DE19747399A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Belastung bestückter Leiterplatten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Belastung bestückter Leiterplatten, wodurch in den bestückten Leiterplatten versteckte Fehler aktiviert werden.

Versteckte Bauelement- und Fertigungungsfehler auf Leiter­ platten-Ebene, die nicht bereits im Werk aktiviert und detek­ tiert werden, können beim Kunden zum Frühausfall der bestück­ ten Leiterplatten führen. Diese Frühausfälle verursachen Ge­ währleistungsansprüche des Kunden und einen beträchtlichen Imageverlust. Für die Aktivierung von versteckten Bauelement- und Fertigungsfehlern werden heute im wesentlichen drei ver­ schiedene Verfahren eingesetzt, die sich in ihrer jeweiligen Ausführung stark unterscheiden können. Die Aktivierungsver­ fahren werden sowohl auf Leiterplatten- als auch auf Bauele­ mentebene angewandt.

a) Heißprüfung

Bei der Heißprüfung werden die bestückten Leiterplatten in einem Ofen auf eine bestimmte Temperatur aufgeheizt und typischerweise mehrere Stunden auf dieser Tem­ peratur gehalten. Ausführungsvarianten sind Funktionsprüfung während der Heißprüfung oder Funktionsprüfung nach durchge­ führter Heißprüfung. Die Arbeitsweise der Öfen basiert in der Regel auf einer Widerstandsheizung, der Wärmeübertrag auf die zu prüfenden Leiterplatten erfolgt maßgeblich durch Konvek­ tion.

Die Heißprüfung ist ein Verfahren, das nur ein eng begrenztes Spektrum von Bauelementfehlern aktivieren kann. Dazu gehören Elektromigration, dielektrischer Durchbruch und nicht abge­ schlossene chemische Reaktionen. Jedoch ist die Heißprüfung zur Aktivierung von relevanten Fehlertypen nur wenig geeig­ net, da eine konstante Temperatur nicht ausreichende mechani­ sche Spannungen in der Leiterplatte erzeugt, um Fertigungs­ fehler, z. B. schadhafte Lötstellen, aufzubrechen.

b) Run-In

Beim Run-In werden die zu prüfenden bestückten Leiterplatten einer zyklischen Temperaturbelastung ausge­ setzt. Die Nomenklatur ist hier nicht ganz eindeutig, manch­ mal wird der Begriff Run-In auch für die Prüfung bei konstan­ ter Temperatur verwendet. Im Folgenden meint die Bezeichnung Run-In eine zyklische Temperaturbelastung.

Der Run-In, ggf. bei gleichzeitiger Funktionsprüfung, ist ein effektives Mittel zur Aktivierung von Fertigungs- und Bauele­ mentfehler. Zu den Fertigungsfehlern gehören z. B. schadhafte Lötstellen, Leiterplattenprobleme und eine instabile Verbin­ dungstechnik zur Peripherie. Zu den Bauelementproblemen gehö­ ren schadhafte Gehäuse, schwache Bondverbindungen und ausset­ zende Bauelementfunktion bei extremen Temperaturen.

Bisher eingesetzte Systeme zur Erzeugung der Temperaturwech­ selbelastung realisieren den Wärmeübertrag maßgeblich durch Konvektion und sind im Extremfall bis zu einem Gradienten von 60°C/min einstellbar, im Regelfall sind jedoch nur wesentlich geringere Werte möglich.

Die Leistungsfähigkeit des Temperaturwechselverfahrens wird durch die Begrenzung des Temperaturgradienten nur unbefriedi­ gend ausgeschöpft. Die Verfahren Heißprüfung und Run-In schöpfen die mögliche Leistungsfähigkeit der Belastung be­ stückter Leiterplatten durch Temperaturzyklen nur in unbe­ friedigendem Maße aus. Die bestückten Leiterplatten sind im für die Prüfung benötigten Zeitraum mit wesentlich größeren Temperaturgradienten als 60°C/min ohne Schädigung guter Bau­ gruppen belastbar. Versteckte Fehler lassen sich desto schneller aktivieren, je größer der auf sie wirkende Tempera­ turgradient ist.

c) Vibration

Häufig werden auch Vibrationsgeneratoren zur Aktivierung versteckter Fertigungsfehler eingesetzt. Dabei handelt es sich in der Regel um Rütteltische mit mehreren Freiheitsgraden, auf die die zu prüfenden bestückten Leiter­ platten aufgebracht werden. Der Einsatz von Rütteltischen ist zwar effektiv, jedoch sind die Anschaffungskosten sehr hoch.

Die automatisierte Fertigungsintegration der Zuverlässig­ keitsprüfung ist bei Verwendung von auf Wärmekonvektion ba­ sierenden Kälte-Wärme-Tunneln und von Rütteltischen extrem kostenintensiv.

Aufgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, ein kosten­ günstiges Verfahren zur Aktivierung versteckter Fehler in be­ stückten Leiterplatten mit optimierter thermischer Belastung bereit zustellen, das versteckte Fehler schnell aktivieren kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird ein optimierter thermi­ scher Belastungszyklus dadurch erreicht, daß der Wärmeüber­ trag zur Erhitzung der bestückten Leiterplatten überwiegend durch elektromagnetische Strahlung geschieht. Es besteht ge­ genüber den anderen, überwiegend auf Wärmekonvektion beruhen­ den, Verfahren der Vorteil, daß Temperaturgradienten von meh­ reren hundert Grad Celsius pro Minute während der Aufheizpha­ sen möglich sind.

Die Abkühlung geschieht beispielsweise durch Druckluft oder durch Ventilatoren. Dabei ist es durch den hohen Luftdurch­ satz möglich, Temperaturgradienten von mehreren hundert Grad Celsius pro Minute während der Abkühlphase zu erlangen.

Durch geeignete Vortemperierung kann die jeweilige Raumtempe­ ratur unterschritten werden. Bei Verwendung von Druckluft kann die Kühlung unter Raumtemperatur, beispielsweise durch den Einsatz von Kühlgeräten nach dem Wirbelrohrprinzip, rea­ lisiert werden.

Die Investitionskosten zum Einsatz elektromagnetischer Wärme­ übertragung und der beschriebenen Kühlmöglichkeiten sind im Vergleich zu Kälte-Wärme-Tunneln wesentlich geringer.

Bedingt durch die hohen Temperaturgradienten wird die Zeit verkürzt, die zum Durchlauf eines vollständigen Zyklus benö­ tigt wird.

Weiterhin wird durch die hohen Temperaturgradienten die Zahl der Zyklen verringert, die zur Aktivierung eines versteckten Fehlers nötig sind.

Die Durchlaufzeiten von bestückten Leiterplatten können des­ halb durch die Erfindung drastisch verkürzt werden.

Zusätzliche Vibrationen können durch kurze mechanische Stöße direkt auf die bestückten Leiterplatten generiert werden. Da­ durch werden breitbandig die Eigenschwingungen der bestückten Leiterplatten angeregt. Die Investitionskosten dieser Methode sind im Vergleich zu Rütteltischen wesentlich geringer.

Das System "Temperaturzyklen durch Strahlheizung und Druck­ luftkühlung sowie Vibration durch Stoßanregung" besitzt zudem den Vorteil einer einfachen Fertigungsintegrierbarkeit bei der Zuverlässigkeitsprüfung von bestückten Leiterplatten.

Eine Funktionsprüfung der bestückten Leiterplatten kann während oder nach einem Belastungszyklus erfolgen.

Es ist vorteilhaft wenn zusätzlich während einer Funkti­ onsprüfung die Zuverlässigkeit der zu prüfenden bestückten Leiterplatten durch elektromagnetische Störungen überprüft wird. Diese Störeinkopplungen können entweder leitungsgebun­ den oder durch elektromagnetische Felder erzeugt werden. Durch die Störeinkopplung wird das Fehlen von Bauelementen, beispielsweise von Pull-Up Widerständen erkannt, das nicht zwingend zum Funktionsausfall der bestückten Leiterplatten führt, wohl aber zu einer Reduzierung des Störspannungsab­ standes und damit möglicherweise zum Ausfall unter bestimmten Umgebungsbedingungen. Auch werden beispielsweise Schwächen am Eingangsfilter der bestückten Leiterplatten erkannt, die durch unzulässige Toleranzen der eingesetzten Bauelemente auftreten können.

In den folgenden Figuren wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand von Ausführungsbeispielen dargelegt.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Aktivierung versteckter Fehler in bestückten Leiterplatten,

Fig. 2 zeigt eine Auftragung eines Temperaturzyklus gegen die Zeit,

Fig. 3 zeigt eine Auftragung der durch mechanische Vibra­ tion erzeugten Beschleunigungswerte gegen die Zeit.

Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Zuverlässigkeitsprüfung von bestückten Leiterplatten 1. Durch Strahlungsquellen 2 in Form von phasenanschnittsgesteu­ erten Halogenlampen, wird Wärme in Form elektromagnetischer Strahlung auf die bestückten Leiterplatten 1 übertragen. Die Lichtleistung der Halogenlampen 2, die bis zu mehreren Tau­ send Watt beträgt, wird durch Reflektoren auf die Leiterplat­ ten 1 konzentriert. In diesem Beispiel beträgt der Abstand der Halogenlampen von der bestückten Leiterplatte 1 ca. 10 cm.

Die Abkühlung erfolgt mittels Düsen 32 eines Druckluftsystems 3, über die die Druckluft über die bestückten Leiterplatten 1 geleitet wird. Die Druckluftzufuhr wird über ein Magnetventil 31 gesteuert.

Das Aktivierung der Halogenlampen 2 und der Druckluftzufuhr geschieht dabei jeweils abwechselnd.

