Aufeinander abgestimmte Testverfahren

Herbert Schmid, Mitgründer, ehemaliger Gesellschafter und Geschäftsführer der Productware.Productware

Die ursprüngliche Heimat von Productware ist die Telekommunikationsbranche. Die Wende zum Elektronkfertigungs-Dienstleister kam mit dem neuen Jahrtausend: Ab dem Jahr 2000 hat sich das Unternehmen einem breiten Fremdkundenmarkt geöffnet und es ist in relativ kurzer Zeit gelungen, Neukunden dauerhaft zu gewinnen. Maßgeblich waren hierfür die hohe technische Kompetenz und das große technische Know-how. Kunden sind aus Sicht von Herbert Schmid Unternehmen mit komplexen elektronischen Produkten, die keine High-Volume-Produktion benötigen und in der Regel ein hohes Beratungsbedürfnis haben. „Wir können sehr stolz darauf sein, dass es gelungen ist, uns seit mehr als 25 Jahren in dieser sehr hart umkämpften EMS-Branche als mittelständisches Unternehmen zu behaupten“, beschreibt der Mitgründer, ehemaliger Gesellschafter und Geschäftsführer von Productware das Erfolgskonzept. „Der Schlüssel zu einem dauerhaften Erfolg liegt vor allem auch in der Kontinuität unserer Geschäftsbeziehungen. Viele unserer Kunden und Geschäftspartner begleiten uns schon seit Anfang der neunziger Jahre, einige sogar schon seit der Gründung.“

Dabei gilt es, sich stets auf die Kundenbedürfnisse einzustellen, weshalb der EMS ein skalierbares und umfassendes Leistungsspektrum für die Fertigung elektronischer Baugruppen und Systeme anbietet. Um die hohe Qualität seiner Produktion sicherzustellen, erweitert der EMS seinen Maschinenpark kontinuierlich. Zum 25. Jubiläum im Jahr 2013 wurde eine weitere SMD-Linie, mit zwei Mimot-SMD-Bestückungsautomaten, in Betrieb genommen. Dadurch wurde sowohl die Kapazität als auch die Flexibilität nochmals deutlich erhöht. Nun hat das Unternehmen abermals Geld in die Hand genommen und sowohl in ein 3D-SPI-System als auch in ein 3D-AOI-System und Inline-Vakuum-Dampfphasen-Lötsystem investiert. Mit dem Lötsystem will der EMS den gestiegenen Anforderungen der Void-Freiheit von Lötverbindungen noch besser gerecht werden. Das für Productware spezifisch angepasste Dampfphasen-Vakuum-Lötsystem VP6000 mit Multivakuum- und Dynamic-Profiling mit regelbarer Energieübertragung zur Einstellung flexibler Temperaturprofile ging im Juni 2014 in Betrieb. Das System ermöglicht durch Echtzeitmessung der Lötvorgänge auf Produktebene auch eine gesicherte Rückverfolgbarkeit. Seit etwa 15 Jahren setzt der EMS ausschließlich Dampfphasenlötsysteme zur Reflow-Lötung der SMD-Komponenten ein. Dementsprechend verfügt das Unternehmen über ein sehr großes Know-how bezüglich der Lötverfahren und der unterschiedlichen Anlagenkonzepte.

Die Validierung und Entscheidung hin zu einem geeigneten 3D-AOI- und 3D-SPI-System war laut Herbert Schmid komplex und aufwändig: „Wir haben uns in erster Linie auf die am Markt angebotenen AOI-Systeme und deren Leistungsmerkmale konzentriert. Das SPI-System sollte vom gleichen Hersteller sein, damit eine einfache und sichere Verknüpfung der SPI-Messergebnisse mit den AOI-Ergebnissen sichergestellt ist. Das ist wichtig, um die Grenzwerte eines sicheren Prozessfensters zu definieren. Bei der AOI-Inspektion kann man genau sehen, welche Auswirkungen zum Beispiel Volumendifferenzen beim Lotpastendruck haben, wenn dabei direkt auf die Messergebnisse der SPI zugegriffen wird. Unser Hauptaugenmerk galt jedoch den AOI-Systemen.“

