Sinnvolle Kombinationen der Testverfahren

(Bild: Kuttig)

Kuttig

Übersicht der einzelnen zerstörungsfreien Testverfahren. Kuttig

In der EMS-Branche (Electronic Manufacturing Service) existieren verschiedene Testverfahren. Über die Testabdeckung sind aber nur wenige Informationen zu finden. Unumstritten ist, dass das Testen fester Bestandteil der Elektronikfertigung sein sollte. Aber welche Testverfahren gibt es und welche sind anzuwenden? Der Beitrag versucht, eine objektive Bewertung der zerstörungsfreien Testverfahren zu geben, um dabei die Testabdeckung zu beleuchten.

Bei der Herstellung von elektronischen Flachbaugruppen ist eine Überprüfung des Bestückungsergebnisses zwingend, da Fehler prozessbedingt auftreten, zum Beispiel der Grabsteineffekt (tombstone effect). Besonders bei Produkten für sicherheitskritische oder medizinische Anwendungen ist die reproduzierbare und dokumentierbare Überprüfung des Bestückungs- und Lötprozesses mit einer möglichst großen Testabdeckung unabdingbar. Von großem Vorteil ist es dabei, wenn diese Tests begleitend mit der Fertigung stattfinden können, damit Probleme frühzeitig erkannt und zur Verbesserung der laufenden Fertigung herangezogen werden können.

MOI: Manuelle Optische Inspektion

Bei der MOI, auch Sichtprüfung genannt, suchen Mitarbeiter etwa bei EMS-Dienstleistern mit den Augen und gegebenenfalls mit Hilfe des Mikroskops die Baugruppe nach Fehlern ab. Hierbei können theoretisch alle Fehler gefunden werden, die sichtbar sind. Das sind Anwesenheit, Platzierung und Orientierung sowie Richtigkeit, Kurzschlüsse, Unterbrechungen und Lötqualität an den Anschlüssen, sofern optisch erkennbar. Nicht gefunden werden können unter anderem die Richtigkeit von unbeschrifteten Bauteilen (zum Beispiel keramische SMD Kondensatoren, kleine SMD Widerstände), defekte Bauteile, Lötstellen von BGA, LFN und CSP, nicht erkennbare kalte Lötstellen sowie Unterbrechungen und Kurzschlüsse in der Leiterkarte.

Der Vorteil des geringen Rüstaufwands wird durch den enorm hohen Stückaufwand zunichte gemacht, sodass dieses Verfahren nur bei sehr kleinen Losgrößen Anwendung findet. In der Serie wird es aber oft als Ergänzung zur AOI verwendet, um die Fehler zu finden, die das AOI nicht detektieren kann. In der Praxis ist dieses Verfahren leider nur bedingt zuverlässig, da es stark von der Tagesform der Mitarbeiter abhängt.

AOI: Automatische Optische Inspektion

In einem AOI-Prüfprogramm werden Bauteilpositionen und Prüfmakros zugeordnet. Mit Hilfe eines Portalroboters werden dann Kameras über das Bauteil positioniert, um hochauflösende Fotos anzufertigen. Bei der Auswertung der Fotos werden Anwesenheit, Platzierung, Orientierung und Richtigkeit überprüft, sofern diese optisch erkennbar sind. Auch die Lötqualität lässt sich im Rahmen einer Lötmengenbewertung kontrollieren.

Wie bei der MOI können Fehler, die nicht sichtbar sind, auch nicht gefunden werden. Bei AOI-Systemen mit reinen Top-Down-Kameras sind darüber hinaus nur die Merkmale prüfbar, die von oben sichtbar und nicht abgeschattet sind. So ist es nicht möglich, ICs mit J-Bend (zum Beispiel PLCC), BGA, CSP usw. auf Lötstellen und Kurzschlüsse zu prüfen. Auch lässt sich die Polarität von bedrahteten Tantals, Elkos und Netzwerkwiderständen nicht kontrollieren, wenn das Polungskennzeichen seitlich aufgebracht ist. Hier sollte dann eine ergänzende MOI durchgeführt werden.

Dieses Verfahren ist reproduzierbar und die erstellten Fotos und das Prüfprogramm werden archiviert. Das bietet den Vorteil, dass die Prüfung später mit einem veränderten Prüfprogramm erneut anwendbar ist. AOI-Systeme arbeiten in der Regel taktgleich mit der Fertigungslinie, sodass sie optimal in der Serienfertigung eingesetzt werden können. Der Aufwand zur Erstellung des Prüfprogramms liegt mit ca. 2-8 Stunden im Mittelfeld. Es ist aber für Kleinstlose unrentabel. Komplexe AOI-Systeme haben zusätzlich zu den Top-Down-Kameras Schrägsichtkameras, was die Testabdeckung etwas erhöht, aber leider auch den Aufwand für die Erstellung des Prüfprogramms. Von Kundenseite müssen keine ergänzenden Unterlagen bereitgestellt werden, da die Mittelpunkts-Koordinaten (Pick&Place File) aus der Fertigung herangezogen werden.

