PCB-Tests: Der definitive Leitfaden für Prototypen- und Montage-Qualitätssicherung

PCB-Anwendungen sind zunehmend beliebt und vielfältig geworden. Aktuell werden von Ingenieuren hergestellte Leiterplatten eingesetzt, um Schaltkreise zu betreiben, die in militärischen Geräten genauso laufen wie in lebenswichtigen Systemen in Krankenhäusern. Daher ist PCB-Testing unerlässlich, um sicherzustellen, dass die Platinen fehlerfrei und wie entworfen funktionieren. Da Menschenleben auf dem Spiel stehen, sind Fehler in der PCB-Produktion nicht nur unerwünscht, sondern verboten.

Selbst erfahrene Ingenieure können gelegentlich Fehler machen und kalte Lötstellen oder andere PCB-Produktionsfehler verursachen. Derzeit testen nur sehr wenige Auftragsfertiger ihre Platinen umfassend. Als WellPCB sind wir stolz darauf, zu den Besten in der PCB-Test-Nische zu gehören.

Wie finden Sie heraus, wo Sie einen Fehler gemacht haben? Und wie können Sie die hohen Kosten für PCB-Tests senken, ohne die Qualität der Elektronik zu beeinträchtigen? Um diese klassischen Sorgen zu verstehen, lesen Sie unseren umfassenden Leitfaden zum PCB-Testing für Einzelfertigung und PCB-Montage.

PCB-Fehler im Überblick

1.1 Ein Milliarden-Dollar-Fehler, der vermeidbar gewesen wäre

2014 gab General Motors fast 4,1 Milliarden USD für Reparaturen und Entschädigungen aus, weil ein Fehler in der Zündschaltung eines Automodells von den Ingenieuren übersehen wurde. Bedenken Sie: Wie groß ist ein Zündschlüssel im Vergleich zu einem funktionierenden Auto?

Ein vollständig funktionsfähiges Fahrzeugsystem wurde nach allen Standards getestet (sogar bei teuren Crashtests), scheiterte aber an einem Schaltungsfehler auf der Zündplatine. Ein 4,1-Milliarden-Dollar-Fehler durch eine PCB! Wahrscheinlich nicht einmal die gesamte Schaltung – vielleicht nur ein defekter Transistor war die Ursache.

War der Fall General Motors ein Einzelfall? Nein. Vor etwa einem Jahr gab Samsung fast 5,3 Milliarden USD für Rückruf und Entschädigung aufgrund eines Defekts im Ladesystem des Galaxy Note 7 aus. Ebenso wurden 33 Millionen McDonald's-Fitnessarmbänder zurückgerufen (Kosten nicht bekannt).

Generell werden Geschichten über PCB-Fehler, die Milliarden an Reparaturkosten verursachen, zum Alltag moderner Elektronikdesigns. Startups machen sie genauso wie etablierte Unternehmen. Die bittere Wahrheit: Der Markt verzeiht diese Fehler nicht. Wie erkennen Sie also, ob eine PCB Defekte hat?

1.2 PCB-Testphasen und Indikatoren für schlecht getestete PCBs

Manchmal ist es einfach, Fehler in PCBs zu erkennen. Bei der visuellen Inspektion fallen häufige Defekte wie braun verfärbte, überhitzte Lötstellen auf. Lötstellen mit zu viel Lötzinn, unzureichender Benetzung und instabile Komponenten mit gestörten Verbindungen (mehr dazu unter kalte Lötstellen). Diese Methode heißt Manuelle Visuelle Inspektion (MVI).

Zur Erhöhung der Genauigkeit bei der MVI können Sie eine Lupe verwenden, um die Verbindungen zu prüfen und sicherzustellen, dass keine Öffnungen an den Lötstellen vorhanden sind. Dies gelingt durch Prüfung auf Lichtdurchlässigkeit an den Verbindungen mit einer Lupe.