Marco Balling ist Geschäftsführer von Productware.Productware

Für Marco Balling, Geschäftsführer von Productware, steht außer Frage, dass in der Regel eine Kombination von unterschiedlichen Technologieketten zum Einsatz kommt – angefangen mit den optischen Standardtests wie der hundertprozentigen 3D-SPI (Solder Paste Inspection) nach dem Drucken der Lotpaste und der 3D-AOI-Inspektionen nach der SMD-Bestückung beziehungsweise nach dem Löten. Zum Einsatz kommen 3D-Messsysteme von Koh Young, die einerseits ein zu kleines oder zu großes Lotpastendepot, Verschmierung oder Kurzschluss beim Lotpastendruck und auch alle Bestückungsfehler bei der Baugruppenfertigung, einschließlich komplexester Fehlerbilder wie Auflieger bei Bauteilebeinchen ohne Fehlerschlupf erkennen und die Pseudofehlerrate in engen Grenzen halten. Die Verknüpfung der hierbei gemessenen Daten gibt Aufschluss, ob es notwendig ist, Prozessparameter anzupassen. „Qualität wird produziert. Sie kann bei Qualitätsmängeln in der Fertigung nicht im Nachhinein ‚gutgetestet‘ werden“, erläutert Marco Balling.

Nach den optischen 3D-Inspektionen während der einzelnen Produktionsschritte kommen Testmethoden- und Systeme zum Einsatz, welche die Bauteile respektive die Bauteilfunktionen selbst bis hin zu einem umfänglichen Komplett- und Systemtest elektrisch prüfen. Die Fehlerabdeckungsrate wird dabei hauptsächlich vom physikalischen/elektrischen Zugriff auf die Baugruppe selbst bestimmt und von den möglichen Testverfahren, die für den Test des Produktes zur Verfügung stehen. Da bei hochintegrierten Baugruppen die Zugriffsmöglichkeiten auf die zu testenden Netze immer mehr eingeschränkt sind, kommen insbesondere zwei Testverfahren zum Einsatz: Boundary-Scan- und der Flying-Probe-Test.

Hohe Testabdeckung mit Boundary-Scan

Um eine möglichst hohe Testtiefe zu erreichen, werden zunächst alle Boundary-Scan-Bauteile miteinander in der so genannten Boundary-Scan-Kette verbunden, die auf der Leiterplatte geroutet werden muss. Der Anschluss an die Baugruppe erfolgt über eine Steckverbindung, die im einfachsten Fall nur aus TCK (Test Clock), Masse, TDI (Test Data In), TDO (Test Data Out) und TMS (Test Mode Select) besteht. Der Infrastrukturtest überprüft mittels BSDL-File (Boundery Scan Description Language) die Verschaltung der Boundary-Scan-Schaltkreise am Testbus sowie die wichtigsten Register innerhalb der Boundary-Scan-Schaltkreise. Das BSDL-File wird in der Regel vom Bauteilhersteller bereitgestellt. Es beinhaltet neben der Bauteile-ID auch noch andere Informationen über das Bauteil, die in weiteren Tests benutzt werden. Während des Interconnect-Tests wird jeder testbare Pin eines Bauteiles gegen andere Pins, die gemäß Netzliste verbunden sind, getestet. Dabei werden durch bidirektionale Tests verlässlich Fehler wie offene oder kurzgeschlossene Verbindungen zwischen den Pins erkannt.

