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QS in der Elektronikfertigung
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Testung u. Qualitätssicherung QS in der Elektronikfertigung
1. QS in der Elektronikfertigung
1.1 QS beginnt beim Leiterplattendesign
1.2 QS im Einkauf
1.3 QS bei der Lagerung
1.4 QS in der Fertigung
2. Verifizierung der Fertigungsqualität: Fertigungstests
2.1 InCircuit – Testung
2.2 Ersatzmethoden
2.3 Schaltschranktestung
3. Anhang
Auswertung der CAD-Daten
1. QS in der Elektronikfertigung
Die Qualitätssicherung für elektronische Baugruppen erfordert :
-
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Sicheres, Qualität begünstigendes Leiterplattendesign
eine seriöses Einkaufsmanagment
sachgemäße Lagerung
überwachte Fertigung
Fertigungstests
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1.1. QS beginnt beim Leiterplattendesign
Qualität im Leiterplattendesign wird begünstigt durch :
- Meidung der Bauteilgrenzwerte
- Bauteile mit Second Source
- Dokumentation, klare und ausführliche Fertigungsunterlagen
- Bedachtnahme auf die Umweltproblematik ( Temperatur, Feuchte, Vibrationen )
- Bedachtnahme auf die EMV-Problematik ( Einstrahlung, leitungsgebundene Störungen, Abstrahlung )
- Reparatur- Wartungsfreundliches Design ( gute Zugänglichkeit, Stecker, Im-Feld-Prüfmittel,
Modularität )
Qualität im Leiterplattendesign durch testfreundliches Design :
- Tespads ca 1mm Durchmesser an einer Leiterbahnstich von 1.5mm Länge
- Testpads gleichmäßig auf der Platine verteilt
- OEs über Widerstand an Masse/Vcc legen
- Abstand der Testpads >= 1.27 mm
- Testpads an Netzen die I/Os der Platine kontaktieren in der Nähe der Stecker und Klemmen
- ICs mit Funktionsmodell verwenden ansonsten ICs mit Boundary Scan
- ICs mit langer Liefergarantie
- Entwurf nur mit CAD zur automatischen Generierung der Adapterbestückung und des
Testprogrammes
- 1,5 mm Abstand von den zu plazierenden Bauteilen
- 3,5 mm bauteilfreien Randstreifen
- Mikroprozessoren sollen entweder über BoundaryScan verfügen oder es soll im Flash ein
Testprogramm während des InCircuit - Tests laufen. Der Takt des Prozessors soll stimulierbar sein.
- Batterien erst nach dem InCircuit – Test bestücken
1.2. QS im Einkauf
Ein seriöses Einkaufsmanagment verlangt für jedes Bauteil eine detaillierte Spezifikation verfügen. Wichtige
wichtige Angaben in Spezifikationen sind :
- Spezifikation der Aufgabe mit Blockbild
- Spezifikation der Signalpegel
- Spezifikation der Versorgungspegel
- Spezifikation der Stecker
- Spezifikation Gehäuse und Montagebohrungen incl. Zeichnungen
- eventuelle Einstellanleitungen
- Spezifikation der Umweltbedingungen und Schutzart
- Angaben über anzubringende Teilenummer
- Spezifikation eventueller Herstellungsvorschriften ( Lackierung, Lack, Bohrerwechsel,
In-Circuit-Test,.. )
- Spezifikation der druchzuführenden Warenausgangstests beim Hersteller
- Erstellung und Änderungen von Spezifkationen müssen in der Spezifikation mit Datum und Namen
vermerkt sein
- Änderungen von Spezifikationen sind firmenintern mitzuteilen
Technische Angaben und Hersteller - Lieferadressen sollten getrennte elektronische Dokumente sein : Die
Wartung von Spezifikationen liegt beim technischem Fachpersonal, Hersteller/Lieferadressen können eventuell
zur Änderung durch den Einkauf freigegeben werden.
Spezifikationen sollten in Datenbanken erfasst werden ( elektronische Spezifikationen ) . Das garantiert leichte
Änderbarkeit, Versionsverwaltung, verhindert eine Papierflut und erlaubt den Zugriff auf immer aktuelle Daten.