Manchmal versagen aber auch Augen bei der Erkennung von PCB-Fehlern, die die Effizienz beeinträchtigen. Solche Defekte lassen sich nur durch Testen der Bauteileffektivität feststellen. Diese erweiterte Bewertung erfordert spezialisierte Geräte und wird unter strengen Variablen wie Strom, Spannung, Kapazität und Widerstand durchgeführt. Auch diese Variablen können den Einsatz weiterer Spezialgeräte erfordern, wie wir später besprechen.

Vergleich von erwarteten Ein- und Ausgängen an Bauteilen mit tatsächlichen Messwerten

So lässt sich feststellen, ob einzelne Bereiche der Platine defekt sind. Dieser Prozess heißt In-Circuit-Test (ICT). ICT wird komplexer, je mehr Bauteile ein Schaltkreis enthält. Daher wurden computergestützte Geräte entwickelt, um das Testen einzelner PCB-Komponenten zu erleichtern. Die meisten dieser Geräte werden später ebenfalls behandelt.

Der letzte Indikator für eine schlecht getestete PCB ist eine Zunahme von Kundenbeschwerden. Alle Geräte ziehen einige negative Bewertungen an – das ist normal. Manche kritisieren das physische Design, andere Funktionen. Wenn sich Beschwerden über die Effizienz oder Leistung eines bestimmten Elektronikgeräts häufen, könnte dies auf einen PCB-Defekt hindeuten.

Solche PCB-Fehler sind am unerwünschtesten, am schwersten zu erkennen und für Unternehmen am teuersten. Sie treten selten auf, haben aber die größten Auswirkungen auf betroffene Firmen.

Betrachten wir nun die zwei häufigsten Arten von Fehlern in Leiterplatten.

1.3 Arten von PCB-Fehlern

Es gibt zwei Hauptkategorien von PCB-Defekten: strukturelle Fehler und elektrische Fehler. Fast alle Fehler in PCBs lassen sich einer dieser beiden Kategorien zuordnen.

1.3.1 Strukturelle PCB-Fehler

Strukturelle PCB-Defekte resultieren aus Fehlern bei der unangemessenen Strukturierung einer PCB während der Fertigung. Dies sind die häufigsten Fehlerarten. Dazu gehören:

• Offene Stromkreise: Unvollständige Schaltkreise, die während der Fertigung übersehen werden. Die meisten offenen Stromkreise sind lötbezogen und entstehen beim Löten, oft durch unzureichendes Schmelzen des Lötzinns. Diese Fehler haben die höchste Auftretenswahrscheinlichkeit bei PCBs mit 25 %.
• Unzureichendes Lötzinn: Ebenfalls lötbezogen, entstehen oft durch unzureichende Benetzung einer Verbindung. Auftretenswahrscheinlichkeit: 18 %.
• Kurzschlüsse: Zwar in beiden Kategorien einordenbar, entstehen Kurzschlüsse häufiger durch fehlerhaftes Design als durch defekte elektrische Bauteile. Auftretensrate: ca. 13 % aller PCB-Fehler.
• Fehlende elektrische Bauteile: Auftretenswahrscheinlichkeit ähnlich wie bei Kurzschlüssen (ca. 12 %).
• Fehlausgerichtete Bauteile: Können manchmal nach dem Design, aber vor der Montage erkannt werden. Auftretensrate: ca. 8 %.
• Überschüssiges Lötzinn: Zwar problematisch, verursacht aber selten Produktionsfehler, da es leicht zu erkennen und zu beheben ist. Auftretensrate: ca. 3 %.
• Fehlende nicht-elektrische Teile: Treten kaum auf. Auftretenswahrscheinlichkeit: ca. 2 %.

1.3.2 Elektrische Fehler

Elektrische Fehler resultieren aus der fehlerhaften Verwendung elektrischer Bauteile in Leiterplatten. Diese Fehler treten in moderner Zeit selten auf und sind, wenn sie auftreten, weniger fatal als Designfehler.

