Test und Inspektion

Vier Verfahren, eine Prüfkette

AOI, Röntgen, In-Circuit-Test und Funktionstest stehen bei uns nicht in einer Rangfolge, in der das teuerste das billigere ersetzt. Die automatische optische Inspektion arbeitet in der Linie, die drei übrigen Verfahren im eigenen Prüflabor. Jedes der vier hat einen blinden Fleck, und die blinden Flecken überlappen sich weitgehend. Was die AOI nicht sieht, sieht meist das Röntgen; was das Röntgen nicht beurteilen kann, misst der In-Circuit-Test. Eine Restlücke bleibt trotzdem, und wir benennen sie an jeder Stufe, statt sie in der Summe verschwinden zu lassen. Welche Stufen für eine Baugruppe greifen, entscheiden Bauteilmix, Prüfzugang im Layout, die vereinbarte IPC-A-610-Klasse und die Stückzahl. Das Ergebnis ist ein Prüfplan je Baugruppe, den wir mit Ihnen abstimmen und der zur Serie gehört wie das Bestückprogramm.

Automatische optische Inspektion vor und nach dem Reflow

Wir setzen die AOI zweimal in die Linie: einmal nach der Bestückung und vor dem Reflowlöten, einmal danach. Die Prüfung vor dem Löten bewertet, ob jedes Bauteil vorhanden, richtig gedreht, richtig gepolt und innerhalb des Versatzfensters gesetzt ist, und sie erkennt Bauteilverwechslungen anhand der Gehäusebedruckung. Zu diesem Zeitpunkt ist ein Fehler noch ohne Wärmeeintrag korrigierbar: Das Bauteil wird abgenommen und neu gesetzt, die Baugruppe hat keinen zusätzlichen Reflowzyklus gesehen. Die Prüfung nach dem Löten bewertet, was erst die Wärme erzeugt: Lötstellenform und Benetzung, Meniskusausbildung am Bauteilbein, Lotbrücken, Tombstoning, Bauteilversatz durch das Aufschwimmen in der flüssigen Lotphase. Höhenmessende Systeme ergänzen die Draufsicht um ein Profil und erkennen so auch abgehobene Anschlüsse und Koplanaritätsfehler.

Diese Trennung ist der eigentliche Zweck der doppelten Prüfebene. Wer nur nach dem Löten prüft, sieht am Ende einen Fehler, weiß aber nicht, ob er aus dem Bestückvorgang oder aus dem Lötprozess stammt. Mit beiden Stufen lässt sich jeder Befund einer Prozessstufe zuordnen und dort abstellen, wo er entsteht.

Die Grenze der AOI ist eine physikalische: Sie sieht nur, was Licht erreicht. Anschlüsse unter dem Bauteilkörper liegen außerhalb ihrer Reichweite, ebenso die innere Struktur einer Lötstelle. Und sie bewertet Form, nicht Funktion: Ein Widerstand mit falschem Wert, aber richtiger Bauform fällt ihr nicht auf. Unterhalb der Bauform 0603 im Zollcode tragen Chipwiderstände in der Regel keine Bedruckung mehr, und einen elektrischen Wert misst die AOI grundsätzlich nicht. Genau dafür steht der In-Circuit-Test in der Kette.

Röntgeninspektion für verdeckte Lötstellen

Bei BGA und LGA liegt die gesamte Lötstelle unter dem Gehäuse. Beim QFN sind das thermische Mittelpad und der überwiegende Teil jeder Anschlussfläche verdeckt, von außen bleibt allenfalls ein Seitenmeniskus beurteilbar. Hier arbeitet die Röntgeninspektion. In der Durchstrahlung werden Kugelform und Kugelversatz, fehlende Kugeln, Lotbrücken zwischen benachbarten Anschlüssen sowie Lunker im Lot als Dichteunterschiede sichtbar. Wie der Lunkeranteil ermittelt und bewertet wird, richtet sich nach IPC-7095; die zulässige Grenze und, wo eine Anwendung mehr verlangt, eine engere Grenze halten wir im Prüfplan fest. Für Bauteile mit Bodenkontakten kommt IPC-7093 dazu: Beim QFN interessiert vor allem das große thermische Mittelpad, in dem ausgedehnte Lunker die Wärmeableitung verschlechtern und das Bauteil beim Reflow anheben können. Auch bedrahtete Bauteile prüfen wir im Röntgen, wenn der vertikale Lotdurchstieg in der Durchkontaktierung nachzuweisen ist. IPC-A-610 fordert ihn für Klasse 2 und Klasse 3 mit mindestens 75 Prozent, und dieser Wert ist an der Bauteilseite optisch nicht messbar.

