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3-2015

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Fachzeitschrift für Elektronik-Produktion

Qualitätssicherung

Qualitätssicherung Diese Testmöglichkeiten bietet der BST auf einem Motherboard (Quelle: TTU) • Lötstellenkontrolle beim Wellenlöt- oder Selektivlötprozess Bei der optischen Inspektion von Leiterplatten werden meist zwei oder vier „Kamerapunkte” angefahren. Das sind oft richtige Punkte oder Kreise und Kreuze. Aufgrund der Bilddaten kann die Platine dann positioniert werden. Bei zwei Kamerapunkten sind bereits gute Aussagen zur Lage möglich, während vier Kamerapunkte eine genaue Aussage über die Lage mit Schrumpfung und Dehnung erlauben. Zentrale Aufgaben innerhalb der AOI sind die Erstellung und Abarbeitung des Prüfprogramms sowie die Bildauswertung. Für die Prüfprogrammerstellung existiert kein Standard. Im Grunde wird der Prüfling mit einer Referenz („Gut”-Muster, „Golden Board”) verglichen, die Die wichtigsten Fehlerarten • Bauteil intern oder äußerlich defekt • Anschluss fehlt, ist verbogen oder gehoben • falsches oder verkehrt gelegtes Bauteil • zu wenig Zinn an der Lötstelle • Lötstelle mit Grabsteineffekt • Benetzungsfehler • Brücke, Kurzschluss • „Black Pad” • Haarriss im Leiterzug • fehlende Durchkontaktierung tatsächlich existiert oder lediglich definiert und dokumentiert ist. Der Baugruppenfertiger entwirft einen Testplan und setzt darin Testschwerpunkte. Zur Abarbeitung des Prüfprogramms wird der Testplan Punkt für Punkt ausgeführt. Für die Sichtkontrolle stehen verschiedene Hilfsmittel zur Verfügung. Das Mikroskop gehört hierbei zur Grundausrüstung und bewältigt nicht nur die Vergrößerung, sondern ermöglicht auch mit Winkeloptiken die Betrachtung um das Bauteil herum. Spezielle Systeme machen den Blick frei auf Lötstellen unter einem BGA- Gehäuse. Ein solches BGA- Inspektionssystem liefert in einem 0,5 mm hohen Spalt ein aussagefähiges Bild. AOI-Systeme eignen sich hervorragend für die Serienfertigung, da sie taktgleich mit der Fertigungslinie arbeiten. Die AXI Die automatische Röntgeninspektion wird vor allem bei Typische Einsatzmöglichkeit des BST (Quelle: Vogel Media) der Suche nach nicht sichtbaren Lötfehlern angewendet. Hierzu gehören Kurzschlüsse wie Unterbrechungen, die mit der AXI weitgehend problemlos erkannt werden. Daher hält sich auch der Aufwand an Prüftechnik in Grenzen. Problematisch wird es bei den diversen anderen Prüfungen. Hier ist nämlich eine sehr aufwendige und somit teure AXI- Maschine mit schwenkbaren Achsen nötig. Man unterscheidet zwischen 2D-, 2,5D- und 3D-Röntgeninspektion. Bei der 2D-Röntgeninspektion verzichtet man auf die Information