Im Produktionstest von bestückten Leiterplatten kommt nach wie vor der klassische In-Circuit-Test (ICT) zum Einsatz, da nur dieser eine eindeutige Aussage über eventuelle Bestückungsfehler liefert. Je nach Design des jeweiligen Produktes finden vereinfachte Varianten, die auf den Test von analogen Bauteilen beschränkt sind, Anwendung. Diese sogenannten Manufacturing Defect Analyzer (MDA) sind jedoch aufgrund ihres deutlich günstigeren Preises mehr denn je eine Alternative zu den teilweise monolithischen Board-Testern. Auf der richtigen Plattform realisiert, bieten sie interessante Möglichkeiten der Integration ergänzender Testverfahren. Konrad Technologies realisiert mit der nun in dritter Generation vorliegenden „Leon“-Serie erfolgreich diese Strategie.

Herausforderungen im Baugruppentest

Die Komplexität und Leistungsfähigkeit elektronischer Geräte steigt in einem erstaunlichen Maße, wobei die Produktlebenszyklen immer kürzer werden. Die Elektronikfertigung hat sich entsprechend global aufgestellt und wird je nach Region und Marktsegment mit unterschiedlichen Herausforderungen konfrontiert. Die Massenfertigung im Bereich TV/Consumer-Elektronik findet fast nur noch in Asien statt, dies gilt ebenso für die Smartphone-Produktion. Automotive zeigt sich nach wie vor als starker Markttreiber der europäischen Wirtschaft, in Asien lassen sich sogar stark wachsende Tendenzen erkennen. Wo liegen nun die Herausforderungen für den Bereich Baugruppentest? In Europa sehen wir uns aufgrund der hier produzierten geringeren bis mittleren Stückzahlen bei höherer Variantenvielfalt und der hiesigen Kostensituation eher mit komplexerem Testequipment konfrontiert, das in der Regel eine hohe Testabdeckung pro System erfordert. Gegenteilig stellt sich die Situation in den Niedriglohnländern Asiens dar. Hier trifft man fast ausschließlich auf sehr hohe Produktionsvolumina und geringe Variantenwechsel. Daher werden Testsysteme auch meistens nur für ein bestimmtes Produkt ausgelegt, verbunden mit einem großen Testdurchsatz. Die Testbudgets sind eher gering und erfordern daher sehr kostengünstige Testlösungen bei gleichzeitig hoher Testabdeckung.

Bild 1: Leon-Gen III-Architektur

Bild 1: Leon-Gen III-ArchitekturKonrad

Die MDA-Testsysteme der Leon-Baureihe (Bild 1) basieren auf dem PXI-Standard und lassen sich aufgrund ihrer Plattform durch ergänzende Testverfahren problemlos erweitern. Zu den Kernkomponenten für den Komponententest gehören neben einem A/D- und D/A-Wandler für die analoge Stimulierung und Signalerfassung sowie einem skalierbaren Switching-System ein entsprechender Messverstärker mit Guarding-Möglichkeit. Bei den Vorgängerversionen wurde die zentrale Messeinheit durch Kombination einer DAQ-Karte und eines separaten Messverstärkers gebildet, die insgesamt drei Slots in einem PXI-System belegten. Das nun in seiner dritten Generation neu vorgestellte System besteht im Kern nur noch aus einem Single-Slot-PXI-Modul, auf dem sich sämtliche Messfunktionen für den analogen In-Circuit-Test befinden. Daneben wurden auf dem Modul weitere Funktionen implementiert, mit denen sich typische ergänzende Messungen im funktionalen Test abdecken lassen.

Bild 2a: Leon-Gen III mit KT-PXI-502-Schaltmatrix 128x4

Bild 2a: Leon-Gen III mit KT-PXI-502-Schaltmatrix 128×4Konrad

Bild 2b: Leon-Gen-III mit Abex KT-TM-404-Schaltmatrix 86x4

Bild 2b: Leon-Gen-III mit Abex KT-TM-404-Schaltmatrix 86×4Konrad

Bild 2c: Abex-KT-AM-301-Schaltmatrix 172x4

Bild 2c: Abex-KT-AM-301-Schaltmatrix 172×4Konrad

Die Verbindung zur Baugruppe wird wie üblich über Schaltmatrizen und einen analogen Signalbus realisiert. Hier wurden zwei auf Geschwindigkeit optimierte neue Geräte entwickelt. Die KT-PXI-502 (Bild 2) ist eine 100×4 Matrix, die im Anschlussblock die Erweiterungsrelais für eine Gesamttopologie von 128×4 beinhaltet. Mit dieser Matrix lassen sich in einem Standard-PXI-Chassis mit 18 Slots insgesamt 2048 Testpunkte mit dem ICT-Modul messen.

