Leiterplatte Blog - Prüf- und Designverfahren für Leiterplatten

Da die Miniaturisierung weiter zunimmt, haben Leiterplatten von Komponenten- und Verdrahtungstechnologien auch enorme Fortschritte erfahren, wie hochintegrierte Miniatur-ICs, die in BGA-Gehäusen verpackt sind, und der Isolationsabstand zwischen Leitern wurde auf 0,5mm reduziert, um nur zwei Beispiele zu nennen. Das Verdrahtungsdesign elektronischer Bauteile hat einen zunehmenden Einfluss darauf, ob der Test im zukünftigen Produktionsprozess gut durchgeführt werden kann. Hier sind ein paar wichtige Regeln und hilfreiche Tipps. Durch die Einhaltung bestimmter Verfahren (DFT-Design for Testability, Design for Testability) können die Kosten für die Vorbereitung und Durchführung von Produktionstests erheblich reduziert werden. Diese Verfahren wurden im Laufe der Jahre weiterentwickelt und müssen natürlich erweitert und entsprechend angepasst werden, wenn neue Produktions- und Komponententechnologien eingeführt werden. Da die Struktur elektronischer Produkte immer kleiner wird, gibt es zwei besonders auffällige Probleme: Erstens gibt es immer weniger Schaltungsknoten, die kontaktiert werden können. Zum anderen sind Methoden wie In-Circuit-Test Apps eingeschränkt. Um diese Probleme zu lösen, können entsprechende Maßnahmen im Schaltungslayout ergriffen und neue Prüfmethoden und innovative Adapterlösungen übernommen werden. Die Lösung des zweiten Problems besteht auch darin, zusätzliche Aufgaben für das ursprünglich als Stand-Alone-Prozess eingesetzte Testsystem zu übernehmen. Zu diesen Aufgaben gehören die Programmierung von Speicherkomponenten über Testsysteme oder die Implementierung integrierter Komponenten-Selbsttests (Built-in Self Test, BIST, Built-in Self-Test). Die Verschiebung dieser Schritte in das Testsystem schafft insgesamt mehr Mehrwert. Um diese Maßnahmen reibungslos umzusetzen, müssen entsprechende Überlegungen in der Phase der Produktforschung und -entwicklung getroffen werden.

1. Was ist Prüfbarkeit

Die Bedeutung von Prüfbarkeit kann so verstanden werden: Prüfingenieure können die einfachsten Methoden verwenden, um die Eigenschaften eines bestimmten Bauteils zu erkennen, um zu sehen, ob es die erwartete Funktion erfüllen kann. Einfach ausgedrückt:

Wie einfach ist die Methode zu testen, ob ein Produkt technische Spezifikationen erfüllt?

Wie schnell können Sie ein Testprogramm schreiben?

Wie umfassend ist die Entdeckung von Produktfehlern?

Wie einfach ist der Zugriff auf Testpunkte?

Mechanische und elektrische Konstruktionspraktiken müssen berücksichtigt werden, um eine gute Prüfbarkeit zu erreichen. Um Testbarkeit zu erreichen, gibt es natürlich einen Preis zu zahlen, aber es hat eine Reihe von Vorteilen für den gesamten Prozess, so dass es eine wichtige Voraussetzung für die erfolgreiche Produktion von Produkten ist.

