Wie In-Circuit-Tests die PCBA-Hürden bewältigen

Die starke Verbreitung von Elektronik in unserer modernen Welt ist nicht zu leugnen. Von der Einfachheit tragbarer Geräte bis hin zur Komplexität von Elektrofahrzeugen ist die Elektronik aus nahezu jedem Aspekt unseres täglichen Lebens nicht mehr wegzudenken. Diese technologischen Wunderwerke erleichtern nicht nur die Kommunikation und Konnektivität, sondern treiben auch Innovationen in verschiedenen Branchen voran, vom Gesundheitswesen über den Verkehrssektor bis hin zur Unterhaltung und darüber hinaus. Da wir die Grenzen dessen, was mit Elektronik möglich ist, immer weiter verschieben, wird die Nachfrage nach zuverlässigen und leistungsstarken elektronischen Systemen immer größer.

Die Komplexität der Leiterplattenbestückung nimmt daher immer mehr zu, und damit auch der Bedarf an Tests, um Qualität, Zuverlässigkeit und Funktionalität in der Elektronikfertigung sicherzustellen.

Zunehmende PCBA-Dichte und hohe Stückzahlen

Im Zuge des technologischen Fortschritts hat sich der Wunsch nach kompakten und aufwändig designten Bauelementen deutlich verändert. Das hat zu einer bedeutenden Veränderung im PCBA-Design geführt, die durch zwei wesentliche Entwicklungen gekennzeichnet ist. Erstens die Miniaturisierung von Bauelementen als Reaktion auf die wachsende Nachfrage nach kleinen und schnellen Geräten. Infolgedessen erhöhen die Entwickler aktiv die Funktionalität der PCBA, wodurch die Anzahl der Komponenten, die einen Testzugang erfordern, steigt. Zweitens steigt die Stückzahl an PCBAs, und während die Zunahme des Testzugriffs unvermeidlich ist, hat dies in Verbindung mit dem Anstieg der Stückzahl zu einem Engpass bei den In-Circuit-Testsystemen (ICT) geführt.

Um diese Herausforderungen zu meistern, müssen Technologien eingesetzt werden, die mehr Testknoten unterstützen können. Das bedeutet letztlich, dass die Kapazität erhöht und die Verarbeitung größerer Panels ermöglicht wird.

Längere Kurzschlusstests an hochohmigen Knoten

Ein Kurzschlusstest ist ein Standardtest ohne Energieversorgung, der während des ICT durchgeführt wird. Mit diesem Test wird geprüft, ob unerwünschte Kurzschlüsse zwischen den Komponenten auf einer PCBA vorliegen. Der Kurzschlusstest trägt auch dazu bei, die Leiterplatte in der anschließenden Testphase unter Spannung vor Schäden zu schützen. Im Zuge der technologischen Entwicklung hat die Verbreitung von hochohmigen Knotenpunkten zugenommen, angetrieben durch die wachsende Nachfrage nach Signalqualität, geringerem Stromverbrauch und verbesserter Funktionalität.

Allerdings ist die Dauer des Kurzschlusstests für hochohmige Knoten deutlich länger. Im Durchschnitt dauert der Test eines hochohmigen Knotens dreimal so lange wie der eines niederohmigen Knotens. Diese Diskrepanz beim Testen ist auf die speziellen Eigenschaften von Hochimpedanzknoten zurückzuführen, die aufgrund des geringen Stromflusses eine längere Stabilisierungszeit benötigen, und darauf, wie sich geringes Rauschen auf die Messungen auswirken kann. Daher müssen die Prüfer das Testsignal über einen längeren Zeitraum anlegen, um die Spannung oder den Strom zu stabilisieren und genaue Messwerte zu gewährleisten. Wenn ein Kurzschluss an einem hochohmigen Knotenpunkt erkannt wird, kann die Isolierung und Identifizierung der betreffenden kurzgeschlossenen Knotenpunkte ein komplexerer Prozess sein. Diese verlängerte Testzeit könnte den gesamten Testdurchsatz der Fertigungslinie beeinträchtigen, was sich negativ auf die Effizienz und die Produktionsgeschwindigkeit auswirkt.

Um den Herausforderungen beim Test von Hochimpedanzknoten zu begegnen, besteht der erweiterte Kurzschlusstest aus zwei Phasen: einer Erkennungsphase und einer Isolierungsphase. Dieser neue Algorithmus wurde speziell entwickelt, um die Effizienz der Kurzschlusserkennung für hochohmige Knoten zu verbessern, und ist nicht für niederohmige Knoten oder Knoten mit bekannten Kurzschlüssen geeignet.

Betrachten wir ein Szenario, in dem eine Platine 100 hochohmige Knoten umfasst. In diesem Fall hat jeder Knoten eine 7-Bit-Kennung. Durch die Implementierung des verbesserten Kurzschlusstests konnte der Testprozess erheblich optimiert werden, sodass nur noch 7 statt 100 Iterationen erforderlich sind, um den Test abzuschließen. Durch diese Verringerung der Anzahl der Iterationen wird die Gesamttestdauer effektiv minimiert.