3D-AOI: Automatische Optische Inspektion von bestückten Leiterplatten

AXI: Automatische Röntgeninspektion

Die Röntgeninspektion wird vor allem bei der Suche nach nicht sichtbaren Lötfehlern angewendet, wie bei der BGA Lötstelleninspektion. Die Erkennung von Kurzschlüssen und Unterbrechungen kann dabei weitestgehend automatisch erfolgen. Schwierigkeiten bereiten aber Baugruppen, die beidseitig mit überlappenden Bauteilen bestückt sind, da im Röntgenbild die Durchsicht beider Seiten zu sehen ist. Eine Differenzierung zwischen Ober- und Unterseite ist nur möglich, wenn es sich um ein Gerät mit schwenkbaren Achsen handelt. Hierbei ist aber eine automatische Auswertung zurzeit noch nicht möglich, sodass diese aufwändig manuell analysiert werden muss. Ebenso lassen sich Platzierung und Orientierung der Bauteile in der Regel nur manuell kontrollieren. Der Stückaufwand ist dabei sehr hoch. Ein AXI kommt in der Praxis nur als Ergänzung zur MOI/AOI zum Einsatz oder wenn es die Technologie erfordert, zum Beispiel bei der BGA-Bestückung.

ICT: In-Circuit-Test

Beim ICT handelt es sich um eine rein elektrische Prüfung, die unabhängig von der Funktion der Baugruppe arbeitet. Mit Hilfe eines Nadelkissenadapters werden möglichst alle Netze zeitgleich kontaktiert und mit einem Testrechner verbunden. Dieser wählt über eine Schaltmatrix die zu prüfenden Netze aus und kontrolliert die zu erwartenden elektrischen Parameter.

Neben den klassischen Tests auf Kurzschluss und Unterbrechung (Short & Open) können auch Widerstand, Kapazität und Induktivität gemessen und geprüft werden. Schwierigkeiten ergeben sich aber, wenn das Ersatzschaltbild zweier Netze zu komplex wird. So kann zum Beispiel bei einer Parallelschaltung vieler Kondensatoren (typischerweise bei Ab-block-Cs) nicht mehr jeder einzelne nachgewiesen werden, da der Kapazitätswert in der akkumulierten Toleranz untergeht. Ergänzend sind auch einfache funktionale Tests möglich wie die Einspeisung der Versorgungsspannung, wobei die Stromaufnahme und alle Betriebsspannungen gemessen werden.

Der Vorteil liegt in der sehr kurzen Taktzeit, da ein Wechsel der beteiligten Netze über die Schaltmatrix schnell erfolgt. Von Nachteil sind die hohen Einmalkosten für den Nadelkissenadapter und für die Prüfprogrammerstellung. In der Praxis können die Nadeln nicht beliebig eng platziert werden und die Kontaktierungsgenauigkeit ist für Fine-Pitch Bauteile (Pitch <=0.5mm) nicht mehr ausreichend. Zur Erstellung und Optimierung des Prüfprogramms benötigt man zudem die kompletten Projektdaten des EDA-Systems.

FPT: Flying-Probe-Test

Im Gegensatz zum klassischen ICT erfolgt beim FPT die Kontaktierung der Netze sequenziell. Mit Hilfe eines Portalroboters werden bis zu vier Nadeln von oben und zwei Nadeln von unten über die Baugruppe frei platziert, um dann das Pad zu kontaktieren. Die Genauigkeit ist dabei so hoch, dass Bauteile bis zu einem Pitch von 0,3 mm sicher kontaktierbar sind.

Die elektrischen Prüfungen erfolgen wie bereits beim ICT beschrieben. Zudem ist es mit Systemen der neusten Generation möglich, Anschlüsse zu untersuchen, die nicht mit der Nadel kontaktiert werden können, wie BGAs, µBGAs oder auch Steckerkontakte. Bei dieser sogenannten Electro-Scan Methode können über eine Feldstärkenmessung offene Lötstellen erkannt werden. Auch Kombinationen aus einfachen funktionalen Prüfungen und AOI-Prüfungen sind durch die integrierten Kameras realisierbar.