Ein Verfügbarkeit über das Internet kann für den Service wertvoll sein. Zweckmäßig ist das Ablegen der Daten
auch in die Steuerung ( in die Reparatur- und Wartungsdatenbank ) um Sie bei Reparaturen abrufen zu können.
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Eine Wareneingangskontrolle ist für spezifizierte Prototypen unerläßlich. Die Wareneinganskontrolle und
Versuche zur Dauerbelastung und Zyklenzahl von Waren, Sensoren und Maschinenteilen kann mit IPC's und
speziellen Testsystemen oder Steuerungsprogrammieroberflächen ( eventuell zusätzlich Visualisierung und
Datenbank ) automatisiert werden. Oft genügt eine stichprobenartige Testung. Der Aufwand für die
Wareneingangskontrolle richtet sich nach den eventuellen Schadensausmaßen, der Personengefährdung und der
Bewährtheit des Produktes und nach eventuellen Referenzen. Die Verlagerung der Wareneingangstestung hin
zum Lieferanten als Warenausgangstestung ist vernünftig, aber unsicherer als die eigene Testung.
Stecker
Nicht ganz unerheblich ist die Steckerproblematik in der Maschinen-Steuerungstechnik. Achten Sie auf
'vorgehende' Kontakte, die Schutzart, eventuelle Codierungsnotwendigkeit, Platzbedarf, Schirmeignung und die
Montagefreundlichkeit. Mil-Ausführungen sind teuer und nicht immer die besten Lösungen. Kunststoffstecker
sind nicht korrosionsgefährdet wie die meisten Metallstecker ( auch Alu ist korrosionsgefährdet ! ).
1. 3. QS bei der Lagerung
Eine sachgemäße Lagerung erfolgt entsprechend der Herstellererfordernissen und ein softwarebasiertes
Ausscheidesystem für abgelaufene Ware.
1.4. QS bei der Verarbeitung
Zur überwachten Fertigung gehören Stichproben von chemischen Bädern, von Platinenschliffbildern, BauteilTestung, Mannschaftsschulung, Führung von Statistiken über Ausfälle im Prüffeld / Ausfälle im Feld und über
Kundenreklamationen, Zuteilung von Verantwortlichkeiten für die Qualitätssicherung, Einhaltung der
einschlägigen Normen, Fertigungstests zur Prüfung der Fertigungsqualität.
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2. Verifizierung der Fertigungsqualität: Fertigungstests
Die Fertigungstests dienen nicht direkt der Qualitätssicherung sondern der Evaluierung der Funktion der
Qualitätssicherung im Einkauf und der Fertigung. Zu den Fertigungstests gehören :
-
InCircuit-Tests
Funktionstests
Echtzeittests
Umwelttests (Temperatur-/Klima-/Vibrationstests )
Im InCircuit – Test werden die bestückten Leiterplatten mit Nadeladaptern kontaktiert und zuerst ohne
Betriebsspannung auf Leiterbahnunterbrechungen und Kurzschlüsse, Bestückungsfehler und dann unter
Betriebsspannung auf Bauteildefekte getestet.
Funktionstests werden mit teilfertigen/fertigen Baugruppen gefahren. Spezielle Testprogramme laufen auf den
Prozessoren der Baugruppe. Sämtliche I/Os der Baugruppe sind an einem Testgerät ( meist PC mit I/O-Karten )
angeschlossen. Das Funktionstest - Programm testet mit Prüfpatterns an den I/Os der Baugruppe.
Im Echtzeittest wird das Arbeitsprogramm in die Baugruppe geladen. Die Baugruppe kann sich noch am
Funktionstester oder bereits in der Maschine befinden.
Umwelttests d.h. Temperatur/Klima/Vibrationstests werden oft getrennt, besser aber kombiniert durchgeführt.
Den eigentlichen Klimatests kann eine Voralterung im Temperaturschrank vorausgehen. Beim eigentlichen
Klimatest ist die zu testende Baugruppe im Klimaschrank in Funktion und es werden Testprogramme (
Funktionstests ) gefahren.
Kosten der Testung in einem optimal gemanagten Qualitätssicherungssystem
Hardware-Test-Kosten
20
10
3
1
InCircuitT. UmweltT. FunktionsT.
