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Das Mikrofonmodul MicMod ist eine neue Multifunktionskarte und beinhaltet zwei I2C-Busse, die auch in Spannungen programmierbar sind.
Messmodule innerhalb des Adapters: Derzeit ist eine Reihe von Stimuli- und Messmodulen erhältlich, die in der Lage sind, Impedanz- und Frequenzprobleme zu reduzieren.
Mit dem Fühlstift lässt sich überprüfen, ob der Kondensator mechanisch bestückt ist oder nicht.

Zur Standardausstattung bei europäischen Fertigungs- und Testdienstleistern gehört der Incircuit- respektive Funktionstest. Bedauerlicherweise sind viele Produzenten, die mit Dienstleistern arbeiten, nicht dazu bereit, noch Testsysteme für die Wareneingangsinspektion anzuschaffen und verlassen sich voll auf ihre Dienstleister. Gemäß den Erfahrungen, die Reinhardt System- und Messelectronic im Felde macht, werden von allen hergestellten Flachbaugruppen etwa 20 Prozent weder getestet noch inspiziert. Weitere 25 Prozent werden wenigstens durch eine visuelle Kontrolle durch den Menschen, aber auch durch AOI (Automatische optische Inspektion) geprüft. Weitere etwa 25 Prozent werden mehr schlecht als recht funktionsgetestet in der Hoffnung, dass die Funktion vorhanden ist, und ggf. sehr aufwändig repariert. Nur 30 Prozent aller Baugruppen werden wirklich nach den heutigen Möglichkeiten und auch im Rahmen der Produkthaftung getestet. Das zeigt, dass im Bereich Testen von Flachbaugruppen noch viel zu tun ist.

Optimale Ergebnisse liefert die Kombination aus Incircuittest, Funktionstest und Boundary-Scan. AOI-Tests sind nach Reinhardts Erfahrung nicht wirtschaftlich, denn neben der relativ hohen Investition des AOI-Testers muss noch eine Person zur Seite stehen, welche die erkannten Fehler interpretiert. Der Grund dafür liegt darin, dass die verwendeten Kameras noch zu stark rauschen, dass die Software noch nicht ausgereift ist und die Beleuchtung weit hinter den Aufgaben zurücksteht.

Testmethoden unter der Lupe

Der Incircuittest prüft die typischen Fertigungsfehler wie Kontaktierungsfehler, Lötkurzschlüsse, SMD-Lötfehler sowie Bestückungsfehler und fehlende Bauteile. Polarisierte Bauelemente lassen sich mit dem AOI-System leider noch nicht ohne Einschränkungen erkennen. Hier hat der Incircuittest wesentliche Vorteile. Nachdem beim AOI-Test bei den wenigsten Geräten ein umfassender elektromechanischer Test vorliegt, bieten sie gegenüber dem klassischen Incircuittest keinerlei Vorteil, denn selbst die Lötfehlererkennung erreicht bei weitem nicht 70 bis 80 Prozent. Der Incircuittest legt für jedes einzelne Bauteil die Betriebsspannung an und prüft dann möglichst zerstörungsfrei die Bauteile. Erfahrungsgemäß liegt die Testspannung beim Incircuittest zwischen 500 mV und 1 V. Manche Bauteile, besonders aus dem asiatischen Raum, werden jedoch bereits bei 0,5 V zerstört, weshalb Reinhardt bei seinen Incircuittestern schon vor sechs Jahren die Spannung auf 200 mV reduziert hat.

Zu den Parametern, die im Incircuittest nicht oder nur eingeschränkt getestet werden können, gehören Varistoren (Hochspannungsschutz), die bei der entsprechenden Spannung zünden und bereits einiges an Zerstörung hervorrufen können. Varistoren auf Zinkoxidbasis lassen sich anhand der Kapazität auf ihre Spannung hin prüfen. Befinden sich aber Kapazitäten parallel, die das 50- oder 100-fache überschreiten, ist auch diese Messung nicht möglich. Die Abblockkondensatoren, die heute jedes IC benötigt, haben typisch eine Größe von 100 nF, bei ca. 30 ICs ergibt dies also etwa 3 µF. Auf diesem parallelen Zweig befindet sich auch noch ein Lade- und ein Filterelektrolytkondensator, sodass mehrere hundert µF parallel liegen und die Messung der einzelnen hundert nF nicht möglich ist. Optional besteht die Möglichkeit, mithilfe von Hochfrequenz Lötfehler bei Beam-Lead-ICs oder Ball-Grid-ICs zu erkennen und sie punktgenau anzuzeigen. Eine Einschränkung ist jedoch, dass Massen nicht messbar sind, nachdem ein Hochfrequenzsignal mit 200 mV eingeprägt wurde, denn es ist leider nicht möglich, Hochfrequenz von Masse nach Masse einzuprägen. Das trifft auch auf die Betriebsspannung zu, die abgeblockt ist, um das Einspeisen von Hochfrequenz zu verhindern.

