Embedded Instrumentierung kann Testprobleme lösen Bauelemente übernehmen Testfunktionen

Die Begriffe Strukturtest, Funktionstest und Testabdeckung werden zuweilen unterschiedlich interpretiert, so dass eine nähere Erläuterung sinnvoll ist. Ergänzend hierzu einige Möglichkeiten, welche die "Embedded Instrumentierung“ bietet.

Zunächst ist festzustellen, dass die Begriffe Strukturtest, Funktionstest, Testabdeckung und Diagnosetiefe manchmal synonym gebraucht werden. Eine Unterscheidung ist jedoch wichtig, denn eine unkorrekte oder unvollständige Auslegung dieser Begriffe kann unter Umständen dazu führen, dass daraus eine suboptimale Testmethode abgeleitet wird.

Details zum Strukturtest

Strukturtest wird oft als die Verifizierung eines Montageprozesses definiert, wobei alle kleineren Bauelemente und Leitungsverbindungen getestet werden. Strukturtest-Tools sind u.a. die Advanced Optical Inspection (AOI), Advanced X-Ray Inspection (AXI), Digital Multimeter (DMMs), Manufacturing Defect Analyzer (MDAs), In-Circuit Tester (ICTs), Boundary-Scan-Systeme (JTAG) und Flying Probe Tester (FPTs). AOI und AXI sind aber in Wirklichkeit Inspektionstools und keine Testtools, da sie mit visuellen Techniken arbeiten. DMM, MDA, ICT, JTAG und FPT nutzen elektrische Testverfahren. Diese Methoden werden oft anhand ihrer Fähigkeit beurteilt, „Shorts“ (Kurzschlüsse) und „Opens“ (offene Verbindungen) zu erkennen. Wichtig ist aber auch, dass sie das Vorhandensein der richtigen Komponenten auf einer Leiterplatte oder Baugruppe prüfen müssen.

Wenn man über Strukturtestabdeckung spricht, dann geht es darum, die Fehlererkennungsfunktionen einer Testmethode bezüglich eines bestimmten Board-Designs deterministisch auszudrücken. Strukturdefekte bei Bauelementen und Leitungsverbindungen lassen sich beispielsweise mit der sogenannten PCOLA/SOQ-Methode des iNEMI-Konsortiums (International Electronics Manufacturing Initiative) unterteilen (Tabelle 1 und Tabelle 2).

Die Testabdeckung einer bestimmten Strukturtestmethode, die unter Umständen aus einem oder mehreren Strukturtests und Testtechnologien besteht, kann also im Prinzip dadurch ermittelt werden, dass man alle Teile und Pins eines Boards nimmt und bewertet, ob sie die PCOLA/SOQ-Kriterien erfüllen. Je höher die dabei erreichte Zahl, desto höher die Testabdeckung. Gegebenenfalls können dabei auch Gewichtungen für kritische Komponenten und Interconnects vorgenommen werden.

Ein Strukturtest stellt für sich genommen noch keine komplette Testmethode dar. Es ist nämlich durchaus denkbar, dass das Board strukturell korrekt ist, aber trotzdem nicht funktioniert! An dieser Stelle kommt natürlich der Funktionstest ins Spiel.

Details zum Funktionstest

Beim Funktionstest wird geprüft, ob ein Design seine vorbestimmte Aufgabe funktionell erfüllt. Er ist wesentlich subjektiver als ein Strukturtest, da es extrem schwierig ist, die komplette Funktion eines Elektroniksystems unter allen erdenklichen Betriebsbedingungen zu prüfen.

Funktionstestmethoden sind je nach Produkt und Unternehmen sehr unterschiedlich. Beispielsweise kann bei einem Billig-Handy der Funktionstest darin bestehen, das Telefon einzuschalten und zu prüfen, ob damit ein Gespräch geführt werden kann. Es kann sein, dass bei einem solchen System gänzlich auf einen Strukturtest verzichtet wird! Im Gegensatz dazu wird eine High-End-Basisstation für Mobilfunknetze unter Umständen einer kompletten Reihe von Funktionstests unterzogen. Dabei wird nicht nur geprüft, ob das System korrekt funktioniert, sondern es wird auch seine Leistungsfähigkeit unter Last überprüft sowie die Einhaltung aller einschlägigen Betriebsvorschriften nachgewiesen. Solche Leistungs- und Konformitäts-Tests werden in erster Linie zur Validierung des Designs eines Systems während der Prototyp-Phase angewendet, aber einige OEMs nutzen diese Prüftechnologien auch in der Fertigung und Qualitätssicherung. Zur Erfassung von Testkennzahlen aus Funktionstests hat das iNEMI-Konsortium im Jahr 2009 die FAM-Defektunterteilung eingeführt (Tabelle 3).

