Mut zur Lücke


Titelthema a:lot 13 - Winter 2014

Wegen ständig steigender Qualitätsanforderungen der Elektronikindustrie gehört es für EMS-Betriebe längst zum Alltag, ihre Produkte zu testen. Dafür stehen eine ganze Reihe unterschiedlicher Verfahren zur Verfügung, die jeweils Vor- und Nachteile haben. Ein optimales Verfahren gibt es indes nicht, sodass sich die Frage stellt, wie man eine möglichst hohe Testabdeckung – und damit eine minimale Fehlerquote – erreicht.

Die Prozesse bei der Produktion elektronischer Flachbaugruppen werden ständig komplexer. Gleichzeitig steigen die Qualitätsanforderungen insbesondere bei sicherheitssensiblen und medizinischen Produkten. EMS-Betriebe werden deshalb immer mehr von Anbietern umworben, die Lösungen zum Test von Baugruppen anbieten. Die Bandbreite reicht von der Handlupe bis zum vollautomatischen Röntgenapparat im Wert von mehreren Hunderttausend Euro. Jede einzelne Lösung kann im Einzelfall ihre Berechtigung haben. Eins haben sie jedoch alle gemeinsam: Eine 100prozentige Abdeckung lässt sich nie erreichen.
Michael Kuttig und sein Team von Kuttig Electronic haben deshalb erforscht, was die einzelnen Testverfahren tatsächlich leisten und durch welche Kombination sich eine optimale Abdeckung erreichen lässt. Kuttig Electronic ist unter anderem selbst EMS-Dienstleister, deshalb kennt man dort die Anforderungen der Branche nur zu gut. „Es ist von großem Vorteil, wenn die Tests begleitend zur Fertigung stattfinden, damit Probleme frühzeitig erkannt und zur Verbesserung der laufenden Prozesse genutzt werden“, sagt Michael Kuttig. Die Untersuchungen zu den Testverfahren wurden deshalb auf zerstörungsfreie Verfahren begrenzt.

Das perfekte Testverfahren gibt es nicht

Am Anfang eines jeden Vergleichs steht die Bestandsaufnahme: Welche Verfahren sind üblich beziehungsweise verfügbar? Im Bereich der EMS sind dies:

MOI: Manuelle optische Inspektion
Hierbei suchen Mitarbeiter mit den Augen und gegebenenfalls mithilfe eines Mikroskops die Baugruppe nach Fehlern ab. Durch diese Sichtprüfung können theoretisch alle Fehler gefunden werden, die sichtbar sind. Es gibt aber auch eine Reihe von Fehlern, die nicht gefunden werden können wie zum Beispiel die Richtigkeit unbeschrifteter Bauteile, defekte Bauteile, Lötstellen von BGA, LFN und CSP, nicht erkennbare kalte Lötstellen sowie Unterbrechungen und Kurzschlüsse in der Leiterkarte.
Die MOI verursacht beinahe keine Rüstkosten, dafür aber einen enorm hohen Stückaufwand. Zudem ist das Verfahren nicht besonders zuverlässig, da es von der Erfahrung und Aufmerksamkeit des einzelnen Mitarbeiters abhängig ist.AOI: Automatische optische InspektionBei diesem Prüfverfahren werden Baugruppen von Kameras nach einem vorher festgelegten Prüfprogramm abgearbeitet und die festgelegten Bauteile fotografiert. Anhand der hochauflösenden Fotos können die Anwesenheit des Bauteils, seine Platzierung, Orientierung und Richtigkeit überprüft werden, sofern sie optisch erkennbar sind. Auch die Lötqualität kann im Rahmen einer Lötmengenbewertung kontrolliert werden. Nicht sichtbare Fehler kann auch die AOI nicht finden.

AOI: Automatische optische Inspektion
AOI-Systeme können hervorragend in der Serienfertigung eingesetzt werden, da sie taktgleich mit der Fertigungslinie arbeiten. Das Verfahren ist reproduzierbar, seine Ergebnisse sind archivierbar. Teurere AOI-Systeme verfügen neben einer Top-Down-Kamera auch über Schrägsichtkameras. Dadurch wird die Testabdeckung etwas erhöht, allerdings auch der Programmieraufwand für das Prüfprogramm.