• Defekte elektrische Bauteile: Entstehen, wenn defekte Komponenten auf Schaltungen gelötet werden. Sie sind leicht zu erkennen und zu beheben. Auftretenswahrscheinlichkeit: ca. 8 %.
• Verwendung falscher Bauteile: Z. B. Widerstände mit abweichenden Nennwerten. Auftretensrate: ca. 5 %.
• Falsche Ausrichtung von Bauteilen: Bauteile werden mit falscher Orientierung gelötet. Auftretensrate: ca. 2 %.

1.4 Kapitelüberblick

Umfassendes PCB-Testing ist entscheidend für die Qualität der von einem Hersteller produzierten Elektronik. Gut getestete PCBs, bei denen das Testen auf Details achtet, führen zu hochwertiger Elektronik – schlecht getestete zu fehlerhafter.

Wie die Beispiele zeigen, sind PCB-Fehler immer teuer. Für Startups kann ein PCB-Fehler den Ruf der Firma kosten. Etablierten Unternehmen kosten Defekte Geld und Reputation. Beide Verluste sind unerwünscht.

Früher lag der Schwerpunkt auf Fehlern in der Designphase. Mit verbesserter Technologie hat sich das PCB-Design verbessert. Mehr Augenmerk liegt nun auf dem Fertigungsprozess selbst. Jedes Elektronikfertigungsunternehmen, das langfristig am Markt bestehen will, muss mehr in PCB-Tests investieren.

In den folgenden Kapiteln betrachten wir gängige Testmethoden und industrielle Geräte für PCB-Tests.

PCB-Testmethoden

Bei der Entwicklung von PCBs als Hobbyist benötigen Sie keine konsistente Strategie – und damit auch keine Teststrategie. Mit einer groben Skizze des erwarteten Schaltkreises passt alles zusammen.

Kommerzielle PCB-Produktion und -Testing folgen jedoch festgelegten Strategien zur Bewertung von Effizienz und Fehlertoleranz. Derzeit gibt es etwa sieben Testansätze, von denen drei in der Industrie dominieren: Manuelle Visuelle Inspektion (MVI), In-Circuit-Test (ICT) und Funktionstest (FT).

2.1 PCB-Test – Manuelle Visuelle Inspektion (MVI)

Dies ist die primäre Testmethode für PCBs. Sie besteht darin, Fehler mit bloßem Auge zu suchen. MVI ist die einfachste, älteste und immer noch beliebteste Inspektionsmethode. Sie eignet sich für einfache, kleinvolumige PCB-Produktion.

Für hohe Stückzahlen oder komplexe PCBs ist sie jedoch nicht effizient, da das bloße Auge versteckte Verbindungen übersehen kann. Bei Großserienprüfungen ermüden oder langweilen sich Prüfer. Aufgrund dieser zwei Hauptnachteile gibt es verwandte Methoden zur Fehlerminimierung – allen voran der Einsatz von Linsen.

2.3 Einsatz von Mikroskopen und Linsen

Eine PCB kann Designanforderungen verfehlen, obwohl die ungestützte MVI alles in Ordnung zeigt. Dann benötigen Sie einen genaueren Blick durch Linse oder Mikroskop.

Manchmal sind unsere Augen nicht effektiv genug, um kleine Defekte an Lötstellen zu erkennen. Mit Linsen können Sie die Platinen vergrößern und die Verbindungen näher untersuchen.

2.4 Röntgenuntersuchung

Röntgenscans liefern Details über eine Platine, die selbst unter der Lupe nicht leicht zu sehen sind. Röntgen ist essenziell bei Platinen mit versteckten Verbindungen. Sie benötigen mehrere Scans desselben Boards aus verschiedenen Winkeln und vergleichen die Bilder mit den erwarteten Verbindungen aus den Designspezifikationen.

Der Nachteil: Röntgen ist teuer und für Hobbyisten und Kleinserienfertiger oft nicht anwendbar.