Alle führenden Hersteller bieten Bauteile gemäß IEEE-1149.X-Standard an. Trotzdem kommen in praktisch allen Schaltungen auch nicht Boundary-Scan-fähige Komponenten (auch Analogschaltungen) zum Einsatz. Zum Testen solcher Schaltungsteile dient der so genannte Cluster-Test. Der Cluster-Test nutzt Boundary-Scan-Bauteile, die nicht Boundary-Scan-fähige Bauteile umgeben, um eben diese zu testen. Dabei wird in der Regel eine Wahrheitstabelle, die der Funktionalität des Clusters entspricht, getestet. Große Bibliotheken mit vorgefertigten Modellen erleichtern das Testen erheblich. Abschließend lässt sich noch ein Speichertest für praktisch jeden verfügbaren Speicher durchführen. Dieser RAM-Test, im Grunde ein spezieller Fall des Cluster-Tests, ist ebenfalls durch Bauteilbibliotheken einfach zu handhaben. Datenbusse oder auch einzelne Signale, die auf dem Board ausschließlich nur an Stecker kontaktiert sind und somit nicht gegen andere Boundary-Scan-Komponenten getestet werden können, werden mithilfe eines so genannten I/O-Moduls mit in die einzelnen Tests aufgenommen. Zusätzlich ist es möglich, die meisten programmierbaren Bauteile im Testablauf zu programmieren.

Qualitätskontrolle mit dem Flying Probe

Der Flying-Probe-Test hat deutliche Vorteile gegenüber dem herkömmlichen In-Circuit-Test mit Nadeladaptern, denn damit kann auf Pads zugegriffen werden, die für Testnadeln nicht mehr zugänglich sind. So kann ein hoch präzises Flying-Probe-Testsystem auch noch Pads oder Kontaktflächen unter 100 µm kontaktieren, die für Nadeladapter unerreichbar sind. Um Digital- und/oder Funktionstests durchführen zu können, werden zusätzlich mehrere Prüfnadeln oder auch kleine Prüfadapter-/Stecker-Adaptionen an den Prüfling kontaktiert, auch auf der Unterseite des Prüflings. Somit lassen sich bis zu 384 Testkanäle anschließen.

Das Flying-Probe-Testsystem ermöglicht im Idealfall die gesamte Testabdeckung einschließlich Boundary-Scan-Test, die hochintegrierte Produkte erfordern. Dazu zählen Analogtest, Digitaltest, Funktionstest, On-Board-Programmierung und gegebenenfalls auch eine nochmalige optische Inspektion, falls diese nicht schon in vorhergehenden 3D-AOI-Prüfungen erfolgt ist. Durch die Active-Head-Technik lassen sich auch sehr kleine Bauteilwerte ohne Verluste messen. Bezüglich der Fehlerabdeckung bietet ein modernes und voll ausgestattetes Flying-Probe-Testsystem, so wie es bei Productware zum Einsatz kommt, einen deutlich höheren Abdeckungsgrad als herkömmliche Tester. Die wesentlich geringeren Aufwendungen für Testprogrammerstellung und der Wegfall von Nadelbettadaptern (sehr hohe Initialkosten) runden das positive Bild ab.

Fertigung und Test eines Medizinelektroniksystems

Ein gutes Beispiel für einen vollumfänglichen Baugruppen- und Gerätetest bietet ein in Serie gefertigtes und geprüftes Medizinelektroniksystem. Bei diesem System wird eine komplette Analogbaugruppe über sechs 50-polige Mikrosteckverbinder auf der einen Seite und über 23 50-polige Mikrosteckverbinder auf der anderen Seite mit speziell hergestellten Adaptionsprüfkarten durch Cluster-Testes in einen Boundary-Scan-Test eingebunden. Während der Inbetriebnahme der Baugruppen werden innerhalb des Boundary-Scan-Tests PLDs programmiert, die für die Verwaltung und Steuerung der diversen Spannungen zuständig sind. Eine zu dem Gesamtsystem gehörende digitale CPU-Flachbaugruppe wird dabei mit der analogen Baugruppe über sechs 50-polige Steckverbinder kontaktiert (300 Kontaktstellen) und die 23 50-poligen Ausgangssteckverbinder der Analogbaugruppe (1.150 Kontaktstellen) werden mittels der selbst entwickelten und selbst hergestellten Applikationsprüfkarten in den Boundary-Scan-Test eingebunden.

Danach erfolgen noch Flying-Probe-Tests der passiven Bauelemente wie Widerstände, Kondensatoren etc. und auch diverser aktiver Bauelemente, die nicht in die Boundary-Scan-Prüfkette eingebunden werden können. Weiterhin werden noch die Spannungen und CLKs überprüft.

