Betrachtung der verschiedenen Testmethoden zur Prüfung von elektronischen Flachbaugruppen auf Effizienz und Kosten
Der folgende Artikel beschäftigt sich mit den Testsystemlösungen, -fähigkeiten und -kosten. Tatsache ist, dass wir nicht in der Lage sind, fehlerfrei zu fertigen. Aus diesem Grund müssen Testverfahren nachgeschaltet werden, um die entsprechenden Fehler und Schwachstellen zu erkennen.
Nachdem wir uns auf Incircuit- und Funktionstestsysteme oder deren Kombination verstehen, haben wir versucht, einmal die verschiedenen Testsysteme mit ihren Leistungsfähigkeiten, Aufwendungen, Kosten und Wirtschaftlichkeiten in einem Zahlenvergleich darzustellen.
An Testlösungen unterscheiden wir Testsysteme im manuellen Betrieb, d.h. der Prüfling wird manuell in einer Adaption bzw. Aufnahme eingelegt zur Überprüfung mit den entsprechenden Testsystemen und für große Stückzahlen Inline-Systeme. Sie haben den großen Vorteil, dass sie das Handling, d.h. die Zuführung des Prüflings mehr oder weniger automatisch oder halbautomatisch übernehmen, den Prüfling unter die Adaption bewegen und ihn danach von der Adaption in weitere Behältnisse bringen. Wir unterscheiden im klassischen Sinne zwischen Incircuittest und Funktionstest, allerdings gibt es im Bereich des Bauteiltests, zu dem der ICT, aber auch der MDA-Test gehört, noch den Flying Probe Test, die automatische optische Inspektion, die automatische Röntgeninspektion und den Boundary Scan-Test. Bei den Funktionstestern gibt es verschiedene Flexibilitäten und Ausbaustufen, z.B. solche, welche aus Instrumenten und Messgeräten bestehen, die IEC-/IEEE-, RS232- oder RS485- oder USB-fähig sind oder auch über Ethernet mit dem Protokoll TCP/IP bedient werden. Die letzte Lösung ist die VXI- und PXI- sowie PCI-Lösung. Bei den letzten drei Lösungen handelt es sich um spezielle Mess- und Stimulimodule ausschließlich für den Funktionstest.
REINHARDT-Testsysteme liegen in ihrer Wirtschaftlichkeit absolut in Führung, denn Investition, Wartungs-, Betriebs- und auch die Adaptionskosten mit den Testprogrammkosten ergeben nur eine Investitionssumme von 54.000 Euro. Dabei werden REINHARDT-Module verwendet, die im Haus entwickelt und gefertigt werden. Bei den Testzeiten liegen wir absolut im führenden Bereich mit typisch 10 - 30 Sekunden und mit Rüstkosten, die auf keinen Fall 10,00 Euro überschreiten. Selbst kleinste Stückzahlen wie Losgrößen von 50 Einheiten erlauben bei fünfjähriger Abschreibung noch einen Prüfkostenanteil von 21,56 Euro pro Baugruppe. Werden diese Zahlen mit denen der allgemein marktüblichen MDAs verglichen, liegt der Preis für die Baugruppe in derselben Größe bereits bei 161,72 Euro pro Stück und beim klassischen Incircuittester mit digitalen Backdriving-Fähigkeiten liegen die Prüfkosten bereits bei 403 Euro pro Stück. Sie verstehen sicher, weshalb es uns immer wieder verwundert, wie es überhaupt möglich ist, Testsysteme der alten, klassischen Art einzusetzen, wenn selbst bei Stückzahlen von 50.000 ohne jegliche Verbesserung in Prüfschärfe oder Prüfgeschwindigkeit, immer noch der dreifache Preis für das Prüfen der Baugruppe zu Buche schlägt. Noch eine Bemerkung zwischendurch: Wir haben immer wieder feststellen müssen, dass gerade bei großen und namhaften Unternehmen im Elektronikbereich die verantwortlichen Personen, die über die Testsystemanschaffung entscheiden, meistens mit sehr wenig Wissen und Erfahrung auftreten. Die Entscheidung erfolgt sehr einfach nach dem Prinzip, dass das Teuerste wohl das Beste sein muss, sodass dann Testsysteme und Konzepte angeschafft werden, die bei den Stückzahlen und der heutigen enormen Typenvielfalt vollkommen unwirtschaftlich sind. Ein weiteres Problem, das dadurch entsteht, ist die Abhängigkeit vom Programmierpersonal, das gerade bei diesen teuren und aufwändigen Maschinen lange Schulungszeiten benötigt und damit Kosten verursacht, die sich in keiner Form amortisieren. Das Schlimmste in diesem Bereich ist, dass eine kleine Gruppe von hochqualifizierten und teuren Leuten über das Wohl und den Fortschritt des Unternehmens entscheidet, denn wenn man nicht nett zu ihnen ist, werden sie die notwendigen Programme, die nur sie erstellen können, in einer Form erstellen, dass der nächste Mitarbeiter diese Programme garantiert nicht lesen und auch keine Modifikation oder Verbesserung vornehmen kann.