2. Warum testfreundliche Techniken entwickeln

Wenn ein Produkt in der Vergangenheit nicht am vorherigen Prüfpunkt getestet werden konnte, wurde das Problem einfach auf einen Prüfpunkt verschoben. Kann ein Produktfehler während der Produktionsprüfung nicht gefunden werden, wird die Identifizierung und Diagnose des Defekts einfach in Funktions- und Systemtests verschoben. Im Gegenteil, heute versuchen die Menschen, Fehler so früh wie möglich zu finden, und ihre Vorteile sind nicht nur niedrige Kosten, sondern noch wichtiger, die heutigen Produkte sind sehr komplex, und einige Herstellungsfehler werden möglicherweise überhaupt nicht in Funktionstests erkannt. Zum Beispiel gibt es für einige Komponenten vorinstallierte Software oder Programmierung ein solches Problem. (wie Flash-Speicher oder ISPs: In-System programmierbare Geräte). Die Programmierung dieser Komponenten muss in der Entwicklungsphase geplant werden und das Testsystem muss diese Programmierung beherrschen. Das Testen freundlicher Schaltungsdesigns kostet etwas Geld, aber das Testen schwieriger Schaltungsdesigns kostet mehr. Der Test selbst hat Kosten, und die Testkosten steigen mit dem Anstieg der Testreihe; Von Online-Tests über Funktionstests bis hin zu Systemtests steigen die Testkosten. Einen der Tests zu überspringen würde sogar noch mehr kosten. Die allgemeine Regel ist, die Kosten für jeden Test um einen Faktor von 10 zu erhöhen. Mit einem testfreundlichen Schaltungsdesign können Fehler frühzeitig erkannt werden, sodass der Aufwand für ein testfreundliches Schaltungsdesign schnell kompensiert werden kann.

3. Wie sich die Dokumentation auf die Prüfbarkeit auswirkt

Nur durch die volle Nutzung der vollständigen Daten in der Komponentenentwicklung ist es möglich, ein Testprogramm zu entwickeln, das Fehler vollständig erkennen kann. In vielen Fällen ist eine enge Zusammenarbeit zwischen Entwicklung und Test notwendig. Dokumentation hat einen unbestreitbaren Einfluss auf das Verständnis von Bauteilfunktionalität und Entwicklungsteststrategien. Um die Probleme zu umgehen, die durch mangelnde Dokumentation und mangelndes Verständnis der Bauteilfunktionalität entstehen, können sich Testsystemhersteller auf Softwaretools verlassen, die automatisch Testmuster auf zufälliger Basis generieren oder auf Nicht-Vektor-Methoden zurückgreifen, die nur als zweckdienliche Lösung gelten. Die komplette Dokumentation vor der Prüfung umfasst eine Teileliste, Schaltungsdaten (hauptsächlich CAD-Daten) und Details zur Funktion von Servicekomponenten (wie Datenblätter). Mit allen verfügbaren Informationen ist es möglich, Testvektoren zu kompilieren, Fehlermuster von Bauteilen zu definieren oder bestimmte Voreinstellungen vorzunehmen. Bestimmte mechanische Daten sind ebenfalls wichtig, z.B. um Bauteile auf gute Löt- und Ausrichtungskontrolle zu überprüfen. Für programmierbare Komponenten, wie Flash-Speicher, PLD, FPGA usw., wenn sie während der Installation nicht programmiert werden, sollten sie auf dem Testsystem programmiert werden, und ihre Programmierdaten müssen ebenfalls bekannt sein. Die Programmierdaten für das Blitzgerät sollten vollständig sein. Wenn der Flash-Chip 16Mbit-Daten enthält, sollte er 16Mbit verwenden können, was Missverständnisse verhindern und Konflikte vermeiden kann. Dies kann z.B. auftreten, wenn ein 4Mbit-Speicher verwendet wird, um nur 300Kbit an Daten für eine Komponente bereitzustellen. Natürlich sollten die Daten in ein gängiges Standardformat aufbereitet werden, wie Intels Hex oder Motorola S-Record Struktur. Die meisten Testsysteme können diese Formate interpretieren, solange sie Flash- oder ISP-Komponenten programmieren können. Viele der oben genannten Informationen, von denen viele auch für die Bauteilfertigung benötigt werden. Natürlich sollte klar zwischen Herstellbarkeit und Prüfbarkeit unterschieden werden, da es sich hierbei um völlig unterschiedliche Konzepte und damit um unterschiedliche Prämissen handelt.

4. Mechanische Kontaktbedingungen für gute Prüfbarkeit

Selbst Schaltungen mit sehr guter elektrischer Prüfbarkeit können ohne Berücksichtigung der Grundregeln der Mechanik schwierig zu testen sein. Viele Faktoren schränken die elektrische Prüfbarkeit ein. Sind die Prüfpunkte nicht ausreichend oder zu klein, ist es für den Sondenbettadapter schwierig, jeden Knoten der Schaltung zu erreichen. Wenn der Positionsfehler und der Größenfehler des Testpunkts zu groß sind, tritt ein Problem der schlechten Wiederholbarkeit des Tests auf. Bei der Verwendung des Sondenbettadapters sind eine Reihe von Empfehlungen bezüglich Größe und Positionierung der Rastlöcher und Prüfpunkte zu beachten.

