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Mit der analogen Signaturanalyse Fehler auf einer bestückten Leiterplatte suchen

| Autor / Redakteur: Hanns Jochen Honecker * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Mit der analogen Signaturanalyse (ASA) lassen sich bestückte Leiterplatten reparieren oder prototypisch in Betrieb nehmen, die nicht im eingeschalteten Zustand betrieben werden können.

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Messgerät zur Fehlersuche: Huntron Tracker 3200S als eigenständiges Tischgerät mit Touch-Display. Die Messbuchsen und der Scanner sind für eine alternierende Messung doppelt ausgeführt.
Messgerät zur Fehlersuche: Huntron Tracker 3200S als eigenständiges Tischgerät mit Touch-Display. Die Messbuchsen und der Scanner sind für eine alternierende Messung doppelt ausgeführt.
(Bild: Huntron Inc. USA )

Der Kontext, in dem Leiterplatten-Fehler auftreten, bestimmt die Strategie der Suche. So liegt beispielsweise im Fertigungsumfeld der Schwerpunkt auf der Prozesskontrolle. Bewährte Techniken sind dabei die optische/Röntgen-Inspektion, In-Circuit-Test, Boundary-Scan und Funktionstest. Im Umfeld von Entwicklung oder Instandsetzung greifen Diagnosewerkzeuge besser. Neben dem Einsatz klassischer Messtechnik, wie Digitalmultimeter oder Oszilloskop, ist es vor allem die analoge Signaturanalyse (ASA).

Nachdem der Prüfling in Betrieb genommen wurde, folgt der Prüfingenieur bei der Fehlersuche dem Funktionspfad. Komplexe Geräte können über einen eigenen Testmodus verfügen, um die Produktion oder Instandsetzung zu unterstützen. Mit einfachen Messungen wie der Spannung mit einem DMM an strategisch geschickten Punkten, verifiziert der Techniker die Funktion am Messpunkt. Dabei ist es oft hilfreich, während einer Messung den Betriebsmodus des Prüflings zu ändern, um weitere Hinweise zu erhalten.

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Die Fehlerzone ist dann bestimmt, wenn das gemessene Signal nicht dem erwarteten Funktionsprinzip entspricht. Am Beispiel einer defekten Labor-Spannungsquelle erfolgen erste Messungen an den verschiedenen internen Versorgungsspannungen. Ist die Versorgung in Ordnung, dann folgt der Techniker dem logischen Signalverlauf: Beginnend beim D/A-Wandler über den Vorverstärker bis zur Leistungsendstufe.

Einen Prüfling mit der ASA-Methode testen

Hat der Techniker das fehlerhafte Modul entdeckt, kann er die problematische Komponente mithilfe weiterer Messungen untersuchen. Stimulationen mit einer externen Signalquelle helfen zusätzlich an angrenzenden Bauteilen, um Fehler zu finden. Allerdings wird oft das ganze Modul ausgetauscht, um es separat zu reparieren. Das aufgeführte Messprinzip prägt am Messpunkt ein Sinussignal über die Prüfspitze ein und erfasst dort gleichzeitig den Strom via Shunt-Widerstand und den Spannungsabfall. Vergleichbar mit dem X-Y-Modus eines Oszilloskops wird eine Signatur aufgetragen.

Bei diskreten Bauteilen entspricht die Signatur den bekannten Kennlinien, beispielsweise eine Ursprungsgerade bei Widerständen, eine Hysterese bei Spulen oder die Dioden-Kennlinie. In einem realen Netzwerk ist die Signal-Antwort eine komplexe Überlagerung dieser Kennlinien. Die Strategie der Fehlersuche mit der ASA folgt nicht dem funktionellen Pfad. Das Modul bleibt ausgeschaltet, dem sogenannten Power-OFF-Test, damit die Antwort auf das eingespeiste Testsignal nur durch die passive elektronische Charakteristik des Prüflings definiert wird.

Die Messung erfolgt wie gewohnt zweipolig, meist in Bezug auf die Masse des Prüflings. Zielführend ist auch, den Bezugspunkt zur Versorgungsspannung zu wechseln oder differentiell über Bauteile hinweg zu messen. Die erzeugte komplexe Kennlinie des Netzwerkpunkts wird mit der funktionierenden Referenz verglichen und weist auf einen Fehler im Netzwerk hin, sollte sie zu stark abweichen. Die defekte Komponente wird isoliert, indem die Kennlinienform analysiert und durch weitere Messungen ergänzt wird.

