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Prototyping und Produktion Der elektrische Test mit dem JTAG-/Boundary-Scan

Autor / Redakteur: Matthias Müller * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Eine nahezu 100-prozentige Fehlerfreiheit: Das ist das Ziel eines jeden Auftragsfertigers. Wir zeigen ein kompaktes Auftischgerät, das für den elektrischen Test eingesetzt werden kann.

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Boundary-Scan-Produktionstester: Das Auftischgerät JULIET von Göpel electronic vereint Boundary-Scan-Hardware, die Spannungsversorung des Prüflings sowie die zusätzliche Testlogik.
Boundary-Scan-Produktionstester: Das Auftischgerät JULIET von Göpel electronic vereint Boundary-Scan-Hardware, die Spannungsversorung des Prüflings sowie die zusätzliche Testlogik.
(Bild: Göpel electronic)

Um dem Label „Made in Germany“ und dem damit verbundenen hohen Anspruch an die Qualität von Produkten gerecht zu werden, setzen Unternehmen viel Zeit und Geld ein. Zu diesen Produkten gehören auch elektronische Baugruppen, die auf weltweiten Märkten angeboten werden. Damit die Qualität der Baugruppen abgesichert ist, helfen Test- und Prüfverfahren wie JTAG/Boundary-Scan.

Wir haben uns dazu einen mittelständischen Auftragsfertiger angeschaut: Die Helmut Beyers GmbH aus Mönchengladbach, ein Familienunternehmen, das seit 2001 in zweiter Generation geführt wird. Zu den Eckdaten: Gut 160 Mitarbeiter erwirtschafteten im Geschäftsjahr 2015 einen Umsatz von 23 Mio. Euro. Das Unternehmen arbeitet im Auftrag von OEM-Kunden aus der Telekommunikations-, Medizin- oder Haustechnik und fertigt elektronische Produkte.

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Standard-Baugruppen bis SMD- und THT-Mischbestückung

Seit einigen Jahren kommen Anfragen aus dem Umfeld intelligenter Elektronik für Industrie 4.0 oder Produkte für das Smart Home. Von der Baugruppenbestückung bis zur Herstellung von Produkten, die fertig verpackt und direkt an den Endkunden geliefert werden, kümmern sich die Mitarbeiter nicht nur um die technische Beratung, sondern auch um die Zusammenarbeit mit den Entwicklern, den Einkauf der Bauteile, die Fertigung sowie die Verpackung und die Logistik.

Genauer auf die Fertigung von Beyers geschaut, stellt das Unternehmen in drei Schichten kleine bis mittlere Stückzahlen her. Von Nullserien, Prototypen bis zu einer Losgröße von 50.000 Stück lässt sich die Fertigung skalieren und auch anspruchsvolle Kundenwünsche lassen sich realisieren. Dabei gehören einfache Baugruppen mit Standard-Bauteilen, hochkomplexe Baugruppen mit SMD- und THT-Mischbestückung sowie ein großes Bauteilspektrum zum Tagesgeschäft.

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Faktencheck Testsystem JULIET

Das Auftischgerät vereint einen JTAG/Boundary-Scan-Tester sowohl für das Prototyping als auch in der Fertigung. Die gesamte Systemelektronik und die Prüfadaption lässt sich per Wechselkassette austauschen. Aufgebaut ist das Testgerät auf Standardkomponenten und ist somit kompatibel zu bereits im Labor genutzten Systemen. Es lässt sich jederzeit erweitern. Geeignet ist der Tester für schnelles Prototyping und Losgrößen im unteren Volumenbereich.

Bei der Komplexität der Produkte setzt das Unternehmen keine Limits. So erinnert sich Frank Rumens, Technologie-Experte, an einen besonderen Auftrag aus der Medizintechnik. Hier mussten Leiterplatten aus Glas bestückt werden. Glas deshalb, weil es im OP-Umfeld für Tastaturen und Bedienfelder eingesetzt wird und sich sehr gut reinigen lässt. Glas als Leiterplatte ist besonders störunempfindlich gegen Temperatur und Feuchtigkeit. Passende Lötprofile für das Material zu finden war nicht einfach.

