Stromlose Fehlererkennung

Bild 1: Prinzipschaltung der ASA. Entsprechend dem Ohm’schen Gesetz kann das Messprinzip als grafisches Wechselstrom-Widerstandsmessgerät verstanden werden. LXinstruments

Das Messprinzip wird neben Power-off-Test oftmals auch Analoge Signatur-Analyse (ASA) oder U/I-Test genannt. Das Messgerät (Tracker) prägt am Messpunkt ein Sinussignal ein und erfasst gleichzeitig den Strom via Shunt-Widerstand und den Spannungsabfall. Vergleichbar mit dem XY-Modus eines Oszilloskops wird eine Strom-über-Spannung-Kennlinie (auch Signatur genannt) dargestellt. Bei diskreten Bauteilen entspricht die Signatur den bekannten Kennlinien, zum Beispiel eine Ursprungsgerade bei Widerständen, eine Hysterese bei Spulen oder eine Dioden-Kennlinie. In einem realen Netzwerk ist die Signalantwort eine komplexe Überlagerung dieser Kennlinien.

Die Strategie der Fehlersuche folgt nicht dem funktionellen Verlauf des Schaltplans. Das Modul bleibt ausgeschaltet (Power-off-Test), damit die Antwort auf das eingespeiste Testsignal nur durch die passive elektronische Charakteristik des Prüflings definiert wird. Diese entspricht der komplexen Impedanz Z am Frequenzpunkt. Die erzeugte Kennlinie des Netzwerkpunkts wird mit der funktionierenden Referenz verglichen und weist bei starker Abweichung auf einen Fehler im Netzwerk hin. Nun gilt es, die defekte Komponente zu isolieren, indem die Kennlinienform analysiert und vielleicht durch weitere Messungen ergänzt wird. Typische Fehler werden nachfolgend beschrieben.

Bild 2: Die Figur des defekten Prüflings im Vergleich zur „goldenen“ Referenz LXinstruments

Analyse typischer Fehler und Nutzung der Messparameter

Die Parameter Frequenz, Spannung, Impedanz des Quellsignals und vor allem die Schaltschwellen der Signalüberwachung müssen richtig eingestellt werden, um aussagefähige Ergebnisse zu erhalten und den Prüfling nicht zu beschädigen. Der Stromschutz ist einstellbar, um an die verschiedenen Bauteilefamilien anpassbar zu sein (MOS und so weiter).

Bild 3: Parametrisierung der ASA am Beispiel von häufigen Fehlerursachen LXinstruments

Bei einem Kurzschluss mit Masse beziehungsweise einem offenen Kontakt besteht die Gefahr, diesen Fehler mit einem erwarteten sehr hohen Widerstand beziehungsweise einem sehr kleinen Widerstand zu verwechseln (siehe Beispiel Nr. 1+2 in Bild 3). Es ist daher gut, die Impedanz des Messgerätes an die Situation am Messpunkt im Nicht-Fehlerfall anzupassen. Dies führt zu einem besseren Verhältnis des aktuellen Prüflingswiderstands zur Impedanz der Quelle, weshalb die sichtbare Kennlinie bei einem erwarteten kleinen Widerstand flacher ausfallen wird und daher von der vertikalen Kennlinie des Kurzschlusses unterschieden werden kann. Analog dazu wird ein großer Widerstand im DUT (Device Under Test) eine hoch eingestellte Impedanz erfordern, um die „Auflösung“ an der horizontalen Linie zu verbessen.

Wenn sich Dioden am Messpunkt befinden, dann empfiehlt es sich, die Spannung zu erhöhen, um den Durchbruch der Dioden-Kennlinie zu erkennen. Die Wechselspannung macht die Eigenschaften der Diode in Sperr- und Durchlassrichtung sichtbar. Eine zu flache Linie im Sperrbereich zeigt eine Diode mit Leckstrom an (Bild 3, Beispiel Nr. 3). Wird die Spannung unterhalb des Durchbruchs angelegt, verschwindet die Diode virtuell aus der Schaltung. So kann der Techniker das Verhalten des verbleibenden Netzwerks betrachten. Befindet sich eine Z-Diode im Netzwerk, kann die Zener-Spannung geprüft werden.