5. Elektrische Voraussetzungen für die Prüfbarkeit

Elektrische Voraussetzungen sind für eine gute Prüfbarkeit ebenso wichtig wie mechanische Kontaktbedingungen und beides ist unerlässlich. Ein Gate-Schaltkreis kann nicht getestet werden. Der Grund kann sein, dass die Starteingangsstelle nicht über den Prüfpunkt kontaktiert werden kann, oder dass sich die Starteingangsstelle im Paket befindet und nicht von außen kontaktiert werden kann. Grundsätzlich sind beide Fälle nicht gut. den Test unmöglich machen. Bei der Auslegung der Schaltung ist zu beachten, dass alle Komponenten, die mit der Online-Prüfmethode getestet werden sollen, einen Mechanismus haben sollten, der es ermöglicht, jede Komponente elektrisch zu isolieren. Dieser Mechanismus kann erreicht werden, indem der Eingang deaktiviert wird, der den Ausgang des Elements in einem statischen hochohmigen Zustand steuert. Obwohl fast alle Testsysteme in der Lage sind, den Zustand eines Knotens in einen beliebigen Zustand zurückzutreiben, muss der beteiligte Knoten immer noch mit einem deaktivierten Eingang ausgestattet werden, der zuerst den Knoten in einen hohen ohmischen Zustand bringt und dann den entsprechenden Pegel "sanft" hinzugefügt wird. Ebenso wird der Beatgenerator immer direkt von der Rückseite des Oszillators über eine Startleitung, Gate oder Steckbrücke getrennt. Der Starteingang sollte niemals direkt an die Schaltung angeschlossen werden, sondern über einen 100-Ohm-Widerstand mit der Schaltung verbunden werden. Jede Komponente sollte ihre eigenen Start-, Reset- oder Steuerpins haben. Es muss vermieden werden, dass sich die Starteingänge vieler Komponenten einen an die Schaltung angeschlossenen Widerstand teilen. Diese Regel gilt auch für ASIC-Komponenten, die ebenfalls einen Lead-Pin haben sollten, durch den der Ausgang in einen hohen ohmschen Zustand gebracht werden kann. Für einen Tester ist es auch sehr hilfreich, einen Reset einzuleiten, wenn das Bauteil bei eingeschalteter Betriebsspannung zurückgesetzt werden kann. In diesem Fall kann das Bauteil einfach vor der Prüfung in einen bestimmten Zustand gebracht werden. Unbenutzte Bauteilleitungen sollten ebenfalls zugänglich sein, da unentdeckte Kurzschlüsse an diesen Stellen auch zu Bauteilversagen führen können. Darüber hinaus werden ungenutzte Tore oft später für Designverbesserungen verwendet und können in den Schaltkreis umgeverdrahtet werden. Daher ist es auch wichtig, dass sie von Anfang an getestet werden, um sicherzustellen, dass ihre Artefakte zuverlässig sind.

