Eine neue Antwort auf die Frage der Testeffizienz

Zu den fest verankerten und unaufhaltsamen disruptiven Kräften, die die Automobilindustrie neu gestalten, gehört die Elektrifizierung. Die Marktanforderungen, Sicherheits- und Umweltvorschriften verlangen, dass alle Autos – von Einstiegs- bis hin zu Premiummodellen – intelligenter, assistentischer, vernetzter und nachhaltigkeitsbewusster werden. Um dies zu erreichen, statten Automobilhersteller ihre Fahrzeuge mit mehr Sensoren, Rechenleistung und Kommunikationsfunktionen aus und elektrifizieren immer mehr Teilsysteme, von Wasserpumpen und Servolenkungen bis hin zum gesamten Antriebsstrang.

Dieser Trend bietet Chancen für Hersteller von elektronischen Bauteilen sowie Montagebetriebe in der Automobilzulieferkette. Herausfordernd sind jedoch die hohen Qualitätsanforderungen und Stückzahlen der Branche. Diese erfordern schnelle und äußerst genaue Testverfahren, mit denen einwandfreie Einheiten und solche mit Mängeln korrekt identifiziert werden können. Dies muss mit minimalen Fehlalarmen und ohne zeitaufwändige Nachprüfungen zur Korrektur falsch-negativer Resultate erfolgen. 

Prüftechnik-Verbesserung für fortgeschrittene Elektronik

Kontakt-Testlösungen für hochentwickelte Geräte, die mit Prüfspitzen arbeiten, könnten verhindern, diese Herstellerziele zu erreichen, da die Testkontaktpunkte immer kleiner, enger beieinander liegen und mit herkömmlichen federnden Testsonden immer schwieriger zu erreichen sind (Bild 1).

Außerdem ergibt die Verbindung mit dem Prüfling an nur einem einzigen Punkt eine unzuverlässige Lösung. Jegliche Art elektronischer Geräte — von Halbleiterwafern bis hin zu ECU-Modulen — sind davon betroffen, da die Geometrien der Komponenten immer kleiner werden und die Leiterplattenbaugruppen immer dichter bestückt sind. Zudem erschweren aufwendig konstruierte vibrationsfeste Steckverbinder, wie sie in der Automobilindustrie verwendet werden, den Prüfspitzen die Kontaktherstellung bei Platzierung auf der Prüfvorrichtung (Bild 2). 

Probleme mit Pogo-Pins – also Federkontaktstifte - sind bereits weit verbreitet. Die Stifte stellen oft keinen ordnungsgemäßen Kontakt zum Testpunkt her. Aktuellen Untersuchungen zufolge werden nur in 80 Prozent der Fälle, in denen Tests mit Standard-Pogo-Pins durchgeführt werden, die Messobjekte korrekt klassifiziert. Solche Fehler führen zu hohen Fehlalarmraten, die eine Untersuchung und erneute Tests erfordern. Darüber hinaus beträgt die typische Nennlebensdauer eines Pogo-Pins 100.000 Schaltspiele. Bei Stückzahlen wie in der Automobil-Massenproduktion kann dies häufige Stillstände für den Austausch erforderlich machen. Ungenaue Ergebnisse und häufige Unterbrechungen beeinträchtigen die Produktivität und verursachen Lieferverzögerungen.

Darüber hinaus kann der Kontaktwiderstand aufgrund der herkömmlichen Pogo-Pin-Struktur uneinheitlich sein und beträgt in der Regel nicht unter 70 mOhm. Dies kann die Prüfung von Baugruppen verhindern, bei denen ein geringer Kontaktwiderstand erforderlich ist. Ein allgemein akzeptierter praktikabler Mindestdurchmesser für herkömmliche Federstifte beträgt etwa 0,35 mm. Eine Verkleinerung unter diesen Wert kann einen zuverlässigen Kontakt mit den Testpunkten verhindern, da die Prüfspitzen brüchig werden können, was zu häufigeren Fehlfunktionen sowie Bruchschäden führt. Dennoch werden, um zukünftigen Anforderungen gerecht zu werden, kleinere Teststifte benötigt. Es muss eine Alternative gefunden werden, um eine effiziente, schnelle und genaue Kontaktprüfung zu gewährleisten.

Fraunhofer IPMS beschleunigt Testprozess

Neue Maßstäbe in der Materialanalyse soll der neu entwickelte Messadapter des Fraunhofer IPMS setzen. Der Chip kann erstmals mehrere Elektrodenpaare gleichzeitig kontaktieren und beschleunigt damit Testprozesse.

Pin-Beschränkungen

Herkömmliche Pogo-Pins sind sorgfältig entwickelt, geringe Positionierungsabweichungen zu tolerieren, sowie eine Federkraft aufzuweisen, die gegen den Testpunkt des Prüflings drückt und dabei eine robuste elektrische Verbindung mit geringem ohmschen Widerstand sicherstellt.

