Die Vorteile von ICT und FCT in einem einzigen Testadapter kombiniert: Eine Fallstudie
13.04.2020
In-Circuit Testing (ICT) ist eine etablierte Methode zur Analyse elektronischer Produkte im Produktionsprozess. Typischerweise wird ein Nagelbett-Testadapter verwendet, um eine nicht mit Strom versorgte Leiterplatte zu prüfen. Verfahren wie direkte digitale Synthese (DDS) und diskrete Fouriertransformation (DFT) dienen zur Erzeugung von Stimuli und zur Durchführung analoger Messungen.
Dabei kann der In-Circuit Analyzer (ICA) elektrische Parameter wie Induktivität, Kapazität und Widerstand messen, um zu überprüfen, ob alle Prüfergebnisse innerhalb der Toleranzen liegen und ob Komponenten offen, kurzgeschlossen, falsch bestückt oder fehlerhaft sind.
Die Verbindung zwischen den Nagelkontakten und dem entsprechenden analogen Kanal oder dem digitalen Treiber/Sensor (D/S) auf der Pinplatte erfolgt über Relais (Abbildung 1).
Abb. 1: Typischer 2x16-Relaismultiplexer mit Nagelbett (nur ein Kanal im Diagramm dargestellt)
Erstens sind ICT-Nadelbett-Sonden nicht für die Versorgungsspannung oder den Laststrom eines vollständigen Funktionstests ausgelegt. Ein dedizierter FCT-Testadapter verwendet Hochstromkontakte, die höhere Ströme oder Spannungen führen können, ohne zu überhitzen, zu arken oder übermäßig zu verschleißen. Da diese Kontakte mehr Platz benötigen, wird im FCT-Testadapter typischerweise nur ein einzelnes DUT geprüft.
Zweitens sind die internen programmierbaren Netzteile, Relais und elektronischen Lasten des ICA nicht für Hochstromtests ausgelegt. Der einfache Austausch gegen leistungsstärkere Komponenten kann Störungen in den empfindlichen analogen ICT-Messungen verursachen, etwa Messabweichungen durch Ground-Bounce, Spannungsabfälle in der Verdrahtung oder Transienten beim Schalten induktiver Lasten. FCT-Testadapter arbeiten meist mit geringerer Auflösung und stärkerer Filterung und sind dadurch weniger störanfällig. Zudem sind die dort verwendeten Netzteile und Relaiskontakte robuster und können Ströme über 1A zuverlässig schalten.
Drittens erfolgt die Steuerung der Relaisschnittstelle üblicherweise über einen PIO-Controller (Parallel Input/Output) und einen Relaistreiber. Bei ICT-Anwendungen ist die Schaltgeschwindigkeit der Relais unkritisch, da sie nur am Ende eines Tests umkonfiguriert werden. In einem FCT-Testadapter hingegen muss die Relaiskonfiguration für jeden einzelnen Prüfschritt angepasst werden, wodurch eine deutlich höhere Schaltgeschwindigkeit notwendig wird.
Die Verbindung zwischen den Nagelkontakten und dem entsprechenden analogen Kanal oder dem digitalen Treiber/Sensor (D/S) auf der Pinplatte erfolgt über Relais (Abbildung 1).
Abb. 1: Typischer 2x16-Relaismultiplexer mit Nagelbett (nur ein Kanal im Diagramm dargestellt)
Die traditionelle Trennung von ICT und FCT
In einigen weiterentwickelten Systemen kann das ICA-Modul auch für Funktionstests (FCT) verwendet werden, indem das Gerät mit Strom versorgt und die Ein- und Ausgangsparameter unter Last gemessen werden. Häufig wird dieser Test separat mit einem zweiten Testadapter durchgeführt. Dafür gibt es mehrere praktische Gründe:Erstens sind ICT-Nadelbett-Sonden nicht für die Versorgungsspannung oder den Laststrom eines vollständigen Funktionstests ausgelegt. Ein dedizierter FCT-Testadapter verwendet Hochstromkontakte, die höhere Ströme oder Spannungen führen können, ohne zu überhitzen, zu arken oder übermäßig zu verschleißen. Da diese Kontakte mehr Platz benötigen, wird im FCT-Testadapter typischerweise nur ein einzelnes DUT geprüft.
Zweitens sind die internen programmierbaren Netzteile, Relais und elektronischen Lasten des ICA nicht für Hochstromtests ausgelegt. Der einfache Austausch gegen leistungsstärkere Komponenten kann Störungen in den empfindlichen analogen ICT-Messungen verursachen, etwa Messabweichungen durch Ground-Bounce, Spannungsabfälle in der Verdrahtung oder Transienten beim Schalten induktiver Lasten. FCT-Testadapter arbeiten meist mit geringerer Auflösung und stärkerer Filterung und sind dadurch weniger störanfällig. Zudem sind die dort verwendeten Netzteile und Relaiskontakte robuster und können Ströme über 1A zuverlässig schalten.
