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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren sowie von einer Vorrichtung
zum Auffinden eines Fehlers in einem Signalpfad auf einer Leiterplatte zum
Aufbringen eines elektronischen Bauteils, nach der Gattung der nebengeordneten
Ansprüche
1 und 10.
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Es
ist aus „Evaluation
of Interconnects with TDR",
Ulf Pillkahn, Design Automation and Test in Europe, Conference and
Exhibition 2000, Proceedings 2000, S. 740, schon bekannt, beispielsweise Signalpfade,
die als Leiterbahnen auf einer Leiterplatte, einer sogenannten gedruckten
Platine, aufgebracht sind, mit Hilfe einer TDR-Messung (Time Domain
Reflectometry) zu prüfen.
Dabei wird in mühevoller
Handarbeit ein Testsignal von einer entsprechenden Meßeinrichtung
auf den Signalpfad gegeben und die Laufzeit der in der Regel vom
offenen Ende des Signalpfades reflektierten Welle gemessen. Bei
dieser Messung wird praktisch der Wellenwiderstand des Signalpfades
(Leitungsweg) erfaßt.
Tritt nun auf dem Signalpfad beispielsweise an einer Lötstelle
eine Unterbrechung oder ein Kurzschluß auf, dann ändert sich
die Laufzeit der reflektierten Welle, da das Testsignal an der fehlerhaften
Lötstelle
schon entsprechend früher
reflektiert wird. Die Laufzeit ist somit ein Maß für den Ort eines Fehlers auf
dem Signalpfad. Eine derartige Meßeinrichtung ist beispielsweise
bei handelsüblichen
Oszillographen (z.B. Sampling-Oszillographen
mit Reflektometrie-Meßeinrichtung
der Firma Tektronix) verfügbar.
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Mit
einer einfachen Widerstandsmessung ist in der Regel dieser Fehler
nicht zu entdecken, da eine schlechte (,kalte') Lötstelle
wegen anderer Störeinflüsse wie
unterschiedliche Übergangswiderstände an Kontaktstellen
oder ähnliches
gleich strommäßig nicht
erfaßt
werden kann. Auch kann mit diesem Verfahren nicht der genaue Fehlerort
bestimmt werden, da nur der Gesamtwiderstand in einem Stromkreis
gemessen werden kann.
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Ein ähnliches
Problem besteht beispielsweise bei der Messung von gehäusten Bauteilen
mit einem sogenannten Testboard als Leiterplatte. Dieses Testboard
weist eine oder mehrere Kontaktsockel mit einer Vielzahl von Kontakten
auf, über
die ein zu prüfendes
Bauteil kontaktiert wird, so daß eine
Meßeinrichtung über entsprechende
Leiterbahnen (Signalpfade) die gewünschten Testbedingungen einstellen kann.
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Bei
dem heutigen Trend zur Miniaturisierung werden die Abstände zwischen
den Anschlußpins der
gehäusten
Bauteile und somit auch die der Kontakte des Kontaktsockels immer
kleiner, so daß eine einwandfreie
Lötung
zwischen den Kontakten mit den zugehörigen Leiterbahnen der Leiterplatte
immer schwieriger wird. Dadurch können unvollständige oder
unzureichende Lötverbindungen
entstehen, die aus elektrischer Sicht zu einer Unterbrechung führen und
somit ein Zuverlässigkeitsrisiko
bei der Prüfung der
Bauteile darstellen können.
Da auch die Leiterbahnen und deren Abstände sehr schmal sind, können auch
während
des Herstellprozesses leicht Unterbrechungen oder Kurzschlüsse entstehen,
die nicht ohne weiteres zu erkennen sind.
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Bisher
wurde dieses Problem dadurch gelöst,
daß jede
Leiterbahn und jeder Kontakt von Hand mit der zuvor erwähnten TDR-Messung geprüft wurde.