6. Über Flash-Speicher und andere programmierbare Komponenten

Flash-Speicher Programmierzeiten können manchmal lang sein (bis zu einer Minute für große Speicher oder Speicherbanken). Daher ist ein Zurückfahren anderer Komponenten zu diesem Zeitpunkt nicht erlaubt, da sonst der Flash-Speicher beschädigt werden kann. Um dies zu vermeiden, müssen alle an die Steuerleitungen des Adressbusses angeschlossenen Komponenten in einen hochohmigen Zustand versetzt werden. Ebenso muss der Datenbus isoliert werden können, um sicherzustellen, dass der Flash-Speicher entladen und für die weitere Programmierung zur Verfügung steht. Es gibt einige Anforderungen an In-System Programmable Components (ISPs), Produkte von Unternehmen wie Altera, Xilinx und Salate sowie andere spezielle Anforderungen. Neben den mechanischen und elektrischen Voraussetzungen für die Prüfbarkeit soll auch die Möglichkeit der Programmierung und Validierung von Daten gewährleistet sein. Für Altera- und Xilinx-Komponenten wird ein serielles Vektorformat (Serial VectorFormat SVF) verwendet, das sich seit kurzem zum Industriestandard entwickelt hat. Viele Testsysteme können solche Komponenten und Benutzereingabedaten im seriellen Vektorformat (SVF) programmieren, um Signalgeneratoren zu testen. Die Programmierung dieser Elemente durch Boundary-Scan-Kette JTAG programmiert auch das serielle Datenformat. Bei der Zusammenstellung von Programmierdaten ist es wichtig, die gesamte Kette von Komponenten in der Schaltung zu berücksichtigen und nicht nur die zu programmierenden Komponenten wiederherzustellen. Bei der Programmierung berücksichtigt der automatische Prüfsignalgenerator die gesamte Bauteilkette und bindet weitere Komponenten in das Bypass-Modell ein. Stattdessen benötigt Lattice Daten im JEDEC-Format und wird parallel über die üblichen Ein- und Ausgänge programmiert. Nach der Programmierung werden die Daten auch zur Überprüfung der Komponentenfunktionalität verwendet. Die von der Entwicklungsabteilung bereitgestellten Daten sollen so einfach wie möglich direkt vom Testsystem oder durch eine einfache Transformation genutzt werden können.

7. Worauf sollte beim Boundary-Scan (JTAG) geachtet werden?

Komponenten, die auf einem feinen Geflecht komplexer Komponenten basieren, bieten Testingenieuren nur wenige zugängliche Prüfpunkte. Auch an dieser Stelle ist es noch möglich, die Testbarkeit zu verbessern. Dazu können Boundary-Scan und integrierte Selbsttest-Techniken eingesetzt werden, um die Testabschlusszeit zu verkürzen und Testergebnisse zu verbessern. Für Entwicklungsingenieure und Testingenieure wird eine Teststrategie basierend auf Boundary-Scan und integrierten Selbsttest-Techniken definitiv den Aufwand erhöhen. Entwicklungsingenieure müssen Boundary-Scan-Komponenten (IEEE-1149.1-Standard) in der Schaltung verwenden und versuchen, die entsprechenden spezifischen Testleitungen zugänglich zu machen (z. B. Testdateneingang-TDI, Testdatenausgang-TDO, Testtaktfrequenz nach TCK und Testmoduswahl nach TMS und ggf. Test Reset). Der Testingenieur entwickelt ein Boundary Scan Modell (BSDL, Boundary Scan Description Language) für das Bauteil. An dieser Stelle muss er wissen, welche Boundary-Scan-Funktionen und Anweisungen die Komponente unterstützt. Boundary-Scan-Tests können Kurzschlüsse diagnostizieren und öffnen sich bis zur Lead-Ebene. Zusätzlich kann, wenn der Entwicklungsingenieur dies angegeben hat, der automatische Test des Bauteils durch den Boundary Scan Befehl "RunBIST" ausgelöst werden. Gerade wenn sich viele ASICs und andere komplexe Komponenten in der Schaltung befinden, gibt es für diese Bauteile kein übliches Testmodell. Durch den Einsatz von Boundary-Scan-Komponenten können die Kosten für die Formulierung von Testmodellen erheblich reduziert werden. Der Grad der Zeit- und Kostenreduktion ist für jedes Element unterschiedlich. Für eine Schaltung mit IC, wenn 100% Entdeckung erforderlich ist, werden etwa 400.000 Testvektoren benötigt. Mit einem Boundary Scan kann die Anzahl der Testvektoren bei gleicher Fehlererkennungsrate auf Hunderte reduziert werden. Daher ist das Boundary Scan Verfahren besonders vorteilhaft, wenn es kein Testmodell gibt oder wenn die Knoten, die die Schaltung berühren, begrenzt sind. Ob Boundary Scans verwendet werden, hängt von den erhöhten Kosten für Entwicklung und Fertigung ab. Boundary-Scan muss gegen die Zeit abgewogen werden, die benötigt wird, um Fehler zu finden, Testzeit, Time-to-Market, Adapterkosten und so viel wie möglich zu sparen. In vielen Fällen ist das Mischen traditioneller Inline-Prüfmethoden mit Boundary-Scan-Methoden die Lösung auf Leiterplatten.