2.5 PCB-Test – Sägeverfahren

Das Durchtrennen einer Platine klingt nach einer schlechten Idee. Doch manchmal zeigen Röntgenbilder fragwürdige Verbindungen in verdeckten Bereichen. Ein einfacher Weg, Klarheit zu schaffen: Die Platine mit einer Säge aufschneiden und die darunterliegenden Verbindungen der Fehlerstellen prüfen.

So lassen sich interne Fehler beobachten und für künftige Produktionen beheben.

2.6 Automatisierte Optische Inspektion (AOI)

Bei großen Stückzahlen wird MVI mühsam. AOI ist eine automatisierte Verbesserung der MVI. Systeme erstellen Schnappschüsse verschiedener Platinenbereiche und konstruieren daraus eine Repräsentation der tatsächlichen Platine, die mit dem Originaldesign verglichen wird.

AOI ist schneller und genauer als MVI, aber für einfache Projekte teuer in Anschaffung und Wartung.

2.7 In-Circuit-Test (ICT)

In-Circuit-Testing ist die umfassendste Methode, um eine PCB auf Fehler zu prüfen. Ziel ist es, die Bauteile einer Platine zu testen und ihre Effizienz im gesamten Prototyp zu ermitteln. Die zu testende PCB wird auf ein Nagelbett gelegt, das selektiv mit verschiedenen Bauteilen verbunden ist, um deren Leistung als Einheiten zu bewerten.

Obwohl es die empfehlenswerteste Testmethode ist, ist ICT oft teuer, mühsam und zeitaufwändig. Daher wird es meist für Großserien-PCBs eingesetzt. Eine neuere, günstigere ICT-Variante für Prototypen ist die „Flying-Probe“-Methode, die in Kapitel 3 bei den Werkzeugen詳述 wird.

2.8 PCB-Test – Funktionstest

Dies ist immer die letzte Testphase. Nach der PCB-Fertigung umfasst ein Funktionstest eine Reihe von Programmen, die auf das Testgerät geladen werden, um zu prüfen, ob es die erwarteten Funktionen ausführt.

Fazit

Diese Methoden sind nicht perfekt, aber weniger fehleranfällig, da sie ständiger Überprüfung und Verbesserung unterzogen wurden.

Sie bestimmen auch maßgeblich die Arten der für PCB-Tests entwickelten Werkzeuge. Im nächsten Kapitel fokussieren wir uns auf die in der Industrie eingesetzten Testgeräte.

Industrielle PCB-Testausrüstung

Das vorherige Kapitel stellte Methoden vor, um Fehler manuell zu finden. In anderen Fällen kommen Linsen und Geräte wie Multimeter zum Einsatz.

Als spezialisierter Hersteller werden diese Methoden jedoch mühsam. Täglich begegnen Sie extrem komplexen Schaltkreisen mit unterschiedlichen Spezifikationen. Ungestützte MVI wird unzuverlässig. Dieses Kapitel beleuchtet wichtige Industriegeräte für PCB-Tests.

3.1 Automatisierte Optische Inspektion (AOI)

Die Grundanforderung an PCB-Tests ist die Sicherstellung, dass Platinen alle Designbedingungen erfüllen. Wie erwähnt, werden Fehler有时 während der Produktion übersehen. AOI-Geräte scannen PCBs und prüfen auf Designunregelmäßigkeiten.

AOI-Maschinen unterstützen die Manuelle Visuelle Inspektion (MVI) während der PCB-Fertigung. Sie bestehen aus einem System koordinierter Kameras und einer Plattform zur Aufnahme der zu prüfenden PCB. Die Platine wird aus spezifischen Winkeln beleuchtet, während die Kameras Bildscans aufnehmen. Aus den Bildern konstruieren AOI-Maschinen eine abstrakte Repräsentation der PCB und vergleichen sie mit den Designspezifikationen.

Diese Geräte führen MVI schneller und genauer durch als manuell. Primär konzentrieren sich AOI-Werkzeuge auf die Minimierung struktureller Fehler.