Wie ein defektes Bauteil sicher erkannt wird

Damit das Ergebnis der Reparatur erfolgreich ist, werden möglichst viele Netzwerke gemessen. Es empfiehlt sich, alle Pins einer bestimmten Komponente geschlossen abzutasten. Bei einer komponentenspezifischen Häufung defekter Pins ist es dann möglich, das betroffene Bauteil sicher als defekt zu erkennen. Zeitsparender ist, das Netzwerk sequenziell an benachbarten Punkten durchzuarbeiten. Damit werden doppelte Messungen vermieden, wenn dasselbe Netzwerk an verschiedene Pins angeschlossen ist.

Eine sogenannte Strom-über-Spannung- Kennlinie kann mit einem Oszilloskop und einem Sinusgenerator aufgenommen werden. Unterstützt von einem speziellen Produkt wird die Fehlersuche sowohl flexibler als auch effizienter. Mit einem eingebauten Stromschutz wird der in den Prüfling eingegebene Stimulus überwacht und limitiert. Damit wird verhindert, dass Halbleiterkomponenten durch den Test zerstört werden.

Einfach einstellbare Parameter wie Spannung, Frequenz und Impedanz helfen bei der Fehleranalyse. Das automatisch wechselnde Messen gleichzeitig an zwei Boards legt das Messsignal über das Referenzsignal. Damit werden die Unterschiede der Signaturen sichtbar. Eingebaute Algorithmen erkennen die unterschiedlichen Linien und zeigen die Fail/Pass-Information. Mit einem Multiplexer (Scanner) lassen sich viele Prüfpunkte nacheinander abtasten. Standardisierte Clips für vielpolige Bauteile, wie Dual In Line oder Surface Mounted Design, und Leiterplattenverbinder sind schnell mit dem Scanner verbunden. Damit wird die Menge der getesteten Pins erhöht und gleichzeitig für eine gute Messabdeckung gesorgt.

Zusätzliche synchron laufende Generatoren können an den steuernden Eingang einer Komponente angeschlossen werden. Das erlaubt das Testen von einfachen aktiven Leistungs-Komponenten wie Relais oder Transistoren. Mit robotischen Messsonden (Prober) können viele Prüflinge automatisiert kontaktiert und getestet werden. Fehlerhafte Netzpunkte werden schneller gefunden. Dank der Automatisierung ist eine höhere Testabdeckung möglich. Erreicht wird das durch eine gesteigerte Anzahl der gemessenen Netzwerke und/oder durch eine höhere Anzahl der Messparameter.

Was der automatische Test für Vorteile bietet

Mit einem internen Multiplexer kann der Bezugspunkt der Messung automatisch umgeschaltet werden, wodurch sich mehrere Funktionseinheiten auf einem Träger (Nutzen) testen lassen. Automation minimiert Kontaktierungs-Fehler, da die Testnadel die Andruckkraft auf der Leiterplatte definiert und die Präzision der Stellmotoren die Position der Nadel auf dem Prüfpunkt sicherstellt. Der Automat garantiert, dass alle programmierten Punkte gemessen wurden und ordnet das ermittelte Ergebnis zuverlässig zu. Damit sind mögliche menschliche Fehler beim Testen der Leiterplatte praktisch ausgeschlossen.

Nutzt der Prüfingenieur eine Software, speichert sie die Referenzsignatur in einer internen Datenbank. Dadurch können mehrere Referenzen eingelesen werden. Die Verrechnung dieser Signaturen gleicht produktionsbedingte Streuungen oder verschiedene Bauteiletypen aus und vermeidet Pseudofehler. Wertvolle Referenzbaugruppen werden mechanisch geschont, da die gespeicherte Referenzsignatur eine tatsächliche Messung ersetzt. Bebilderte Operator-Anweisungen in der Testabfolge beschleunigen die Testdauer und verringern gleichzeitig die verursachte Fehlerrate. Ein vereinfachtes Operator-Interface erleichtert die Bedienung. Programmierschnittstellen machen die Kernfunktion der Software in eigenen Applikationen nutzbar.

Einstellungen wie Messpunkte und Parameter und die entsprechenden Ergebnisse können sofort in Testberichten oder Log-Dateien erfasst werden. Vorhandene CAD-Daten können importiert werden, um die initiale Konfiguration des Testplans und den Fehleranalyseprozess zu vereinfachen. Erfahrene Mitarbeiter verfügen über spezielles Fachwissen für eine geeignete Auswahl der Testpunkte und der konfigurierten Testparameter. Wird ein Testplan aufgesetzt und gespeichert, kann der Test in gleicher Qualität zu einem späteren Zeitpunkt reproduziert werden und das dabei gewonnene Know-how an einen Kollegen übergeben werden.

* Hanns Jochen Honecker hat eine langjährige Erfahrung bei der Reparatur von Messgeräten sowie im Aufbau und Reparatur von Produktions-Test-Systemen.

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