Für diesen Zweck überprüft ein Fühlstift, ob der Kondensator mechanisch bestückt ist oder nicht. Bei Pinkontaktfehlern wird über ein Fadenkreuz der Pin angezeigt, welcher ggf. abgebrochen oder verklemmt ist oder keinen Kontakt herstellt. So kann man diese Stifte, die in Hülsen stecken, gezielt austauschen und dann den weiteren Test angehen. Im nachfolgenden Kurzschlusstest ist erfahrungsgemäß bei SMD und bedrahteter Technik eine Fehlerrate von leicht über 50 Prozent an Lötfehlern zu erwarten. Mit einem speziell entwickelten Werkzeug lässt sich über eine Suchprobe der Kurzschluss punktgenau ermitteln. Der anschließende SMD-Lötfehlertest ermöglicht die Erkennung von Lötfehlern bei Ball-Grid-Arrays und Beam-Lead-Lötdefekte.

Verkehrt herum

Eine weitere Testmöglichkeit ist der Polaritätstest. Die Experten bei Reinhardt haben durch enge Verbindungen mit Kunden herausgefunden, dass bis zu 2,6 Prozent aller Aluminium-Elektrolytkondensatoren falsch bedruckt sind oder dass der Schrumpfschlauch falsch herum aufgebracht wurde. Es zeigt sich, dass dadurch nicht unbedingt größere Defekte entstehen, jedenfalls wenn Aluminium-Elektrolytkondensatoren bei Quellimpedanzen von über 2 Ω verwendet werden – die Elkos funktionieren trotz fehlerhaftem Einbau Tage, Monate oder sogar Jahre, bevor sie zum Exitus kommen. Bei Quellimpedanzen von unter 1 Ω ist die Explosion des Aluminium-Elektrolytkondensators nahezu garantiert. Tantal-Kondensatoren haben eine Fehlerrate von 0,4 Prozent durch Fehlbedruckung und reagieren sofort mit Heißwerden oder Ähnlichem.

Es ist so möglich, eine Bestückungssicherheit von etwas über 90 Prozent zu erhalten, denn Dioden, Zenerdioden oder Optokoppler werden ebenfalls auf Polarität überprüft. Ist dieser Test erfolgreich, kann je nachdem ein Boundary-Scan-Test erfolgen, der den oft sehr dicht bestückten digitalen Teil der Baugruppe, prüft, sodass Kurzschlüsse und Unterbrechungen erkannt werden, die wegen der hohen Dichte im Rahmen des Incircuittests gegebenenfalls nicht angeschlossen werden können. Dabei handelt es sich jedoch um bestenfalls 35 Prozent, die dadurch erkannt werden und das Produkt sicherer machen. Hersteller von Boundary-Scan-Testern sichern häufig ohne Außenbeschaltung bereits 100 Prozent Testsicherheit zu, was wohl viel zu hoch gegriffen ist. Selbst diese Unternehmen kamen zu der Erkenntnis, dass das nicht möglich ist und haben die Möglichkeit geschaffen, auch Adapter zu verwenden und die nach außen gehenden Schnittstellen zu prüfen, um mit dieser Methode ebenfalls 100 Prozent Funktionssicherheit zu garantieren. Solche Angaben sind mit Vorsicht zu behandeln, denn selbst mit den besten Testmethoden und Testgeräten ist es nicht möglich, mehr als 95 bis 96 Prozent an Fehlern zu erkennen. Nach erfolgreichem Incircuit- und Boundary-Scan-Test erfolgt das Flashen von Prozessoren mit den entsprechenden Programmen und dann der nachfolgende Funktionstest.

Relais testet Funktion

Der Funktionstest wird mithilfe von Matrixkanälen auf Relaisbasis (Reedschalter) mit einer Spannungsfestigkeit von 200 V durchgeführt. Bei Reinhardt kommen keine Halbleiterrelais zum Einsatz, da diese Probleme mit der Spannungsfestigkeit und vor allem zu hohe Kapazitäten erwarten lassen. Diese Matrixkanäle sind zu Stimulieinheiten verschaltet oder zu weiteren Matrixkanälen, die zu verschiedenen Messeinheiten führen. Üblicherweise besitzt ein typisches Funktionstestsystem heute rund 300 bis hin zu 600 Messkanäle, die von den Kontaktierungsnadeln (Prüfstiften) kontaktiert werden, die über WireWrap-Drähte mit den Adaptersteckern und von dort aus direkt oder über Flachbandkabel mit dem eigentlichen Tester verbunden werden.