Bei mehrere hundert Signalpfaden auf einer Leiterplatte ist diese
Prüfung
sehr zeitaufwendig. Außerdem
können
sich dabei leicht wieder neue Fehler einschleichen.
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In
der Druckschrift
DE
199 23 384 A1 ist ein Verfahren zum Auffinden eines Fehlers
in einem Signalpfad auf einer Leiterplatte offenbart. Dabei wird der
Signalpfad nach einem TDR- Verfahren
dadurch geprüft,
dass ein im Signalpfad befindlicher fehlerhafter Ort durch die Laufzeit
einer reflektierten Welle bestimmt wird. Die Leiterplatte ist außerdem mit
einem elektronischen Bauteil bestückbar.
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Aus
der Druckschrift
US
6,191,601 B1 ist eine Testanordnung bekannt, um die Impedanz
einer Leiterplatte mithilfe eines TDR-Messgeräts zu Messen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Auffinden von Fehlern
in einem Signalpfad auf einer Leiterplatte zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird mit den Gegenstanden der nebengeordneten Ansprüche 1 und
10 gelöst.
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Die
abhängigen
Ansprüche
geben Ausführungsarten
der Erfindung an.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
beziehungsweise die Vorrichtung hat den Vorteil, daß durch
die Kurz schlußbrücke über wenigstens
zwei Anschlußpins
eines Testbauteils, das direkt auf der Leiterplatte aufgesetzt ist
oder auch in einen Kontaktsockel eingesetzt ist, der Signalpfad
um ein Stück verlängert wird,
so daß auch
die Lötstellen
in unmittelbarer Nähe
des Bereichs, in dem der Testbaustein auf der Leiterplatte aufgebracht
ist, insbesondere in unmittelbarer Nähe des möglichen Kontaktsockels geprüft werden
können.
Ohne diese Maßnahme
würde der
Kontakt des Kontaktsockels das Ende der offenen Leitung bilden,
an der die Welle reflektiert wird. In diesem Fall wäre eine
fehlerhafte Lötstelle
in diesem Bereich wegen des steil ansteigenden Wellenwiderstandes
nicht mehr erkennbar. Als besonders vorteilhaft wird auch angesehen,
daß sich
die Anordnung des Meßaufbaus
gegenüber
der bisher üblichen
Anordnung vereinfacht und somit die Prüfung schneller und sicherer
durchgeführt
werden kann.
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Bei
den abhängigen
Ansprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
wird als besonders vorteilhaft angesehen, daß die beiden kurzgeschlossenen
Anschlußpins
den ersten Signalpfad mit einem weiteren Signalpfad auf der Leiterplatte
verbinden. Dadurch kann sich die Leitungslänge der beiden Signalpfade
so verlängern,
daß zum
Beispiel eine Unterbrechung der beiden Signalpfade oder die beiden
Lötstellen
der entsprechenden Kontakte des Kontaktsockels gleichzeitig überprüft werden
können.
Das ergibt eine weitere Vereinfachung und schnellere Durchführung der Prüfung.
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Das
Ein- und Abschalten (Abtrennen) eines Signalpfades erfolgt vorteilhaft
mittels Schalter, die den Signalpfad mit einer Meß- und Steuereinrichtung verbinden.
Zur Bildung einer reflektierten Welle wird für den einfachsten Fall einer
der beiden Signalpfade mit dem Schalter durchtrennt, so daß das Signal
am Ende der offenen Leitung reflektiert werden kann.
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Eine
Prüfung
aller Signalpfade mit Hilfe der Meß- und Steuereinrichtung erscheint
besonders günstig,
da diese die einzelnen Signalpfade sequentiell ein- oder ausschalten
kann. Dies ist bei entsprechend hohen Meßfrequenzen in einer relativ
kurzen Zeitspanne durchführbar,
auch wenn auf der Leiterplatte beispielsweise mehrere hundert Signalpfade zu
prüfen
sind.