Gleichzeitig werden durch Magnetstößel 4, d. h. durch elek­ tromagnetisch bewegte Stößel, kurze mechanische Impulse, deren Richtung hier durch einen Pfeil angedeutet ist, direkt auf die bestückten Leiterplatten 1 übertragen. Die von den Magnetstößeln 4 aufgebrachten Schwingungen können dabei ein breitbandiges Frequenzspektrum umfassen. Durch die Anregungen werden, ebenfalls breitbandige, Eigenschwingungen der Lei­ terplatten 1 angeregt. Die Beschleunigungen auf der bestück­ ten Leiterplatte 1 erreichen in diesem Fall bis zu 85 g. Im Frequenzbereich zwischen 10 . . . 3000 Hz treten ausgeprägte Ei­ genschwingungen auf. Die Vibrationsbelastung wird in den drei Raumrichtungen durchgeführt. Dabei kann die Stoßanregung so­ wohl während der Aufheiz- als auch während der Abkühlphase angewendet werden.

Zusätzlich wird durch einen Störgenerator 5 wahlweise oder zusammen über eine elektrische Zuleitung 6 oder über eine An­ tenne 7 leitungsgebundene Störeinkopplungen in die bestückten Leiterplatten 1 realisiert. Die Frequenz der Störsignale liegt typischerweise im Bereich von MHz. Durch die Einkopp­ lung der elektromagnetischen Störungen bei gleichzeitiger Funktionsprüfung kann beispielsweise das Fehlen von Pull-up- Widerständen erkannt werden.

Fig. 2 zeigt den Temperaturverlauf an einer bestückten Lei­ terplatte 1 bei Einsatz elektromagnetischer Wärmestrahlung und Druckluftkühlung gegen die Zeit. Die Heizrate variiert dabei zwischen ca. -1000°C/min und ca. 400°C/min. Dadurch wird dokumentiert, daß die durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugten Heizraten weit über dem durch Wärmekonve­ tion erreichten Heizraten liegen.

Bei den hier vorliegenden Versuchsbedingungen erreicht die laterale Variation der Oberflächentemperatur ca. 5°C. Die Temperaturdifferenz zwischen Oberflächen und Halbleitermate­ rial liegt bei ca. 3°C.

Fig. 3 zeigt die Auftragung der durch kurze mechanische Stöße der Magnetstößel 4 direkt auf eine bestückte Leiter­ platte 1 erzeugten Beschleunigung der Leiterplatte 1, aufge­ tragen gegen die Zeit.

Claims (13)

1. Verfahren zur Aktivierung versteckter Fehler in bestück­ ten Leiterplatten (1), bei dem zur Erhitzung einer oder mehrerer bestückter Leiter­ platten (1) ein Wärmeübertrag überwiegend durch elektromagne­ tische Strahlung erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die elektromagnetische Strahlung durch Halogenlampen (2) zur Verfügung gestellt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Abkühlung der bestückten Leiterplatten (1) mit­ tels Druckluft oder durch Ventilatoren erfolgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zusätzlich mechanische Vibrationen auf die bestückte Leiterplatte (1) aufgegeben werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die mechanischen Vibrationen durch mechanische Stöße direkt auf die bestückte Leiterplatte (1) erzeugt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die mechanischen Stöße durch Magnetstößel (4) auf die bestückte Leiterplatte (1) aufgegeben werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zusätzlich während einer Funktionsprüfung der be­ stückten Leiterplatten (1) elektromagnetische Störungen ent­ weder leitungsgebunden oder durch äußere elektromagnetische Felder in die bestückten Leiterplatten (1) eingekoppelt werden.

8. Vorrichtung zur Aktivierung versteckter Fehler bestück­ ter Leiterplatten (1), bestehend aus

• - einer oder mehreren Strahlungsquellen (2), die zur Übertra­ gung von Wärme auf bestückte Leiterplatten (1) überwiegend elektromagnetische Strahlung emittieren können,
• - einem oder mehreren Druckluftsystemen (3) oder Ventilato­ ren, deren Luftstrom so geführt ist, daß durch ihn eine Ab­ kühlung der durch die Strahlungsquellen (1) aufgeheizten be­ stückten Leiterplatten (1) möglich ist, so daß eine zyklische Aufheizung und Abkühlung der bestückten Leiterplatte (1) möglich ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei dem die Strahlungsquellen (2) als Halogenlampen ausgebil­ det sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, bei dem zusätzlich eine oder mehrere Anlagen zur Vibrations­ anregung der bestückten Leiterplatten (1) vorhanden sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei dem die Anlagen zur Vibrationsanregung direkte Stöße auf die bestückten Leiterplatten (1) aufgeben können.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei dem Magnetstößel (4) die mechanischen Stöße auf die be­ stückte Leiterplatte (1) aufgegeben können.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-12, bei dem zusätzlich ein oder mehrere Störgeneratoren (5) zur Erzeugung von Störeinkopplungen in bestückte Leiterplatten (1) vorhanden sind.