Prüfadapter für bestückte elektronische Flachbaugruppen, Module und Hybride
Elektronische Flachbaugruppen, Module und Hybride lassen sich bis heute und leider auch in Zukunft nicht fehlerfrei fertigen. Sie müssen also zu hundert Prozent getestet werden. Dabei unterscheiden wir grob zwei Testverfahren, nämlich den Incircuittest und den Funktionstest.
Der Incircuittest prüft, ob Kurzschlüsse oder Unterbrechungen von Leiterbahnen bestehen und ob jedes Bauteil mit richtigem Wert in der richtigen Richtung am richtigen Platz und einwandfrei gelötet ist. Für die Kontaktierung des Prüflings benötigt man daher einen Prüfadapter, der alle Netze (Leiterbahnzüge) sicher kontaktieren kann. Dabei sind folgende Probleme zu erwarten: Die Baugruppe muss prüffähig sein. Dazu muss auf jedem Leiterbahnzug, besonders im SMD-Bereich, eine Prüffläche vorgeplant werden, die trotz Streuungen bzw. Fertigungsfehlern der Leiterplattenhersteller einen sicheren Kontakt zulässt. Bei der Leiterplattenfertigung können nämlich bei typisch beidseitig bestückten Baugruppen von 10 x 10 cm Größe durchaus Abweichungen von bis zu 250 µ ± in beiden Achsen auftreten. Erst wenn diese Maße überschritten werden, wird der Leiterplattenhersteller ersatzpflichtig. Dieser Fehler verdoppelt sich bei 20 x 20 cm bzw. verdreifacht sich bei 30 x 30 cm großen Baugruppen. Die Prüfflächen für die Kontaktierung müssen also entsprechend groß gewählt werden, um auch die Abweichungen, die im Extremfall entstehen können, noch sicher abzudecken.
Durch die bedingte Präzision der Stiftherstellung taumeln die Prüfstifte. Dieses Taumeln ist je nach verwendetem Prüfstift in den Bauformen 100 mil, 0,75 mil und 50 mil verschieden. Am wenigsten taumelt der kostengünstigste und robusteste 100 mil-Prüfstift. Wir können jedem Anwender nur empfehlen, diese Stifttype zu wählen, um bei entsprechender Prüfflächengröße einen sicheren Kontakt zu erhalten. Bei beidseitig bestückten Leiterplatten sollten möglichst mit Hilfe von Durchkontaktierungen Leiterbahnen auf eine Vorzugsseite gebracht werden, um die Adapterkosten nicht unnütz in die Höhe zu treiben, denn ein doppelseitiger Adapter wird auf jeden Fall doppelt so teuer wie ein einseitiger Prüfadapter. Der 75 bzw. 50 mil-Prüstift ist außerdem wesentlich teuerer und lässt kürzere Standzeiten erwarten. Ein Layout sollte deshalb so geplant werden, dass es mit seinen Prüfflächen und den notwendigen Abständen mit der 100 mil-Nadel auskommt. 75 bzw. 50 mil-Prüfstifte sollten nur gewählt werden, wenn die Baugruppe in Mikroätztechnik hergestellt wurde und es bei bestem Willen nicht möglich ist, die Prüfflächengrößen und die Abstände zu einander zu wählen. Erfahrungsgemäß müssen diese Prüfstifte jedoch nur bei 1-2 % aller Baugruppen eingesetzt werden. Für die Kontaktierung sollte bei Prüfflächen der scharfkantige Speer benutzt werden, der auch im Bereich von Durchkontaktierungen seinen idealen Einsatz findet. Bei der bedrahteten Kontaktierung ist die Waffel (Krone) mit kleinem Durchmesser die optimale Kopfform. Bis auf ausgesprochene Sonderfälle sollten keine weiteren Kopfformen verwendet werden.Nach der Wahl der Stifte und deren Kopfformen sollte jetzt besonders auf das Konzept des Adapters geachtet werden.