Bei stark kapazitivem Verhalten des Messpunkts muss die Frequenz niedrig und die Impedanz hoch eingestellt werden, um den kapazitiven Widerstand zu stimulieren, der bei kleiner Frequenz besonders hoch ist. Erst bei einer erfolgreichen Anpassung der Parameter wird die typische Kreisform erkennbar. In Beispiel Nr. 4 fehlt die bauchige Signatur einer Kapazität. Hier hat eine kalte Lötstelle des angrenzenden Kondensators den Fehler verursacht. Zeigt sich die Kapazität mit einem gestauchten Signal wie in Beispiel Nr. 5, dann wurde ein Kondensator mit Leckstrom erkannt.

Vor- und Nachteile des Power-off-Tests

Bild 4: Aktuelles Beispiel eines Power-off-Testers, der Huntron Tracker 3200S LXinstruments

Die Fehlersuche ist möglich, obwohl der Prüfling nicht im Betriebs- oder Testmodus aktiviert werden kann. Das trifft zu, wenn eine betroffene Leiterplatte nur mit umgebender Infrastruktur (zum Beispiel Spannungsversorgung oder Steuerung) betrieben werden kann. Baugruppen, zu denen das Know-how verloren ging, können weiterhin repariert und verwendet werden. Dies betrifft vor allem Reparaturwerkstätten bei fehlender Dokumentation. Die Fehlersuche ist möglich, obwohl der Prüfling nicht betrieben werden darf. Dies ist insbesondere dann zu empfehlen, wenn bei einer Reparatur nach dem Austausch einer Komponente eine Fehlerfortschreitung im Schaltkreis befürchtet wird. Einen Prototyp sicher einschalten: Wertvolle Prototypen in der Entwicklung sollen bereits vor dem Zuschalten von Versorgungsspannungen von riskanten Fehlern bereinigt werden. Der Messaufbau ist stark vereinfacht. Um Zugang zu den Messpunkten zu erhalten, ist oftmals ein Break-out erforderlich. Dazu wird das zu messende Board aus dem System gelöst und separat verbunden, um die Funktion wiederherzustellen. Es genügt, den Kontakt mit der Messsonde ohne volle Funktionalität herzustellen.

Nachteil: Es ist keine funktionelle Analyse der eingebauten IC-Komponenten, zum Beispiel Prozessoren, möglich. Die Signatur-Analyse erfasst üblicherweise Teile der Eingangsschaltung und Ausgangstreiber der Pins. Unterkomponenten wie zum Beispiel Register oder Logik sind mit diesem Messprinzip nicht darstellbar.

Instrumentation und Software zur Fehlererkennung

Bild 5: ASA-Instrumentation erweitert einfach die typische Architektur eines bestehenden FKT-Systems, etwa die offene Testplattform OTP2 von LXinstruments. LXinstruments

Eine Strom-über-Spannung-Kennlinie kann mit einem Oszilloskop und einem Sinusgenerator aufgenommen werden. Dies wurde bereits so gemacht, bevor Oszilloskope mit einem X/Y-Modus versehenen wurden. Seit 1976 pflegt Huntron mit dem Tracker die Technik solcher Messgeräte und PC-Software, um die Fehlersuche sowohl flexibler als auch effizienter zu machen. Spezialisierte Tracker bringen folgende Vorteile:

• Die Mess- und Referenzsignale werden gleichzeitig gemessen und übereinander gelegt. Dies zeigt auf einen Blick die Unterschiede der Signaturen.
• Eingebaute Algorithmen erkennen die unterschiedlichen Linien und geben im Klartext die Fail/Pass-Information.
• Ein Multiplexer tastet über standardisierte Clips und Leiterplattenverbinder viele Prüfpunkte nacheinander ab.
• Zusätzliche, synchron laufende Generatoren können an den steuernden Eingang einer Komponente angeschlossen werden. Dies erlaubt das Testen einfacher aktiver Leistungskomponenten wie Relais oder Transistoren.
• Einstellbare Überlast-/Strom-Überwachung.