Mit der PCOLA/SOQ/FAM-Analyse wird die Wahrscheinlichkeit ermittelt, mit der Fehler in einem bestimmten Prüfling festgestellt werden. Deterministisch gesehen hat jeder Fehler, der im Werk nicht erkannt wird, seine Ursache in einer Teststrategie, die den Defekt in den betroffenen Teilen oder Pins nicht erkennen kann. Da es keine Teststrategie gibt, die jeden denkbaren Fehler für jede mögliche Temperatur-, Spannungs-, Prozess- und Betriebsbedingungs-Variante erkennt, ist es die Aufgabe (manche würden sagen: Kunst) des Testingenieurs, die maximale Testabdeckung zu den niedrigsten Kosten zu erzielen (Bild 1).

Es fällt auf, dass die Funktionstest-Technologien tatsächlich zur strukturellen PCOLA/SOQ-Bewertung für ein bestimmtes Boarddesign beitragen können. Schließt man beispielsweise einen IP Traffic Generator/Analyzer an einen Router an, wird man ziemlich schnell feststellen, ob es einen Kurzschluss auf einer der Datenleitungen des Routing-Chips, des Control-Plane-Prozessors, der PHYs oder anderer Komponenten gibt. Die Symptome sind natürlich unterschiedlich, je nach Art des Defekts und Tests. Möglich sind Paketverluste, eine zu hohe Paketlatenz oder übermäßig viel Jitter. Funktionstest-Technologien haben den Vorteil, dass sie die FAM- und die PCOLA/SOQ-Kennzahlen für die Testabdeckung ergänzen.

Ein der wichtigsten Einschränkungen konventioneller Funktionstests liegen im Bereich der Diagnose. Wie bereits erwähnt, kann sich ein Strukturdefekt als komplettes Systemversagen bemerkbar machen. Der Traffic Generator/Analyzer kann dann beispielsweise den Paketverlust nicht einem Kurzschluss auf Baustein U24/Pin 87 zuordnen. Die Testabdeckung mag ja hoch sein, was ja gut ist, denn dadurch werden die Fehler vom OEM und nicht vom Kunden festgestellt, aber die Diagnosegranularität ist niedrig. Und das ist schlecht, denn der OEM kann die Ursache des Fehlers nicht eruieren und Abhilfe schaffen. Das Board landet dann unter Umständen im Abfall.

 

Bewertungsrichtlinien für Bauelemente

   
 PPresenceErkennt der Test, ob das Teil vorhanden ist?
 CCorrectness Erkennt der Test, ob es das richtige Teil ist?
OOrientation

Ist das Teil richtig herum eingebaut bzw. stimmt die  Polarität?

LLive

Ist das Teil elektrisch funktionsfähig, damit es seine Grundaufgabe erfüllen kann?

AAlignment

Kann der Test laterale Fehlplatzierungen oder kleinere  Verdrehungen erkennen?

Tabelle 1

Bewertungsrichtlinien für Leitungsverbindungen auf einer Leiterplatte

  
 SShorts

Können Kurzschlüsse auf einer Leitungsverbindung innerhalb eines bestimmten Radius erkannt werden

 OOpens  Wenn es einen „Open“ auf dem Pin/der Leiterbahn gibt, bringt der Test dann einen Fehler?
QQuality Ist die Lötqualität, Benetzung und allgemeine Strukturintegrität der Leiterplatte zufriedenstellend?
Tabelle 2

Bewertungsrichtlinien für Funktionstests

  
 F Feature Wird erkannt, ob ein Feature vorhanden ist oder fehlt?
 A At-speed Kann der Pin/die Schnittstelle/das Feature mit minimaler, mittlerer und maximaler Geschwindigkeit getestet werden?
MMeasurement Kann eine Messung vorgenommen werden, mit der die Leistungsfähigkeit in Bezug auf BER (Bit Error Rate), CRC (Cyclic Redundancy Check) oder andere Vorgaben nachgewiesen wird?
Tabelle 3