aus mehreren Leiterplatten einen Verbund herstellt und diesen Verbund komplett testen möchte.
Zu diesem Zweck bietet die Boundary-Scan-Software die Möglichkeit, mehrere Boards zu „mergen“. Dabei kann definiert werden, über welchen Steckverbinder die Boards miteinander verbunden sind (es können natürlich auch mehrere sein). Dieses „Mergen“ von Leiterplattendaten nutzt man auch für das FPGA-Prototyping-System. Bei diesem System lassen sich mehrere FPGA-Bausteine und auch Peripherieboards miteinander über Steckbrücken verbinden. Bild 4 zeigt eine horizontale Anordnung diverser Module, die mit Steckbrücken verbunden sind.
Diese Modularisierung ermöglicht dem Anwender die Zusammenstellung eines Systems nach seinen speziellen Anforderungen. So können je nach Größe und Komplexität des Projekts eine ausreichende Anzahl an FPGAs miteinander kombiniert werden. Und anders als bei einem Einplatinen-System kann der Kunde auswählen, welche Peripherie zum Einsatz kommen soll. Die Flexibilität des Ascot-Prototyping-Systems ermöglicht somit eine maximale Bandbreite von Anwendungen und Wiederverwendbarkeit der einzelnen Komponenten.
Ob alle Steckbrücken auch nach häufigem Umstecken und Wiederverwenden immer noch einwandfrei Kontakt haben, kann leicht über Boundary Scan getestet werden. Zu diesem Zweck ist die JTAG-Kette ebenfalls über die Steckverbinder geroutet.
Heiko Rühlemann
(hb)