Die Verbindung von Trackern mit robotischen Probern ist besonders empfehlenswert, wenn viele Prüflinge verschiedenen Typs getestet werden. Insbesondere die filigranen SMD-Komponenten kontaktieren Prober zuverlässiger als der Handbetrieb. Prober ermöglichen eine höhere Testabdeckung. Dies wird durch eine gesteigerte Anzahl der gemessenen Netzwerke und/oder durch eine höhere Anzahl der Messparameter erreicht.

Spezialisierte Software speichert die Referenzsignatur in der internen Datenbank. Dadurch können mehrere Referenzen eingelesen werden. Die Verrechnung dieser Signaturen gleicht produktionsbedingte Streuungen oder verschiedene Bauteiletypen aus und vermeidet Pseudofehler. Wertvolle Referenzbaugruppen werden mechanisch geschont, da die gespeicherte Referenzsignatur eine tatsächliche Messung ersetzt. Vorteilhaft ist außerdem, dass die Software ihre Anweisungen in einem vereinfachten Operator-Interface visualisiert und danach die Messergebnisse in Testberichten oder Log-Dateien erfasst. CAD-Daten können importiert werden, sowohl um den Testplan erstmals aufzusetzen als auch um den Fehleranalyseprozess durch Visualisierung zu vereinfachen.

Power-off-Test und Funktionstest (FKT) als Kombisystem

Funktionstestsysteme können „blinde Stellen“ haben. So kann es vorkommen, dass eine beschädigte Schutzdiode im Funktionstest zunächst unauffällig ist. Im dauerhaften Einsatz des Prüflings später sind solche Unregelmäßigkeiten jedoch problematisch. Einige dieser Fehler werden typischerweise von einem In-Ciruit-Tester erkannt. Steht dieser jedoch nicht zur Verfügung, dann kann die Tracker-Technik als kostengünstige, bedienerfreundliche Alternative einspringen. Besonders vorteilhaft dabei ist die nahtlose Einbindung von Power-off- und Power-on-Funktionstest, da die Testfolge keinen Operatoreingriff oder Stationswechsel erfordert.

Der Tracker kann leicht in ein FKT-System integriert werden, wenn beispielsweise das System über eine Instrumentenmatrix zur Stimulation und Messung verfügt. Zusätzliche Messtellen (zum Beispiel Nadeln im Fixture) können über die Prüflingsmatrix hinzugefügt werden. Eine Interferenz zwischen den Ressourcen des Funktionstests und der Komponentenevaluierung kann so vermieden werden.

Remote Schnittstellen (API) zur oben besprochenen ASA-Software ermöglichen es, die für Tracker definierten spezifischen Abläufe einfach in selbstgeschriebenen Programmen aufzurufen oder in Testpläne von Test-Sequenzern einzubinden. Die Testreihenfolge sehen wir im praktischen Einsatz in zwei Varianten mit folgendem Schwerpunkt:

• Sicherere Inbetriebnahme: Zuerst Power-off-Test, um massive Risiken für das PCB durch Kurzschluss durch Fehlerfortschreitung zu vermeiden. Anschließend FKT-Test.
• Fehlerdiagnose: Zuerst FKT-Test, um die Funktionsgruppe zu isolieren. Anschließend wird zur Diagnose eine Liste von verdächtigen Komponenten mit dem Power-off-Test durchgemessen.

Besonders attraktiv sind diese Kombilösungen für Branchen wie zum Beispiel spezielle Reparaturwerkstätten, Energieversorger, Bahn oder Militärapplikationen, in denen nur in überschaubarer Menge repariert oder produziert wird.

(jj)