Aktuell gibt es 2D- und 3D-AOI-Maschinen. Die neuen 3D-AOI-Systeme arbeiten schneller und besser als ihre 2D-Vorgänger und sind empfindlich genug, um bedeutende leistungsbezogene Fehler zu erkennen.

Vorteile von AOI-Maschinen:

1. Beliebter als andere Maschinen
2. Erkennen strukturelle Fehler schneller
3. Können während der Fertigung eingesetzt werden, um die Gesamtzeit für Endtests zu reduzieren

Nachteile von AOI-Maschinen:

1. Können versteckte Verbindungen oder Unterseiten von BGAs nicht prüfen
2. Unwirksam bei bestückten Platinen mit verdeckten Komponenten

3.2 PCB-Test – Flying-Probe-Testmaschine

Flying-Probe-Testmaschinen (auch Flying-Prototype-Maschinen) bieten eine Plattform zur Bewertung der Prototypenleistung. Sie unterscheiden sich von AOIs durch die Durchführung von In-Circuit-Tests. Sie werden älteren Testmethoden vorgezogen, da sie kosteneffizient und einfach zu bedienen sind.

Flying Probers bestehen aus einem Stiftboard, das mit verschiedenen Bauteilen auf der Platine verbunden ist. Diese Maschinen führen einen schnellen In-Circuit-Test-Ansatz durch, um die Effektivität von Prototypen zu prüfen. Die Bauteile werden durch Anlegen von Spannung oder Signalen getestet und deren Ein- und Ausgänge mit den Designsollwerten verglichen.

Vorteile von Flying-Probe-Maschinen:

1. Günstiger und schneller als herkömmliche ICT-Maschinen
2. Erhöhen Qualität, da Ingenieure Prototypen erstellen und Änderungen vor der Endfertigung vornehmen können
3. Einfacher zu bedienen als traditionelle ICT-Maschinen

Nachteile von Flying-Probe-Geräten:

1. Nicht so detailorientiert wie konventionelle ICT-Maschinen

3.3 Impedanzkontroll-Testmaschinen

Das physische Design eines Schaltkreises auf der Platine und der durchfließende Strom beeinflussen jeden nahen Wechselstromkreis. Die Kombination dieser Effekte und des Widerstands bildet die Impedanz eines Schaltkreises.

Impedanztests sind aufwendig. Man muss Leiterlänge, Leiterabstand, Breite und Höhe des Leiters sowie den richtigen Zeitpunkt zur Impedanzmessung bestimmen. Ein Time-Domain-Reflectometer (TDR) misst die Impedanz einer Platine. Normale TDRs eignen sich jedoch nicht gut für automatisierte Impedanztests. Daher werden verbesserte Impedanzkontroll-Testmaschinen bei der Großserienfertigung eingesetzt.

3.4 Kupferdickenmessgeräte & Bohrlochprüfmaschinen

Kupferdickenmessgeräte und Bohrlochprüfgeräte sind eng verwandte Werkzeuge. Es handelt sich meist um Tischgeräte zur Messung der Bohrlochbreite oder der Kupferlagendicke, die Bauteile verbindet.

Beispiel Kupferdickenmessgerät: Misst die Dicke der Kupferschicht. Ein typisches Gerät sieht wie im Bild oben aus.

Bohrlochprüfmaschine: Schätzt den Bohrlocheinmesser durch Einführen von Stiften mit unterschiedlichen Durchmessern. Ein typisches Gerät ähnelt dem im Bild gezeigten.

3.5 PCB-Test – PCB-Elektrische Testsysteme

Nachdem alle Bauteile auf die PCB gelötet wurden, ist es entscheidend, In-Circuit-Tests durchzuführen und die Effizienz der integrierten Funktionen zu prüfen. Diese Phase sollte nach einem vollständigen ICT erfolgen. Ohne umfassendes ICT-Testing kann diese Testart nur die Wahrscheinlichkeit eines Problems anzeigen, ohne dessen Ort oder Lösung zu benennen.