EchtzeitT.
entdeckte Fehler
100%
85%
2%
5%
1%
0
InCircuitT. UmweltT. FunktionsT.
EchtzeitT.
Die Bedeutung des InCircuit – Tests ist deutlich zu sehen.
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2.1 In Circuit Testung
Der Nadeladapter ist am Rand mit einem gegen die Platine dichtenden Gummi versehen. Ein Vakuum zieht die
Platine auf den Adapter und die federnden Nadeln werden auf die hierfür im Design vorgesehenen Testpads
gedrückt. Um mit einem Adapter auskommen zu können, sollen alle Testpads auf der Lötseite liegen. Jeder
Leiterzug ( man spricht jedes Netz ) muss mit einem Testpad versehen sein. Bei Leiterzügen an bedrahteten
Bauteilen kann das Testpad entfallen : diese Leiterzüge werden durch Aufsetzen von Kronennadeln auf die Pins
des Bauteils auf der Lötseite kontaktiert. Leiterzüge die auf Platinen-I/Os führen sollten nahe den
Steckern/Klemmen mit Kontaktierungspads versehen sein, um den ganzen Leiterzug mittesten zu können.
Sämtliche Nadeln sind auf eine Relaismatrix verdrahtet. Sie erlaubt die beliebige Verschaltung der Nadeln mit
Messverstärkern, Signalgeneratoren und Spannungs-/Stromquellen. Die Verschaltung erfolgt automatisch im
InCircuit - Tester mit geeigneten Testprogrammen.
2.1.1. Kontaktierungstest
In der ersten Stufe des InCircuit - Tests erfolgt ein Kontaktierungstest. Er prüft den guten Kontakt der Nadeln
auf den Testpads. Der Test erfolgt so, dass eine Spannung von 200mV ( unter der Durchlassspannung der
Dioden auf der Platine ) auf die Nadeln gelegt wird und Widerstand eines jeden Netzes gegen jedes andere Netz
bestimmt wird. Kontakt liegt vor, wenn R< 8Mohm.
2.1.2. Kurzschlußtest
Der Test erfolgt so, dass eine Spannung von 200mV ( unter der Durchlassspannung der Dioden auf der Platine )
auf die Nadeln gelegt wird und Widerstand eines jeden Netzes gegen jedes andere Netz bestimmt wird. Ein
Kurzschluß zwischen zwei Netzen liegt vor, wenn R< 10Ohm.
2.1.3. Bestückungstest
Phase 1
In der ersten Phase erfolgt der Bestückungstest ohne Betriebsspannung. Im Bestückungstest wird das
Vorhandensein eines Bauteils, seine richtige Einbauposition ( Verpolung ), und soweit als möglich seine
Funktion überprüft. Die Prüfung erfolgt mit Spannungsquellen mit Strombegrenzung oder Stromquellen mit
Spannungsbegrenzung. Dabei wird mit der sogenannten Guard – Methode jedes Bauteil selektiv geprüft
obwohl es sich in einem Netzwerk von verbundenen Bauteilen befindet. Eine Ausnahme bildet der seltene Fall
von zwei parallel geschalteten Widerständen. Dort ist eine selektive Messung nicht möglich aber auch wenig
sinnvoll.
Ua = 0.2*R/Rx ( Rx = 0.2R/Ua )
Guard Methode zur selektiven
Messung von Rx eingebettet in ein
Widerstandsnetzwerk bestehend aus 3
Widerständen
R1
R2
Rx=? ( zu prüfen )
R
200mV
Guard - Punkt
R1
R2
Rx
Die Guard-Punkte werden vom InCircuit - Tester automatisch durch Probieren ermittelt : Eine als funktionierend
bekannte Schaltung wird in den Tester gelegt und der Tester variiert die Guard-Punkte bis er den richtigen
Bauteilwert erkennt. Die Messung niederohmiger Widerstände kann, wenn geeignete Pads vorgesehen sind, auch
in der 4- und 6- Leitermethode erfolgen.
Im der ersten Phase des Bestückungstests werden zuerst die passiven Bauteile geprüft, dann die Transistoren (
pnp oder npn, und die Schaltfunktion ) , die Dioden ( Polung, Funktion ) , und Z-Dioden ( Polung, Z-Spannung ).
