Alte Teststrategien sind nicht mehr effizient
Die Leiterplatten werden immer kleiner und der Funktionsumfang nimmt zu. Dadurch werden im Design häufig Mindestabstände unterschritten und Testpunkte eingespart. Das führt in der Elektronikfertigung zu Problemen und der Testaufwand erhöht sich. Trotzdem erwarten OEMs individuelle Tests mit zuverlässigen Testkonzepten. Hier sind andere Teststrategien erforderlich, sagt der EMS-Dienstleister Ihlemann.
Probleme in der Elektronikfertigung werden vermieden, wenn in der Entwicklung und beim Design nationale und internationale Standards, die Vorgaben der Bauteilhersteller sowie spezifische Anforderungen der Fertigungsmaschinen genau eingehalten werden. Soweit die Theorie. In der Praxis bestimmen dagegen enge Termine und häufige Änderungen den Alltag in der Produktentwicklung. Fertigungs- und Testvorgaben stehen auf der Prioritätenliste dann meist weiter unten.
Werden die Designregeln nicht eingehalten und beispielsweise Mindestabstände unterschritten, sind die automatisierten Fertigungs- und Testverfahren häufig nicht mehr anwendbar. Dadurch können hohe Handlingkosten anfallen, aufwendige Hilfskonstruktionen erforderlich werden oder die Leiterplatten müssen manuell bestückt und gelötet werden. Außerdem sollte jeder elektrische Netzknoten mit einem Testpunkt versehen werden. Fehlen Punkte, werden Funktionen nicht ausreichend geprüft und Bauteilfehler möglicherweise übersehen. Solche Fehlentwicklungen sind nicht notwendig, sagt die Ihlemann AG. Mit den ersten Herstellern wurden bereits neue Strategien entwickelt, um das Design for Manufacturing (DfM) bzw. Design for Assembly (DfA) und Testability (DfT) auf neue Weise zu gewährleisten.
Die Testanforderungen haben sich verändert
„Die Qualität und die Möglichkeiten der Fertigungs- und Prüfverfahren sind in den letzten Jahren trotz Miniaturisierung und höheren Packungsdichten enorm gestiegen. Wir haben sehr gute Erfahrungen mit der 3D-Pasten-AOI, einer schnellen Bestückungs-AOI in Verbindung mit der 3D-Erkennung sowie mit der Röntgenkontrolle bei verdeckten Lötstellen. Bei den anschließenden Funktionstests spielen Lötfehler praktisch keine Rolle mehr“, berichtet Bernd Richter, Vorstand bei der Ihlemann AG.
„Bei den gefertigten Baugruppen ist das Qualitätsniveau innerhalb von sechs Jahren um den Faktor fünf gestiegen und die Rückläufer von Kunden liegen unter 0,5 %“, nennt Richter aktuelle Qualitätskennzahlen. Trotzdem behalten die elektrischen Tests ihre Berechtigung. Während früher überwiegend Lötfehler gefunden wurden, stehen heute Qualitätsmängel von Bauteilen im Vordergrund. Außerdem kann das fehlerfreie Zusammenspiel von Baugruppe und Firmware erst im Funktionstest überprüft werden.
Angesichts immer kleinerer Lose und engerer Zeitpläne sind die Aufwände für Testadapter, Prüfprogramme und Rüsten der Testumgebung sensible Kostenfaktoren. Werden außerdem Regeln für Mindestabstände oder Testpunkte nicht eingehalten, steigen Zeit und Kosten. „Innovative Fertigungs- und Testverfahren sind vorhanden. Mit den alten Abläufen vom Design bis zur Auslieferung werden die Möglichkeiten allerdings nicht ausgenutzt“, beschreibt Bernd Richter den Handlungsbedarf. Die neuen Fertigungs- und Teststrategien sollen deshalb bereits beim Design ansetzen und den gesamten Workflow begleiten.
Die neue Strategie beginnt bereits beim Design
„Wenn wir bereits beim Design und in der Entwicklung elektronischer Baugruppen die Fertigungs- und Testanforderungen berücksichtigen, können wir anschließend wertvolle Zeit und im nennenswerten Umfang Kosten sparen“ nennt Bernd Richter den Ausgangspunkt der neuen Strategie. In einem Pilotprojekt entwickelten die Entwickler des Kunden und die Testexperten von Ihlemann Standards für künftige Entwicklungsprojekte. So wurde überlegt, wie Designregeln beispielsweise für die Platzierung von Testpunkten und für den Abstand von Bauteilen (Bauteilfreiheit) als Entwicklungsstandards festgelegt werden können. Damit soll beim Design einer Baugruppe bereits die Prüfstrategie berücksichtigt werden. In diesem Projekt stellte sich heraus, dass auch bei unterschiedlichen Baugruppen ein beachtlicher Anteil an Funktionen gleich bleibt. Für die wiederkehrenden analogen und digitalen Signale können somit auch die gleichen Testpunkte und Prüfverfahren verwendet werden. Daraus folgte die Definition einer einheitlichen Masterschablone für diese Baugruppen. Sie legt einen Minimalsatz an wiederkehrenden Testpunkten als verbindliche Vorgabe für das Design fest.