Der gravierende Vorteil gegenüber dem ICT besteht in der extrem hohen Flexibilität. Es entstehen keine Einmalkosten für einen Adapter und das Prüfprogramm kann jederzeit an geänderte Layouts, wie bei Re-Designs üblich, angepasst werden. Die Prüfgeschwindigkeit ist langsamer als beim ICT, da die Prüfnadeln immer wieder neu platziert werden müssen. Der Aufwand für das Erstellen des Prüfprogramms ist im Vergleich zum AOI-Programm hoch, aber niedriger als beim Funktionstest.

Der Flying-Probe-Test im Video

BST: Boundary-Scan-Test

Der BST setzt voraus, dass es auf der Baugruppe ein oder besser noch mehrere ICs gibt, die Boundary-Scan fähig sind. Im Design muss darauf geachtet werden, dass der BS-Bus durchverbunden und auf Testpunkte oder Stecker geführt wird. Zum Test muss eine Versorgungsspannung angelegt werden. Im Testlauf wird als erstes die Core-Logik der BS-ICs mit Hilfe der IO-Blocks logisch abgetrennt. Im Anschlus daran wird eine serielle Prüfsequenz durch die IO-Blocks geschoben, wobei die Antworten in die Sequenz ergänzt werden.

FT: Funktionstest

Hierbei handelt es sich um ein Testverfahren, das individuell für eine Baugruppe entwickelt werden muss. Eine geeignete Testumgebung erlaubt es, die Schnittstellen und gegebenenfalls erforderliche Messsignale mit dem Funktionstestplatz zu verbinden. Für den Testplatzrechner muss eine Testsoftware geschrieben werden. Ist auf der Baugruppe ein Mikrokontroller und/oder FPGA beteiligt, ist auch hierfür eine Testsoftware zu integrieren, damit eine akzeptable Testabdeckung erreicht werden kann.

BIST: Eingebauter Funktionstest (Built-In-Self-Test)

Beim Built-In-Self-Test wird mit Hilfe von rückgekoppelten Signalführungen auf der Zielhardware die Funktion überwacht. Hierbei unterscheidet man zwei Arten von Tests: Die Tests, die in der Initialisierungsphase ausgeführt werden (initial tests) und solche, die begleitend zur normalen Funktion arbeiten (run time tests). Der Nachteil besteht in den hohen Stückkosten, da die Rückkopplung der Signale in der Regel zusätzliche Hardwarekomponenten erfordern.

Vor- und Nachteile der einzelnen Testverfahren für einen EMS-Anbieter.

Vor- und Nachteile der einzelnen Testverfahren bei EMS-Dienstleistern. Kuttig

Wie wird die Testabdeckung berechnet?

Bei Kuttig wird die Testabdeckung nach der folgenden Formel berechnet:

Testabdeckung [%] = Summe überprüfbarer Fehler:Summe möglicher Fehler

Welche Fehler durch ein Testverfahren überprüft werden können, ist dabei abhängig vom Bauteiltyp. So kann man zum Beispiel bei einem SMD-Keramikkondensator, der in der Regel nicht beschriftet ist, den Wert nicht mit einem AOI-System überprüfen. Zur Ermittlung der Testabdeckung ist es deshalb erforderlich, die Häufigkeit der einzelnen Bauteiltypen mit heranzuziehen. Hierzu wird normalerweise die Stückliste benutzt. Um aber eine allgemeine Aussage treffen zu können, wurde aus der Kuttig-Datenbank eine virtuelle Baugruppe konstruiert, die aus dem Jahresmittelwert aller bestückten Bauteile besteht. Ein Vergleich über mehrere Jahre hat dabei gezeigt, dass die Varianz recht klein ist.

Wie werden die möglichen Fehler klassifiziert?

Bestückungsfehler

  • Anwesenheit: Ist das Bauteil vorhanden?
  • Platzierung: Ist das Bauteil innerhalb der erlaubten Grenzen platziert?
  • Orientierung: Hat das Bauteil die richtige Polung (gilt nur für gepolte Bauteile)?
  • Richtigkeit: Ist es das richtige Bauteil?

Lötfehler

  • Kurzschluss: Gibt es eine Verbindung zwischen zwei Netzen?
  • Unterbrechung: Gibt es eine fehlende Verbindung?
  • Lötqualität: kein übermäßiges oder unzureichendes Lötzinn, kalte Lötstellen, Lunker, Lötperlen, Lötrückstände etc.