MDA/ICT mit Funktionstest

Die elementaren Messfunktionen für die Bauteilerkennung umfassen sämtliche klassischen Verfahren für den analogen In-Circuit Test, wie etwa die Widerstandsmessung (zwei- und vierdraht), die Induktivitätsmessung (zwei- und vierdraht), die Kapazitätsmessung (zwei- und vierdraht), die Entladefunktion und die Impedanzmessung. Zudem ist die Messung von Dioden und Transistoren, Z-Dioden, Varistoren sowie Durchgangs- und Kurzschlussmessungen möglich. Die Messfunktionen stellen zwei unabhängige parametrische Messeinheiten (PMUs) und eine Hochstromquelle, beispielsweise für die Bereitstellung des Konstantstromes bei der Z-Diodenmessung, bereit. Parasitäre Parallelnetzwerke lassen sich durch das Setzen von Guarding-Punkten aus dem Strompfad entfernen. Dabei kann der Anwender zwischen passivem und aktivem Guarding wählen.

Vervollständigt werden diese Schaltungen um weitere Messeinrichtungen für den ergänzenden funktionalen Test der Baugruppe. Zu diesen gehören je ein vierkanaliger A/D-Wandler und D/A-Wandler mit jeweils 13 Bit Auflösung und 50 kS/s Abtastrate, beziehungsweise Update-Rate. Alleine mit diesen beiden Funktionen lassen sich viele zusätzliche analoge Messaufgaben abbilden. Für hochgenaue Messungen wurde dem Modul Leon Gen III noch ein vollwertiges Voltmeter mit 24 Bit Auflösung spendiert, das in drei Messbereichen von ±1, ±10 und ±100 V arbeitet.

Das Leon-System wurde konsequent auf Erweiterbarkeit und Anpassbarkeit für zukünftige Anforderungen entwickelt. Dies umfasst auch die Möglichkeit, applikationsspezifische Hardware-Ergänzungen zu integrieren. Das Kernmodul KT-PXI-501 verfügt deshalb über den sogenannten Micro-Bus, eine offene digitale Schnittstelle, über die sich bis zu 32 Erweiterungsmodule pro Messeinheit ansteuern lassen. Derartige Erweiterungen werden teilweise von Konrad Technologies angeboten, können aber auch von Drittfirmen oder vom Anwender selber entwickelt werden. Der Funktionsumfang reicht dabei von zusätzlichen Baugruppen, wie zusätzlichen A/D- und D/A-Wandlern, bis zu Shunt-Modulen und Schwellwertschaltern. Die Erweiterungsmodule können teilweise direkt auf die Federkontaktstifte gelötet werden.

Ein weiteres Highlight des Systems ist der Matrix-Terminalblock KT-TM-404. Diese Switching-Matrix ist vor allem dann interessant, wenn es auf maximale Performance beim Baugruppentest von Produkten mit kleiner bis mittlerer Anzahl von Bauteilen ankommt, die im Nutzen parallel getestet werden sollen. Produkte dieser Art werden unter anderem im Automotive-Bereich in sehr großen Stückzahlen gefertigt.

Bild 3: Abex – Analog-Bus-Extension for PXI

Bild 3: Abex – Analog-Bus-Extension for PXIKonrad

In einer derartigen Applikation spielt die offene Architektur der Plattform ihre Vorteile aus. Konrad Technologies hat den seit etwa acht Jahren auf dem Markt befindlichen Abex-Standard perfektioniert und setzt Abex-basierende Testsysteme auch im In-Circuit-Test ein. Bei Abex (Analog Bus Extension for PXI, Bild 3) handelt es sich um einen offenen Standard, bei dem zu handelsüblichen PXI-Chassis eine weitere Analog-Backplane hinzugefügt wird. Kombiniert mit Terminalmodulen wird damit die gesamte Signalverschaltung aller im Testsystem verwendeter Instrumente vereinfacht und es lassen sich weitestgehend kabellose Testsysteme realisieren. Weitere Vorteile liegen einerseits in der verbesserten Signalintegrität, die durch definierte und geschirmte Signalwege erreicht wird, andererseits in den geringen Systemerstellungszeiten. Es bietet sich zudem die Möglichkeit, bei sich ändernden Anforderungen, die Systemsoftware anzupassen oder aber entsprechend zu erweitern. Leon Gen III wird deshalb auch auf Abex-Basis angeboten. Die Integration des Leon-Kernmoduls erfolgt dabei über das Abex-Terminalmodul KT-TM-404. Dieses Modul verbindet die Messeinheit mit dem Analogbus und bietet eine direkt vorgeschaltete Schaltmatrix mit 86 x 4 Verbindungspunkten (Bild 4).