AXI: Automatische Röntgen-Inspektion
Die Röntgeninspektion wird vor allem bei der Suche nach nicht sichtbaren Lötfehlern angewendet (s. auch a:lot Nr. 12, S. 14f). Kurzschlüsse und Unterbrechungen können dabei weitgehend automatisch erkannt werden. Für viele andere Prüfungen ist hingegen eine sehr aufwendige (und teure) Maschine mit schwenkbaren Achsen oder eine manuelle (und ebenfalls teure) Kontrolle nötig.

ICT: In-Cicuit-Test
Hierbei handelt es sich um eine rein elektrische Prüfung, die unabhängig von der Funktion der Baugruppe arbeitet. Mithilfe eines Nadelkissenadapters werden möglichst alle Netze gleichzeitig kontaktiert und mit einem Testrechner verbunden. Dieser wählt eine Schaltmatrix aus und kontrolliert die zu erwartenden elektrischen Parameter. Neben den klassischen Tests auf Kurzschluss und Unterbrechung können auch Widerstand, Kapazität und Induktivität gemessen und geprüft werden.
Der Vorteil des ICT liegt in der sehr kurzen Taktzeit. Von Nachteil sind die hohen Einmalkosten für den Nadelkissenadapter sowie für die Erstellung des Prüfprogramms. Außerdem können die Nadeln nicht beliebig eng platziert werden, sodass die Kontaktierungsgenauigkeit für Fine-Pitch-Bauteile nicht mehr ausreichend ist.

FPT: Flying-Probe-Test
Im Gegensatz zum klassischen ICT erfolgt beim FPT die Kontaktierung der Netze sequenziell. Mithilfe eines Portalroboters werden bis zu vier Nadeln von oben und zwei Nadeln von unten über die Baugruppe frei platziert, um dann das Pad zu kontaktieren. Die Genauigkeit ist dabei so hoch, dass Bauteile bis zu einem Pitch von 0,3 mm sicher kontaktiert werden können. Auch Kombinationen aus einfachen funktionalen Prüfungen und AOI-Prüfungen sind durch die integrierten Kameras realisierbar.
Der gravierende Vorteil des FPT gegenüber dem ICT besteht in der extrem hohen Flexibilität. Es entstehen keine Einmalkosten für einen Adapter und das Prüfprogramm kann jederzeit an geänderte Layouts, wie zum Beispiel bei Re-Designs üblich, angepasst werden.

BST: Boundary-Scan-Test
Der BST setzt voraus, dass es auf der Baugruppe ein oder besser noch mehrere ICs gibt, die boundary-scan-fähig sind. Zum Test muss eine Versorgungsspannung angelegt werden. Im Testlauf wird als Erstes die Core-Logik der BS-ICs mithilfe der IO-Blocks logisch abgetrennt. Anschließend wird eine serielle Prüfsequenz durch die IO-Blocks geschoben, wobei die Antworten in die Sequenz ergänzt werden.

FT: Funktionstest
Hierbei handelt es sich um ein Testverfahren, dass individuell für eine Baugruppe entwickelt wird. Eine geeignete Testumgebung erlaubt es, die Schnittstellen und gegebenenfalls erforderliche Messsignale mit dem Funktionstestplatz zu verbinden. Für den Testplatzrechner muss eine Testsoftware geschrieben werden. Ist auf der Baugruppe ein Mikrokontroller und/oder FPGA verbaut, ist auch hierfür eine Testsoftware zu integrieren, damit eine akzeptable Testabdeckung erreicht werden kann.

BIST: Built-In-Self-Test
Beim BIST wird mit Hilfe von rückgekoppelten Signalführungen auf der Zielhardware die Funktion überwacht. Hierbei unterscheidet man die Tests, die in der Initialisierungsphase ausgeführt werden (initial tests) und solche, die begleitend zur normalen Funktion arbeiten (run time tests). Der Nachteil der BST besteht in den hohen Stückkosten, da die Rückkopplung der Signale in der Regeln zusätzliche Hardwarekomponenten erfordert.