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Phase 2
Erst in der zweiten Phase des Bestückungstests wird die Betriebsspannung an die Baugruppe angelegt. Diese
Vorgehensweise des späten Anlegens der Betriebsspannung erst nach dem Kurzschlusstest und weitestgehenden
Bauteiletests garantiert ein möglichst stressfreies Testen der Bauteile.
In der zweiten Phase wird nach dem Anlegen der Betriebsspannung die Funktion der OPs geprüft : Sie werden
als Komparatoren einmal mit positiver Spannung beaufschlagt und einmal mit negativer. Der Ausgang muß
entsprechend ‚schalten’.
Phase 3
In der dritten Phase des Bestückungstests werden die Digital – ICs geprüft. Diese Prüfung sollte wenn möglich
anhand der sogenannten Funktionsmodelle erfolgen. Funktionsmodelle sind vom Hersteller erstellte
Funktionsbeschreibungen im ASCII – Format, die die Funktion des Bauteils incl. Zeitverhalten sehr gut
beschreiben. Die Funktionsmodelle können vom InCircuit - Tester abgearbeitet werden. Voraussetzung für die
Anwendbarkeit von Funktionsmodellen ist das Vorhandensein solcher, Vorhandensein im Sprachformat des
verwendeten InCircuit - Testers, und ein Design dass das Herauslösen des zu prüfenden ICs aus der Schaltung
erlaubt. Das Herauslösen von Digital – ICs aus einer Umgebung von Digital – ICs ist durch Aktivierung des
Tristate-Zustandes aller berührender ICs möglich. Damit der InCircuit - Tester die ICs hochohmig schalten kann
muss der OE ( bzw. OE ) weich über einen Widerstand ( 500 Ohm bis 10k) auf Masse / Vcc gelegt sein. Nur so
kann der Tester den OE auf eine beliebiges Potential zwingen und beliebige Bausteine auf Tristate schalten.
Dies ist ein wichtiger, im Design zu beachtender Punkt.
IC1
IC2
IC3
1k
OE
Testpad für OE
Vcc
Funktionsmodelle sind für viele ICs sogar für Prozessoren erhältlich. Bei der Testung von Prozessoren werden
sämtliche Befehle und Prozessorfunktionen getestet. Der InCircuit - Tester emuliert dabei mit geeigneten
Testpatterns an den Prozessorpins den Programmspeicher und die nötige Peripherie zur Testung der Befehle. Ist
kein Funktionsmodell vorhanden, kann ein solches erstellt werden. Die Erstellung ist aber sehr zeitaufwendig
und teuer. Ein Kompromiss hinsichtlich der perfekten Testung stellen die folgenden Ersatzmethoden zur Testung
mit Funktionsmodellen dar. Die Ersatzmethoden stellen eine preisgünstige Alternative zur Modellerstellung dar.
Ersatzmethoden sind :
- Boundary Scan / InCircuit
- Q-Probe
- Flying – Probe ( nur Protoypen )
- reiner Boundary Scan - Test
2.2. Ersatzmethoden
2.2.1. Boundary Scan / InCircuit
In BoundaryScan – ICs ( derzeit nur für Digital – ICs genormt ) liegt zwischen den IC-Pins und der internen
Logik ein Register, das BoundaryScan – Register BSR. In das BSR können über den seriellen BoundaryScan –
Bus Daten geschrieben werden. Das Kontaktieren der 5 Leitungen des BoundaryScan Busses und das
Beschreiben des BoundaryScan Registers erfolgt über den InCircuit - Tester. Die Daten des BoundaryScan
Registers können dann auf die I/O-Pins gelegt werden. Wenn jedes Netzwerk das einen Pin des ICs kontaktiert
mit einer Testnadel kontaktierbar ist, kann das in das BSR- Register geschriebene Testmuster über die Prüfnadel
auf den die I/O-Pins kontaktierenden Netzwerken verifiziert werden. Damit ist die Verlötung des ICs
einwandfrei geprüft. BoundaryScan – ICs bieten oft auch die Aktivierung von Selbstestroutinen an, sodaß auch
die IC- Funktion weitestgehend sicherstellbar ist. Schließlich können die sogenannte IC-ID ( IC-identification )
und Hersteller-ID ausgelesen werden. Damit wiederum ist die richtige Bestückung prüfbar. Die volle
Erreichbarkeit eines I/O-Pins mit BS und mit den Nadeln wird als ‚voller Durchgriff’ bezeichnet. Siehe auch :
‚2.2.4.BoundaryScan’ .