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Die
Prüfung
der Signalpfade wird durch die Meß- und Steuereinrichtung mit
Hilfe eines Softwareprogramms gesteuert. Ein derartiges Programm kann
sehr leicht auf die speziellen Anforderungen der zu prüfenden Leiterplattentypen
angepaßt
werden und ist somit sehr flexibel handhabbar.
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Insbesondere
kann mit dem Programm ein automatischer Ablauf für die Prüfung der Signalpfade gesteuert
werden, so daß die
zeitaufwendige manuelle Prüfung
entfallen kann.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
läßt sich
insbesondere die Güte
einer Lötstelle
oder Lötverbindung
im Bereich eines Kontaktes des Kontaktsockels oder dergleichen testen.
So können
beispielsweise auftretende Übergangswiderstände im Bereich
der Kontakte von den in diesem Bereich befindlichen fehlerhaften
Lötstellen
deutlich unterschieden werden. Dadurch werden Fehldiagnosen vermieden
und die Beurteilung der Leiterplatte verbessert.
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Weiterhin
ist günstig,
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
beispielsweise auch Durchkontaktierungen an mehrschichtigen Leiterplatten
zu prüfen.
Da aus der Laufzeit der gesendeten und der reflektierten Welle der
Ort eines Fehler genau bestimmbar ist, kann auf einfache Weise diagnostiziert
werden, welche der Durchkontaktierungen fehlerhaft ist.
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Die
Prüfung
eines Signalpfades erfolgt in vorteilhafter Weise auch im Hinblick
auf eine Unterbrechung und/oder einen Kurzschluß seiner Leiterbahnen. Dies
ist beispielsweise bei sehr eng geführten oder verdeckten Leiterbahnen
mit anderen Methoden kaum durchzuführen.
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Bei
der Vorrichtung wird als besonders vorteilhaft angesehen, daß die Prüfung an
einem Testboard für
gehäuste
Bauteile durchgeführt
wird. Derartige Testboards müssen
zuverlässig
arbeiten und sind relativ teuer in der Herstellung, insbesondere wenn
sie mehrere Kontaktsockel und viele hundert Signalpfade aufweisen.
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Eine
bevorzugte Anwendung für
ein Testboard wird darin gesehen, beispielsweise integrierte Schaltungen
wie eDRAM-(Embedded DRAM-)Speicherbausteine, Computer-Module oder dergleichen
zu testen. An diese Testboards werden sehr hohe Anforderungen gestellt.
Sie sind sehr empfindlich gegen Beschädigungen und schwierig herzustellen.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung in schematischer Darstellung,
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2 zeigt ausschnittsweise
einen Stromkreis mit zwei Signalpfaden und
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3 zeigt ein Diagramm mit
Signalverläufen.
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Das
Ausführungsbeispiel
der 1 zeigt im Querschnitt
in schematischer Darstellung einen Ausschnitt von einer Leiterplatte 1,
die häufig
auch als gedruckte Schaltung bezeichnet wird. Derartige Leiterplatten 1 sind
millionenfach im Einsatz und werden für die unterschiedlichsten Anwendungsfälle mit ein- oder
mehrschichtigen Leiterbahnebenen ausgeführt. Die Leiterplatte 1 dient
einerseits als mechanischer Träger
für die
zu montierenden Bauteile von elektronischen Schaltungen. Andererseits
trägt sie
meistens in Form von Cu-Bahnen die elektrischen Leiterbahnen, die
als Strom- oder Signalpfade die einzelnen Bauteile verbinden, versorgen,
steuern usw. Insbesondere bei einer hohen Packungsdichte von hochintegrierten
Bauteilen wie Speicherschaltungen (z. B. eDRAMs, Embedded DRAMs),
Computer-Chips oder dergleichen ist es erforderlich, daß sehr viele
Signalpfade auf engstem Raum angeordnet werden müssen. Das führt dazu, daß die Leiterbahnen
sehr schmal und ihre Abstände
zueinander sehr klein ausgeführt
sind.