Weil die Anordnung der Testpunkte jetzt auch bei unterschiedlichen Baugruppen gleich bleibt, können auch die Prüfadapter mehrfach genutzt werden. Der Aufwand für neue Prüfadapter entfällt oder es fallen nur geringe Anpassungskosten an. Durch diese Standardisierung sind schließlich auch die Prüfprogramme mehrfach nutzbar. In einem Pilotprojekt mit einer Masterschablone für acht Baugruppen mit gleicher Kontur aber unterschiedlichen Funktionen verringerte sich der Materialeinsatz für die Testerstellung um 75 % und der Zeitaufwand um 50 %.
Softwaregestützte Design-Evaluierung
Im Workflow vom Design bis zur Fertigung können noch weitere Verfahrensbrüche beseitigt werden. So wird bei der Übertragung einer Baugruppe von der Entwicklung an die Elektronik-Fertigung seit den 80/90er Jahren das Gerber-Format als Standard-Austauschformat verwendet. Die Gerber-Daten im ASCII-Format bestehen aus einfachen Objektbeschreibungen, X- / Y-Koordinaten und Steuerfunktion. Das Gerber-Format enthält nach den Erfahrungen der Ihlemann AG lediglich 15 Prozent der für die Fertigung notwendigen Informationen.
Die kompletten CAD-Daten umfassen bereits 80 Prozent und das umfassendere Austauschformat ODB++ nahezu 100 Prozent der für die Fertigung notwendigen Daten. ODB++ umfasst Informationen über Bauteilabmessungen, Lötflächen, Lagenaufbau, Netzliste mit Prüfpunkten, Stücklisten, Fertigungsnutzen und Infos zum Stromlaufplan. Den erweiterten Informationsumfang von CAD bzw. ODB++ nutzt die Ihlemann AG für eine softwaregestützte Design-Evaluierung.
Schneller zur Serienfertigung
Bei der Design-Evaluierung wird die Bestückung digital simuliert und die Designregeln automatisiert angewandt. Mithilfe von solchen Regelkatalogen kann Ihlemann jetzt vor dem Beginn der Fertigung zuverlässig prüfen, ob die Bauteile auf die Leiterplatte passen, ob die Pad-Auswahl stimmt, die Abstände bei den Prüfpunkten stimmen und ob die Vorgaben der Bauteilhersteller eingehalten wurden. „Nachdem wir viele PCB-Design softwaregestützt evaluiert haben, finden wir durch unsere Regelkataloge inzwischen etwa 95 Prozent der typischen Designfehler. Die restlichen 5 Prozent betreffen sehr individuelle und kundenspezifische Entwicklungen“, fasst Richter den erreichten Status zusammen.
Mit der Masterschablone für das richtliniengerechte Design und mit der Design-Evaluierung können jetzt bereits in der Prototypenphase seriengerechte Tests genutzt werden. Dadurch können viele Anpassungen bereits vor der Serieneinführung abgearbeitet werden. Die Serienfertigung kann jetzt deutlich schneller und mit erheblich geringerem Aufwand gestartet werden.
Teststrategie als EMS-Service
„Viele Hersteller haben das große Kosten- und Zeitpotenzial effektiver Prozesse und Teststrategien noch nicht erkannt. Wir bieten deshalb speziell für Entwickler gezielte Workshops an“, berichtet Bernd Richter. Hier werden anhand von Beispielen die Designrichtlinien, deren technische Hintergründe und die Anforderungen der Fertigungstechnik erläutert. Durch die Workshops können auch die Möglichkeiten von Masterschablonen geklärt werden, um Lieferverzögerungen oder erhöhte Handlingkosten zu vermeiden.
Entlang des Workflows bis zur Auslieferung an den Endkunden will Ihlemann die Test- und Verfahrensabläufe auch bei kompletten Endgeräten weiter optimieren. Der EMS-Dienstleister übernimmt dafür auch die Montagearbeiten und die anschließenden Endgerätetests. Hier können beispielsweise durch Hochspannungstests Verdrahtungsfehler, Kabelbrüche und häufig auftretende schadhafte Stecker und Steckverbindungen noch vor der Auslieferung besser erkannt werden.
