Testen von Flachbaugruppen - optisch, Incircuit und Funktion
Jeder von Ihnen, der Erfahrung in der Produktion von elektronischen Flachbaugruppen hat, wird zu der Erkenntnis gekommen sein, dass Fehler während der Produktion entstehen. Diese Fehler basieren auf den mehr oder weniger guten Layouts, den Erfahrungen des Bestückungsbetriebes und vor allen Dingen auch auf der verwendeten Einrichtung (Maschinenpark). Die Fehlerraten liegen je nach Technologie, Erfahrung des Layouters und verwendeter Fertigungseinrichtung zwischen 3 und 30 %. Das hat zur Folge, dass eine umfassende Prüfung der Baugruppe notwendig ist.
Zur Testung empfehlen wir drei Testmethoden, und zwar den optischen, den Incircuit- und den Funktionstest. Für eine höchst mögliche Fehlererkennung ist es notwendig, all diese drei Methoden entsprechend zu nutzen. Alles, was wir heute tun, ist nicht absolut, sondern basiert auf Kompromissen. So sollten bei diesen drei Testmethoden, wie es im Leben üblich ist, die besten Kompromisse gesucht werden, um damit die höchstmögliche Qualität und Sicherheit der Produkte in einem bezahlbaren Bereich zu ermöglichen.
Seit einiger Zeit werden optische Inspektionssysteme (AOI) angeboten, die, wenn man den Verkäufern glauben dürfte, das Maß aller Dinge sind, während ein Incircuit- bzw. ein Funktionstest nur noch Kosten erzeugt und, wenn man diesen Verkäufern Glauben schenkt, unnötig ist. Tatsache ist jedoch, dass, egal wie man es dreht, von der optischen Seite bestenfalls eine Fehlerabdeckung von 30 bis 35% zu erwarten ist und dass damit genügend Spielraum für den ernsthaften Test im Bereich Incircuit- (MDA) und Funktionstest bleibt. Wir haben erfahren, dass gerade im Automobilbereich seit einiger Zeit der optische Test zum Muss geworden ist. Die meisten Leute in diesem Bereich wissen allerdings nicht, dass es neben schönen Schaltungen auch noch nötig ist, die Bestückung in ihren Messwerten zu überprüfen, was leider durch den optischen Test nicht möglich ist. Dazu gehören die fehlende Beschriftung bei Widerständen, die fast garantierte Unlesbarkeit von ICs, welche Laser beschriftet sind, und die Erkennung der richtigen Richtung bei Dual-Inline-ICs, denn die Aussparung ist bei den AOI-Systemen nicht mit absoluter Sicherheit erkennbar. Bauteile wie SOT23 sind fast gar nicht auswertbar und so werden Ergebnisse mehr erhofft als geprüft.
Es ist eine Tatsache, dass der Incircuittest nach wie vor über 90 bis 92 % der Fehlerortung garantiert, während ein optischer Test bestenfalls 30 bis 35 % der Fehlerabdeckung erlaubt. Der Incircuittest, der bei entsprechender Testtiefe und Prüfschärfe durchgeführt werden sollte, erfordert das Kontaktieren aller auf der Baugruppe verwendeten Leiterbahnen, wobei während der Entwicklungsphase darauf geachtet werden sollte, dass die Netze (Leiterbahnzüge) von einer Seite problemlos zugänglich sind und dass bei Verwendung von Prüfflächen eine sichere Kontaktierung und lange Lebensdauer der Kontaktnadel gewährleistet ist. Dieses Verfahren erlaubt unter den heute üblichen Messmethoden erfahrungsgemäß eine Fehlererkennung von über 90 %. Für den Funktionstest, der historisch bedingt wohl eine der ältesten Testarten repräsentiert, ist leider erfahrungsgemäß eine Fehlerabdeckung von 90 % wohl schon sehr hoch gegriffen. Wir alle wissen, dass wir eine funktionsfähige Baugruppe haben, obwohl eine Reihe der Bauteile fehlen oder auch falsch bestückt sind und was doch erst später unter Temperaturänderungen, Alterungen zu Frühausfällen bzw. Spätausfällen führen kann. Es können nur Fehler erkannt werden, die der Prüfer sich vorstellen kann, denn nur dann kann ein Testschritt erst entwickelt werden. Der Leistungstest, gerade im Automobilbereich, sollte aus Sicherheitsgründen mit gut 20 % Überlast durchgeführt werden, da wir gerade in der Automobiltechnik ein extrem breites Temperaturspektrum haben, was den Bauteilen, und besonders den Leistungshalbleitern, durch Sonneneinwirkung oder auch Frost Enormes abverlangt.