Wird während der Isolationsphase ein Kurzschluss festgestellt, verwendet die erweiterte Kurzschluss-Testmethode die Halbierungstechnik, um die spezifischen Knoten zu ermitteln, an denen der unerwartete Kurzschluss aufgetreten ist, was dem Standardalgorithmus entspricht. Ein wesentlicher Unterschied liegt jedoch in der Reihenfolge: Die kurzgeschlossenen Knoten werden zunächst in der einen und anschließend in der anderen Gruppe identifiziert, wodurch die Effizienz des Identifizierungsprozesses optimiert wird.

Testen von Superkondensatoren (1 bis 100 Farad)

Superkondensatoren, oft auch als SuperCaps bezeichnet, sind eine Art von Kondensatoren, die sich durch ihre hohe Kapazität von 1 Farad bis 100 Farad auszeichnen. Kondensatoren sind im Allgemeinen elektrochemische Bauelemente, die Energie in Form von elektrostatischer Energie speichern.

Die enorme Energiespeicherkapazität von Superkondensatoren macht sie für eine Reihe von Anwendungen besonders wertvoll, z.B. zur Unterstützung von Elektro- und Hybridfahrzeugen. Sie werden für Stopp-Start-Funktionen, schnelle Beschleunigung und regeneratives Bremsen eingesetzt.

Zusätzlich zu ihren Automotive-Anwendungen dienen Superkondensatoren als sekundäre Stromquelle, die kritische Systeme im Falle eines Ausfalls oder während des Startvorgangs mit Notstrom versorgt. Darüber hinaus spielen sie eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung stabiler Spannungsniveaus innerhalb des elektrischen Systems eines Fahrzeugs, wodurch die Stromversorgung verbessert wird. Diese Stabilität stellt sicher, dass empfindliche elektronische Komponenten gleichmäßig und zuverlässig mit Strom versorgt werden, was zur Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit des gesamten Systems beiträgt.

Daher ist das präzise Laden, Testen und Entladen von Superkondensatoren entscheidend. Die Einführung der SuperCap-Testfunktion in der Lösung von Keysight stellt einen Ansatz dar, der eine automatisierte und effiziente Methodik bietet.

Keysight führt eine standardisierte und schnelle Technik für die Entladung von Superkondensatoren ein und bietet eine Alternative zu kundenspezifischen aktiven Lastkreisen. Anwender können sich für die elektronische DC-Last (E-Load) N6792A oder die Zwei-Quadranten-SMU N6786A entscheiden, um die Entladung von Superkondensatoren zu erleichtern. Das in Bild 2 dargestellte Verfahren beinhaltet eine einfache Verbindung zwischen der elektronischen Last oder SMU und den Superkondensatoren über die analoge Stimulus-Response-Karte des In-Circuit-Testsystems der Serie 7i Inline High-Density.

Dieser vereinfachte Aufbau ermöglicht eine nahtlose Testdurchführung und demonstriert die praktische Anwendbarkeit und Effizienz der fortschrittlichen Funktionen des ICT.

Schwachstrommessungen beim ICT

Die Leck- und Ruheströme spielen eine entscheidende Rolle für die Leistung verschiedener Geräte, darunter mobile Geräte, medizinische Geräte und Fahrzeugkomponenten. Diese Ströme sind besonders aussagekräftige Indikatoren für den Energieverbrauch eines Geräts und geben Aufschluss darüber, wie lange die Batterie in Betrieb bleiben kann, bevor sie wieder aufgeladen oder ausgetauscht werden muss.

In der Automobilindustrie sind Steuergeräte (ECU) ein Beispiel dafür, wie wichtig das Management von Leck- und Ruheströmen ist. Steuergeräte überwachen kritische Funktionen im Betrieb, wie die Klimasteuerung, das Airbag-Management und das Antiblockiersystem. Ein ineffizienter Umgang mit diesen Strömen innerhalb der Steuergeräte kann zu einer unnötigen Entlastung der Batterie führen, was eine verkürzte Batterielaufzeit und potenzielle elektrische Fehlfunktionen zur Folge hat.

Abgesehen von Effizienzproblemen stellen Leckströme auch ein erhebliches Sicherheitsrisiko dar. Durch diese Ströme verursachte Fehlfunktionen können dazu führen, dass sich sicherheitskritische Schaltkreise in Steuergeräten unvorhersehbar verhalten, was zu gefährlichen Situationen führen kann. Beispielsweise könnten fehlerhaft arbeitende Sicherheitssysteme dazu führen, dass Airbags bei einer Kollision nicht mehr auslösen. In Anbetracht dieser potenziellen Risiken sind sorgfältige Schwachstrommessungen unabdingbar. Das In-Circuit-Testsystem der Serie 7i von Keysight ermöglicht das, indem es die Fähigkeiten der zweikanaligen Source/Measure Unit (SMU) B2912B und eines neu entwickelten OpenTap-Plugins nutzt.

Ein bemerkenswerter Aspekt dieser Integration ist die nahtlose Verbindung und Steuerung zwischen dem Plugin und der SMU über den Tester. Das Ergebnis ist ein außerordentlich vereinfachter und effizienter Prozess zur Erstellung von Testsequenzen für die Messung von Schwachstrom. Entscheidend ist, dass durch diesen Fortschritt die manuelle Erstellung ganzer Testsequenzen überflüssig wird, wodurch sich der Arbeitsaufwand für die Ingenieure verringert. Stattdessen können die Ingenieure sicher einem geführten Prozess folgen, was die Produktivität und Zuverlässigkeit der Testverfahren erhöht.

electronica 2024: Halle A3, Stand 506