Bauteilfehler

  • Basiskennwerte: Fehlerhafter Basisparameter wie Widerstandswert, Kapazitätswert etc.
  • Nebenspezifikation: Fehlerhafter Temperaturbereich, Spannungsfestigkeit, Keramikart etc. (aber nicht Toleranz, da diese mit einem ICT/FPT nachgewiesen werden kann)
  • Funktion: Fehler in der Funktion komplexerer Bauteile (zum Beispiel Fehler in der Core-Logik)

Die Summe der möglichen Fehler ergibt sich aus der aufgeführten Fehlerklassifizierung, wobei pro Bauteil jede der Fehlerklassen einmal vorkommen kann, wenn sie auf den Bauteiltyp anwendbar ist.

Die folgende Tabelle zeigt die Anzahl der Bauteile/Fehlerklasse, die auf unserer virtuellen Baugruppe mit insgesamt 1000 Bauteilen vorkommen kann.

Anzahl der Bauteile/Fehlerklasse, die auf der virtuellen Baugruppe mit insgesamt 1000 Bauteilen vorkommen können. Kuttig

Welche Testverfahren lassen sich sinnvoll kombinieren?

Im Vergleich der Testverfahren ist festzustellen, dass eine MOI mit einer Testabdeckung von 75% das beste Einzelverfahren ist. MOI ist aber auch das teuerste und unzuverlässigste Verfahren. So ist es gängige Praxis, die MOI nur als Ergänzung zur AOI durchzuführen. Interessant ist, dass die Nachschaltung eines FT die Testabdeckung nur um 9% auf 84% erhöht. Das liegt vor allem daran, dass der FT nicht alle Bauteile berücksichtigen kann und auch keine Aussage über die Einhaltung der Nebenspezifikationen macht, zum Beispiel Toleranzen.

Eine ideale Kombination mit 94% Testabdeckung ist AOI+MOI+FPT. Der FPT deckt dabei weitgehend die Fehler ab, die man optisch nicht erkennen kann. Ein ergänzender FT erhöht das Ergebnis nur um 1%. Selbst eine Hintereinanderschaltung aller Testverfahren erreicht nur 96%. Das liegt unter anderem daran, dass keins der Testverfahren in der Lage ist, die nicht messbaren Nebenspezifikationen wie  Temperaturbereich, Spannungsfestigkeit, Keramikart und andere bis hin zur Dicke einer Steckerbeschichtung zu überprüfen. Deshalb ist eine funktionierende und zuverlässige Materiallogistik unabdingbar. Sie muss dafür Sorge tragen, dass bei der Bereitstellung der Bauteile die Nebenspezifikationen eingehalten werden. Als Fertigungsfehler kommt dann nur noch eine Verwechslung von zwei gleichen Basiskennwerten mit verschiedenen Nebenspezifikationen in Betracht, was aber eher selten ist.

Fazit

In der Praxis liegt oft der Entwicklungsfokus ausschließlich auf der Realisierung der Funktionalität. Die Testability wird als nebensächlich betrachtet. Das liegt unter Umständen auch daran, dass zu Beginn einer Entwicklung die zu erwartende Stückzahl eher gering eingestuft wird. Steigt dann die Stückzahl, wird ein funktionierender Test unabdingbar und muss aufwändig nachentwickelt werden. Hier ist der ergänzende Einsatz eines FPT sinnvoll, da man mit geringem Aufwand eine hohe Testabdeckung erreicht. Aus qualitativer und auch ökonomischer Sicht ist die Kombination aus AOI ergänzt um MOI und FPT sehr zu empfehlen.

Dieser Vergleich setzt auf einer virtuellen Baugruppe auf. Letztendlich kann die Berechnung einer Testabdeckung nur für eine konkrete Baugruppe unter Heranziehung der entsprechenden Stückliste erfolgen. Die anzuwendenden Testverfahren können dann anhand der konkreten Baugruppe entschieden werden.

E²MS-Dienstleister kuttig

Die Kuttig Electronic GmbH ist ein mittelständischer EMS-Anbieter mit Sitz in Roetgen nahe Aachen. Von der Entwicklung über das Test-Engineering und Layout-Service, die Materiallogistik, bis hin zur Serienfertigung werden alle Aspekte einer Elektronikfertigung aus einer Hand angeboten. Spezialisiert ist man dabei auf die Fertigung kleiner und mittlerer Serien in den Bereichen Industrieelektronik, Medizintechnik, Datentechnik, Energietechnik, Telekommunikation, KFZ-Elektronik, Luft- und Raumfahrt.

Michael Kuttig

(Bild: Kuttig)
Geschäftstführer, Kuttig Electronic GmbH, Roetgen

(pg)

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