PCB-Fehler testen & beheben: Schritt-für-Schritt-Expertenleitfaden

Diagnose defekter Leiterplatten (PCB)

Bevor wir ins Detail der Leiterplatten (PCB) gehen, sind einige Grundlagen zu Schaltungen nötig.

Elektrizität: Die Energie, die jedes Instrument versorgt – von kleinen Lichtern bis zu schweren Maschinen. Elektrizität ist der Fluss von Elektronen von einem Niveau zum anderen (meist von höherem zu niedrigerem Potential). In einem elektrischen Stromkreis gibt es immer eine Spannungs- oder Stromquelle, Schaltungskomponenten, und der Strom fließt immer von positivem zu negativem Spannungsniveau.

Spannung, Strom, Widerstände, Kondensatoren und Spulen sind die primären Elemente jedes elektrischen Szenarios (Schaltung). Elektrischer Strom kann in zwei Formen vorliegen: sinusförmiger Wechselstrom (AC) oder geradliniger Gleichstrom (DC).

In der Hardware-Entwicklung elektrischer Schaltungen bezeichnet PCB-Design das Zusammenführen aller Schaltungskomponenten auf einer einzigen Platine.

Leiterplatte (PCB – Printed Circuit Board) ist der gängige Name für diese elektrischen Platinen. Historisch wurden PCBs durch ein kompliziertes Punkt-zu-Punkt-Verdrahtungsverfahren hergestellt – diese Schaltungen waren stark fehler- und beschädigungsanfällig. Später wurden präzisere Designtechniken entwickelt, die sicherer waren.

Heutige PCB-Zusammensetzung besteht aus vier Hauptkomponenten:

1. Siebdruck (Silkscreen)
2. Lötstopplack (Solder Mask)
3. Kupfer
4. Substrat (feines Glasfasergewebe)

Frühere PCBs waren einlagig, heute sind Mehrlagen-PCBs Standard – die Komplexität elektrischer Schaltungen ist gestiegen.

Neu entwickelte PCBs haben hochdichte Bauteile (High-Pitch), bei denen die meisten Bauteile nicht identifizierbar, nicht testbar sind und komplexe Fehlersuch- und Reparaturtechniken erfordern. Ältere Platinen ließen sich mit automatischer Testausrüstung reparieren – heute nicht mehr möglich. Verwendete Fehlersuchtechniken:

PCB-Fehlersuchtechniken

1. Prüfung der Lötstellen
2. Fehlerverfolgung (Tracking)
3. Fehlersuche an diskreten Elementen
4. Prüfung integrierter Schaltungen (ICs)
5. Softwaregestützte Analyse
6. Sichtprüfung (Visual Inspection)
7. Funktionalitätstest

Die meisten dieser Techniken versagen bei modernen Leiterplatten.

Eine neu entwickelte VI-Signaturanalyse-Technik eignet sich hervorragend für die Fehlersuche an bestückten Schaltungselementen.

Analog Signature Analysis zum Testen stromloser Leiterplatten (PCBs)

Eines der besten Geräte für die Detailanalyse fehlerhafter Komponenten in einer Schaltung. Ideal, wenn Bauteil-Signaturen oder Dokumentation verloren gegangen sind. Dieser Test benötigt keine Stromversorgung – optimal für fehlerhafte oder tote Platinen, da das Einschalten unsicher wäre.

• Weiterführend: Was ist Arduino und wie programmiert man es?

Eine Sinuswelle wird über zwei Messspitzen dem zu prüfenden Bauteil zugeführt. Resultierende Ströme, Spannungen und Phasenverschiebungen werden auf einem LCD dargestellt. Strom auf der Y-Achse, Spannung auf der X-Achse – die resultierende Kurve wird als Signatur auf dem Bildschirm angezeigt. Für die Nutzung sind fundiertes theoretisches Wissen über Signaturen verschiedener Bauteile und deren vollständiges Verständnis erforderlich.

Strategie zur Diagnose einer fehlerhaften PCB

Diese Technik gliedert sich in drei Stufen:

1. Fehlererkennung mit VI-Instrument: Unidentifizierte High-Pin-Count-Bauteile werden mit Wechselspannung getestet.
2. Fehlerlokalisierung: Feinanalyse zur Identifikation des defekten Bauteils. Im Gegensatz zum Funktionalitätstest werden nur Ein- und Ausgänge getestet.
3. Reparatur: Neue funktionsfähige Bauteile werden nach Entfernen der defekten Bauteile eingesetzt.

Analyse / Ergebnisse

In einer elektrischen Schaltung sind alle Bauteile entweder in Reihe, parallel oder gemischt (Reihen-Parallel) geschaltet – die Identifikation ihrer Signaturen wird unmöglich. Die einzige geeignete Lösung: Eine neue, funktionsfähige PCB nehmen und die Signaturen der defekten mit denen der funktionsfähigen vergleichen.

• Weiterführend: Design & Simulation Tools für Elektro-/Elektronikingenieure

Zum Vergleich: Zunächst alle Signaturen der defekten PCB, dann der funktionsfähigen PCB (falls verfügbar) aufnehmen – andernfalls müssen gespeicherte Bauteil-Signaturen vorliegen. Hat man eine voll funktionsfähige PCB, nimmt man alle Signaturen mit dem Multimeter auf: Spannung, Widerstand, Strom und Induktivität jedes Bauteils werden berechnet und mit den Signaturen der defekten PCB verglichen.

1. Zunächst alle Kontaktpunkte auffrischen (trockene oder beschädigte Lötstellen entfernen) und Signaturen vergleichen. Stimmen sie überein, ist der Fehler behoben – sonst nächster Schritt.
2. Tracking durchführen: Viele Leiterbahnen auf einer PCB – hohe Wahrscheinlichkeit für Beschädigungen. Beschädigte Bahnen lassen sich mit Drahtbrücken reparieren.
3. Letzter Schritt: Funktionalitätstest an jedem Pin linearer ICs, Ein- und Ausgang an jedem IC-Pin prüfen. Stimmt es mit dem Original-Datenblatt überein, ist es in Ordnung – andernfalls IC entfernen.

Weiterführende Artikel:

• PIC18 Mikrocontroller in C programmieren – Schritt für Schritt
• Batterie mit Testmessgerät testen
• Was ist Motoreffizienz & wie verbessert man sie?

Referenz: Analog Signature Analysis, Saelig Co. Inc.