Unsere Anlage erlaubt neben der senkrechten Durchstrahlung die Schrägdurchstrahlung. Sie trennt bei beidseitig bestückten Baugruppen die überlagerten Ebenen und legt die Lötstelle im Winkel frei, statt sie nur von oben zu projizieren.

Auch hier gehört die Grenze zur Aussage. Das Röntgen zeigt Geometrie und Materialdichte, es sagt nichts über elektrische Funktion. Der klassische Zweifelsfall ist der Kopfkissen-Effekt, bei dem Lotkugel und Lotpaste sich berühren, aber nicht verschmolzen sind: Die Geometrie bleibt weitgehend unauffällig, die Verbindung ist elektrisch unsicher. In der reinen Senkrechtdurchstrahlung ist dieser Fehler kaum sicher zu erkennen, die Schrägdurchstrahlung verbessert die Chance, eindeutig wird der Befund erst in der Computertomographie oder am Querschliff. Beides steht nicht bei uns, wir beauftragen dafür ein darauf eingerichtetes Labor. Deshalb ist das Röntgen bei uns nicht Ersatz für den elektrischen Test, sondern seine Ergänzung. Die Anlage ist ein bauartzugelassenes Vollschutzgerät, ihr Betrieb ist nach Strahlenschutzgesetz bei der zuständigen Behörde angezeigt.

In-Circuit-Test am Nadelbettadapter

Der In-Circuit-Test kontaktiert die Baugruppe über einen Nadelbettadapter an Prüfpunkten und Bauteilanschlüssen und misst Bauteil für Bauteil. Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten, Dioden und Transistoren werden im Guarding-Verfahren gemessen, das parallel liegende Pfade messtechnisch abtrennt, sodass der Einzelwert im eingebauten Zustand beurteilbar bleibt. Dazu kommen die Kurzschluss- und Unterbrechungsprüfung über alle kontaktierten Netze und die vektorlosen Verfahren. Eine kapazitiv gekoppelte Sensorplatte auf dem Gehäuse koppelt auf den Leadframe im Bauteil und zeigt am kontaktierten Netz, ob der Anschluss wirklich angebunden ist. So wird eine offene Lötstelle sichtbar, die eine Widerstandsmessung im Verbund nicht auflöst. Das trägt an Steckverbindern und an ICs mit Leadframe, nicht am BGA, dem der Leadframe fehlt. Wo Bausteine einen JTAG-Zugang nach IEEE 1149.1 führen, ergänzen wir den Nadelzugriff um Boundary Scan und erreichen damit auch Verbindungen, für die es keinen Prüfpunkt gibt.

Der Vorteil des Verfahrens ist die Lokalisierung: Der In-Circuit-Test benennt das abweichende Bauteil und den betroffenen Anschluss, nicht nur ein Gesamtergebnis. Seine Voraussetzung ist Zugang. Mit Federkontaktstiften liegt das Kontaktierraster technisch bei 0,8 Millimetern Prüfpunktabstand und 0,6 Millimetern Prüffläche; für engere Raster arbeiten wir mit Starrnadeltechnik. Das ist die Grenze der Kontaktierung und nicht unsere Layoutempfehlung: Im Entwurf halten wir Testflächen von 1,0 Millimetern im Raster von 2,54 Millimetern für richtig, bei engem Layout 1,27 Millimeter. Fehlen Prüfpunkte im Layout, sinkt die Prüfabdeckung, und das ist eine Layoutfrage, keine Prüffrage. Wir melden das in der Baugruppenfreigabe zurück, solange sich am Entwurf noch etwas ändern lässt, und richten uns dabei nach den Testbarkeitsempfehlungen aus IPC-2231.

Auch der In-Circuit-Test hat eine klare Grenze: Er bewertet Bauteile und Verbindungen, nicht das Zusammenspiel. Über Timing, Signalqualität, Firmwareverhalten, Regelverhalten unter Last oder Temperaturgang sagt er nichts.