Nachdem es von größtem Interesse ist, dass die Messeinheiten Eingangswiderstände von 100 MΩ oder größer haben, ist natürlich der kapazitive und induktive Anteil ein starker Faktor, der je nach Testsystem und Kabellänge Resonanzfrequenzen zwischen 1 MHz und 10 MHz aufweist. Das bedeutet, dass Signale verschliffen oder so stark reduziert werden, dass eine Messung nicht mehr möglich ist. Deshalb ist es von größtem Interesse, die Kapazitäten, die Induktivitäten und die Eingangsimpedanzen eines Testesystems zu kennen. Es gibt Baugruppen, die sehr hochimpedant konstruiert werden und bei denen das standardmäßige Messverfahren eine so starke Verfälschung bedeutet, dass es besser nicht angewendet wird.

Messmodule innerhalb des Adapters

Die Entwickler von Reinhardt haben eine Reihe von Stimuli- und Messmodulen in der Größe eines Daumennagels entwickelt, die Impedanz- und Frequenzprobleme reduzieren. Ein Modul hat einen Eingangswiderstand von größer als 1 TΩ und eine Kapazität von 3 pF. Der Ausgang dieses Moduls liegt bei 30 Ω, sodass es trotz Impedanz der Messeinheit ein sicheres Signal zuführt. Dieses Modul wird an einem gefederten Kontaktstift fixiert, der auch die Signalverbindung herstellt, um Kapazitäen, Impedanzen und Induktivitäten auf einem absoluten Minimum zu halten. Ein anderes Modul ist besonders interessant für die Messung bis 20 MHz, wobei für eine sichere Messung hochimpedante Signale bis 20 MHz auf 30 Ω Impedanz reduziert werden. Ein Spitzenspannungsmodul dient als Gleichrichter von Spikes von Digitalschaltungen und Schaltnetzgeräten direkt an der Messung und führt diese Signale gebuffert der Messeinheit zu. Auch Frequenzteiler bis 5 GHz können auf diese Weise eingebaut werden, um auch hohe Frequenzen zu prüfen. Eine Reihe von Relais, die direkt an den gefederten Kontaktstift angeschaltet werden, stellen die geringe kapazitive und induktive Belastung sicher. Eine andere Reihe von Modulen beinhaltet einen digitalen Sinusgenerator, der sich in 1-Hz-Schritten von 0 Hz bis 65 kHz programmieren lässt. Von diesem Modul können so viele wie nötig eingesetzt werden. Ein 12-Bit-D/A-Wandler mit Spannungen von 0 bis 5 V und Strömen von 0 bis 20 mA aktiviert im Funktionsbereich Signale über die kürzeste Anbindung. Generatoren bis 30 MHz und drei vorgewählte Frequenzen stehen ebenfalls zur Verfügung.

Die Probleme, die einfach durch Matrix und Eingangsimpedanzen entstehen, können damit nahezu verlustfrei gemessen werden. Eine weitere Notwendigkeit im Funktionstest ist das Zuschalten externer Quellen wie Generatoren, Rechteck, Sinus, Puls, AC/DC-Quellen und Lasten über zwei COM-Busse, Ethernet, I²C und GPIB. Das Einbinden von Programmen ist bei Reinhardts Systemen ebenso Standard wie das Nutzen von EXE-Files für besondere Stimulierungsaufgaben. Die aktuelle Multifunktionskarte beinhaltet zwei I²C-Busse, die auch in Spannungen programmierbar sind. Außerdem besitzt sie einen USB-Bus, einen COM-Bus, einen RS485-Bus, zwei RS232-Schnittstellen, einen Pulsgenerator zwischen 0 und 4 MHz mit beliebiger Pulsbreite sowie zwei 8-Bit-Stimulibussysteme und Empfangsbussysteme und den SPI-Bus. Eine Statistik erlaubt beim Fertigstellen des Incircuit- beziehungsweise des Funktionstestprogramms, die Grenzwerte optimal zu justieren und so die erhaltenen Daten über eine optionale ODBC-Schnittstelle mit Datenbanksystemen zu korrespondieren und alle ermessenen Daten zu übergeben. So kann man sie zu jedem Zeitpunkt auch noch nach Jahrzehnten aufrufen, um Qualitätsmängel beim Test zu dokumentieren.

Der Teufel im Detail

So ausgefeilt moderne Testmethoden auch sind, gibt es doch keine Inspektionsmethode, die alle potenziellen Probleme gleichermaßen entdecken kann. Beim Zusammenspiel verschiedener Testverfahren ist genau darauf zu achten, dass auch lästige kapazitive und induktive Störgrößen keinen Einfluss auf die Prüfqualität haben.

Productronica 2013: Halle A1, Stand 581