Bild 4: Paralleltest in einem Abex-System

Bild 4: Paralleltest in einem Abex-SystemKonrad

Skalierbare Plattform

Werden nun mehrere derartige Kombinationen aus Messmodul und Matrix parallel in einem System betrieben, ergeben sich hochperformante Applikationen für den Test von mehreren gleichen oder unterschiedlichen Leiterplatten beziehungsweise Nutzen. Unterstützt werden solche Applikationen durch die CPU auf dem Leon-Modul. Dem Testingenieur stehen C-Funktionen zur Verfügung, mit denen es möglich ist, Testskripte direkt auf die Hardware herunterzuladen, die dort autark und asynchron vom PC ausgeführt werden. Die C-Funktionen umfassen sämtliche auf der Karte verfügbaren Messfunktionen und erlauben maximale Flexibilität in der Performance-Steuerung der Testapplikation. Durch diese Architektur können bis zu 16 parallele und unabhängige Tester in einem System arbeiten, so dass ein sehr hoher Testdurchsatz möglich wird. Hochkomplexe Baugruppen, bei denen eher ein hoher Pincount gefordert ist, können durch eine Kombination der PXI-Messeinheit mit der Abex-Switchingmatrix KT-AM-301 ermöglicht werden. Dabei handelt es sich um eine Single-Slot-Karte mit 172 x 4 Kreuzungspunkten. In einer derartigen Konfiguration kann ein System bis zu 2838 Testpunkte abdecken.

Speziell kleine Baugruppen verlangen nach kostengünstigen Testlösungen, ohne jedoch Abstriche beim Funktionsumfang machen zu müssen. Die Leon-Plattform beinhaltet deshalb eine Low-Cost-Variante, bei der der eigentliche Tester direkt in einen manuellen Pultadapter integriert ist. Dazu wird ein Abex-Chassis mit vier Slots direkt in den Testadapter eingebaut und wird über Ethernet oder USB mit dem externen Testrechner verbunden. Diese Variante kann für Baugruppen bis zu 602 Testpunkten verwendet werden.

Daneben gibt es Testervarianten auf reiner PXI-Basis sowie Systeme auf Abex-Basis mit 8 oder 18 Slots, die entweder als integrierte Lösung in 19 Zoll großen Schaltschränken mit Wechselsatzschnittstelle angeboten werden oder im klassischen Boardtester-Gehäuse als kompletter Steh- oder Sitzarbeitsplatz. Für die Massenfertigung wird das System auf Basis des 18-Slot Abex-Chassis in einer In-Line-Konfiguration mit vollautomatischem Board-Handling angeboten. Der Tester wird über eine Virginia-Panel-Schnittstelle direkt mit den Wechselsätzen in der In-Line-Testzelle verbunden. Dabei wird der Vorteil der Abex-Technologie voll ausgespielt, da es sich hier um ein wartungsfreundliches, vollständig kabelloses Testsystem handelt.

Die von Konrad Technologies für das Leon-System angebotene Software umfasst Testschrittbibliotheken für National Instruments TestStand sowie Instrumententreiber für die Einbindung der Funktionstestmodule des Leon-Systems, wie Voltmeter, A/D- und D/A-Wandler, Switching, usw. in eigene Testumgebungen, die mit Labview, Labwindows/CVI, oder C/C++, beziehungsweise C# erstellt werden können. Die automatische Programmgenerierung aus den CAD-Daten wird über das mächtige Design-for-Testability-Werkzeug CAMCAD realisiert, womit der Anwender eine durchgängige Lösung mit Stücklistenintegration, Analyse der Testabdeckung, Bohrplanerstellung, bis zum fertigen Testprogramm erhält.

Kombinierte Tests

Während vergleichsweise kostengünstige MDAs zwangsläufig nicht den Funktionsumfang großer Testlösungen besitzen, können sie dank der Möglichkeit, Technologien unterschiedlicher Testverfahren zu kombinieren, besondere Anforderungen erfüllen.