Fehlerfrei durch die Produktion: Elektrische PCB Tests vorgestellt

1. Einleitung

Hardware Testing ist in der Elektronikproduktion unabdingbar, denn Fehler in der Elektronikproduktion können weitreichende Folgen haben – von kostspieligen Rückrufen bis hin zu beschädigten Kundenbeziehungen. Mit der Kombination von verschiedenen optischen und elektrischen Tests innerhalb des Produktionsprozesses soll die Funktionalität der elektronischen Baugruppe sichergestellt werden, indem Fehler möglichst früh erkannt oder besser, gänzlich vermieden werden. Hardware-Testing ist somit ein wichtiges Mittel zur Qualitätssicherung, zur Vermeidung kostspieliger Rückrufe und Reparaturen sowie zur Prävention beschädigter Kundenbeziehungen.

Im Produktionsprozess von elektrischen Baugruppen, werden normalerweise optische und elektrische Tests durchgeführt. Die gängigsten elektrischen und zerstörungsfreien Hardwaretests sollen vorgestellt und miteinander verglichen werden:

• In-Cirquit-Test (ICT)
• Flying Probe Test (FPT)
• Funktionstests (FT)
• End-of-Line Test (EOL-Test)

2. Integrationstest: End-of-Line Tests

Ein End-of-Line-Test (EOL-Test) ist ein Prüfverfahren, das am Ende einer Produktionslinie durchgeführt wird, um sicherzustellen, dass ein fertiges Produkt alle Qualitäts- und Funktionsanforderungen erfüllt. Ziel ist es, defekte Produkte vor der Auslieferung an den Kunden zu erkennen und auszuschliessen. Schlussendlich soll mit dessen Daten aber auch der Produktionsprozess optimiert werden.
In End-of-Line-Tests steht vorwiegend die Verifikation des korrekten Zusammenspiels verschiedener elektrischer Baugruppen mit ihren Sensoren, Aktoren, Anzeigen oder auch mit entfernten Diensten im Vordergrund. End-of-Line-Tests werden auch möglichst unmittelbar vor dem Zusammenbau des Produkts durchgeführt, sobald das Produkt funktioniert, jedoch noch nicht im Gehäuse verbaut wurde.

3. Modultest: PCB Functional Test

Ein Funktionstest (Functional Test, FCT) von Leiterplatten (PCBs) ist ein Verfahren, bei dem die elektrische und funktionale Integrität der Platine geprüft wird. In der Regel werden Baugruppen bzw. ein Funktionsblock getestet, also ein funktionaler Zusammenschluss von mehreren elektronischen Bauteilen und nicht einzelne Bauteile. Ziel ist es, sicherzustellen, dass das PCB im Betrieb wie vorgesehen funktioniert und alle Spezifikationen erfüllt. Dabei werden reale Betriebsbedingungen simuliert, um die Interaktion der Komponenten zu testen und mögliche Fehler wie Kurzschlüsse, defekte Bauteile oder fehlerhafte Schaltungen zu erkennen. Interagiert ein Funktionsblock mit Sensoren oder Aktoren werden diese im Funktionstest meist simuliert. Bei einem Test eines Motorentreibers kann der anzuschliessende Motor zum Beispiel auch mit einem Lastwiderstand simuliert werden.

3.1 Wichtige Komponenten eines Funktionstests

Eine Funktionstestinfrastruktur besteht meist aus folgenden Komponenten:

• «Bed of Nails» Testadapter/ Nadeladapter
• Testsoftware
• Mess- und Prüfinstrumente
• Spannungsversorgung
• Kommunikationsschnittstellen
• Lastsimulation
• Testplan und Dokumentation

Die folgende Bildreihe soll das Zusammenspiel verschiedener Komponenten verdeutlichen.
In Abbildung 1 ist ein Funktionstest-Turm zu sehen. Dieser enthält Spannungsversorgungen wie auch Mess- und Prüfinstrumente um am Prüfling Lasten zu simulieren oder Signale zu messen. Über ein Kontakt-Interface wird der Prüfadapter angeschlossen. Es wird lediglich der Adapter an den Prüfling angepasst. Der Funktionstest-Turm bleibt immer derselbe.

Abbildung 1: Funktionstest-System ohne Nadeladapter

Der Testadapter in Abbildung 2 ist die mechanische Vorrichtung, die den Prüfling mit dem Testsystem verbindet. Er ermöglicht den Zugriff auf Leiterbahnen und Kontaktierungsstellen des Prüflings. Die Funktionsgruppen können so getestet werden. Der Testadapter wird meist speziell für den Prüfling entwickelt. Über ein Interface auf der Rückseite des Adapters kann der Prüfling mit Prüfequipment, wie Messinstrumente oder Spannungsversorgungen verbunden werden.

Hier ist ausserdem die Verkabelung vom Adapterinterface zu den Kontaktnadeln zu sehen. Im Betrieb ist dieser Teil des Adapters geschlossen und nicht zugänglich.

Abbildung 2: Nadeladapter als Schnittstelle zum «Printed Circuit Board»

In Abbildung 3 ist ein eingelegter Prüfling ersichtlich. Niederhalter halten die bestückte Leiterplatte in der vorgesehenen Position. Sobald der Adapter geschlossen wird, kontaktieren von unten dünne Nadeln mit der Unterseite der Leiterplatte. Die Nadeln sind in Abbildung 4 ersichtlich.

