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Die Test- und Inspektionsmöglichkeiten des Flying Probe Condor sind vielfältig.

Die Test- und Inspektionsmöglichkeiten des Flying Probe Condor sind vielfältig.Digitaltest

Hersteller elektronischer Baugruppen müssen eine hohe Qualität der auszuliefernden Produkte sicherstellen. Daher sind die Anbieter von Testlösungen gefordert, entsprechende Werkzeuge anzubieten. Nur wenn die Vorteile und die mögliche Fehlerabdeckung der verschiedenen Lösungen bekannt sind, ist es möglich, die höchste Qualität bei niedrigsten Kosten zu erreichen und die beste Test- und Inspektionsstrategie für die Fertigung auszuwählen.

Jedoch sind bei den meisten Herstellern oftmals seit Jahren schon die gleichen Testverfahren im Einsatz: ICT, gefolgt von AOI oder einer Sichtprüfung, anschließend ein Funktionstest, dann ein Systemtest. Ist dies wirklich die effizienteste Möglichkeit, um eine hohe Prozessqualität und die niedrigsten Kosten sicherzustellen? Nein! In den meisten Fällen werden einzelne Prüfungen mehrfach wiederholt und Kosten sind höher als notwendig.

Für die heutigen Fertigungsprozesse stehen viele unterschiedliche automatische Test- und Inspektionsverfahren zur Auswahl: In-Circuit-Test (ICT), Flying-Prober-Test (FP), Manufacturing Defect Analyzer (MDA), Automatische Optische Inspektion (AOI), Funktionstest (FT), Boundary Scan Test (BScan) und Automatische Röntgen-Inspektion (AXI). Der Anwender hat wie immer die Qual der Wahl: Welche Lösungen sind nun für die heutigen Herausforderungen der SMT-Bestückung sinnvoll?

Definition einer Teststrategie

Bild 1: Typische DPMOJ-Raten.

Bild 1: Typische DPMOJ-Raten.Digitaltest

Der erste Aspekt für die Definition einer Test- und Inspektionsstrategie ist die Untersuchung des Fehlerspektrums und des vom Kunden geforderten Qualitätsniveaus. Sowohl die Bauteiltypen, als auch Baugruppendichte und die verwendeten Prozessanlagen haben Einfluss auf die Qualität der Bestückung. Die DPMOJ-Rate (Defects Per Million Opportunity per Joint) reicht bei den heutigen Bauteiltypen von 50 DPMOJ bis hin zu mehr als 15.000 DPMOJ. Bei Area-Array-Gehäusen werden die höchste Zuverlässigkeit und die geringsten Fehlerraten erreicht, während Fine-Pitch-Bauteile die höchsten DPMOJ-Raten aufweisen. In Bild 1 sind typische DPMOJ-Raten gemäß den Erfahrungen von Herstellern dargestellt.

Bild 2: Vergleich von Kosten und Testmöglichkeiten.

Bild 2: Vergleich von Kosten und Testmöglichkeiten.Digitaltest

Den Mitgliedern von iNEMI oder IPC stehen Tools zur Verfügung, um die Prozessfähigkeit, die erwartete Fertigungsausbeute und Fehlerraten zu berechnen. Für Test und Inspektion ist es wichtig, dass die Systemfähigkeit der Prozessfähigkeit entspricht, um die höchste Fertigungsausbeute zu erreichen. Die Möglichkeiten und Kosten der im Fertigungsprozess einsetzbaren Test- und Inspektionstools unterscheiden sich ganz erheblich (Bild 2). Einige Verfahren wie ICT und Flying Prober können außerdem einen zusätzlichen Nutzen für den Fertigungsprozess bringen, beispielsweise durch die Programmierung von Bauteilen.

Überblick über die Testverfahren

In der modernen Baugruppenfertigung gehört der ICT zu den am häufigsten eingesetzten Testverfahren in Fertigungslinien. Aber wie gut funktioniert dieses Verfahren wirklich? Einer der wichtigsten Vorteile eines ICT-System ist die Tatsache, dass sich mit diesem Testverfahren die Funktion digitaler Bauteile prüfen lässt. Zudem ist es möglich, auch Bauteile zu programmieren, was einen gewissen Mehrwert für das Produkt bringt. Dabei können alle digitalen Bauteile mittels einer Funktionsprüfung unter Betriebsspannung, Boundary Scan, BIST oder einem kapazitiven Verfahren zur Erkennung von Unterbrechungen getestet werden. Abhängig von den Messmöglichkeiten des Systems lassen sich die Werte aller passiven Bauteile vermessen.

