Produktionsprüfung anhand des Flying Probe Systems

1. Überblick

Seit Mitte der 90er Jahre werden bewegliche Testnadel In-Circuit Testsysteme weitgehend für elektronische Strukturtests von Prototypen und für die neue Produkteinführung von bestückten Leiterplatten (Printed Circuit Board Assemblies PCBAs) verwendet. Für eine schnellere und umfangreichere Produktionsprüfung fiel die Wahl für die Produktionsprüfung auf Leiterplatten bisher auf In-Circuit Test (ICT) Systeme und Manufacturing Defect Analyzer (MDAs), die einen Nadelbett (Bed-Of-Nails BON) Prüfadapter nutzen.

Die darauffolgenden zwanzig Jahre haben viele Veränderungen in der Elektronikindustrie mit sich gebracht, haupts

ächlich in der Form von kleineren Bauteilen und einer höheren Bauteildichte. Zur selben Zeit eröffneten Innovationen einiger Flying Probe Testsysteme den Elektronikherstellern eine neue Auswahl an Prüfungen für die PCBA Serienfertigung mithilfe der neuesten Generation der Flying Scorpion™ Technologien.

Abb. 1: Veranschaulichung der Prüfungsmöglichkeiten der Serienfertigunganhand der neuesten Flying Scorpion Technologie

In der Technik führende bewegliche Testnadelsysteme, wie zum Beispiel der Flying Scorpion, ermöglichen das Testen von PCBAs mit hoher Dichte und bei Anwendungen mit hohem Produktionsvolumen. Die Fortschritte in der Technologie erfolgten aufgrund

  1. eines Anstiegs der Anzahl von individuell programmierbaren Flying Probes von 4 auf 22;

  2. eines Anstiegs der Geschwindigkeit der mechanischen Bewegungen der Flying Probes und Läufer;

  3. der Ergänzung durch festverdrahtete Kanäle für einen ununterbrochenen Zugang zu oft genutzten Netzen;

  4. der Aufnahme des Boundary Scan als ergänzende Testmethode, woraus eine reduzierte Prüfzeit und erhöhte Testabdeckung resultiert;

  5. der Beseitigung von redundanten Tests, wenn multiple Prüfgeräte zur Verfügung stehen;

  6. der ereignisgesteuerten Testsoftware zur Verifizierung von Prozessveränderungen;

  7. der Eingliederung eines Flying BON, oder Mini BON; und

  8. der Aufnahme anwendungsspezifischer Testnadelspitzen.

Das Resultat zeigt sich in einer höheren Testabdeckung, in kürzeren Prüfzeiten und einem höheren Ertrag in der nächsten Stufe des Fertigungsprozesses, beispielsweise beim vollen Funktionstest.

2. ICT Hintergrund

ICT oder MDA Systeme nutzen einen BON-Prüfadapter, um jedes individuelle Netz auf einem PCBA zu kontaktieren; normalerweise eine Prüf- oder Messnadel pro Netz.

Eine Relais Matrix wird verwendet, um die ICT Elektronik zu einer Kombination von Netzen, die zum Testen jedes Bauteils oder jeder Verbindung benötigt werden, umzuschalten. ICT Prüfsysteme können mit der höchsten Serienproduktion mithalten, begrenzt im Wesentlichen aufgrund der physikalischen Größe des Kontaktpunktes und des angrenzenden Mittenabstandes, den eine Prüfnadel auf dem PCBA treffen kann. Für jeden einzigartigen PCBA Typ, der getestet wird, wird ein anderer BON-Adapter benötigt, sodass zum ICT Ansatz Kosten und Zeitverzögerungen hinzukommen. Zusätzlich gibt es eine immerzu wachsende Anzahl an PCBAs, die mit BON Prüfgeräten nicht prüfbar sind, da diese wenige oder gar keine Prüfnadelzugänge auf den Netzen besitzen, oder aber weil mögliche Testpunkte zu nah beieinanderliegen.