Allerdings erhöht dieser Mechanismus die Komplexität des Designs, und es kann zu Blockierungen oder anderen Fehlfunktionen kommen, wenn das Prüfobjekt auf die Prüfvorrichtung platziert wird. Bei fehlerhafter Positionierung oder übermäßiger Krafteinwirkung kann der Stift brechen oder die Feder versagen. Eine weitere Verkleinerung des Mechanismus - um eine engere Positionierung zu ermöglichen, die für das Testen dicht bestückter Leiterplatten erforderlich ist - führt daher dazu, dass der Stift empfindlicher wird und leichter bricht.

Alternative zu  herkömmlichen Pogo-Pins

Eine Alternative zu schaffen, die diese Einschränkungen überwindet und gleichzeitig die Entwicklung hin zu kleineren Geometrien unterstützt, ist weder einfach noch trivial. Bei einem dazu geeigneten Stift muss ausreichend sichergestellt sein, seine Position am Testpunkt zu finden, gleichzeitig aber eine ausreichende und gleichmäßige Kontaktkraft zu gewährleisten. Gleichzeitig ist eine höhere Haltbarkeit notwendig, um Ausfälle zum Zwecke des Austauschs defekter Stifte zu minimieren und Falsch-Negativ-Ergebnisse zu vermeiden, die ein schlechter elektrischer Kontakt und inkonsistenter Kontaktwiderstand verursachen können.

Ein neuer Typ von Teststift, der aus einer speziell entwickelten elektrogeformten (EFC) Metalllegierung und mit einem speziellen Herstellungsverfahren hergestellt wird, bietet nun eine Lösung, diesen Anforderungen gerecht zu werden.

Das kundenspezifische Material bietet mechanische Eigenschaften, die mit denen von Edelstahl der Güteklasse 304 (SUS304/SS304) vergleichbar sind. Dazu gleichzeitig elektrische Eigenschaften, die eine hervorragende Leitfähigkeit auf Kupferniveau erreichen. Die Kombination aus Legierungseigenschaften und speziellem Stiftdesign (Bild 3) ermöglicht einteilige Stifte, die nicht den Größenbeschränkungen und der Blockierungsgefahr herkömmlicher Federmechanismen unterliegen. 

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Elektromagnetische Störungen stellen eine ernstzunehmende Gefahr für Raumfahrtsysteme dar. Um die Störfestigkeit kritischer Bordelektronik zuverlässig zu gewährleisten, sind normgerechte EMV-Prüfungen unerlässlich.

Optimierte elektrische Parameter

Mit den EFC-Stiften lassen sich hochzuverlässige Testvorrichtungen mit Abständen von bis zu 0,175 mm erstellen. Da die Stifte in über 99,8 Prozent der Testvorgänge einen einwandfreien Kontakt mit dem Testpunkt hestellen konnten, ist das Risiko falsch-negativer Ergebnisse aufgrund eines schlechten Stiftkontakts erheblich gesunken. Darüber hinaus erreichen sie je nach Anwendung und Ausführung eine Langlebigkeit von bis zu 500.000 Steckzyklen, wodurch sich die Effizienz erhöht und die Ausfallzeiten verringern. Ihr einteiliges Design gewährleistet konsistente elektrische Parameter und einen extrem niedrigen Kontaktwiderstand von typischerweise etwa 30 mOhm, was für die Prüfung von Produkten wie OLED-Panels geeignet ist. Überdies ermöglicht Flexibilität bei der Optimierung aller Aspekte der Stiftgröße, -form und -spitze eine Anpassung der Stifteigenschaften an eine Vielzahl von Anwendungen.

EFC-Pins eignen sich für Pin-Blöcke und komplette kundenspezifische Sockel für Tests auf Platinenebene und werden auch in optimierten Vorrichtungen für IC- und andere Komponententests oder sogar Gerätetests verwendet. Sie wurden für die Prüfung von High-End-Modulen mit hohen Übertragungsgeschwindigkeiten sowie von Hochleistungselektronik mit Werten weit über 2 A pro Pin für eine einzigartige Bündelstruktur entwickelt und erreichen dabei höchste Prüfbeständigkeit.

Das Standardprodukt - ein einzigartiger Teststecker für USB-Typ-C-Verbindungen - kombiniert EFC-Stifte mit Harz-Pinspitzen und einem speziellen Schwimmkopfmechanismus, der eine Toleranz von einem Grad in der X-Y-Positionierung ermöglicht (Bild 4). Der schwimmende Kopf gewährleistet ein schnelles und fehlerfreies Einstecken, um Unterbrechungen bei der Verwendung in Testgeräten zu vermeiden, während die spezielle interne Stiftstruktur die Lebensdauer der Testbuchsen im Vergleich zu herkömmlichen Mitteln verlängert. (na)