Unsere Zielsetzung war es immer, die Programme so übersichtlich und transparent wie möglich zu machen, damit ein Facharbeiter in einer eintägigen Schulung das nötige Rüstzeug erhält, um typisch in maximal 1-2 Tagen Testprogramme zu erstellen, die mit höchster Transparenz auch von den Fertigungsverantwortlichen jederzeit geändert und optimiert werden können und das in typisch 5 Minuten.
All das wurde bei den klassischen Testsystemen nicht beachtet und hat zur Folge, dass eine hohe Abhängigkeit zu den Programmierern entsteht. Wir stellen daher immer wieder fest, dass diese Leute alles in ihrer Macht stehende versuchen, um ihre Position zu erhalten, um weiterhin möglichst unkündbar zu sein.
Der Flying Probe Tester
Der Flying Probe Tester gehört auch in den Bereich der MDAs. Seine Leistungsfähigkeit ist allerdings gegenüber der Backdriving-Methode und der klassischen MDAs, bedingt durch seine typisch 4 Probes eingeschränkt und kann nur etwa 75 bis 78 % der Fehler erkennen. Nachteile sind die hohen Investitions- und Wartungskosten, die sich ergeben aus der Investition und der Wartung der Hardware und umfangreichen Software, mit welcher halb- oder vollautomatisch Programme aus den CAD-Daten erstellt werden und typisch in einem Arbeitstag zu einem einsatzfähigen Prüfprogramm führen. Der Vorteil dieses Flying Probe Testers liegt darin, dass eine Adaption wie sie für ICT und MDA benötigt wird, nicht notwendig ist und dadurch deren Kosten, Platzbedarf etc. eingespart werden kann. Es soll noch angemerkt werden, dass der Flying Probe Tester sehr gute Leistungen gerade bei Baugruppen mit mehr als 1000 oder 1.500 Netzen hat. Um realistisch zu sein, sollte man natürlich die Einschränkungen des Flying Probers auch klar aufzeigen, denn auch sie sind durchaus von Bedeutung. Die Illusion, dass man für den Flying Prober keine Prüfflächen braucht, wird nach kurzem Einsatz der Realität weichen, denn durch die Verformung (Durchbiegen) der bestückten Baugruppe verschiebt sich durch die Schräglage der Probe der Aufsatzpunkt und damit die Kontaktierung. Die Kontaktierung auf Bauteilen kann ebenfalls zu Problemen führen, da viele Bauteile bedingt durch das Verschwimmen beim Reflow-Lötprozess unterschiedlich positioniert sind und so Probleme bei der Kontaktierung entstehen können.
Das größte Handikap ist die mechanische Bewegung der Probes, die selbst bei den schnellsten Systemen immer noch bei durchschnittlichen Baugruppengrößen Prüfzeiten von 3-5 Minuten erfordern. Bei beidseitiger Bestückung oder Leiterbahntechnik muss noch einmal mit den gleichen oder ähnlichen Prüfzeiten gerechnet werden, sodass selbst bei automatischer Zuführung in 6 - 10 Minuten kaum mehr als 1 Baugruppe getestet werden können, sodass ein Tagesziel bei 7 Stunden pro Schicht von 53 Baugruppen und 11.000 in einem Jahr bei 200 Arbeitstagen wohl in den meisten Fällen unwirtschaftlich ist. Die Prüfkosten für 50 Prüflinge liegen bei 41,64 Euro pro Stück, bei 250 bei 15,72 Euro pro Stück und bei 500 Stück bei 12,24 Euro pro Stück bei einem Wirkungsgrad von typisch 77 % der üblichen ICT- oder MDA-Prüfleistung.