Das Timing ist also kritisch beim ICT Ansatz. Eine zu frühe Investition in einen BON-Adapter könnte dazu führen, dass teure und zeitaufwendige Modifizierungen am BON durchgeführt werden müssen, falls technische Änderungen am Platinenentwurf den ursprünglichen Adapter unbrauchbar machen. Eine zu späte Investition in einen BON-Adapter kann bedeuten, dass der Adapter kaum benutzt wird, bevor die Produktion beendet ist. Übliche Kosten für ICT Adapter betragen $5Tsd. bis $20Tsd. per PCBA Seriennummer. Es ist nicht ungewöhnlich, dass ein Prüfadapter $60Tsd. für ein großes PCBA kostet.

3. Flying Scorpion Technologische Fortschritte des Prüfsystems

Die gestiegene Anzahl an beweglichen Testnadeln – Die grundlegendste Verbesserung am Flying Scorpion war der Anstieg der Anzahl von Flying Probes von 4 auf einem einseitigen System oder 8 auf einem doppelseitigen System, bis hin zu 22 Testnadeln. Doppelseitige bewegliche Testnadelsysteme haben für die dramatischste Verbesserung in der Evolution der beweglichen Testnadeln gesorgt. Eine gestiegene Anzahl an beweglichen Testnadeln auf beiden Seiten des PCBA reduziert die Prüfzeit und erhöht die Test-/Fehlerabdeckung. Ein einziges Testprogramm kann jetzt alle PCBA Bauteile in einem Durchgang testen. Die Prüfzeit auf Flying Probe Systemen hängt auch von der Zeit ab, die benötigt wird, um die Testnadeln von einer Position zur nächsten zu bewegen – je mehr Testnadeln, umso kürzer die Prüfzeit.

Abb. 2: Multiple obere und untere Testnadeln mit variablen, programmierbaren Winkeln.

Testnadelmechaniken mit hoher Geschwindigkeit – Um die gesamte Prüfzeit noch weiter zu reduzieren, wurden die Motoren, die die Auf- und Abbewegung der Testnadeln steuern, auf dem Flying Probe mit den neuesten Technologien aktualisiert, wodurch eine 50%ige Reduzierung der mechanischen Bewegungszeit erreicht wurde.

Genauigkeit der Testnadel Platzierung – Ein doppeltes Ziel der neuen Mechaniken war die verbesserte Genauigkeit und Wiederholbarkeit der Testnadel Platzierung. Der Flying Scorpion kann aufgrund der integrierten Gestaltung der Passermarkenkameras, des Läufers und des Testnadelsystems, 4 mil Punkte in 99.99% aller Fälle sicher treffen.

Festverdrahtete Kanäle – Die Analyse jeglicher Prüfprogramme von beweglichen Testnadeln zeigt, dass einige Netze, wie zum Beispiel Stromversorgung und Masse, Hunderte, wenn nicht Tausende Male während der Durchführung eines einzigen PCBA Prüfprogramms kontaktiert werden. Das bedeutet, dass eine beträchtliche Menge an Zeit bei der wiederholten Kontaktierung dieser wenigen Netze verloren geht. Die Ergänzung durch (fest) verdrahtete Kanalkontakte, um auf diese Netze zuzugreifen, kann die gesamte Prüfzeit bedeutend reduzieren.

Boundary Scan – Diese bewährte Technologie existiert bereits seit den 80ern und bietet die Testabdeckung als eigenständige oder ICT Testlösung an. Der Flying Scorpion umfasst eine Boundary Scan Steuerung zusammen mit seinen Flying Probes, um die Fehlerabdeckung zu steigern und die Prüfzeit dramatisch zu senken.

Je nach Anzahl der Bauteile auf dem PCBA, das mit dem Boundary Scan getestet werden kann, kann die PCBA Prüfzeit um mindestens 50% reduziert werden. Wenn die Flying Scorpion-/Boundary Scan Lösung verwendet wird, ist die Beseitigung von redundanten Tests automatisiert.