Generell fallen alle Systeme zur Analyse von Effizienz und Zuverlässigkeit einer Schaltung unter diese Kategorie.

3.6 Kapitelüberblick

Bisher haben wir die Notwendigkeit von PCB-Tests und einige in der Industrie verwendete Testmaschinen beleuchtet. In den verbleibenden Kapiteln fokussieren wir uns auf PCB-Montagetests.

PCB-Montagetest

4.1 PCB-Test – Einführung

Montagetests an PCBs erfolgen nach dem Bestücken der in der Stückliste (BOM) angegebenen elektrischen Bauteile auf der Platine. PCB-Montagetests sind eng mit dem bereits besprochenen ICT verknüpft.

Tests erfolgen meist auf einem Nagelbett auf einer flachen Oberfläche mit Zugriff auf mehrere auf der PCB verbundene Bauteile. Je nach geplantem Testtyp wird die Platine unter Spannung gesetzt oder nicht.

PCB-Montagetests werden in zwei Ansätzen durchgeführt:

1. Testen eines einzelnen Bauteils/Moduls auf der Platine und Untersuchung seiner Korrelation mit allen anderen Bauteilen im Netzwerk. Dieser Test wird oft für einzelne Komponenten durchgeführt und auf alle anderen Komponenten ausgedehnt, die gemeinsame Interessen mit dem getesteten Element haben.
2. Testen durch Stichproben an einigen kritischen Schaltungskomponenten und Untersuchung der Leistungsergebnisse im Vergleich zu den Erwartungswerten.

4.2 Vorteile des Montagetests

1. Eine gesamte Leiterplatte wird auf Stromfehler wie Kurzschlüsse oder offene Stromkreise geprüft. Der Test deckt auch defekte Bauteile auf einem Prototyp auf.
2. Umfasst Power-Up-Tests, die den Debug-Aufwand des Kunden erheblich reduzieren.
3. Kann fast alle möglichen Fehler in einer PCB erkennen.
4. Betriebssystem-unabhängige PCB-Testplattform.
5. Tests folgen anerkannten universellen IPC-Standards.

4.3 PCB-Test – Nachteile des Montagetests

Das Hauptproblem beim Montagetest: Das Testen eines einzelnen Prototyp-PCBs erfordert viel Zeit und finanzielle Ressourcen. Das Testen einer komplexen Platine kann 5–6 Wochen dauern, die Kosten sind sehr hoch. Der Montagetest ist jedoch funktional und präziser als jede andere Testmethode. Er eignet sich daher ideal für etablierte Marken, die hohe Qualitätsstandards und Großserienproduktion benötigen.

Fazit

PCB-Tests sind ein entscheidender Schritt für alle PCB-Designer und Ingenieure. Wie die Beispiele in diesem Leitfaden zeigen, wirken sich richtige PCB-Testtechniken direkt auf die Qualität der von einem Ingenieur produzierten Elektronik aus. Schlechte Testtechniken sind für Unternehmen kostspielig.

Da PCB-Tests die Qualität der Elektronik direkt beeinflussen, ist jeder investierte Cent gerechtfertigt – er ist direkt mit der Gesamtprofitabilität jedes Unternehmens verknüpft. Das Problem: Die meisten Auftragsfertiger verlangen überhöhte Preise für PCB-Tests.

Als WellPCB verfügen wir über modernste PCB-Testausrüstung und nehmen uns Zeit und Expertise, um PCBs für unsere Kunden zu testen. Der letzte Prozess von WellPCB: Wir bieten einen One-Stop-Service und hochwertige Produkte. Senden Sie uns Ihre Unterlagen und erhalten Sie sofort ein Angebot! Was warten wir noch? Wir haben zehn Jahre PCB-Fertigungserfahrung, um Spezifikationen, Anforderungen und Schaltungsprobleme zu prüfen. Für PCB-Testing und Qualität werden Sie zufrieden sein. Alternativ können Sie uns eine Anfrage für PCB-Montage und -Test senden.