Prüfadapter
Es gibt verschiedenartige Konstruktionen, die historisch bedingt sind, aber auch nach Kosten, sicherheitsmäßig und auch aufgabenbedingt eingesetzt werden können. Der Vakuumadapter ist ein Prüfadapter, der seit den frühen Tagen des Incircuittests im Einsatz ist und jetzt über fast 3 Jahrzehnte verwendet wird. Sein Vorteil liegt in der freien Zugänglichkeit der Bauteilseite, was nachträgliche optische, aber auch messmäßige Aufgaben zulässt. Seine Nachteile jedoch haben in den letzten Jahren gegenüber den Niederhalterkonzepten überwogen: Da sind der ca. 5- bis 10-fach höhere Erstellungspreis und die Vakuumerzeugung durch sehr geräuschintensive Pumpen, die regelmäßige Wartung erfordern und geruchsmäßig unangenehm auffallen. Das Rohrnetz für die Vakuumerzeugung und der Zusatztank verursachen hohe Kosten und meist muss dafür eigens ein separater Raum zur Verfügung gestellt werden. Die Abdichtung zwischen Leiterplatte und Adapter durch Dichtungslippen wird gerade bei den bizarren Leiterplattenformen, die heute entstehen, teuer und aufwändig. Das gilt auch für die vielen Durchbrüche und nicht zugelöteten Durchkontaktierungen der zu testenden Flachbaugruppen. Sie erhöhen die Adapterkosten und stellen damit die Funktionssicherheit in Frage. Durch die UV-Strahlung verhärten sich die Dichtlippen im Laufe der Zeit. Dadurch wird die sichere Adaptierung erschwert oder unmöglich. Die mit hoher Geschwindigkeit vorbeiströmende Luft führt Staub und Abriebpartikel an den Prüfstiften vorbei, was die Lebensdauer der Prüfstifte um ca. 50 % reduziert. Durch die Verwendung von Probes für den SMD-Lötfehlertest von Fine Pitch-ICs oder Ball Grid Arrays, für den Polaritätstest oder den Temperaturtest wird die freie Zugänglichkeit von oben völlig blockiert. Damit ist auch der letzte Vorteil des Vakuumadapters nicht mehr gegeben.
Adapter nach dem Niederhalterprinzip
Da der Vorteil der freien Zugänglichkeit der Baugruppe mit sehr hohen Kosten und den oben genannten Schwierigkeiten erkauft werden musste, haben wir uns auf das Konzept des Niederhalteradapters konzentriert und kontaktieren damit elektronische Flachbaugruppen extrem kostengünstig, aber genauso sicher. Eine ausreichende Anzahl an Niederhaltern gewährleistet den gleichmäßigen Andruck der Baugruppe auf die Prüfstifte. Wir bieten einen Niederhalteradapter in Pultform an, ähnlich wie sie auch bei den Vakuumadaptern benutzt werden, dessen Oberteil jedoch ein zuklappbarer Rahmen ist, der an der Vorderseite durch spezielle Haken einrastet. Der eigentliche Niederhalterrahmen wird an allen 4 Seiten mit einer Genauigkeit von wenigen hundertstel Millimetern absolut parallel von oben nach unten abgesenkt - ohne jedes Abkippen von vorne nach hinten oder nach rechts oder links. Wir bieten zwei Modelle von Niederhalterrahmen an: Der frei justierbare Niederhalterrahmen kann individuell für jeden Prüfling justiert werden. Er muss deshalb nur einmal angeschafft werden und verursacht später keine weiteren Kosten. Der zweite Niederhalterrahmen mit dem Einsatz von fest montieren Niederhaltern besteht aus Platten aus verschiedenen GFK-Materialien. Er kann für die Niederhalter, aber auch für unsere Probes für den SMD-Lötfehlertest von LSIs mit Fine Pitch ICs oder BGAs oder auch die Probes für den Polaritätstest oder den Temperaturoberflächentest von Leistungshalbleitern benutzt werden. Die Niederhalterplatte ermöglicht auch die beidseitige Kontaktierung von Leiterplatten. Um die absolute Parallelität von der unteren zur oberen Adapterplatte zu erreichen, sind an der oberen Platte zwei Präzisionsbolzen eingebaut. Sie ermöglichen im Kontaktierungsprozess eine absolut sichere und parallele Absenkung der Niederhalterplatte mit den Probes und Prüfstiften im Bereich von wenigen hundertstel Millimetern. Die untere wie die obere Adapterplatte sind Schubladen, die unter geringstem Kostenaufwand erstellt werden können. Eine Umrüstung ist in wenigen Minuten möglich.