Abbildung 3: PCB wird mit Niederhalter im Testadapter fixiert. Kontaktierung von Nadeln auf der Rückseite

Abbildung 4: Inline-Adapter offen

4. Bauteiltests

Sowohl beim In-Circuit Test als auch beim Flying Probe Test steht die Prüfung von Bauteilen oder Signalen im Vordergrund. Meist finden passive Messungen von Spannung, Widerstand, Kapazität und Induktivität auf Bauteilebene statt oder es werden gezielt Spannungen angelegt und digitale Signale geprüft. Eingeschränkt werden auch funktionale Tests durchgeführt.
Die Bauteiltests werden zum Teil automatisch generiert, indem vorher über entsprechende Software eine Teststrategie konfiguriert und die Rohdaten des PCB Layouts importiert werden.

4.1 In-Circuit Test (ICT)

Der In-Circuit-Test von bestückten Baugruppen kann direkt nach dem letzten Bestück- und Lötprozess erfolgen, noch bevor die Baugruppe erstmals einer Funktionsprüfung unterzogen oder an die Betriebsspannung angeschlossen wird. Bei komplexeren Leiterplatten wird oft zuerst ein In-Circuit-Test durchgeführt, dann folgt ein On-Board-Programming, um entsprechende Chips zu programmieren, und zuletzt wird noch ein Funktionstest durchgeführt.

Die Hardware ähnelt stark der eines Funktionstests, wie in den Bildern in Abschnitt 3.1 dargestellt. Der Hauptunterschied liegt in der Art der Prüfung und so auch bei den verbauten Mess-und Prüfinstrumenten des In-Circuit-Testers. Wie auch beim Funktionstest muss prüflingsspezifisch jeweils ein Adapter entwickelt werden.

4.2 Flying Probe Testing

Flying-Probe-Testing ist ein Testverfahren für Leiterplatten (PCBs), bei dem bewegliche Testnadeln (Probes) verwendet werden, um elektrische Verbindungen und Bauteile direkt auf der Platine zu prüfen. Im Gegensatz zu traditionellen Testmethoden wie dem In-Circuit-Test benötigt der Flying Probe Test keine festen Testadapter, sondern flexible, programmierbare Probes, die entsprechende Messungen und Signalprüfungen an Bauteilen vornehmen.
Das Verfahren eignet sich besonders für kleine Serien oder Prototypen, da kein Nadeladapter erforderlich ist und so die Fixkosten geringer sind. Die Kontaktierung zum PCB wird von den Probes übernommen. Flying-Probe-Tests sind schnell einrichtbar, bieten hohe Flexibilität und ermöglichen eine genaue Prüfung auch bei komplexen oder dicht bestückten Leiterplatten.

Abbildung 5: Probes oder Messspitzen einer Flying Probe Maschine

Abbildung 6: Probes oder Messspitzen einer Flying Probe Maschine

4.3 Vergleich In-Circuit-Test und Flying Probe Test

5. Einordnung der Hardwaretests

Die vorgestellten Tests können bezüglich ihrer Testart folgendermassen unterteilt werden:

• In-Circuit- und Flying Probe Test, die elektronische Defekte auf Bauteilebene erkennen.
• Funktionstests, die fehlerhaftes Verhalten eines Bauteilverbunds, also einer Baugruppe innerhalb einer Leiterplatte, erkennen.
• End-of-Line-Tests, die das korrekte Zusammenspiel mehrerer Baugruppen verifizieren – Verifikation der funktionalen Anforderungen eines möglichst fertig zusammengebauten Produkts.

Analog zu den Softwaretests – Unit Tests, Integration Tests und System Tests – lassen sich auch die elektrischen Hardwaretests anhand der Kriterien «Number of Components», «Cost of Defects» und «Number of Test Cases» in einer Testpyramide darstellen.

Während beim Flying Probe und In-Circuit-Test vergleichsweise sehr viele Testfälle auf Bauteilebene durchgeführt werden, sind es beim End-of-Line Test dann deutlich weniger. Dafür sind beim End-of-Line Test in einem einzelnen Testfall gleich mehrere Baugruppen involviert um deren korrektes Zusammenspiel zu verifizieren. Wird bei den Bauteiltests, Flying Probe oder In-Circuit-Test ein Defekt entdeckt, so ist deren Reparatur noch deutlich kostengünstiger als wenn beim End-of-Line Test ein Defekt oder ein Fehlverhalten identifiziert wird, denn im End-of-Line Test muss das defekte Bauteil in einem zusätzlichen Schritt erst ausfindig gemacht werden. Im End-of-Line Test sind die Kosten zur Behebung eines Fehlers und die beteiligten Komponenten an einem Testfall also hoch und die Anzahl der durchgeführten Testfälle im Vergleich zu einem In-Circuit Test tief.  Dieser Sachverhalt ist in Abbildung 7 dargestellt.

Abbildung 7: Einordnung der Hardwaretests

Es ist nun die Aufgabe eines Testingenieurs mithilfe der vorgestellten Tests eine auf das Produkt passende Teststrategie auszuarbeiten.