Ereignisgesteuerte Prüfung – Der Flying Scorpion kann direkt in eine Produktionslinie integriert werden, mit einer Durchsatzrate innerhalb von einigen Sekunden und anhand einer „Ereignisgesteuerten“ Software.

Dieser Testmodus bietet zunächst einen kompletten Test aller Bauteile auf dem PCBA. Nachdem eine ausreichende Anzahl an PCBAs getestet wurde, wird der Testmodus umgeschaltet, um ausschließlich die Bauteile, dessen Konfigurationen in der Fertigungslinie verändert wurden, zu testen. Wenn beispielsweise in der Bestückungsstation der Wert von einem Widerstand verändert wurde, wird der Wert des Widerstandes verifiziert und getestet, ob der Austausch des Bestückers richtig war. „Ereignisgesteuertes“ Testen ermöglicht es dann den ICT Test für den jeweiligen Widerstand auszuschalten. Dies setzt voraus, dass Bauteile, die überprüft wurden und Bauteile ohne Änderungen weiterhin durchlaufen, nachdem der anfängliche Test durchgeführt wurde – die Prüfzeit wird abermals reduziert, um sich den ICT Geschwindigkeiten anzunähern.

Mini-Flying Nadelbette – Eine weiteres zusätzliches Flying Scorpion Konzept ist der patentierte Mini-Flying BON Adapter. Mit bis zu 128 nichtumschaltbaren Testkanälen kann diese Miniaturversion eines ICT Prüfadapters überall auf dem PCBA ersetzt werden. Der Mini-Flying Adapter ermöglicht eine sehr starke Reduktion der Prüfzeit und daher auch eine schnellere Prüfung des Produktionsvolumens. Diese Art von Steigerung der Produktivität kann sonst nur mit dem ICT erreicht werden, aber mit nur einem Bruchteil der Kosten und Implementierungszeit des traditionellen ICT. Für einige kleinere Produkte, die in Nutzenform gebaut werden, hat der Flying BON 100% der erforderlichen Testabdeckung geliefert.

Abb. 3: Ein Beispiel des Mini-Flying Nadelbett

Programmierbare Testnadel Winkel – Alle Testnadel Winkel auf dem Flying Scorpion sind nicht fest, sondern programmierbar von 0º bis ±6º, in alle Richtungen, und erhöhen somit dramatisch den Testzugang und damit die Fehlerabdeckung.

Anwendungsspezifische Testspitzen – Die meisten Flying Probers können nur spitze nadelähnliche Testspitzen benutzen, wenn Sie PCBA Prüflinge kontaktieren. Die kleine Größe der Spitze ermöglicht die Kontaktierung von sehr kleinen Testpunkten, die physisch nah beieinanderliegen. Für die Produktionsprüfung dürften verschiedene Testspitzen, die die verschiedenen Produkte und Fertigungsverfahren ausgleichen die solidere Wahl darstellen. Flying Scorpion’s Testnadel Potenzial von bis zu 22 Flying Probes ermöglicht den Gebrauch von anwendungsspezifischen Testspitzen wie Meißel, runde oder sogar flache, die in jeglicher Kombination für eine Sonderlösung gemischt werden können. Die Nutzung dieser verschiedenen Testspitzen bietet eine Prüfung ähnlich dem ICT System.

In seiner neuen Rolle als Produktionstestlösung ist der Flying Scorpion ein wesentlicher Bestandteil jeder PCBA Teststrategie, der gleichzeitig dem Prototyp sowie den Prüfanforderungen des Produktionsvolumens dient und ein Maximum an Flexibilität für Elektronikhersteller bietet. Das Acculogic Flying Scorpion Prüfsystem ist schnell zu einem Instrument geworden, ohne das Hersteller jeglicher Art nicht leben können.

- von Markus Ernst und Gunnar Walther, Robert BoschGmbH, Karim Dehkordi, Acculogic, Direktor der Prüftechnik