Durch diese Testmethodik ist das Unternehmen in der Lage, die CPU- und Analogkarten eines Systems gemeinsam einem Boundary-Scan-Test zu unterziehen. Das Unternehmen erreicht dabei eine hundertprozentige Testtiefe aller 29 50-poligen Mikrosteckverbinder, die sowohl in gerader als auch in abgewinkelter Form auf den Baugruppen vorhanden sind. Die zu prüfenden Schock- und Thermo-Sensoren, RAMs oder Flash-Speicher lassen sich ebenfalls über Boundary-Scan-Signale ansprechen. Abschließend werden noch die weiteren funktionsgeprüften Baugruppen des Systems zusammengefügt, eine Firmware aufgespielt und nochmals das gesamte Elektroniksystem einem finalen Systemtest unterzogen.

Fünf Fragen an Herbert Schmid, Mitgründer, ehemaliger Gesellschafter und Geschäftsführer von Productware.

Im Jahr 1988 als Protronik – Gesellschaft zur Produktion von Elektronischen Geräten mbH gegründet, kann der Mittelständler auf eine erfolgreiche Unternehmensgeschichte zurückblicken. Ihren Anfang hatte das Unternehmen als eine von zwei Nachfolgegesellschafften der DLI Dolch Logic Instruments.

Dolch konzentrierte sich auf die Entwicklung von Logik-Analysatoren. Inwiefern floss dieses Messtechnik-Know-how auch in Ihre Produktion? Immerhin können Telekommunikationsprodukte sehr komplex sein.

Die seinerzeit (von 1975 bis 1988) von Dolch entwickelten und produzierten Logik-Analysatoren waren schon sehr aufwändig und hinsichtlich der Technologie und Fertigung sehr komplex. Seit Einführung der SMD-Technologie kam diese Technik auch bei Dolch zum Einsatz und Productware konnte schon bei seiner Gründung auf fundierte Kenntnisse der SMD-Verarbeitung zurückgreifen. Dies war bei den damaligen „Lohnfertigern“ absolut nicht üblich.

Ich selbst habe die Produktion ab 1979 bei Dolch aufgebaut und war auch bis zur Gründung der Productware vollumfänglich verantwortlich dafür. 1979 stieg der Firmenumsatz der DLI Dolch von 1 Mio. auf 8 Mio. DM und verdreifachte sich 1980 auf 24 Mio. DM. Das bei DLI Dolch erworbene technische Know-how der anfänglich übernommenen zehn Mitarbeiter und auch meiner Person war das wertvollste Startkapital der Productware.

Der Wandel vom Inhouse-Fertiger zum EMS. Wie konnten Sie im schon damals hart umkämpften EMS-Markt überhaupt Fuß fassen und sich etablieren?

Unser Mutterunternehmen Controlware hat diese Turbulenzen am IT-Markt zwar gut überstanden, die vorhandenen Fertigungskapazitäten bei Productware ließen sich jedoch nicht mehr auslasten. Deshalb musste sich Productware einem breiten Fremdkundenmarkt öffnen. Was anfänglich eher schwierig und auch ungewohnt war, konnte jedoch recht kurzfristig in die Realität umgesetzt werden. Uns ist es in einem relativ kurzen Zeitraum gelungen, Neukunden dauerhaft zu gewinnen. Dadurch ließen sich die Umsatzeinbußen aus der IT-Branche zum Teil kompensieren und der Fortbestand des Unternehmens sicherstellen. Maßgeblich waren hierfür unsere hohe technische Kompetenz und das große technische Know-how. Beides ließ sich bis auf die DLI-Zeit zurückführen, da damals bereits modernste Komponenten verarbeitet wurden. Productware konnte zum Beispiel schon bei der Gründung auf fundierte Erfahrungen bei der Verarbeitung oberflächenmontierter elektronischer Bauteile (SMD-Bauteile) zurückgreifen, was zu der damaligen Zeit eher die Ausnahme war.