Manueller Prüfadapter
Die meisten der von uns gelieferten Prüfadapter werden manuell geschlossen. Selbst bei 550 Nadeln, bei unserem neuen Modell 42A bis zu 800 Nadeln, ist das noch mit geringsten Kräften möglich. Bei 3 bis 5 kp ist ein Frauenarm durchaus nicht überlastet. Dank seiner symmetrischen Konstruktion kann dieser Prüfadapter von Rechts- wie von Linkshändern gleichermaßen bequem bedient werden. Der Prüfadapter Typ 42A wird in einem Arbeitsgang geschlossen, verriegelt und der Andruckprozess durchgeführt. Das erleichtert die Testaufgabe und erfordert weniger Handgriffe und damit Kraft und Zeit. 6 mit Bronzelagern geführte Kniehebel gewährleisten geringste Kräfte, Versatz und Abrieb. Je nach Prüfling sind nur wenige, oft aber bis zu 800 oder 900 Prüfstifte für den Incircuittest notwendig. Auch die Fläche des Prüflings gilt es zu berücksichtigen. Die Modellreihe 40 hat eine Nutzfläche von 360 x 230 mm. Diese Adapterschubladen können in alle Adapter dieser Modellreihe eingesetzt werden. Das Adaptermodell Typ 45A ist für max. 250 Nadeln bei einer Andruckkraft von 1,5 N konzipiert. Der in den letzten Jahren meist verkaufte Adapter Typ 42 arbeitete mit gut 550 Nadeln, das Nachfolgemodell Typ 42A arbeitet mit 800 Nadeln bei 1.5 N. Etwa 95 % aller Incircuittestaufgaben dürften damit lösbar sein. Mit diesem Adapter kann beidseitig kontaktiert werden; auch der Einsatz von Probes, sogar beidseitig, ist möglich. Der Adapter Typ 52 wird für extrem große Baugruppen mit einer maximalen Nutzfläche von 670 x 450 mm verwendet. Der manuelle Adapter kontaktiert bei dieser Größe noch 600 Nadeln bei 1.5 N problemlos. Er wird zur Zeit nur mit universellem, frei justierbarem Niederhalter geliefert, später jedoch auch mit fest eingebauten Niederhaltern lieferbar sein und dann auch wieder die Messprobes für SMD-Lötfehlertest, Polaritätstest oder Temperaturtest aufnehmen können. Auch die beidseitige Kontaktierung wird möglich sein, sodass selbst bei dieser Baugruppengröße beidseitig kontaktiert werden kann.
Pneumatikadapter
Unser Pneumatikadapter Typ 40A verwendet die gleichen Adapterschubladen wie die Typen 42 und kontaktiert damit sogar bis zu 900 Nadeln (1.5 N). Der Zweistufenadapter lässt sich für den Incircuit- und einen nachfolgenden Funktionstest optimal einsetzen, da die reinen Incircuitprüfstifte im nachfolgenden Funktionstest die Schaltung nicht mehr beeinflussen, da sie durch die zweite Stufe vom zu testenden Objekt getrennt werden. Alle Adapter der 40er Typenreihe können im geschlossenen Zustand über ein Scharnier hochgeklappt werden. Der untere Teil der Prüfstifte ist dann zugänglich für Messaufgaben zum Einmessen des Prüfprozesses.