Drittens erfolgt die Steuerung der Relaisschnittstelle üblicherweise über einen PIO-Controller (Parallel Input/Output) und einen Relaistreiber. Bei ICT-Anwendungen ist die Schaltgeschwindigkeit der Relais unkritisch, da sie nur am Ende eines Tests umkonfiguriert werden. In einem FCT-Testadapter hingegen muss die Relaiskonfiguration für jeden einzelnen Prüfschritt angepasst werden, wodurch eine deutlich höhere Schaltgeschwindigkeit notwendig wird.
Abschließend sind ICT-Messungen innerhalb von Millisekunden möglich, während FCT-Verfahren langsamer sind, da sich die Ausgangswerte eines versorgten Geräts erst stabilisieren müssen. Der FCT-Prozess dauert typischerweise fünf- bis zehnmal länger als der ICT-Prozess für dasselbe Produkt. Da ein kombinierter ICT/FCT-Testadapter leicht zum Produktionsengpass werden kann, versorgt ein ICT-System in der Praxis oft mehrere FCT-Testadapter parallel, um den Testdurchsatz zu erhöhen.
Anwendungstechniker Zdenek Martinek erkannte von Beginn an, dass es sich um kein gewöhnliches Projekt handelte. Es waren mehrere Herausforderungen zu lösen: Wie lässt sich ICT und FCT in einer Leiterplattenlösung kombinieren, wie kann die Relaisgeschwindigkeit erhöht werden, und wie lassen sich hohe Leistungsniveaus handhaben, ohne die empfindlichen Sonden zu beschädigen? In enger Zusammenarbeit mit Markus Stöger aus der Forschungs- und Entwicklungsabteilung von RECOM wurden für alle diese Fragestellungen Lösungen gefunden.
Die Lösung für die Frage „Wie teste ich ein gekapseltes und unzugängliches Produkt?“ bestand darin, auf jeder Leiterplatte ein separates Testmodul zu integrieren. Nachdem das konventionelle ICT-Verfahren am Testmodul abgeschlossen war, mussten nur noch die verbleibenden Module einer FCT-Prüfung unterzogen werden.
Abb. 3: Blockdiagramm des Testsystems
Die in der TestStation verwendeten Standard-Relaistreiber werden vom PIO-Controller über den MXI-Bus angesteuert (Abbildung 2). Diese arbeiten jedoch mit deutlich geringerer Geschwindigkeit. Um die Relaisumschaltung zu beschleunigen, wurde eine neuartige Relaistreiber-Topologie implementiert, basierend auf einer Technik namens „Active Burst“. Dabei werden einige Relais nicht mehr über den PIO angesteuert, sondern direkt von aktiven D/S-Ausgängen. Diese D/S-Ausgänge liefern lediglich TTL-Pegel, was normalerweise nicht ausreicht, um ein Relais ohne zusätzlichen Treiber zu schalten. Durch den Einsatz von Darlington-Transistor-basierten Stromverstärker-Relaisspulen konnten die D/S-Module die Relais jedoch direkt ansteuern. Mit einer Umschaltzeit von 4µs erfolgte die Relaissteuerung nahezu verzögerungsfrei, was auch die Codierung deutlich vereinfachte.
Fallstudie: Hochstrom-DC/DC-Tests für RECOM Power
Für eine neu entwickelte DC/DC-Serie der österreichischen Firma RECOM Power waren die zusätzlichen Kosten und die verlängerte Testzeit durch zwei separate Testadapter nicht akzeptabel. Es musste ein Weg gefunden werden, den Hochgeschwindigkeitsvorteil von ICT mit der Qualitätssicherung eines vollständigen FCT in einem einzigen Testadapter zu kombinieren. Dies stellte eine technische Herausforderung dar, da die DC/DC-Serie Geräte mit 6A Ausgangsstrom und 60V Eingangsspannung umfasste. Jedes Panel enthielt 40 unvollständige Module, was den Einsatz von Hochleistungsstromversorgungen erforderte und präzises Timing unverzichtbar machte. RECOM beauftragte Elmatest in der Tschechischen Republik mit dem Bau eines kombinierten ICT/FCT-Testadapters für die beim EMS-Anbieter eingesetzte Teledyne Teststation LH.Anwendungstechniker Zdenek Martinek erkannte von Beginn an, dass es sich um kein gewöhnliches Projekt handelte. Es waren mehrere Herausforderungen zu lösen: Wie lässt sich ICT und FCT in einer Leiterplattenlösung kombinieren, wie kann die Relaisgeschwindigkeit erhöht werden, und wie lassen sich hohe Leistungsniveaus handhaben, ohne die empfindlichen Sonden zu beschädigen? In enger Zusammenarbeit mit Markus Stöger aus der Forschungs- und Entwicklungsabteilung von RECOM wurden für alle diese Fragestellungen Lösungen gefunden.