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2.2.2. Q-Probe
Für den Fall, dass für einen IC weder ein Funktionsmodell verfügbar ist, noch die Herstellung eines solchen als
lohnend angesehen wird, und auch keine Boundary Scan Variante des ICs verfügbar ist, kann wenigstens mit der
Methode der Q-Probe auf ordentliche Verlötung getestet werden. Die Q-Probe erfolgt im InCircuit - Tester. An
den zu prüfenden IC wird eine flächige Prüfsonde herangeführt. Diese wird mit Wechselspannung gespeist.
Sämtliche Netze werden vom InCircuit - Tester auf Masse gelegt. Nur jenes nicht, das die Verlötung des zu
prüfenden Pins kontaktiert. Ist an jenem Netz eine Spannung messbar, ist die Verlötung in Ordnung. Ist keine
Spannung messbar, so ist die Verlötung des Pins fehlerhaft. Die Spannung an dem nicht auf Masse liegenden
Netz und Pin entsteht aufgrund der kapazitiven Kopplung der Q-Probe zum IC.
2.2.3. Flying Probe
Der Flying-Probe Tester besitzt nur 4-8 Nadeln, die mit Roboterarmen an die Testpads bewegt und aufgesetzt
werden. Der Flying-Probe Tester ist nur zur Testung ganz kleiner Serien wirtschaftlich verwendbar. Sein Vorteil
besteht darin, dass kein Nadeladapter gebaut werden muß. Allerdings sind die Testmöglichkeiten eingeschränkt
gegenüber dem InCircuit - Tester : nur eine geringe Anzahl von Guard-Punkten möglich, kein voller Durchgriff,
keine Q-Probe, schließlich ist er sehr langsam ( max 10 Messungen / s ).
2.2.4. Boundary Scan
Wenn InCircuit – Testung wegen der hohen Investitionskosten nicht gemacht werden kann, bietet sich im reinen
BoundaryScan – Test eine Alternative, die aber qualitativ nicht so hochstehend und nicht so schnell wie die
Testung mit dem InCircuit – Tester ist. Für gute BoundaryScan - Testung werden möglichst nur BoundaryScan
Digital -ICs auf der Platine verwendet. Analogbauteile mit BoundaryScan sind in Entwicklung. Der
BoundaryScan Bus wird seriell von Baustein zu Baustein geführt. Testung auf Kurzschlüsse, Unterbrechungen
von Leiterbahnen und IC-Funktionstests sind selektiv möglich. Siehe auch Skriptum ‚JTAG BoundaryScan’.
2.3 Schaltschränke, Schaltschrankverdrahtung und Testung
Schaltschränke sind zu verwenden :
- wenn Leistungen geschaltet werden müssen zum Schutz der Leistungsschalter
- eine besondere Schutzart dies erfordert
- empfindliche Geräte untergebracht werden müssen
- Eventuell, wenn sehr viele I/O's an einem Ort zusammenkommen
sonst ist es meist billiger IP67 - I/O - Module im Freien anzubringen und über einen Feldbus zu bedienen.
Schaltschrankheizungen verhindern Kondenswasserbildung. Sonneabschattbleche, Schaltschranklüfter mit
Staubfilter, Schaltschrankkühlgeräte, die Montage auf Schwingelementen sind bei ungünstigen
Umgebungsbedingungen vorteilhaft.
Testen der Schaltschrankverdrahtung :
Zum Testen der Schaltschrankverdrahtung dienen vorwiegend PC's mit I/O-Karten an die die
Schaltschrankklemmen angeschlossen werden. Wenn keine Schraubklemmen zur Weiterverdrahtung ab dem
Schaltschrank sondern Stecker und Kabelbäume verwendet werden, ist die Testung besonders einfach : Sie
müssen nur angesteckt werden und der Test kann laufen. Deshalb empfiehlt sich dringend die Verwendung von
Kabelbäumen und Steckern. In den Test sollte auch die I/O-Modul-Terminals der Steuerung miteinbezogen
werden. Das kann dann besonders einfach erfolgen, wenn die I/O-Module einen Feldbusanschluß haben.