Der Vorteil von ICT ist, dass es alle elektrischen Kurzschlüsse und Unterbrechungen entdeckt und sich so sicherstellen lässt, dass die Bauteile funktionieren und alle Teile die richtigen Werte haben. Damit lässt sich in der Regel sicherstellen, dass das Endprodukt funktioniert. Zudem erreicht dieses Testverfahren meist den höchsten Durchsatz. Je nach Konfiguration liegen die Kosten eines ICT-Systems zwischen 50.000 Dollar und mehr als 500.000 Dollar. Zu den Gesamtkosten eines ICT-Systems sind außerdem die benötigten Testadapter und Programme hinzuzurechnen. Wegen seiner Testmöglichkeiten und der hohen Geschwindigkeit wird der ICT vorwiegend in Fertigungsumgebungen mit hohen Stückzahlen eingesetzt.

Besonders attraktiv: Flying Probe

Bild 3: Prüfmöglichkeiten eines Flying Probes am Beispiel des Condor-Systems von Digitaltest.

Bild 3: Prüfmöglichkeiten eines Flying Probes am Beispiel des Condor-Systems von Digitaltest.Digitaltest

Flying Prober sind heute sehr leistungsfähige Testplattformen, die vielfältige Prüfmöglichkeiten bieten und mit denen sich die Kosten für die Adaptierung einsparen lassen. Bild 3 zeigt die Test- und Inspektionsmöglichkeiten der Condor-Plattform von Digitaltest. Die heutigen Flying Prober decken fast alle Testverfahren ab: ICT, Digital, Boundary Scan, Bauteilprogrammierung und Inspektion. Zu den Vorteilen zählen die vielfältigen Test- und Inspektionsmöglichkeiten und der Verzicht auf einen Adapter, nachteilig ist allerdings die lange Zykluszeit. Je nach Produkt kann diese zwischen 30 s und 5 min pro Produkt liegen. Allerdings arbeiten die Hersteller daran diese Zeiten zu verkürzen.

Zum Beispiel erlaubt das Condor-System eine Kontaktierung wichtiger Schaltungsknoten auch auf der Unterseite, so dass es die sonst übliche Testzeit merklich reduziert. Auch lassen sich mit einem kleinen Adapter mehrere wichtige Schaltungsknoten kontaktieren, so dass die Taktzeiten sehr nahe an die eines ICT heranreichen. Dies ist besonders bei hohen Stückzahlen hilfreich, wenn ein eingeschränkter Zugriff auf die Schaltungsknoten vorliegt. Die Kosten für derartige Systeme liegen normalerweise im Bereich von 220.000 Dollar bis 260.000 Dollar, wobei ein ROI (Return of Investment) von unter einem Jahr oft realistisch ist.

Vorteile von AXI und Boundary Scan

Bei AXI-Systemen sind heute zwei Hauptarten für die 3D-Inline-Inspektion verbreitet. Diese Systeme basieren entweder auf der Tomosynthese oder auf der Laminographie. Mittels AXI lässt sich die höchste Fehlerabdeckung bei der Untersuchung von Verbindungen erreichen, dies ist aber mit verschiedenen Schwierigkeiten verbunden. Normalerweise kostet eine 3D-AXI-Plattform zwischen 450.000 Dollar und 750.000 Dollar, in den meisten Fällen haben sie allerdings Probleme die Taktzeiten der Fertigungslinie einzuhalten. Außerdem ist mit falschen Fehlern in der Größenordnung von 5000 ppmJ zu rechnen. Die Programmierung ist kompliziert und langsam, da unterschiedliche Leiterdichten auf der Leiterplatte vorliegen, so dass der Programmierer viele Lötstellen einzeln betrachten muss (Sub-Joints). Abgesehen von der expliziten Untersuchung von Lötfehlern bei sehr kostenintensiven Produkten ist der Einsatz derartiger Systeme auf Grund der hohen Kosten und des geringen Durchsatzes für die meisten Fertigungsprozesse uninteressant.

Boundary Scan wurde in den 1990er Jahren von der Joint Test Action Group (JTAG) standardisiert und versprach eine große Zukunft. Allerdings erfolgte die Verbreitung von Boundary Scan anfangs nur sehr langsam, bis dann der eingeschränkte elektrische Zugriff für die ICT- und MDA-Systeme immer mehr zum Problem wurde. Boundary Scan bietet eine sehr hohe digitale Fehlerabdeckung bei niedrigen Kosten. Entsprechende Lösungen gibt es schon ab 10.000 Dollar bis hin zu 45.000 Dollar bei anspruchsvolleren Systemen. Entscheidend für den Einsatz von Boundary Scan ist sicherzustellen, dass die Schaltungsentwickler diese Möglichkeit von Anfang an berücksichtigen. Die meisten größeren integrierten Schaltungen beinhalten heute Boundary-Scan-Funktionen. Wenn die Entwicklungsingenieure diese Bauteile richtig zusammenschalten, lässt sich eine sehr hohe Fehlerabdeckung erreichen. Boundary Scan ist heute eines der besten Tools, um eine hohe Fehlerabdeckung bei digitalen Bauteilen zu erreichen, sowie für eine ISP- (In-System Programming) und Flash-Programmierung.