Die Vor- und Nachteile der einzelnen Testverfahren sind in der folgenden Abbildung zusammengefasst:


Schon der erste Blick auf die Tabelle offenbart das Dilemma: Ein optimales Testverfahren gibt es nicht – auch wenn die Hochglanzprospekte einiger Anbieter etwas anderes versprechen oder vorgeben mögen. Das liegt nicht etwa an der (mangelnden) Qualität der jeweiligen Testverfahren an sich, sondern an der komplexen Technik, die getestet wird. Die Kombination aus elektrischen, mechanischen und chemischen Komponenten beziehungsweise Einflüssen bei der Herstellung von Baugruppen schließt aus, dass mit nur einem einzigen Testverfahren sämtliche Fehler gefunden werden können. Beispielsweise kann man mit einem AOI-System den Wert eines SMD-Keramikkondensators nicht überprüfen, da diese in der Regel nicht beschriftet sind.

Fast 8.000 mögliche Fehler

Um jedoch feststellen zu können, wie hoch die Abdeckung eines bestimmten Testverfahrens ist, muss vorher analysiert werden, welche Fehler überhaupt auftreten können und in welcher Häufigkeit. Beides ist von den verwendeten Bauteiltypen und der Anzahl, in der sie verbaut werden abhängig. Für eine Einzelfallbetrachtung kann hierfür die Stückliste herangezogen werden. Um zu einem allgemeinen Ergebnis zu kommen, hat das Team von Kuttig Electronic auf den eigenen umfangreichen Datenbestand zurückgegriffen. Aus dem Jahresmittelwert aller bestückten Bauteile wurde eine virtuelle Baugruppe mit 1.000 Bauteilen konstruiert. Ein Vergleich über mehrere Jahre hat dabei gezeigt, dass die Abweichungen gering sind und die virtuelle Baugruppe als repräsentativ gelten kann.

Bestückungsfehler
- Anwesenheit: Ist das Bauteil vorhanden?
- Richtigkeit: Ist es das richtige Bauteil?
- Platzierung: Ist das Bauteil innerhalb der erlaubten Grenzen platziert?
- Orientierung: Hat das Bauteil die richtige Polung?

Lötfehler
- Kurzschluss: Gibt es eine Verbindung zwischen zwei Netzen?
- Unterbrechung: Gibt es eine fehlende Verbindung?
- kein übermäßiges oder unzureichendes Lötzinn
- kalte Lötstellen
- Lunker
- Lötperlen
- Lötrückstände
- usw.

Bauteilfehler
- Basiskennwerte: Fehlerhafte Basisparameter wie Widerstands-, Kapazitätswert usw.
- fehlerhafter Temperaturbereich
- Spannungsfestigkeit
- Keramikart
- usw.

Funktion:
Fehler in der Funktion komplexerer Bauteile (zum Beispiel Fehler in Core-Logik)

Die Toleranz spielt bei der Nebenspezifikation keine Rolle, weil sie mit einem ICT/FPT nachgewiesen werden kann. Um die Anzahl der möglichen Fehler zu ermitteln, wurde vorausgesetzt, dass jede Fehlerklasse pro Bauteil einmal vorkommen kann (wenn sie denn überhaupt auf das Bauteil anwendbar ist). Dividiert man nunmehr die Summe der mit einem Verfahren überprüfbarer Fehler durch die Anzahl der möglichen Fehler, erhält man die Testabdeckung in Prozent:

(Summe überprüfbarer Fehler : Summe möglicher Fehler) x 100 = Testabdeckung in %

Auf Basis dieser Zahlen ergeben sich die in der nebenstehenden Grafik aufgeführten Werte der Testabdeckung für die einzelnen Verfahren:


Verschiedene Verfahren geschickt kombinieren

Im Vergleich aller Testverfahren schneidet die MOI mit einer Abdeckung von 75 Prozent am besten ab. Dieses Ergebnis wird allerdings dadurch relativiert, dass die MOI das teuerste und gleichzeitig das unzuverlässigste Testverfahren ist. Deshalb wird sie in der Praxis meistens nur als Ergänzung zur AOI durchgeführt. Die Höhe der Abdeckung verändert sich durch diese Kombination indes nicht. Auch die Nachschaltung eines Funktionstests (FT) führt nur zu einer um 9 Prozent höheren Abdeckung, also insgesamt 84 Prozent. Das liegt vor allem daran, dass der FT nicht alle Bauteile berücksichtigen kann und auch keine Aussage über die Einhaltung der Nebenspezifikation macht, wie zum Beispiel Toleranzen.
Aber auch die Kombination aller Testverfahren führt – wie bereits erwähnt – nicht zu einer 100prozentigen Abdeckung. Dass nur 96 Prozent erreicht werden, liegt vor allem daran, dass mit keinem der Verfahren die nicht messbaren Neben-Spezifikationen wie zum Beispiel Temperaturbereich, Spannungsfestigkeit, Keramikart, Dicke einer Stecker-Verbindung usw. überprüft werden können. Basierend auf dieser Erkenntnis erreicht die Kombination aus AOI, MOI und FPT eine hervorragende Abdeckung von 94 Prozent. Der FPT deckt dabei weitgehend die Fehler ab, die man optisch nicht erkennen kann. Anders als zu erwarten gewesen wäre, erhöht ein ergänzender FT das Ergebnis lediglich um 1 Prozent.

Die einzelnen Ergebnisse sind in der folgenden Grafik aufgeführt:


Interview mit Michael Kuttig

„Testability bei der Entwicklung berücksichtigen!"

a:lot: Herr Kuttig, was hat Sie bewogen, die Studie zu Testverfahren und deren Abdeckung durchzuführen?
Kuttig: Tests werden in der Elektronikfertigung immer wichtiger. Dementsprechend wächst das Angebot an Maschinen und Dienstleistungen für diesen Bereich. Aber es gab bisher kaum Möglichkeiten, dieses Angebot zu bewerten und einzuordnen. Das wollten wir ändern.
a:lot: Ihre Studie geht von einer virtuellen Baugruppe aus, also im Prinzip von einem fertigen Produkt. Können Elektronikfertiger schon bei der Entwicklung etwas tun, um die Testergebnisse zu verbessern?
Kuttig: Ja, es gibt zwei wichtige Faktoren. Zum einen liegt in der Praxis der Fokus bei der Entwicklung meistens zunächst auf der Funktionalität, die Testability wird dabei höchstens am Rande berücksichtigt. Hier sollte ein Umdenken stattfinden, damit später bei steigenden Stückzahlen nicht aufwendig ein Test nachentwickelt werden muss. Zum anderen ist eine funktionierende und zuverlässige Materiallogistik aufzubauen. Wird schon bei der Bereitstellung gewährleistet, dass möglichst viele richtige Bauteile zugeführt und vor allem die Nebenspezifikationen eingehalten werden, ist eine wesentliche Fehlerquelle ausgeschaltet.
a:lot: Was empfehlen Sie, um eine optimale Testabdeckung zu erreichen?
Kuttig: Die optimale Testabdeckung ist immer vom konkreten Einzelfall abhängig und muss unter Berücksichtigung der vorliegenden Parameter ermittelt werden. Unsere Studie hat aber ergeben, dass man im Allgemeinen mit einer Kombination aus AOI, MOI und FPT aus ökonomischer und qualitativer Sicht ein sehr gutes Testergebnis erreicht.
a:lot: Was sind die konkreten Vorteile dieser Kombination?
Kuttig: Vor allem die hohe Testabdeckung von 94 Prozent bei überschaubaren Kosten. Selbst die Kombination aller zur Verfügung stehender Testverfahren kommt nur auf eine um zwei Prozentpunkte höhere Abdeckung. Hinzu kommt, dass die von uns ermittelte Kombination fertigungsbegleitend durchgeführt werden kann und gleichzeitig reproduzier- und dokumentierbar ist. Auch der Aufwand zur Erstellung des Prüfprogramms ist nicht sonderlich hoch.
a:lot: Vielen Dank für das Gespräch!


Text: Volker Neumann, Kuttig Elektronik


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