Gefertigt wird bei Beyers in einem Einbahnstraßensystem: Aus dem Wareneingang gehen die Komponenten auf die SMD- bzw. THT-Linie, anschließend ins Prüffeld und von dort direkt in den Warenausgang. Einige Produkte werden sogar in Gehäuse montiert, geprüft und verpackt – so dass der Endkunde ein voll funktionsfähiges und geprüftes Produkt erhält.

Aktuell sind drei Fertigungslinien in Betrieb, wobei die neueste 2016 installiert wurde, und die Kapazität von drei früheren Linien stemmt. Dafür sorgen drei Bestücker, die einem großen Bauteilspektrum gerecht werden können. Durch hohe Geschwindigkeit und geringe Umrüstzeiten ist ein häufiger Produktwechsel möglich.

Vollständige Testabdeckung ist nicht mehr möglich

Eine zentrale Forderung der Kunden ist eine nahezu 100-prozentige Fehlerfreiheit. Die zulässige Fehlertoleranz liegt oftmals weit unter einem Prozent. Der Fokus der Prüfstrategie des Fertigers lag lange Zeit auf der optischen Erkennung von Fertigungsfehlern über Lotpasteninspektion (SPI), Automatischer Optischer Inspektion (AOI) und manueller Röntgeninspektion (MXI). Durch die komplex gefertigten Baugruppen mit zunehmendem Einsatz von BGAs wird die optische Fehlersuche immer stärker eingeschränkt.

Da der Platz für Testpunkte auf vielen Leiterplatten schwindet, ist auch ein klassischer In-Circuit-Test keine optimale Lösung. Vollständige Testabdeckung ist nicht mehr ohne weiteres möglich, ein Teil im Puzzle der fehlerfreien Produktion fehlt somit. Von einem Großkunden hat man den entscheidenden Hinweis auf einen etablierten Testhelfer.

Denn dort werden schon viele Jahre in der eigenen Fertigung JULIET-Produktionstester von Göpel electronic eingesetzt, die den elektrischen Test mittels JTAG-/Boundary-Scan im großen Stil ermöglichen, und zugleich die nackten Boards in hoher Geschwindigkeit On-Board programmieren. Ein solches elektrisches Testsystem, das im Optimalfall das Programmieren der Baugruppe gleich mit übernimmt, muss her. So findet die JTAG/Boundary-Scan-Technik Einzug in die Fertigung.

Mit dem erprobten Boundary-Scan-Produktionstester wird ein kompaktes Auftischgerät in das Prüffeld integriert. Kompakt bedeutet, dass sowohl die Boundary-Scan-Hardware, die Spannungsversorgung des Prüflings, als auch zusätzliche Testlogik wie analoge I/Os und digitale I/Os in einem System vereint sind. Ähnlich einem In-Circuit-Test bietet das Testsystem eine hohe Flexibilität bei kurzen Rüstzeiten durch den Einsatz von Wechselkassetten zur schnellen Adaption unterschiedlicher Prüflinge.

Software-Änderungen live und in Echtzeit vornehmen

Die Prüfprogramme und in diesem Fall auch die Prüflingsaufnahmen sowie die zu programmierenden Daten werden von den Kunden zur Verfügung gestellt. Der Kunde hat per VPN-Zugang direkten Zugriff auf Programmierdaten, Prüfprogramme und Ergebnisdateien. Das hat den Vorteil, dass Software-Änderungen jederzeit und in Echtzeit vorgenommen werden können.

Die Programmierung sämtlicher ICs erfolgt vollautomatisch. Je nach Datenmenge und Komplexität der Baugruppe dauert der Prüf- und Programmierprozess wenige Sekunden bis wenige Minuten. Dabei wird eine Liste aller geprüften Seriennummern neben dem Prüfergebnis (PASS/FAIL) erstellt.

Ist die entsprechende Baugruppe ausgewählt, werden alle aufgetreten Fehler angezeigt, um anschließend sofort behoben werden zu können. Für die Auswertung ist ein Protokoll aller Vorgänge zur späteren Nachverfolgung selbstverständlich. Danach ist das Endprodukt zu 100 Prozent funktional und wird dem Kunden ausgehändigt, der die Baugruppen weiterverarbeitet.

* Matthias Müller ist bei Göpel electronic in Jena für die Öffentlichkeitsarbeit zuständig.

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