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Automatische Testsysteme erfordern prüfgerechten Platinenaufbau

29.06.2009
Um einen vorzeitigen Ausfall elektronischer Baugruppen zu verhindern, müssen die Platinen ausgiebig getestet werden. Ein großes Problem bei der Überprüfung dieser Komponenten sind aber der Aufbau der Platinen und die genauen Angaben der entsprechenden Prüfspannungen. Dies muss schon bei der Entwicklung berücksichtigt werden.

Bevor die elektronischen Baugruppen getestet werden, müssen diese natürlich erst konstruiert und bestückt werden. Und gerade bei der Konstruktion und Auslegung der Leiterplatten können Fehler gemacht werden, die den Fertigungsdurchlauf und den Prüfdurchlauf verlängern.

Maße und Aufbau der Baugruppen oft vorgegeben

Wenn es sich nicht um Systeme wie Europa- oder Doppeleuropaformat handelt, sind in den meisten Fällen Maße und Aufbau der Baugruppe in den Formen des Endproduktes vorgegeben. Auch die Grenzen der Bestückungs- und Lötmaschine sollten bekannt sein. Steckverbinder, Anschlussklemmen, Programmier- und Codierstecker sollten entsprechend vorgewählt werden, und zwar nicht nur der Leistung, sondern auch den Kosten und der derzeitigen Technik entsprechend.

Die Wahl der Baugruppe mit den jeweiligen Lagen, die in der heutigen Zeit ganzflächige Masselagen bedeuten, und der Nutzung der Leiterbahnzüge sowie Abstände und Abschirmungen müssen entsprechend der Hochfrequenz-(HF-)Technik aufgebaut werden. Sehr schnell kommt man beim Aufbau zum Multilayer, das heute in der entsprechenden Genauigkeit gefertigt werden kann. Bei der Zweilagentechnik werden sehr oft Unternehmen aus dem osteuropäischen Ausland für die Fertigung beauftragt, die mit hohen Toleranzen arbeiten und auch mit der Verzinnung oder Vergoldung etwas abenteuerlich umgehen.

Bei der Zweilagentechnik – die aus Kostengründen oft in Osteuropa gefertigt wird – sind die Fertigungsungenauigkeiten wesentlich größer. So kann es durchaus passieren, dass ein Prüfstift zwar auf 10 µm genau gesetzt wurde, aufgrund von Fertigungstoleranzen bei der Leiterplatte kommt es dennoch nicht zu einer Kontaktierung.

Baugruppen müssen testfähig gestaltet sein

Das Aufspannen von Baugruppen sollte so gemacht werden, dass die Baugruppe mit Fanglöchern fixiert wird, die einen Durchmesser von 2 bis 4 mm haben sollten. Vier bis sechs Fanglöcher sorgen für eine sichere Führung der Baugruppe, wobei ein Stift asymmetrisch gesetzt werden sollte, um ein verdrehtes Aufspannen zu verhindern. Die Kanten der Baugruppen und auch die Umrandungen der Fanglöcher sollten ohne Bauteile und Leiterbahnen mindestens 3 bis 5 mm breit sein.

Es sollten Prüfflächen zur Verfügung stehen, die auf der Unterseite platziert werden oder bei beidseitigen Baugruppen auf der Bestückungsseite, die die niedrigere Bestückungshöhe hat. Dabei ist darauf zu achten, dass die Prüfflächen galvanisch verzinnt oder vergoldet werden, auf keinen Fall sollte dies auf chemischem Weg geschehen.

Das chemische oder galvanische Auftragen von Gold erfolgt unter den gleichen Vorausstezungen. Eine Nickelschicht von 3 bis 8 µm muss auf die Leiterbahn aufgebracht werden.

Bei der chemischen Vergoldung werden zwischen 50 und 129 nm aufgetragen. Diese extrem dünne Schicht wird bei geringsten Kontaktberührungen aufgekratzt und nur die Nickelschicht bleibt übrig, die dann auch noch oxidiert.

Galvanisch aufgebrachte Goldschicht wesentlich weniger anfällig

Das galvanische Aufbringen von Gold geschieht in der Regel mit Schichtdicken von 1 µm ±15% und kann in den meisten Fertigungsbetrieben auf bis zu 2 µm erhöht werden. Diese 12 bis 15-fach dickere Schicht ist auch dementsprechend weniger anfällig und die Kontaktierung entsprechend sicherer.