Herausforderung 1: Integration und EMV-Abschirmung
Das erste zu lösende Problem war die Kombination von ICT und FCT in einer Multi-Panel-Leiterplatte. Jedes Panel enthielt 40 unabhängige Module, die bereits vollständig montiert, gekapselt und bedruckt waren. Einige interne Knotenpunkte waren für das ICT-Pin-Panel nicht zugänglich – und das ganz bewusst: Die DC/DC-Wandler arbeiten mit hohen Schaltfrequenzen, und das Metallgehäuse in Kombination mit der mehrlagigen Leiterplatte bildet einen sechseitigen Faradayschen Käfig zur Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen (EMV). Externe Verbindungen zu hochfrequenten internen Signalen hätten diese Abschirmung beeinträchtigt und Messfehler verursachen können.Die Lösung für die Frage „Wie teste ich ein gekapseltes und unzugängliches Produkt?“ bestand darin, auf jeder Leiterplatte ein separates Testmodul zu integrieren. Nachdem das konventionelle ICT-Verfahren am Testmodul abgeschlossen war, mussten nur noch die verbleibenden Module einer FCT-Prüfung unterzogen werden.
Abb. 3: Blockdiagramm des Testsystems
Herausforderung 2: Engpässe in der Relaissteuerung überwinden
Der Code zur Durchführung eines einzelnen Test- und Messprozesses wird als Testvektor bezeichnet. Die Testkonfiguration wird als Datenburst übertragen, in den lokalen Onboard-Speicher geladen und anschließend durch ein Strobe-Signal aktiviert. Diese Konfiguration bleibt gespeichert, bis alle Messdaten zur CPU zurückübertragen wurden. In der Zwischenzeit kann der nächste Datenburst bereits vorgeladen werden, um auf das folgende Strobe-Signal zu warten. So erreicht das ICT-System einen hohen Durchsatz von 4µs pro Vektor.Die in der TestStation verwendeten Standard-Relaistreiber werden vom PIO-Controller über den MXI-Bus angesteuert (Abbildung 2). Diese arbeiten jedoch mit deutlich geringerer Geschwindigkeit. Um die Relaisumschaltung zu beschleunigen, wurde eine neuartige Relaistreiber-Topologie implementiert, basierend auf einer Technik namens „Active Burst“. Dabei werden einige Relais nicht mehr über den PIO angesteuert, sondern direkt von aktiven D/S-Ausgängen. Diese D/S-Ausgänge liefern lediglich TTL-Pegel, was normalerweise nicht ausreicht, um ein Relais ohne zusätzlichen Treiber zu schalten. Durch den Einsatz von Darlington-Transistor-basierten Stromverstärker-Relaisspulen konnten die D/S-Module die Relais jedoch direkt ansteuern. Mit einer Umschaltzeit von 4µs erfolgte die Relaissteuerung nahezu verzögerungsfrei, was auch die Codierung deutlich vereinfachte.
Herausforderung 3: FCT beschleunigen und Sonden schützen
Ein weiteres zu lösendes Problem war die Beschleunigung des FCT. Die eingesetzte Methode nutzte die im ICA-System integrierte Verarbeitungsleistung. Wellenformsynthese, DDS und DFT sind von Natur aus schneller als klassische analoge Brückenmessverfahren. Anstatt auf die Stabilisierung der Ausgangswerte zu warten, wurde die Ausgangslast für wenige Millisekunden gepulst, und die dabei gewonnenen Rohdaten wurden verarbeitet, um die endgültigen Ausgangskennwerte abzuleiten. Dadurch ließ sich die Messzeit um bis zu 80% reduzieren.
Die Lösung des zweiten Problems trug gleichzeitig zur Lösung eines dritten Problems bei: dem Schutz der empfindlichen Sonden. Da der Laststrom nur für sehr kurze Zeit gepulst wurde, trat selbst bei einem Spitzenstrom von 6A über eine Sonde, die nur für 2A ausgelegt war, keine merkliche Erwärmung auf. Diese gepulste Lasttechnik ermöglichte zudem den Einsatz kleinerer Stromversorgungen und schonte die Relaiskontakte.
Abb. 5: Der fertige Testadapter in Aktion
Fazit: Höherer Durchsatz durch kombinierten ICT/FCT-Test
Das Gesamtergebnis dieser Maßnahmen war eine kombinierte ICT/FCT-Testzeit von unter 1,9 Sekunden pro DC/DC-Modul, sodass ein vollständiges PCB-Multi-Panel in weniger als 80 Sekunden vollständig getestet werden konnte. Bei einer Produktionsmenge von mindestens 5000 Stück war diese kumulierte Zeitersparnis entscheidend für den Produkterfolg – so entscheidend, dass das ursprüngliche Design des RPM-Moduls inzwischen von einer einzelnen Serie auf drei Serien mit insgesamt 22 Varianten erweitert wurde, die alle dieselbe Grundfläche und denselben Testadapter nutzen.
Abb. 5: Der fertige Testadapter in Aktion