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Die
Herstellung derartig schmaler Leiterbahnen auf engstem Raum ist
sehr schwierig, da die Leiterbahnen keinerlei ungewollte Unterbrechungen oder
Kurzschlüsse
aufweisen dürfen.
Kritisch sind auch Durchkontaktierungen zu einer anderen Leitungsebene.
Ein weiteres Problem stellen Lötverbindungen
mit Komponenten wie hochpolige Kontaktsockel 2 dar, deren
Kontakte 6 mit den Leiterbahnen gelötet werden müssen.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
der 1 wurde die Leiterplatte 1 als
Testboard ausgebildet, auf dem wenigstens ein Kontaktsockel 2 angeordnet
ist. Es wird angenommen, daß der
Kontaktsockel 2 mehrere hundert Kontakte 6 aufweist,
so daß auch
die oben genannten hochintegrierten Bauteile wie eDRAM's, Computer-Chips usw.
getestet werden könnten.
Bei einem derartigen Kontaktsockel 2 haben die Kontakte 6 einen
Mittenabstand von z.B. 0,8 mm. Die Leiterbahnen sind entsprechend
schmal ausgebildet, so daß zum
Auflöten eines
Kontaktes 6 auf eine Leiterbahn sehr wenig Platz zur Verfügung steht.
Daher können
an den Lötstellen 7 ungewollte
Unterbrechungen (z.B. kalte Lötstellen)
auftreten, die mit einer einfachen Ohmschen Messung oder auch optisch
z.B. bei BgA-Sockeln nicht ohne Weiteres zu erkennen sind.
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In
der Praxis wird zum Testen ein gehäustes Bauteil 3 mit
seinen Anschlußpins 4 in
den Kontaktsockel 2 des Testboards 1 eingeführt. Die
Anschlußpins 4 des
Bauteils 3 sind bezüglich
der Größe und ihrer
Eigenschaften genau auf die engen räumlichen Verhältnisse
abgestimmt. Beispielsweise können
die Anschlußpins 4 Balls
aufweisen, über
die die elektrische Verbindung erfolgt.
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Um
sicherzustellen, daß das
Testboard 1 selbst keine der vorgenannten Fehler oder Mängel, insbesondere
keine fehlerhaften Lötstellen
im Bereich des wenigstens einen Kontaktsockels 2 aufweist,
wird ein speziell gefertigtes Testbauteil 3, beispielsweise
ein Daisy-Chain Baustein oder ähnliches verwendet,
bei dem wenigstens jeweils zwei (möglichst benachbarte) Anschlußpins 4 mit
einer Kurzschlußbrücke 5 verbunden
sind.
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In
alternativer Ausgestaltung der Erfindung ist auch vorgesehen, mehr
als zwei, zum Beispiel auch alle Anschlußpins 4 miteinander
kurzzuschließen.
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In 1 wurde ausschnittsweise
ein Testbauteil 3 mit sechs Anschlußpins 4 dargestellt,
die insgesamt drei Kurzschlußbrücken 5 aufweisen.
Jeder Anschlußpin 4 ist
somit über
einen Kontakt 6 und eine Lötstelle 7 mit einer
Leiterbahn, also einem Signalpfad des Testboards 1 verbunden,
wie später
noch zur 2 näher erläutert wird.
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Die
Signalpfade werden einzeln z.B. über
einen Anschlußstecker 8 und
Verbindungsleitungen 9 mit einer Meß- und Steuereinrichtung 10 verbunden. Die
Meß- und
Steuereinrichtung 10 ist per se bekannt und muß in ihren
Einzelheiten nicht im Detail erläutert werden.