Kleinadapter für Aufgaben bis 170 x 150 mm
Für kleinere Flachbaugruppen im Europaformat oder kleiner haben wir die Modellreihe Typ 20 entwickelt. Sie können mit typisch 250 Nadeln (1.5 N) ausgestattet werden. Durch unsere Schubladentechnik kann man auch hier einen Universalniederhalter, aber auch einen fest vorbereiteten Niederhalter mit Probes und Prüfstiften von oben einsetzen. Auf Sonderwunsch ist auch für diese Baugruppengröße ein Pneumatikadapter lieferbar, der über 500 Nadeln verwenden kann.Incircuittest kombiniert mit Funktionstest Aus wirtschaftlichen Gründen ist es sinnvoll, den Incircuittest mit dem nachfolgenden Funktionstest durchzuführen. Unsere Testsysteme sind daher für den kombinierten Incircuit- und Funktionstest einsetzbar. Bei etwa 60 bis 70 % aller Baugruppen ist das problemlos möglich. Bei etwa 20 % wird ein Zweistufenadapter notwendig (Adapter Typ 40) und beim verbleibenden Rest, meist Hochfrequenzbaugruppen, ist für den Funktionstest ein separater Adapter notwendig, dher rein mit Hochfrequenzverbindungen die Kontaktierung übernimmt.
Funktionstestadapter
Der Funktionstest wird meist nur unter Zuhilfenahme der Steckerleisten vorgenommen. Der Funktionstester legt dann die notwendigen Stromversorgungen und Signale an, sodass die Ausgangssignale überprüft werden können. Die Unterteile der Adapter der Serien 40 und 20 können auch für den Funktionstest eingesetzt werden. Da sie ebenfalls mit Schubladen bestückt sind, werden nur die Wechselplatten für den Funktionstest eingesetzt, um die Funktionsprüfung durchzuführen. Bei beiden Typen sind dazu die Niederhalter entfernt worden, da sie während des Funktionstestes, der über die Anschlusssteckerleisten erfolgt, nicht mehr notwendig sind.
Funktionstest mit Clustertesterweiterung
Das große Problem des Funktionstest ist, dass die Fehlerortung nahezu unmöglich ist, da zwischen Anlegen eines Signales und dem Abmessen des Signales durchaus bis zu 50 Bauelemente liegen können. Im Fehlerfall lassen sie keine Isolierung des defekten Bauelementes zu. Dann wird eine Kombination aus Funktions- und Clustertest angewendet, die die Strecke von z.B. 50 Bauelementen in mehrere Cluster aufteilt, was eine wesentlich bessere Fehlerisolierung ermöglicht. Der Anschluss dieses Clusters kann über Teststecker, aber auch über Prüfstifte erfolgen. Dazu wird ein Niederhalteradapter verwendet, da ein Großteil der Anschlüsse über gefederte Kontaktstifte und nur ein Rest über die Anschlussleisten erfolgt. Der Funktionstest kann jedoch nach einem erfolgreichen Incircuittest wesentlich vereinfacht werden, sodass der Clustertest nicht mehr notwendig ist. Bei den Schubladen für den Funktionstest werden die Steckerleisten so montiert, dass sie um 90 ° hochgeklappt werden können. Man kann also die Baugruppe aufstellen, sodass die Lötseite sichtbar ist, um dort im Fehlerfall Messaufgaben durchführen zu können.
Funktionstestmodule
Beim Funktionstest müssen nach dem Anlegen der Betriebsspannung und dem Abmessen der Betriebsströme gewisse Signale angelegt werden, wie Spannungen, Ströme, Frequenzen, Impulse sowie serielle und parallele Daten. Dafür bieten die REINHARDT-Testsysteme eine große Anzahl von Stimulierungsmodulen, die im Testsystem eingebaut sind. Sollten jedoch mehrere Sinus-, Rechteck- oder Pulsgeneratoren gewünscht werden, bieten wir eine Reihe von Modulen an, die über den I2C-Bus programmiert werden und eine nahezu unbegrenzte Anzahl von Zusatzgeneratoren und -quellen zur Verfügung stellen. Zu dieser Modulpalette gehören auch Spannungs- und Stromquellen, welche unmittelbar an der Steckerleiste verdrahtet werden, um die Signale dem Prüfling verlustfrei und ohne Übersprechen von fremden Signalen zuzuführen. Auch für die Messseite gibt es eine Reihe von Modulen, wobei Impedanzen im Bereich bis zu 1 T* auf wenige * gebuffert oder auch Hochfrequenzsignale von GHz auf MHz geteilt werden, um auch diese Signale einwandfrei durch unsere Testsysteme messen zu können. Das Anpassen von schwachen Hochfrequenzsignalen sowie die Peakspannungsmessung bis über 100 MHz gehören ebenfalls dazu. Mit diesen Messmodulen können wir Messaufgaben lösen, die bisher von Testsystemen nicht lösbar waren, weil die Aufbereitung dieser Signale nur unmittelbar am Prüfling erfolgen kann. Jedes der Adapterunterteile bietet ausreichend Raum für den Einbau von Zusatzelektronik.