Das sind leider auch die Fehler, die wir heute immer wieder in der Automobilindustrie haben, weil die Baugruppen zu knapp konstruiert sind, d.h., Leistungshalbleiter an ihren Grenzen betrieben werden. Wenn dann noch der Fertigungsprozess des Halbleiterherstellers Probleme aufweist, sind die Grenzen auf jeden Fall schnell erreicht und der Ausfall ist so gut wie sicher. Werden hingegen die Baugruppen innerhalb eines Funktionstestes mit 20 % Überlast getestet, so ist die Wahrscheinlichkeit der Frühausfälle um einiges geringer.
Kombination der drei Testmethoden
Wenn bereits ein optischer Test vorausgegangen ist, können wir davon ausgehen, dass fehlende Bauteile, verdrehte Bauteile oder Bauteile, die sich aufgestellt haben, wohl kaum zu erwarten sind. Auch wird eine Information über die allgemeine Lötqualität gegeben, die in etwa für die Allgemeinqualität richtungsweisend sein könnte. Erfahrungsgemäß sind aber diese optischen Auswertungen nicht ausreichend, da sie niemals vollständig alle Lötstellen prüfen. Selbst hier können durch die verschiedenen Auswertverfahren Fehler angezeigt, aber auch nicht erkannt werden, welche gerade bei den Mikrobauteilen, z.B. BGAs, und der Feinstleitertechnik mit steigender Tendenz zu erwarten sind. Erfolgt dann ein Incircuittest, der nachweist, dass keine Leiterbahnunterbrechungen, Lötdefekte und Lötkurzschlüsse (elektrischer Art) vorliegen, folgt der Bauteiltest, welcher prüft, dass alle Bauteile mit den richtigen vorgegebenen Werten in der richtigen Richung platziert sind. Die Abdeckungsrate liegt bei der zur Zeit möglichen Messtechnik heute so hoch, dass wir kaum noch Bauteile nicht prüfen können und damit die höchste Sicherheit erhalten, die in Kombination aus optischem und Incircuittest heute möglich ist. Der Funktionstest ist dann der krönende Abschluss und überprüft, ob alle Bauteile, die weder verdreht noch stehend noch schlecht gelötet sind, in ihrer Kombination mit einander zu möglichst sicherer Funktion führen.
Wir müssen leider davon ausgehen, dass ein hundertprozentiger, oder wie es die Autoindustrie gerne nennt, Nullfehlertest, bei der Komplexität unserer heutigen Baugruppen nicht zu realisieren ist und wir nach wie vor mit Fehlerraten im unteren Prozentbereich und leider auch mit Frühausfällen rechnen müssen.
Lösungen, die bezahlbar sind und die nötige Prüfschärfe besitzen
Um die vorgenannten Probleme optimal zu lösen, liefern wir bereits seit 27 Jahren rechnergesteuerte Testsysteme, die den Incircuit- und den Funktionstest beinhalten und mit Hilfe eines eigenen Adaptionskonzeptes eine komplette Lösung zum Test der Aufgabe bieten. Das Adaptionskonzept, als einer der wesentlichen Bausteine von Prüflösungen, wird von uns in unserem Hause selbst entwickelt und produziert. Unser Adaptionskonzept wird mit Steckverbindungen über kürzeste Verdrahtung mit einem Handgriff mit dem Testsystem verbunden. Das Schließen des Adapters erfolgt entweder manuell über ein Niederhaltersystem oder kann mit demselben Grundadapter pneumatisch oder innerhalb eines Inlinesystems erfolgen. Damit sind wir in der Lage, von der kleinsten Einzelserie, 30 bis 100 Baugruppen, bis zu Großserien mit 4 Millionen Stück pro Jahr in Dreischichten, Inline, mit unseren Systemen im Incircuit- sowie im Funktionstestbereich zu prüfen.Alle Stimulierungs- Mess- und Matrixmodule werden in unserem Haus gefertigt und kontinuierlich weiter entwickelt, um den neuen Technologien und Aufgabenstellungen jederzeit gerecht zu werden. Das Einbinden von IEC-/IEEE-fähigen Stimuli- und Messgeräten ist genauso möglich wie das Einbinden von RS232- oder RS485-, USB-Geräten, aber auch der neuesten Ethernetfamilie.