Sie weist eine Schaltmatrix mit einer Vielzahl von Schaltern 22, 23 auf
(2), die von der Steuereinrichtung
vorzugsweise mit einem entsprechenden Softwareprogramm gesteuert
werden. Des weiteren weist sie eine Meßeinrichtung auf, mit der die
Signalerzeugung und die Laufzeitmessung der reflektierten Welle
nach dem Verfahren der TDR-Messung durchgeführt wird. Der Meßablauf
und die sequentielle Schaltung der einzelnen Signalpfade kann automatisch
ablaufen, bis alle Signalpfade des Testboards 1 auf Fehler
durchgeprüft
wurden.
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An
Hand der 2 und 3 wird die Funktionsweise
des erfindungsgemäßen Verfahrens
beziehungsweise der Vorrichtung zum Auffinden eines Fehlers in einem
Signalpfad auf der Leiterplatte, in diesem Fall des Testboards 1 näher erläutert.
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Zunächst zeigt 2 einen Ausschnitt der 1, bei dem zwei Kontakte 6 eines
nicht näher dargestellten
Kontaktsockels über
Lötstellen 7,
Leiterbahnen und Verbindungsleitungen die beiden Signalpfade 9a, 9b bis
hin zur Meß-
und Steuereinrichtung 10 bilden. Des weiteren sind die
Schalter 22, 23 zu erkennen, mit denen jeder einzelnen
Signalpfad 9a, 9b ein- oder abgeschaltet werden
kann. Position 21 kennzeichnet die per se bekannte TDR-Meßeinrichtung
für die
Signal-Laufzeitbestimmung
nach dem Reflektometrieverfahren.
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In
die beiden Kontakte 6 sind zwei Anschlußpins 4 des Testbausteins 3 eingeführt, so
daß über die
Kurzschlußbrücke 5 der
erste Signalpfad 9a mit dem weiteren Signalpfad 9b verbunden
sind.
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Bei
der Laufzeitmessung werden nun erfindungsgemäß die beiden Schalter 22, 23 so
gesteuert, daß ein
Schalter geöffnet
und der zweite Schalter geschlossen und somit mit der TDR-Meßeinrichtung 21 verbunden
ist. Bei den üblichen
Testern kann hierzu die Kalibriereinrichtung verwendet werden. In
diesem Beispiel wurde (durch das Programm gesteuert) der Schalter 22 geschlossen
und der Schalter 23 geöffnet.
Dadurch verlängert
sich der zu prüfende
Signalpfad 9a um die Länge
des Signalpfades 9b bis hin zu dem Schalter 23.
Die beiden Lötstellen 7 der
beiden Kontakte 6 liegen nun nahezu in der Mitte des verlängerten
Signalpfades 9a, 9b.
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Im
Normalfall, wenn keine fehlerhafte Lötstelle oder sich kein anderer
Fehler in dem Signalpfad befindet, wird eine am Schalter 22 eingegebene Welle
am Ende der offenen Leitung, also in diesem Fall am Schalter 23 reflektiert
und von der TDR-Meßeinrichtung 21 durch
Messung der Laufzeit erfaßt.
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Tritt
nun beispielsweise an einer der beiden Lötstellen 7 eine Unterbrechung
auf, dann wird die am Schalter 22 eingespeiste Welle (Signal)
am Ort der Unterbrechung reflektiert, so daß sich seine Laufzeit entsprechend
verkürzt.
Die Länge
der Laufzeit und auch die Änderung
des Wellenwiderstandes sind somit ein Maß für den Ort eines Fehlers und
lassen auf die Ursache schließen.
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Entsprechendes
gilt auch für
einen Kurzschluß,
da auch bei einem Kurzschluß zwischen
zwei benachbarten Signalpfaden 9a und 9b sich
die Laufzeit und der Wellenwiderstand ändert, und entsprechend erfaßt werden
kann.
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Nach
diesem Schema können
nun alle Signalpfade einer Leiterplatte 1 software-gesteuert
und automatisch durchgeprüft
werden.