AOI Automatisch Optische Inspektionssysteme
Gerade die Automobilindustrie setzt sehr stark auf AOI-Systeme, da sie dem Qualitätsdenken, das über Jahrzehnte in der Automobilindustrie erarbeitet wurde, entgegenkommen. Im Automobilbereich wurde die optische Inspektion für die Vermessung von Bauteilen als Grundlage genutzt. Leider wurde dabei vergessen, dass es sich hier um elektronische Baugruppen handelt, deren Parameter nur eingeschränkt mechanisch-optisch messbar sind. Das heißt aber nicht, dass diese Prüfverfahren die Probleme lösen oder auch im Ansatz ohne den notwendigen Incircuit- und Funktionstest zu brauchbaren Resultaten führen. Erfahrungsgemäß arbeiten die AOI-Systeme nur zur Inspektion von Lötstellen, Kurzschlüssen und soweit diese sichtbar sind, Unterbrechungen und Bauteilbestückungen. Ihre wirkliche Stärke, elektromechanische Bauteile zu testen, was nur sehr eingeschränkt über Incircuit- und Funktionstest möglich ist, wird leider kaum genutzt. Mit den entsprechenden Wartungs-, Programmier- und Softwareupdates über einen Zeitraum von 5 Jahren wie bei allen anderen Geräten auch ist eine Investition von 109.000 Euro zu erwarten. Bei einem Wirkungsgrad für den Bauteil-, Löt- und Fertigungsfehlertest können bestenfalls 35 bis 40 % des kompletten Testumfangs angesetzt werden, sodass die Prüfkosten bei 50 Baugruppen bei 33,75 Euro pro Stück, bei 250 bei 7,83 Euro pro Stück, bei 500 Baugruppen bei 4,35 Euro pro Stück und bei 5.000 Baugruppen bei 1,65 Euro pro Stück zu erwarten ist. Die Testzeit kann typisch mit 1,5 Minuten angesetzt werden. Hier ist ein zweifacher Durchlauf für die untere und die obere Seite die Grundlage. Bei 1,5 Baugruppen pro Minute ist es möglich, 280 Stück innerhalb einer Schicht und 56.000 Stück in einer Schicht in einem Jahr zu testen. Auch in diesem Fall ist eine Adaption, die bei ICT- und MDA-Systemen leider nötig ist, nicht notwendig, was die Kosten reduziert.
AXI Automatische Röntgeninspektionssysteme
Die Investitionssumme für 5 Jahre beträgt 342.000 Euro, die Minimalkosten bei 50 Baugruppen liegen bei 42,94 Euro pro Stück, bei 250 Stück bei 11,42 Euro pro Stück, bei 500 Stück bei 6,94 Euro pro Stück, bei 5.000 Baugruppen bei 3,34 Euro pro Stück und bei 50.000 Baugruppen bei 2,98 Euro pro Stück. Pro Arbeitstag können 233 Baugruppen getestet werden, was 46.670 pro Jahr ergibt. Auch hier wird die Qualität des ICT und des MDA bestenfalls nur zu 55-60 % erreicht und macht diese beiden Testverfahren absolut zu einem Muss.
Boundary Scan Verfahren
Das Boundary Scan-Verfahren, das über 4 Zusatzleitungen eine komplette Neukonstruktion des zu prüfenden Objekts mit gleichzeitig boundary-scan-fähigen ICs bedeutet, ist eine Testmethode, die im Mischbereich von analogen und digitalen Baugruppen bestenfalls 65 % der klassischen ICT-/MDA-Methode erreicht. Diese Art von Baugruppen sind erfahrungsgemäß selten und dieses Verfahren wird nur dann eingesetzt, wenn aus Platzgründen die Prüfstifte nicht mehr gesetzt werden können. Ansonsten ist für den Boundary Scan keinerlei Vorteil zu erkennen. Durch die 4 Leitungen ist eine Adaption, wenn auch in geringem Rahmen, immer nötig. Die Programmierkosten sind leider zur Zeit noch sehr hoch. Was zusätzlich noch in Betracht gezogen werden muss, sind die zusätzlichen Hardwarekosten für Leiterplatte und Sonder-ICs und deren Verdrahtung. Bei Stückzahlen unter 5.000 ist dieses Verfahren noch unwirtschaftlich, bei Stückzahlen darüber kann, wenn keine Kontaktierungsmöglichkeit besteht, eine interessante Lösung entstehen. Die Investitionskosten für 5 Jahre liegen bei 40.000 Euro, die Prüfkosten bei 50 Einheiten bei 110,50 Euro pro Stück, bei 250 Einheiten bei 22,33 Euro pro Stück, bei 500 Einheiten bei 11,29 Euro pro Stück, bei 5.000 Einheiten bei 1,39 Euro pro Stück und bei 50.000 Einheiten bei 0,40 Euro pro Stück. Dank der schnellen Testmethoden könnten an einem Arbeitstag über 1.000 Einheiten geprüft werden und im Jahr über 210.000. Nachdem rein digitale Baugruppen, die keine Nutzung von Prüfstiften zulassen, in unserer heutigen Zeit unter 1 % liegen, ist diese Testmethode zwar interessant, aber bei Kleinserien von 50 bis 200 Stück kaum zu rechtfertigen.