über die Höhenausdehnung. Überlagerte Bauteile (z.B. bei doppelseitiger Bestückung) sind daher nicht prüfbar. Hinzu kommen weitere Einschränkungen. Daher hat sich die 2,5D-Röntgeninspektion als konventionelle Technologie etabliert. Überlagerte Lötstellen (z.B. auf Oberund Unterseite der Baugruppe) werden hier durch eine Schrägdurchstrahlung in den Projektionen optisch getrennt. Von Nachteil sind der sehr hohe Programmieraufwand bei doppelseitig bestückten Baugruppen und die lange Prüfzeit. Bei der 3D-Inspektion wird die Baugruppe aus verschiedenen Winkeln durchstrahlt. So ist die Rekonstruktion einzelner Schichten möglich. Das erschließt vielfältige Anwendungsgebiete (s. Kasten). Die sichere Prüfung doppelseitig bestückter Baugruppen ist nun ebenso möglich wie die Rekonstruktion beliebiger Schichten. Und durch Nutzung einer einheitlichen Bibliothek gelingt eine schnelle und komfortable Prüfprogrammerstellung. Es verwundert nicht, dass die 3D-Röntgeninspektion sich immer mehr durchsetzt (s. Kasten). Der In-Cicuit-Test Der ICT stellt die Prüfung der elektrischen Parameter einer bestückten Baugruppe oder der Verbindungen einer Leiterplatte in den Vordergrund. Diese Prüfung erfolgt mit oder ohne Betriebsspannung. Hierbei wird die Platine über einen speziellen Prüfadapter kontaktiert. Verbreitet sind Federstiftund Starrnadeladapter (Nadelkissenadapter). Das ICT-Testsystem kann analoge Parameter (ohne Betriebsspannung: Widerstand, Kapazität, Isolation, mit Betriebsspannung: Signalspannungen und ströme, Rückwirkungen, elektrische Stabilität) mit verschiedenen Messverfahren (wie Zweidraht- oder Vierdrahtmessung) ermitteln. Für digitale Tests werden definierte Prüfsignale eingespeist und deren Auswirkungen gemessen, z.B. mit einem Logikanalysator. Es geht darum, möglichst viele Punkte gleichzeitig zu kontaktieren, die elektrischen Größen zu erfassen, zu digitalisieren und einem Testrechner zuzuführen. Dieser wertet die Ergebnisse automatisch aus. Neben den klassischen Tests auf Kurzschluss und Unterbrechung können auch Widerstände, Kapazitäten und Induktivitäten erfasst werden. Der Vorteil des ICT liegt in der sehr kurzen Taktzeit. Von Nachteil sind die oft hohen Kosten für den Adapter sowie für die Erstellung des Prüfprogramms. Boundary-Scan- und Design-for-Test Der BST setzt zwingend eine hierfür vorbereitete Baugruppe voraus. Mindestens ein IC muss „boundary-scan-fähig” sein. Allgemein spricht man dabei von Design-for-Test(ability), kurz DFT. Dies steht für eine IC-Designtechnik, welche verschiedene Testfunktionen gleich in das Hardwaredesign einbindet. Damit wird es erst möglich oder zumindest leichter, das (teils) fertige Produkt zu testen. 8 3/2015