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Natürlich kann
das erfindungsgemäße Verfahren
auch für
andere Leiterplatten 1 mit ähnlichen Problemen wie Motherboards
für Computer
oder dergleichen eingesetzt werden. Bei diesen Leiterplatten kann
der Baustein auch direkt auf der Leiterplatte ohne Kontaktsockel
aufgebracht sein, wobei die zusätzliche
Leitung nach dem zu prüfenden
Kontakt, d.h. der Lötstelle
in dem Baustein z.B. durch Leads oder Bonddraht gegeben ist.
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3 zeigt nun drei Diagramme
von Signalverläufen,
an denen die zuvor erläuterten
Fälle diskutiert
werden. Bei dem Diagramm der 3 wurde
auf der x-Achse die Laufzeit t der reflektierten Welle und auf der
y-Achse der Wellenwiderstand Z eines Signalpfades 9a, 9b aufgetragen.
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Die
obere Kurve (offene Leitung a) in dem Diagramm zeigt mit ihrem steil
ansteigenden Kurvenast den Startimpuls. Sie repräsentiert den Startzeitpunkt t
= 0. Der Wellenwiderstand Z steigt steil an und bleibt auf hohem
Niveau stehen, da diese Leitung offen ist. Eine reflektierte Welle
tritt nicht auf, da hier kein Signalpfad angeschlossen ist.
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Die
untere Kurve (fehlerfreier Signalpfad b) zeigt einen guten, fehlerfreien
Signalpfad 9a, 9b, da sein unterer Ast entsprechend
dem Wellenwiderstand der Leitung, beispielsweise Z = 50 Ohm, waagerecht
verläuft.
Zum Zeitpunkt t2 steigt auch diese Kurve steil an, da die Welle
am Schalter 23 reflektiert wurde, um im Beispiel zu bleiben.
Die Zeitspanne zwischen t = 0 und t = t2 entspricht der gesamten Laufzeit
der Welle, so daß daraus
die Länge
des Signalpfades 9a, 9b berechnet werden kann.
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Die
anfängliche
Schwingung bis zu Zeitpunkt t1, der hier mit 2ns entsprechend 14 cm
gemessen wurde, läßt auf wechselnde Übergangsstände zwischen
Steckkontakten, Verbindungskontakten usw. schließen und muß gesondert betrachtet werden, wenn
dies stören
sollte.
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Die
Kurve c zeigt nun eine fehlerhafte Lötverbindung (Unterbrechung).
Zunächst
läuft die
Kurve c bis etwa zum Zeitpunkt t1 parallel mit der Kurve b. Nach
diesem Zeitpunkt t1 steigt die Kurve jedoch an und erreicht einen
höheren
Wellenwiderstand, bis die Kurve in etwa in den geraden Verlauf übergeht,
bis sie zum Zeitpunkt t2 wieder steil ansteigt, weil die Welle hier
am Ende des verlängerten
Signalpfades 9a, 9b reflektiert wurde. Der Pfeil
zeigt nun den Ort d des Fehlers an, also den Ort, bei dem die Kurve
c sich vom Verlauf der Kurve b ändert.
Der Anstieg deutet auf eine Unterbrechung. Bei einem Kurzschluß würde dieser
Kurvenast nach unten gerichtet verlaufen.
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- 1
- Leiterplatte/Testboard
- 2
- Kontaktsockel
- 3
- Testbauteil
- 4
- Anschlusspin
- 5
- Kurzschlussbrücke
- 6
- Kontakt
- 7
- Lötstelle
- 8
- Anschlußstecker
- 9
- Verbindungsleitung
- 9a
- (erster)
Signalpfad
- 9b
- weiterer
Signalpfad
- 10
- Mess-
und Steuereinrichtung
- 21
- TDR-Messeinrichtung
- 22
- Schalter
- 23
- Schalter
- a
- offene
Leitung
- b
- fehlerfreier
Signalpfad
- c
- fehlerhafter
Signalpfad
- d
- Ort
einer fehlerhaften Lötstelle
- t
- Laufzeit
- Z
- Wellenwiderstand