Was ist Ihr Erfolgskonzept, um Wirtschaftskrisen möglichst unbeschadet zu überstehen?

Kurz gesagt, die Konzentration auf die Bedürfnisse unserer Zielkunden. Wir bieten unseren Kunden auf deren Anforderungen abgestimmte Leistungen und Prozesse die helfen, die Entwicklungszyklen zu verkürzen, die Produktqualität zu steigern oder Kosten zu senken und damit die Wettbewerbsfähigkeit der Kunden zu steigern. Dies sind spezielle Prozesse im Bereich Prototyping, mit denen sich die Lieferzeiten von Prototypen verkürzen und dadurch Entwicklungsprozesse beschleunigen lassen, oder ein aufwändiger Prozess im Bereich der Bauteilabkündigung. Hier ist das Ziel, den Kunden frühzeitig und entscheidungsreif zu informieren, damit zum Beispiel Kosten für teure Re-Designs oder Qualitätsprobleme durch den Einsatz von Ware aus grauen Märkten vermieden werden. Weiterhin bieten wir Prozesse in den Bereichen NPI, Änderungswesen, Designberatung und viele mehr. Kunden und Interessenten bestätigen unsere Stärken bzw. die Differenzierung zum Wettbewerb in diesen Bereichen.

Es ist für uns sehr wichtig, dass wir ein seriöses, kundenorientiertes und langfristig ausgelegtes Geschäft betreiben, bei dem der Kunde immer im Mittelpunkt steht. Hierzu ist es notwendig, den Kunden – seinen Markt, seine Bedürfnisse, etc. – zu kennen bzw. zu verstehen. Der Schlüssel zu einem dauerhaften Erfolg liegt vor allem auch in der Kontinuität unserer Geschäftsbeziehungen zu Kunden und Lieferanten. Viele unserer Kunden und Geschäftspartner begleiten uns schon seit Anfang der neunziger Jahre, einige sogar schon seit der Gründung unseres Unternehmens.

Wie sieht für Sie die Zukunft für die EMS-Branche aus, welche Trends zeichnen sich für die nächsten drei Jahre ab?

Wir sehen eine weitere Reduktion von Gewicht und Größe durch Miniaturisierung und höhere Packungsdichte sowie die vertikale Integration mehrerer Chips und dadurch eine höhere Systemintegration. Ferner werden Embedded-Technologien wie Embedded-Chips, R und Cs verstärkt zum Einsatz kommen, die On-Chip-Frequenzen bei geringerem Energieverbrauch weiter steigen und höhere logistische Anforderungen gestellt, hier besonders die lückenlose Traceability. Die Time-to-Market-Zeiten werden weiter abnehmen, die Anforderungen an die Flexibilität der EMS-Unternehmen und des Produktionsequipments jedoch weiter steigen und die Logistikleistungen zunehmen. Ebenso wird sich die Wertschöpfungskette vertiefen.

Was muss ein EMS aus Ihrer Sicht unternehmen, um am Standort Deutschland weiterhin erfolgreich zu sein?

Wir denken das ist die Kombination aus einer seriösen, absolut kundenorientierten und langfristig ausgelegten Beziehung zu unseren Kunden hin mit unserem Anspruch höchste technische und technologische Anforderungen mit einem modernen Fertigungsequipment, State-of-the-Art und mit gut ausgebildetem und hoch motiviertem Stammpersonal bei hoch stabilen Prozessen und Verfahren abzubilden. Unsere Kunden stehen immer im Mittelpunkt unseres Schaffens und wir haben den Anspruch, dass sich unsere Kunden immer auf uns verlassen können. Es gibt keine Klassifizierung der Kunden, wir behandeln alle gleich und wollen sie auch gleich gut bedienen. Unsere Kunden dürfen von uns erwarten, dass wir stets aufrichtig und ehrlich mit ihnen umgehen. Das wird in dieser Ausprägung so im Ausland oftmals nicht geboten.

Die Fragen stellte Marisa Robles Consée

(mrc)