Unsere Software arbeitet mit Oberflächenprogrammierung und basiert auf WINDOWS2000®. Sie ermöglicht über viele automatische Programmgeneratoren und Hilfssoftware eine Programmerstellung für den Incircuittest in typisch 3-5 Stunden und für den Funktionstest je nach Komplexität in weiteren 5-8 Stunden. Damit lassen sich Baugruppen sicher prüfen, ohne dass eine Flotte von Ingenieuren oder anderen Spezialisten notwendig wird. Erfahrungsgemäß wird die Programmerstellung in mehr als 70 % aller Fälle von Facharbeitern übernommen, welche als Praktiker zu verstehen sind und die Problemstellung des Prüfens aus Erfahrungen beherrschen.
Bei Großserien stehen dezentrale Reparaturstationen zur Verfügung, welche über grafische Fehlerortdarstellung auf dem Bildschirm die Fehlerortung und Fehlerbeseitigung von den typischen 10 bis 40 Minuten auf wenige Minuten reduziert, um auch hier die Kosten für die Prüfung drastisch zu senken und damit die Wirtschaftlichkeit beim Testen so hoch wie möglich zu halten.Das Testen von Flachbaugruppen war über viele Jahre, bedingt durch unglückliche Entwicklung und Separierung des Incircuit- und Funktionstestes eine sehr teure Angelegenheit, denn viele Großfirmen in diesem Bereich haben den Incircuittest und den Funktionstest komplett von einander getrennt. So sind komplett unterschiedliche Testbereiche entstanden, welche ihre eigene Infrastruktur hatten und wo viele Prüfaufgaben nicht als wirtschaftliche Lösung gesehen wurden, sondern ingenieursmäßig zum Selbstläufer wurden, während das eigentliche Problem untergegangen ist. Genau das wollen wir mit unserer Testsystemphilosophie vermeiden. Durch den kombinatorischen Test im Incircuit-, aber auch im Funktionsbereich ist nur ein Adapter, ein Handling, ein Programmierer (Facharbeiter) notwendig, um eine Baugruppe sicher zu testen.
Taststifte zum Testen von fehlenden Bauteilen oder falsch eingebauten elektromechanischen Bauteilen
Da die AOI-Testsysteme (optischer Test) leider bis auf die Lötqualität, die auch nicht perfekt geprüft werden kann, sehr geringen Wirkungsgrad haben, haben wir uns Gedanken gemacht, wie wir im Rahmen des Incircuittestes, welcher über Niederhalter und gefederte Kontaktstifte arbeitet, fehlende oder falsch eingebaute elektromechanische Bauteile erkennen können: Fühlstifte mit einem eingebauten Präzisionsschalter können auf Bauteilen, aber auch auf Steckernasen und elektromechanischen Bauteilen wie Relais, Transformatoren, Leistungshalbleiter platziert werden, um den richtigen Einbau zu überprüfen bzw. die Rotation von Steckerleisten exakt zu erkennen. So kann auch hier im Rahmen des Incircuittests ein großer Teil der bisher optischen Testaufgaben übernommen werden. Damit kann ein großer Teil des optischen Bereichs, und zwar weit über die Hälfte, gelöst werden, ohne dass teure Anschaffungen dieser AOI-Systeme notwendig werden.
Mit dieser Lösung können 97 - 98 % der Fehler abgedeckt werden und mit einer Statistik, welche die Fehlerhäufigkeit und parametrisch über die Gaußsche Verteilung zeigt, kann die Qualität eines Fertigungsloses dokumentiert werden, um so Frühausfälle und damit Kosten zu vermeiden und das Ansehen eines Fertigungsbetriebes so positiv wie möglich zu gestalten.
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© 18.09.2003