Funktionstest mit kundenspezifischem Prüfadapter

Im Funktionstest wird die Baugruppe bestromt und so betrieben, wie sie im Zielgerät arbeitet. Der Prüfadapter stellt Versorgung, Lasten, Stimuli und Messkanäle bereit, die Prüfsequenz folgt Ihrer Prüfvorschrift oder wird gemeinsam mit Ihnen erstellt. In derselben Aufnahme erledigen wir, was ohnehin am Ende der Linie anfällt: Programmieren der Firmware, Abgleich und Kalibrierung, Vergabe und Aufbringen der Geräteseriennummer, die wir an die Fertigungskennung der Baugruppe binden, Endprüfung. Wir protokollieren dabei die einzelnen Messwerte, nicht nur ein Gesamturteil, weil erst der Messwert zeigt, wie weit eine Baugruppe von der Grenze entfernt liegt.

Der Funktionstest ist das einzige Verfahren, das die Baugruppe als Ganzes bewertet, und genau darin liegt seine Grenze. Er sagt, dass sich die Baugruppe innerhalb der Spezifikation verhält, nicht, welches Bauteil abweicht. Eine Lötstelle mit vermindertem Querschnitt kann ihn bestehen und im Feld erst nach einigen hundert Temperaturwechseln ausfallen, wie sie ein Temperaturwechseltest nach IEC 60068-2-14 nachstellt. Ein bestandener Funktionstest ersetzt deshalb weder die optische noch die radiologische noch die elektrische Einzelprüfung.

Prüfadapterbau im eigenen Haus

Prüfadapter bauen wir selbst. Aus Ihren Layoutdaten, ODB++, IPC-2581 oder Gerber mit Bohrdaten und Bestückungsliste, leiten wir das Nadelbild ab, lassen die Trägerplatten nach unseren Fertigungsdaten bohren, setzen die Federkontaktstifte, verdrahten den Adapter und legen die Betätigung fest, mechanisch oder über Vakuum. Dazu gehören Niederhalter gegen die Durchbiegung der Leiterplatte und eine Kodierung, die falsches Einlegen ausschließt. Federkontaktstifte sind Verschleißteile mit einer Lebensdauer, die je nach Kopfform und Anwendung im Bereich von 100.000 bis 1.000.000 Kontaktierungen liegt. Wir führen jeden Adapter mit Kennnummer und Wartungsintervall und tauschen Stifte nach Plan, nicht nach Ausfall, weil ein müder Kontakt sonst als Bauteilfehler erscheint. Adapter bleiben bei uns eingelagert und sind einem Änderungsstand der Baugruppe zugeordnet: Ändert sich das Layout, ändert sich der Adapter, und beides wird gemeinsam dokumentiert. Beim Funktionstestadapter kommt der prüflingsspezifische Teil hinzu, also Lastnachbildung, Relaismatrix, Programmierschnittstelle und die Aufnahmen für Steckverbinder und Bedienelemente.

Rückverfolgbarkeit der Prüfergebnisse

Jede Baugruppe bekommt eine eindeutige Fertigungskennung, in der Regel als Data-Matrix-Code, aufgebracht per Laser oder Etikett und angelegt schon im Nutzen, bevor das erste Bauteil sitzt. An diese Kennung binden wir jedes Prüfergebnis: den AOI-Befund vor und nach dem Reflow, das Röntgenbild der geprüften Bauteile, die Messwerte des In-Circuit-Tests, das Funktionstestprotokoll mit den Einzelwerten. Dazu kommen die Version des Prüfprogramms, die Kennnummer des verwendeten Adapters, Linie, Zeitpunkt und Prüfplatz. Über den Fertigungsauftrag und die Rüstliste hängt daran die Bauteilcharge jeder Position. Diese Tiefe ist seit der Zertifizierung nach ISO 13485 im Jahr 2011 unsere feste Regel für alle Aufträge, nicht nur für die Medizintechnik. Das Röntgenbild gehört seit der Anschaffung der Anlage im Jahr 2016 dazu.

Der Nutzen zeigt sich, wenn etwas zu klären ist. Bei einem Feldrückläufer beginnt die Analyse nicht bei der Frage, wann die Baugruppe gefertigt wurde, sondern bei den Messwerten ihres eigenen Prüflaufs. Wird ein Bauteil abgekündigt oder von einem Hersteller eingeschränkt, lässt sich die betroffene Serie über die Charge eingrenzen, statt eine ganze Lieferperiode zurückzurufen. Zu jeder Serie gehört das Prüfprotokoll, und es geht mit der Lieferung an Sie, ohne dass Sie es gesondert beauftragen müssen.