Wirtschaftliche Adaptererstellung
Für all unsere Prüfadapter der 20er, 40er und 50er Serie haben wir ein Adaptererstellungssystem entwickelt, mit dem die Prüfadapter, aber auch die Niederhalter (Wechselschubladen) nahezu vollautomatisch erstellt werden. Die Software nutzt die Gerberdaten, die allgemein zur Erstellung der Leiterplatte gebraucht werden. Sie dient einmal zur Berechnung des Bohrplanes, einschließlich der Fangstifte und der Führungsbleche, um den Prüfling einfach und problemlos einlegen und über die Fangstifte sicher kontaktieren zu können. Über denselben Prozess wird die Niederhalterplatte gebohrt, die Bohrungen für die Probes für den Lötfehlertest oder den Polaritätstest oder auch Temperaturprobes enthält. Als zweites erstellt sie die grafische Fehlerortung, um Fehler auf dem Bildschirm grafisch darzustellen. Dazu gehört die Darstellung von Pinkontaktfehlern, Kurzschlüssen zwischen zwei Leiterbahnen, SMD-Lötfehlern mit grafischer Anzeige des oder der entsprechenden Anschlusspunkte an Fine Pitch LSIs genauso wie an BGAs, Polaritätsanzeige von Elektrolytkondensatoren und Tantalchips sowie das Setzen der Fadenkreuze für Defekte an Bauelementen wie Widerständen, Kondensatoren, Induktivitäten, Optokoppler, Transistoren, ICs, FETs usw. Das Prüfadaptererstellungssystem nutzt die Resultate der Gerberdatenaufbereitungssoftware, um die Adapterplatte (Schublade) zu bohren. Dann werden die Prüfstifte inkl. Hülse mit höchster Präzision mit maximal 2-3 hundertstel Abweichung eingedrückt. Zwei Magazine können dafür mit unterschiedlichen Kopfformen bestückt werden. Anhand des verwendeten D-Codes werden die Kopfformen für Speer oder Krone vorgewählt und vollautomatisch eingesetzt.
Verdrahtung des Prüfadapters Die gefederten Kontaktstifte befinden sich in einer Hülse mit einem 0,63 x 0,63 mm-Wrap-Pfosten, der über ein manuelles WireWrap-Verfahren mit den Anschlusssteckern des Prüfadapters verbunden wird. Bei Incircuittestaufgaben kann die freie Verdrahtung gewählt werden. Wir können dabei Steckerleisten verwenden, die auf der einen Seite bereits mit Wrap-Drähten versehen sind, sodass wir nur noch die offenen Enden dieser Drähte mit beliebigen Stiften verbinden müssen. Dieser Prozess kann selbst bei komplexen Adaptern in wenigen Stunden erfolgen.
Da wir mit diesem System bereits seit 1990 Erfahrung gesammelt haben, können wir sagen, dass komplette Prüfadapter mit typisch 300 Nadeln inkl. Fangstifte und Führungsbleche in 3 bis 5 Stunden erstellt werden können. Die Kosten und die Zeit für die Adaptererstellung wurden also auf Bruchteile der bisher üblichen Kosten reduziert. Die typischen Durchschnittswerte liegen bei einem Zehntel der Zeit und der bisherigen Kosten.
Aus den Erklärungen und Beschreibungen lässt sich ablesen, dass wir wie bei unseren Testsystemprodukten auch bei unseren Adaptern großes Augenmerk auf geringe Unterhalts- und Wiederholungskosten legen. Wir entwickeln und produzieren von Praktikern für Praktiker und mehr als 1000 Adapter mit über 20.000 Adaptionen geben uns recht.
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© 12.07.2002
