Eingebettete Bauteile Die neue Grenze der Leiterplatte

Eine Leiterplatte mit eingebetteten Bauteilen.

Mit immer kleineren Strukturen in und auf Leiterplatten haben Entwickler die Fortschritte genutzt, um mehr Funktionen in das Bauteil einzubetten, das früher kaum mehr als eine Fläche war, um Bauteile anzuordnen. Wie können die neuen Herausforderungen an den Test der Leiterplatten bewältigt werden?

Heute findet man eine Vielfalt eingebetteter Bauteile in Leiterplatten: Neben passiven Bauteilen auch Mikrocontroller, Spannungsregler und sogar Leistungs-MOSFETs (Bild 1). Die Leiterplatte ist also nicht mehr nur eine passive Grundlage, auf die Bauteile platziert werden. Sie ist vielmehr ein integraler Teil der Schaltung, deren Test innovative Vorgehensweisen erfordert. Bei einem Test, der die korrekte Funktion der Leiterplatte (Bild 2) verifizieren soll, muss sichergestellt werden, dass die eingebetteten Bauteile nicht beschädigt werden. Daneben müssen sowohl der elektrische Test der Leiterbahnen als auch andere Tests durchgeführt werden, wie sie für bestückte Baugruppen üblich sind. Der Test sollte also folgende Aspekte verifizieren:

  • Unterbrochene Leiterbahnen
  • Kurzschluss zwischen Leiterbahnen
  • Leiterbahndeformation (Kelvin)
  • Verminderte Isolation zwischen Leiterbahnen (Mikro-Kurzschlüsse)
  • Nennwerte passiver Bauteile
  • Funktionstest aktiver Bauteile

Darüber hinaus lassen sich weitere Anforderungen in den Test integrieren. So kann beispielsweise die Rückverfolgbarkeit der Leiterplatte sichergestellt werden, indem ein integrierter „elek­tronischer Barcode“ ausgelesen wird. Dies alles bedeutet eine erhöhte Komplexität des elektrischen Tests. Es ist nicht möglich, die gleichen Stimuli auf alle Netzknoten anzuwenden, da je nach Schaltungskonfiguration unterschieden werden muss. Beim Kurzschlusstest kann das Hochspannungs-Stimulus­signal wegen eingebetteten Bauteilen nicht pauschal an alle Leiterbahnen angelegt werden. Es sollte also die Möglichkeit geben, bei allen Netzknoten mit eingebetteten Bauteilen Niederspannungstests und bei allen anderen Knoten die herkömmlichen Hochspannungstests durchzuführen. Angesichts dieser Testanforderungen bieten bei gleichzeitig hoher Flexibilität Flying Prober derzeit den besten und effektivsten Ansatz. Um einen umfassenden und funktionalen Test der Leiterplatte zu ermöglichen, sollte das Testsystem für diese Anforderungen und die Technik der zu prüfenden Schaltungen ausgelegt sein. Das betrifft insbesondere folgende Kriterien:

  • Präzision der Messungen
  • Störfestigkeit
  • Vielfalt bei Signalerzeugung/Messgeräten
  • Hohe Wiederholgenauigkeit
  • Präzisionsmechanik
  • Totale Bewegungsfreiheit der Testnadeln im Prüfbereich
  • Leistungsfähige Software

Bei passiven Bauteilen mit typischerweise zwei Anschlüssen ist die Architektur der Flying Prober hervorragend geeignet. Sie kann aber zum begrenzenden Faktor werden, wenn der Test aktiver Bauteile die Kontaktierung von bis zu vier Anschlüssen erfordert. Dies erfordert eine Systemarchitektur, die bei der Positionierung der Testnadeln nicht eingeschränkt ist und funktionelle Tests der eingebetteten Bauteile ohne mechanische oder elektrische Beschränkungen durchführen kann.

Für diese Testsysteme ist es wichtig, dass eine Software zur Verfügung steht, die aus den LP-Daten alle erforderlichen Tests automatisch generiert. Das wird besonders dann wichtig, wenn die Struktur der Leiterplatten eine deutlich höhere Komplexität aufweist.

Das Testprogramm wird auf Basis der Netzliste des CAM-Systems erstellt. Passive Bauteile werden durch Messung ihres Ist-Wertes verifiziert. Aktive Bauteile wie MOS/Transistor, Diode/Zenerdiode und Spannungsregler werden geprüft, indem ihre Eingänge stimuliert und ihre Ausgänge gemessen werden. Das Testen eingebetteter integrierter Schaltungen kann komplexer sein: Um zu verifizieren, dass eine Schaltung mit den entsprechenden Netzknoten verbunden ist, müssen die internen Dioden (Bild 3) gemessen werden, die mit dem Gnd-Anschluss verbunden sind. Um die Funktion zu verifizieren, muss die Versorgungsspannung am Bauteil angelegt werden. Dann können die Eingänge stimuliert werden und die Reaktion an den Ausgängen gemessen werden.

Um diese Tests durchführen zu können, sollte das Testsystem über die entsprechenden Hard- und Software-Ressourcen verfügen, um ein Logik-Gatter mit Spannung zu versorgen und seine Wahrheitstabelle verifizieren zu können. Deutlich effizienter und anwenderfreundlicher ist eine grafische Oberfläche, die den Benutzer durch alle erforderlichen Schritte führt und einen Test ermöglicht, der den Funktionsbeschreibungen der Halbleiterhersteller folgt.