Der Durchmesser der Prüffläche sollte zwischen 0,7 und 1 mm liegen und, wenn es der Aufbau und die Dichte der Baugruppe zulassen, im Abstand von 2,54 mm zueinander platziert werden. Erfahrungsgemäß kann der standardmäßig gefederte 1/10“-Kontaktstift genutzt werden, je nach Prüffläche mit spitzer Kopfform oder mit der Waffelkopfform für durchgelötete Drähte. 75-mil- oder 50-mil-Kontaktstifte sollten nur dann eingesetzt werden, wenn sie aus Platzgründen unerlässlich sind, denn die feineren Kontaktstifte sind teuerer und haben kürzere Standzeiten.

Mehrere Kontaktstifte für Stromversorgungen und Masseleitungen

Für Stromversorgungen und Masseleitungen sowie Testpunkte ist es je nach Strombedarf notwendig, mehrere Kontaktstifte zu setzen, wobei erfahrungsgemäß 2 A pro Kontaktstift nicht überschritten werden sollte: Bei 6 A sollten mindestens drei Kontaktstifte für Plus und für Masse gesetzt werden.

Für die Leiterbahnen, die nicht auf der Unterseite kontaktiert werden können, sind Durchkontaktierungen zu platzieren, die eine einseitige Kontaktierung ermöglichen. Das spart Kosten und erhöht die Prüfsicherheit.

Die Bauteilbestückungshöhe sollte, wenn möglich, 12 mm nicht übersteigen. Falls jedoch höhere Bauteile verwendet werden, sind Durchbrüche (Ausschnitte) in der oberen Adapterplatte unumgänglich. Dies führt jedoch zu weiteren Kosten.

Wenn damit gerechnet werden muss, dass kapazitive Proben für den Lötfehlertest von oberflächenmontierten Bauteilen (SMD) sowie Proben für den Polaritätstest benötigt werden, sollte dies mit einer darüberliegenden Platte, die gleichzeitig Niederhalterplatte ist, bewerkstelligt werden. Wenn weder SMD-Lötfehlertest noch Polaritätstest anliegen, kann die Kontaktierung mit einem frei justierbaren Niederhalter vorgenommen werden, der ebenfalls Kosten einspart und flexibel ist. Der Universal-Niederhalter ermöglicht die Zugänglichkeit des Prüflings, um dort Messungen vorzunehmen.

Entwickler liefert notwendige Unterlagen für die Fertigung

Ein Blockschaltbild ist auf jeden Fall für die Grundfunktion notwendig und natürlich ein Schaltbild mit den eingezeichneten Prüfflächen. Eine textmäßige Kurzbeschreibung der Baugruppe ist auf jeden Fall von Vorteil. Die Betriebsspannungen (falls notwendig auch Über- oder Unterspannung) sollten ebenso genannt werden wie der Standardbetriebsstrom und der maximal zulässige Betriebsstrom.

Des Weiteren müssen die Steckerpunkte oder Prüfflächen bezeichnet werden, an denen sich Betriebsspannungen oder Massen befinden. Dann sollten eindeutig die Signal- und Ausgangsspannungen bekannt gegeben werden; denn selbst aus der Schaltung ist nicht mit Sicherheit zu entnehmen, wie hoch die Spannungen im Logikbereich, aber auch im Open-Collector-Bereich sind.

Testmethoden von automatischen Testsystemen unterscheiden sich sehr stark von Prüfmethoden, die labormäßig genutzt wurden. Daher sollte der Entwickler das Erfahrungswissen des Prüffachmannes über Prüfmethoden nutzen, das über viele Jahre gesammelt wurde.

Programmiergeräte im Prüfbereich brauchen die richtige Software

Bei der Nutzung von Mikroprozessoren, programmierbaren LSIs (Large Scale Integration) und PICs (Peripheral Interface Controller) ist darauf zu achten, dass eine Software für die im Prüfbereich vorhandenen Programmiergeräte zur Verfügung steht, um dann nach dem Incircuittest zu programmieren und im nachfolgenden Funktionstest die Funktion des Prüflings zu prüfen.

Nachdem heutzutage elektronische Flachbaugruppen mit den entsprechenden Feldbussystemen bestückt werden, sollten auch dafür das Datenprotokoll, die Baudrate und die jeweiligen Details eindeutig zur Verfügung gestellt werden. Bei diesen Empfehlungen kann es sich nur um einen Teil handeln, weil die Komplexität in diesem Bereich wesentlich größer ist. Oft kann dies nur jemand verstehen, der Jahrzehnte in diesem Bereich tätig war.

Peter Reinhardt ist Geschäftsführer und Inhaber der Reinhardt System- und Messelectronic GmbH in 86908 Diessen.

Peter Reinhardt | MM MaschinenMarkt
Weitere Informationen:
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/automatisierung/fertigungsautomatisierung/articles/197211/

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