Ansonsten muß der Verdrahtungstester über die Steuerung auf die I/O-Module zugreifen.
Als Software zur Schaltschranktestung sind verschiedene Produkte erhältlich. Bedingt geeignet sind PCMeßprogramme ( LabView,.. ) oder PC-SPSen. Nur wenn gleichzeitig mit dem Schaltschranktest ein
Softwarefunktionstest der Steuerung durchgeführt werden soll , ist als Testsoftware wieder eine
Steuerungsprogrammieroberflächen sinnvoll. Sonst ist eine automatische Generierung des VerdrahtungsTestprogrammes aus den Daten des Schaltplanes zweckmäßiger. Der Schaltplan muß dann mit einem ElektroCAD erstellt worden sein.
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3. Anhang : automatische Auswertung der CAD-Daten
CAD-Schaltplan
->
CAD-Bauteilliste :
1;C15;n3.3;t5%;g17;p2;xxxxxx;smd;ps13;px113;py37;Kommentar;
2;R33; ..
..
53;Z7; x;x;x;x;x;x;ps3;px153;py87;Testpad;
Erläuterung :
1;C15;n3.3;t5%;g17;p2; xxxxxx;
smd;ps13;px113;py37;Kommentar
BauteilNummer; Bauteilbezeichnung; Wert; Toleranz; Gehäuse;Pins; Firmenidentnummer ;
smd-Bauteil;Schaltplanseite;Schaltplan-x-Pos;Schaltplan-y-Pos; Kommentar
CAD-Schaltplan
->
CAD –Netzliste :
Erläuterung :
1;;3/1;12/11;27/3;12/4;
NetzNummer;;Bauteilnummer/Bauteilpin;Bauteilnummer/Bauteilpin;..
CAD-Layout
->
1;;3/1;12/11;27/3;12/4;
2;;...
Bauteilliste2 :
Bauteilliste2 = Bauteilliste mit eingearbeiteter Layoutinformation und eingearbeiteter TestPad-Information :
1;C15;n3.3;t5%;g17;p2;w90;s1;x242;y122;xxxxxx;smd;ps13;px113;py37;Kommentar;z17;z23;
..
Erläuterung :
1;C15;n3.3;t5%;g17;p2;
w90;s1;x242;y122;xxxxxx;
smd;ps13;px113;py37;
Kommentar;z17;z23;
Nummer; Bauteilbezeichnung; Wert; Toleranz; Gehäuse;Pins;
Winkel,Bestü-Seite;x-Pos-Layout;y-Pos-Layout;Firmenidentnummer
smd-Bauteil;Schaltplanseite;Schaltplan-x-Pos;Schaltplan-y-Pos
Kommentar; Pad-Nummer1; PadNummer2;..
Bauteilliste2
->
Bohrfile für Nadeladapter :
1;x123;y245;d0.2;
2;x113;y54;d0.1;
..
Anzahl der Testpads
->
Nadelliste :
Z1=12.3
Z2=13.7
..
Erläuterung :
Die Nadelliste wird vom InCircuit – Tester erzeugt und schafft eine Zuordnung von Nadelbezeichnung und Padbezeichnung Zxx
Layout,Nadelliste
->
Klebefolie für den Adapterbau :
3.5
12.4
1.12 4.7
Die Bezeichnung Zxx wird durch die Nadelnummer aus der Nadelliste ersetzt.
Bauteilliste2
->
File für Bestückungsautomaten : 1; n3.3; g17; w90;s1;x242;y122;
…
Bauteilliste2,Nadelliste
->
Programm für den Tester :
C(nF)=2.2;Cmin(nF)=1.8;Cmax(nF)=2.6;TP13.8;TP12.9;delay(0ms);
R(kOhm)=47;Rmin(kOhm)=43;Rmax(kOhm)=51;TP5.8;TP12.1;delay(2ms);
...
Im wesentlichen wird die Bezeichnung Zxx für die Pads durch die Zuordnung in der Nadelliste ersetzt und bauteilspezifische Testdaten (
Rmin,.. ) hinzugefügt.
spa
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