AOI für den richtigen Durchblick

Schließlich erlauben AOI-Systeme eine schnelle Programmierung und erreichen kurze Taktzeiten, dafür schwankt aber je nach Plattform die Fehlerabdeckung (besonders bei Unterbrechungen). Auch die Anzahl der Pseudofehler ist relativ hoch. Die Auswahl der richtigen Plattform ist daher entscheidend für den Erfolg dieses Verfahrens.

Es gibt zwei Arten von Systemen. Die eine Variante nutzt ein Modell oder ein Bild als Vorlage für die Bauteile und vergleicht dieses mit dem zu prüfenden Bauteil und liefert daraus die Pass/Fail-Information. Der Schwerpunkt liegt hauptsächlich auf der Platzierung, Anwesenheit/Abwesenheit und optischer Schrifterkennung. Dieses Verfahren erlaubt zwar eine schnelle Programmerstellung aber die Leistung in der Produktion ist gering, da Prozessschwankungen erst erlernt werden müssen. Dadurch ergeben sich anfangs viele falsche Fehler pro Baugruppe. Mit dieser Art von Systemen lässt sich zwar ein Testprogramm sehr schnell für eine erste Inspektion generieren, dies wird aber durch einen reduzierten Durchsatz und ein hohes Risiko in der Produktion erkauft. Die zweite Variante sind AOI-Systeme, die Messungen durchführen und eine weit bessere Fehlerabdeckung und geringere Rate an falschen Fehlern aufweisen. Sie liefern Prozessinformationen zu Position, Versatz und eine Trendanalyse, erfordern dafür aber besser ausgebildetes Bedienpersonal zur Programmierung des Systems.

Die richtige Teststrategie auswählen

Bild 4: Fehlerabdeckung verschiedener Testverfahren sowohl bei Produkteinführung (NPI) als auch bei der Fertigung großer Stückzahlen.

Bild 4: Fehlerabdeckung verschiedener Testverfahren sowohl bei Produkteinführung (NPI) als auch bei der Fertigung großer Stückzahlen.Digitaltest

Bild 4 zeigt die Gesamt-Testabdeckung für unterschiedliche Test- und Inspektionsszenarien. ICT- und Flying-Prober-Systeme bieten eindeutig die höchste Fehlerabdeckung. Zudem lassen sie sich mit verschiedenen anderen Lösungen wie Boundary Scan kombinieren. Doch worauf kommt es an?

Bei der Einführung neuer Produkte (NPI) oder der Fertigung kleiner bis mittlerer Stückzahlen, und wenn es auf die Qualität ankommt, können Flying Prober, die notwendige Fehlerabdeckung bei minimalen Adaptierungskosten sicherstellen. Hier bietet sich beispielsweise das System Condor mit seinen vielfältigen Testmöglichkeiten an. Bei der Fertigung großer Stückzahlen lässt sich nach wie vor mit einem ICT wie Sigma, ebenfalls von Digitaltest, in Kombination mit einer Boundary-Scan-Lösung von Herstellern wie JTAG, Corelis, TI Asset oder Göpel, die höchste Fehlerabdeckung erreichen.

Von Vorteil ist es auch, wenn Systeme mit einer Funktion zur Bauteilprogrammierung eingesetzt werden. Dann lassen sich nicht nur die Kosten senken, sondern dies bringt auch einen zusätzlichen Nutzen. Idealerweise lassen sich verschiedene Test- und Inspektionsverfahren kombinieren. Der eindeutige Sieger im Hinblick auf die Fehlerabdeckung bei hohen Stückzahlen ist der ICT oder die Kombination von ICT und Boundary Scan. Für die höchste Fehlerabdeckung bei der Einführung neuer Produkte oder bei kleinen bis mittleren Stückzahlen kann ein Flying Prober mit den Möglichkeiten des Condor-Systems eine passende Lösung darstellen.

Alleskönner gibt es nicht

Fehler am Anfang des Produktentstehungszyklus sind die teuersten. Daher gilt: Wie bei jeder Teststrategie ist das Ziel die geforderte Qualität und Kosten mit den bestmöglichen Tools zu erreichen. Die richtige Auswahl der Teststrategie ist dabei entscheidend, winkt dem Anwender ein hohes Yield und Kostenersparnisse durch effiziente Fehlervermeidung.

Paul Groome

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ist Vice President Sales Americas von Digitaltest.

(mrc)

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