Qualitätssicherung Diese Fähigkeit kann bezüglich anderer Testverfahren vorgesehen sein, muss es aber nicht zwingend. Im Testablauf wird zunächst die Core-Logik der Boundary- Scan-ICs mithilfe der I/O-Blocks logisch abgetrennt. Anschließend schiebt das Testgerät eine serielle Prüfsequenz durch die I/O-Blocks, wobei die Antworten in die Sequenz ergänzt werden. Parallel zum Design lässt sich die Fehlerabdeckung anhand von automatischen Netzlisten analysieren. Bestückungs- und Lötfehler werden schnell erkannt. Das beschleunigt die Inbetriebnahme von Prototypen. Die Testkosten sind hier vergleichsweise gering. Der Flying-Probe-Test Hier geht es um die Ermittlung von Baugruppenparametern unter Betriebsspannung. Im Gegensatz zum klassischen ICT werden beim FPT die Netze sequentiell kontaktiert. Ein Portalroboter platziert bis zu vier Nadeln von oben und zwei Nadeln von unten über der Baugruppe, um dann das Pad zu kontaktieren. Die Genauigkeit ist dabei sehr hoch. Der herausragende Vorteil gegenüber dem ICT ist die extrem hohe Flexibilität, verbunden mit einer Kostenersparnis beim Adapter und der Möglichkeit, das Prüfprogramm jederzeit an geänderte Layouts anpassen zu können. Der Funktionstest Der FT ist immer individuell für eine Baugruppe entwickelt. Die Testumgebung muss also für die Baugruppe geeignet sein. Schnittstellen und eventuelle Messpunkte werden baugruppenspezifisch mit dem Funktionstestplatz verbunden. Lohnt dieser Aufwand? Ja, denn einzig der FT kann die Funktion des Prüflings nachweisen! Weiter wichtig: Wird in der Entwicklung oder in der Produktion getestet? Im ersten Fall wird man in Richtung Bemusterung, Burn-in/Run-in zielen, im zweiten in Richtung Screening/ Warenausgangstest. Auch hier erfolgt die Auswertung normalerweise mit einem Rechner. Für diesen muss eine spezielle Testsoftware geschrieben werden. Befindet sich auf der Baugruppe ein Mikrocontroller und/ oder ein FPGA, ist auch hierfür eine Testsoftware einzubinden, um eine akzeptable Testabdeckung zu erreichen. Gestaltung des gesamten Tests Das erklärte Ziel jeder Teststrategie sollte die Durchgängigkeit der Werkzeuge von der Entwicklung bis zur Produktion sein. Um den gesamten Testablauf optimal zu gestalten, muss man analysieren, welche Fehler mit welcher Häufigkeit auftreten können. Diese Wahrscheinlichkeit ist sowohl von der Qualität der Bauteile als auch von deren Anzahl abhängig. Fehlerarten sind so zu definieren, dass man sie als „gut testbar” und „nicht testbar” einordnen kann. Ein gewisser Datenbestand ist also unabdinglich. Nur so lässt sich bestimmen, welche Fehler auftreten können. Hierzu gehören mögliche Bauteilfehler, Bestückungsfehler und Lötfehler (s. Kasten). FPT-Probe, in drei Achsen per Motor positionierbar (Quelle: Empfasis) Dividiert man die Summe der mit einem Verfahren überprüfbaren Fehler durch die Anzahl der möglichen Fehler, erhält man die Testabdeckung. Man drückt sie in Prozent aus. Für die genannten Verfahren erhält man folgende Werte der Testabdeckung: • MOI 75% • direkte AOI 70% • AXI 68% • In-Circuit-Test 64% • Boundary-Scan-Test 1%! • Flying-Probe-Test 64% • Funktionstest 68% Man wird also nicht umhinkommen, verschiedene Verfahren möglichst geschickt zu kombinieren. Eine 100-prozentige Abdeckung gelingt dabei leider nicht. Jedoch erreicht z.B. die Kombination aus MOI, AOI und FT eine gute Abdeckung von 84%. Ersetzt man den FT durch den FPT, kommt man sogar auf hervorragende 94%. Bei der Auswahl der zu kombinierenden Verfahren soll die Tabelle unterstützen. Last not least ist zu beachten: Da es auch keine völlig fehlerfreie Produktion gibt, muss die Entwicklung die wirtschaftliche Testbarkeit für die Produktion sicherstellen. Entwicklung, Prüffeld, Produktion und Qualitätssicherung müssen hier gut zusammenarbeiten. Gelingt es, verschiedene Testverfahren miteinander zu kombinieren, lassen sich die Test- und Reparaturkosten senken. FS Unter Nutzung von Informationen von Wikipedia, Göpel Electronic und Kuttig Elektronik Kriterium MOI AOI AXI ICT FPT BST FT Einmalkosten keine mittlere hohe hohe mittlere hohe sehr hohe Maschinenkosten keine mittlere sehr hohe mittlere hohe mittlere sehr geringe Stückkosten sehr hohe geringe sehr hohe geringe mittlere mittlere mittlere Flexibilität sehr hoch mittel mittel gering hoch mittel mittel Reproduzierbarkeit keine ja ja ja ja ja ja Fertigungsbegleitung möglich möglich möglich möglich möglich nein nein Datenarchivierung nein möglich möglich möglich möglich möglich möglich Wichtige Eigenschaften der vorgestellten Prüfverfahren 3/2015 9

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