Null Fehler in der Leiterplattenherstellung

Der seit kurzem verfügbare Controller von JTAG Technologies testet mit der Boundary-Scan-Methode bestückte Leiterplatten (PCBs) auf strukturelle (Assembly), jedoch nicht auf funktionelle (Design) Fehler. Boundary Scan erkennt nicht nur eine fehlerhafte Leiterplatte, sondern auch wo genau sich der Fehler befindet. Neu ist, dass das Testgerät digitale und analoge Signale misst. Dies ermöglicht PCB-Herstellern den nächsten Schritt in Richtung einer fehlerfreien Bestückung.

Der neue Controller ist der erste und derzeit einzige, der mit digitalen und analogen Signalen umgehen kann.JTAG Technologies

Tausende möglicher Fehler pro PCB

Peter van den Eijnden, Managing Director und Eigentümer von JTAG Technologies, geht davon aus, dass eine Leiterplattenbaugruppe durchschnittlich rund 500 Bauteile und etwa 2500 Lötstellen enthält. „Diese Art PCBs haben ein mögliches Fehlerrisiko von 3500. Bei größeren PCBs steigt die Fehlermöglichkeit bis auf etwa 10.000 – zugleich kann bereits durch einen einzigen Fehler ein defektes Board entstehen.“ Hierbei handelt es sich um strukturelle Fehler, wie zum Beispiel falsche Bauteile (Widerstandswerte, Kondensatoren und so weiter), unkorrekte Polarität, fehlende Komponenten und verkehrte oder nicht vorhandene Lötstellen.

Peter van den Eijnden, Managing Director und Eigentümer von JTAG Technologies.JTAG Technologies

Peter van den Eijnden weiter: „Wir sprechen über Komponentenfehler in der Größenordnung von PPM, also Parts Per Million.“

PCB-Hersteller wie Tbp Electronics arbeiten intensiv daran, dies zu verhindern. Zum einen wählen sie ihre Bauteilelieferanten nach strengen Qualitätskriterien und investieren kontinuierlich in neue Bestückungsmaschinen. Weiterhin bringen sie den Ingenieuren ihrer Kunden DfM (Design for Manufacturing) nahe, damit diese das Board so entwickeln, dass es sich mit der geringst möglichen Chance von Fehlern bestücken lässt. DfT (Design for Testing) geht noch einen Schritt weiter und bindet den Aspekt „leicht testbar“ in den Entwicklungsprozess mit ein.

Systematisches Testen

„Es gibt vielfältige Regeln für DfM und DfT“, sagt van den Eijnden. „Befolgen die Ingenieure diese, lässt sich die Qualität der Bestückung erhöhen. Die Zahl der auf Anhieb fehlerfreien Baugruppen steigt und das Risiko von Fehlern sinkt. Null Fehler und zu 100 Prozent perfekte Boards sind jedoch unerreichbar.“ Um diesem Ziel näher zu kommen und zu verhindern, dass fehlerhafte PCBs an Kunden gehen, bedarf es weiterer Fortschritte. Van den Eijnden weiter: „Denn baut der Kunde ein fehlerhaftes Board in sein Produkt ein, kostet das viel Zeit und Geld. Verhindern lässt sich dies, indem man jedes Board am Ende der Produktion systematisch testet. Darauf kommt es an. Es ist wichtig, Bestückungs- und Produktionsfehler testen zu können, insbesondere was die Stärke der Lötstellen betrifft. Mit einer preiswerten Methode lässt sich die höchst mögliche Fehlererkennung erreichen und im Fehlerfall ist sofort erkennbar, wo sich dieser genau befindet.“

Mitte der 1980er Jahre entwickelte Philips Research die Boundary-Scan-Methodik. Anschließend verfeinerten mehrere Unternehmen diese Methode und 1990 entstand der internationale JTAG-Standard IEEE Std. 1149.1.

Bereits vor dem Einsatz von Nadelbetten, sogenannten Beds of Nails, führten Unternehmen systematisches Testen durch. Van den Eijnden erklärt: „Systematisches Testen wurde möglich, indem man das Nadelbett mit angeschlossenem Messequipment physikalisch mit einem PCB verband. Dies war nicht nur teuer, sondern auch nicht mehr ausreichend für die SMD-Technologie. Mit der SMD-Technologie ließ sich die Elektronik weiter miniaturisieren, indem die Bauteile nicht mehr in, sondern auf das Board gelötetet wurden.“

„JTAG/Boundary Scan schafft die Voraussetzungen, um SMD-Boards befriedigend und preiswert zu testen“, erklärt Van den Eijnden. Mit Boundary Scan verfügen ICs über eine serielle Schnittstelle, die für die Testdaten bestimmt ist. Diese Schnittstelle ermöglicht den Zugang zu allen Anschlüssen am IC – und die Auswahl sowie die Messung. Dadurch eignet sich JTAG auch für Komponentenprogrammierung und Software-Debugging. „Die meisten PCB-Entwickler sind mit dem JTAG/Boundary Scan vertraut. Dass man die gleiche Schnittstelle zum Testen verwenden kann, wissen viele jedoch nicht. Zum Teil lässt sich dies darauf zurückzuführen, dass Testen nirgends gelehrt wird. Man lernt es in der Praxis.“

Zugang zu allen Pins auf dem Board

Wie funktioniert die JTAG-Testmethode? Ein mit Chips bestücktes PCB und ein serieller Ein- und Ausgang für die Daten ermöglichen den Zugang zu allen Pins auf dem Board. So lässt sich feststellen, ob die Lötstellen gut sind. Man speist ein Signal an einem Ende ein und überprüft, ob es am anderen Ende ankommt. Falls nicht, läuft etwas falsch. Im Fehlerfall können Ingenieure den Testprozess feinjustieren und sehr genau bestimmen, in welchem Bereich des Boards sich der Fehler befindet. Das Equipment von JTAG Technologies, entstanden 1993 aus einem Buy-out von Philips, automatisiert den Testprozess. „Unsere Produkte machen die Erkennung und Lokalisierung von Fehlern leichter und effizienter. Das spart einiges an Arbeitszeit hochbezahlter Mitarbeiter“, sagt van den Eijnden. Über 95 Prozent des Umsatzes erwirtschaftet das Unternehmen außerhalb der Niederlande.

Den analogen Bann durchbrechen

JTAG Technologies hat einen breiten Kundenkreis aus den unterschiedlichsten Branchen und investiert kontinuierlich in Innovationen. Der neue Controller, der erste und derzeit einzige, der mit digitalen und analogen Signalen umgehen kann, ist ein gutes Beispiel dafür. Van den Eijnden sagt: „Ein Analog-Standard ist verfügbar, wird aber nicht genutzt. Das ist keine Hilfe.” Sein Unternehmen ist überzeugt, mit dem Mixed-Signal-Boundary-I/O-Controller den analogen Bann durchbrechen zu können. Dieser Controller nutzt die praxiserprobte JTAG/Boundary-Scan-Methode, um die Phase zwischen dem digitalen Kern eines Mikroprozessors und der analogen Welt außerhalb des Boards testbar zu machen. Geschäftspartner Tbp Electronics nutzt den Mixed-Signal-Boundary-I/O-Controller bereits. Nun können ihn auch andere PCB-Hersteller erwerben.

(ah)