Inline-Lösungen
Wir haben einige Firmen in Deutschland, die sich ganz auf den Inline-Test spezialisiert haben und für diesen Bereich Zuführungen mit Adaption und Abführungen für entsprechende Incircuit-, aber auch Funktionstestsysteme liefern. Die Preise dafür bewegen sich je nach Hersteller bei REINHARDT z.B. bei 20.000 Euro und bei typischen Herstellern dieser Kategorie zwischen 40.000 und 80.000 Euro, wobei auch hier Wartung notwendig ist und diese Investitionen im 5-Jahreszeitraum 70.000 - 110.000 Euro bedeuten. Diese Inlinesysteme haben den Vorteil, dass man ohne Operator testen kann, jedoch sollten ein paar Fakten genannt werden, welche die Leistungsfähigkeiten dieser Inlinesysteme entsprechend relativieren. Die Anzahl der Baugruppen, die hundertprozentig SMD gefertigt werden, d.h. ohne jegliche Nacharbeit wie z.B. das Auflöten von Steckern, Elkos, Spulen, Transformatoren, Relais, Leistungshalbleitern usw., liegt bei weniger als 20 % der als üblich zu betrachtenden Produkte. Bevor also dieser zweite Arbeitsgang beginnt, wäre es sinnvoll, den ICT oder MDA durchzuführen, um Fertigungsfehler, die in einer ganzen Serie auftreten können, frühzeitig zu erkennen und mehrtausendfache Nacharbeit zu vermeiden.
Beim zweiten Arbeitsschritt, dem Einbau von Nicht-SMD-Teilen, ist ein erneutes Handling und das Einlegen in Transportrahmen, wenn die Baugruppen nicht inline-fähig konstruiert worden sind, aber auch das Einlegen in das Transportband notwendig, wobei auch hier in den meisten Fällen der Mensch seine Aufgabe findet. Man kann daher nicht davon ausgehen,dass die allgemeinen Bedienerkosten, die wir beim manuellen Betrieb für den Incircuit- wie auch den Funktionstest einplanen müssen, mit jährlich 35.000 Euro vollkommen eliminiert werden können, sondern auch hier zu 25 - 50 % als Grundlage dienen. Dadurch wird es möglich, Lohnkosten zu reduzieren, jedoch bei gleichzeitiger Erhöhung der Investition und der entsprechenden Ausfallfähigkeit. Den beigefügten Zahlen kann entnommen werden, dass ein Inlinekonzept im Schnitt die Prüfkosten bei entsprechenden Stückzahlen um 5 - 15 % reduzieren kann.
Funktionstestlösungen - REINHARDT-Funktionstest
Bei einer Grundinvestition von 45.000 Euro und Wartungs-Software und Kalibrierkosten von 1.600 Euro pro Jahr bei Adaption- und Prüfprogrammkosten entsteht für den Zeitraum von 5 Jahren eine Investition von 54.500 Euro mit Möglichkeiten der Leistungselektronik, dem Einbinden von Schnittstellen (Feldbussystems) und der optischen Anzeigenauswertung. Bei typischen Testzeiten von einer knappen Minute inkl. Handling liegen die Prüfkosten bei 50 Einheiten bei 30,65 Euro pro Stück, bei 250 Einheiten bei 6,65 Euro pro Stück, bei 500 Einheiten bei 3,65 Euro pro Stück, bei 5.000 Einheiten bei 0,95 Euro pro Stück und bei 50.000 Einheiten bei 0,68 Euro pro Stück. An einem Arbeitstag können so 466 Baugruppen getestet werden und im Jahr 93.200. Wenn jetzt zum REINHARDT-Funktionstestsystem noch der Incircuittest, wie oben beschrieben, dazukommt, erhöht sich die Investition für 5 Jahre auf 64.950 Euro. Die Prüfkosten bei 50 Einheiten liegen dann bei 39,83 Euro pro Stück, bei 250 Einheiten bei 8,63 Euro pro Stück, bei 500 Einheiten bei 4,73 Euro pro Stück, bei 5.000 Einheiten bei 1,22 Euro pro Stück und bei 50.000 Einheiten bei 0,87 Euro pro Stück. Es können so an einem Arbeitstag 382 Baugruppen getestet werden, was in einem Jahr 76.363 ergibt. Der Vorteil beim kombinierten Testsystem ist ein Adapter, einmaliges Handling und dadurch wirtschaftliche und kostengünstige Prüfung. Die Testsysteme von Wettbewerbern liegen bei Investitionssummen zwischen 122.000 und 179.000 Euro, wobei die Prüfkosten bei 50 Einheiten zwischen 277 und 421 Euro pro Stück liegen, bei 250 Stück zwischen 56 Euro bis 58 Euro pro Stück, bei 500 Einheiten bei 28 - 41 Euro pro Stück, bei 5.000 Einheiten zwischen 3,93 und 5,36 Euro pro Stück und bei 50.000 Einheiten bei 1,44 bis 1,58 Euro pro Stück. Dabei können 323 bis 381 Einheiten pro Tag geprüft werden, was im Jahr 64.615 bis 76.363 bedeutet. Im Gegensatz zu REINHARDT-Testsystemen ist das im Durchschnitt bei 500 Einheiten der 7- bis 10-fache Preis.
PCI-/PXI-Selbstbau
Obwohl bei REINHARDT-Testsystemen die Investition doch bemerkenswert niedrig ist, werden bei vielen Firmen Eigenbaulösungen mit PC-Karten und PXI-Modulen favorisiert. Vorteil hierbei ist der vermeintlich niedrige Investitionspreis von typisch 20.000 Euro. Wartungen und Softwareupdates innerhalb von 5 Jahren erzeugen jedoch eine Investitionssumme von 46.000 Euro. Sehr hohe Programmierkosten bedeuten teilweise Programmierzeiten von mehreren Wochen und Kosten, die typisch bei 6.000 Euro zu erwarten sind bei Adaptionskosten von typisch 3.000 Euro. Die Testzeiten sind ähnlich wie bei den allgemeinen Funktionstestsystemen, mit Rüstzeiten von typisch 300 Euro, da keine Standardprüfadapter mit Einmalschnittstelle verwendet werden können. So entstehen Prüfkosten bei 50 Einheiten von 661 Euro pro Stück, bei 250 Einheiten von 33 Euro pro Stück und bei 500 Einheiten von 17,00 Euro pro Stück. Bei 5.000 Einheiten reduziert sich der Prüfpreis bereits auf 2,82 Euro pro Stück und bei 50.000 auf 1,38 Euro pro Stück. Pro Arbeitstag können so 233 Baugruppen getestet werden und im Jahr 46.666.
Bei diesem Testverfahren ist kein Incircuittest, kein MDA-Test, sondern nur ein Funktionstest mit den Möglichkeiten der PXI- und PCI-Karten möglich. Service und Instandsetzung dieser Testsysteme ist extrem teuer und problematisch und kann nur vom Entwickler dieses Testsystems , die Instandsetzung der Baugruppen nur vom Hersteller bei Zeiten zwischen 1-3 Monaten Wartezeit durchgeführt werden. Wie Sie ersehen können, ist diese Testmethode um den Faktor 5 teurer als typische REINHARDT-Kombitester, die eine Prüfschärfe von typisch 97-98 % ermöglichen, wobei der PXI-PC-Tester bestenfalls 85-90 % ermöglicht.
Zusammenfassung
Die von uns erarbeiteten Zahlen basieren auf einer 5-jährigen Abschreibung, den Programmier- und Adaptionskosten sowie den anteiligen Bedienerkosten inkl. Service und Wartung inkl. der bei manchen Firmen recht teueren Softwareupdates. Wesentlich ist, mit einem Partner zusammenzuarbeiten, der die Sprache des Landes spricht, der seine Wartung und den Service in deutscher Sprache innerhalb von 24 Stunden auch erfolgreich durchführen kann und nicht nur reagiert, der mit einer Hotline arbeitet, bei der mindestens 6 qualifizierte Leute auch in den Prüflösungen beratend tätig sind und nicht nur ein absolutes Minimum zur Bedienung und Programmierung des Gerätes aufweisen können, ein Partner, der Kalibriermöglichkeiten mit kompletten, bezahlbaren Einrichtungen ermöglicht, die in einem Preisbereich zwischen 3.000 und 6.000 Euro liegen und die zu jedem Zeitpunkt mit Selbsttestmöglichkeiten durchgeführt werden können.
Die meisten Testsystemhersteller haben sich bedauerlicherweise noch nie Gedanken gemacht, zu welchem Preis ein Produkt getestet und damit wirtschaftlich in den Markt gebracht werden kann.
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© 31.05.2005
