DE4123870A1 - Verfahren zur ueberwachung elektronischer baugruppen und vorrichtung zu seiner durchfuehrung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach Patent­ anspruch 1 sowie auf zwei Vorrichtungen zu seiner Durchführung gemäß Patentansprüchen 9 und 19.

Allgemein ist man in der Elektrotechnik bemüht, sowohl die Her­ stellung als auch den Betrieb von elektronischen Baugruppen zu überwachen, um Informationen über fehlerhafte Baugruppen oder über mangelhafte Fertigungsstufen zu erhalten oder auch Informa­ tionen über den Ausfall von Baugruppen oder auch einzelner Bauteile zu erhalten.

In der Fertigung der Baugruppen werden verschiedene Systeme zur Fehlererkennung und Registrierung eingesetzt. Hierzu werden beispielsweise die an einer Baugruppe auftretenden Lötfehler beim Korrekturloten von Hand registriert und anhand dieser registrierten Fehler entsprechende Rückschlüsse auf die mangel­ hafte Einstellung der Lötanlage oder anderer vorangegangener Fertigungsstufen gezogen.

Im Betrieb von Baugruppen deren Funktion von großer Bedeutung ist, wäre es wünschenswert aus Gründen der Funktionssicherheit der gesamten Maschine, in der die Baugruppe eingesetzt ist, oder auch um die Totzeiten bei Reparatur der Maschine so gering wie möglich zu halten, bereits vor Versagen der Baugruppe über den drohenden Ausfall Kenntnis zu erlangen.

Systeme, deren Funktionssicherheit von großer Bedeutung ist, sind oft redundant ausgelegt, so daß bei Ausfall eines Systems auf ein Reservesystem geschaltet wird. Dies bedeutet jedoch einen sehr großen Aufwand. Es ist daher auch bekannt, besonders anfallige Bauteile einer Baugruppe mittels eines an diesen angebrachten Temperatursensors zu überwachen, da die Zerstörung eines elektronischen Bauteils meist mit einer Temperaturerhöhung einhergeht; gelingt es nicht den Ausfall des Bauteils rechtzeitig vorher zu erkennen, so wird zumindest die Reparatur der Baugruppe vereinfacht, da das zerstörte Bauteil bereits bekannt ist.

Bei verschiedenen elektronischen Bauteilen erniedrigt sich auch deren Betriebstemperatur bei Ausfall, beispielsweise bei Röhren, was ebenfalls mit einem Temperatursensor erfaßt werden kann.

Es liegt auf der Hand, daß dieses Verfahren recht aufwendig ist, zumal wenn mehrere Bauteile überwacht werden sollen, da nicht nur die Sensoren vorgesehen werden müssen, sondern auch entsprechende Anschlüsse; zudem muß dieser Aufbau baugruppenspezifisch ausgeführt werden. Eine Überwachung von mehreren Bauteilen pro Baugruppe ist daher wirtschaftlich kaum sinnvoll.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Baugruppenüberwachung zu schaffen, das es erlaubt, mit vergleichsweise geringem Aufwand eine komplette Baugruppe zu überwachen. Desweiteren soll eine Vorrichtung zu dessen Durchführung geschaffen werden.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 bzw. der Patentansprüche 9 und 19 gelöst.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren geschaffen, bei welchem eine temperatursensitive Schicht in dem Basisträger dazu benutzt wird, Temperaturänderungen bzw. Änderungen der Temperaturverteilung im bzw. am Basisträger zu registrieren. Da solche Änderungen, sofern sie nicht auf einer beabsichtigten Änderung des Betriebszustandes der Baugruppe beruhen, grundsätzlich von Störungen hervorgerufen werden, beispielsweise Durchbrennen von Bauteilen oder Leiterbahnen, geben diese ermittelten Änderungen im bzw. am Basisträger grundsätzlich einen Hinweis auf eine Störung in der Baugruppe.

Mit einem verfeinerten Verfahren ist es möglich, die Temperaturänderung zu lokalisieren. In diesem Fall kann der Ort der Temperaturänderung von einer Auswerteinrichtung mit dem Bestückungsplan der Baugruppe verglichen werden und somit die Temperaturänderung einem bestimmten Bauteil zugeordnet werden.

Mit dem beschriebenen Verfahren ist es aber auch möglich, die Anzahl von Lötfehler in der Fertigung zu registrieren, wenn beim Korrekturlöten am Ort des Lötfehlers Wärme eingebracht wird, wird an dieser Stelle auch der Basisträger der Baugruppe erhitzt, was mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens automatisch registriert werden kann. Wird der Ort der Temperaturänderung von einer Auswerteinrichtung mit dem Layoutplan der Baugruppe verglichen, kann somit automatisch auch die fehlerhafte Lötstelle ermittelt werden.

Mittels des Verfahrens können selbstverständlich auch bei anderen Fertigungsschritten die Temperaturen der Baugruppe überwacht werden; so können beim Maschinenlöten die sich während des Lötvorganges einstellenden Temperaturen aufgenommen werden, was entsprechende Rückschlüsse auf den Lötvorgang erlaubt. Treten beispielsweise in einem bestimmten Bereich der Baugruppe gehäuft Lötfehler auf, kann somit überprüft werden, ob die Temperatur in diesem Bereich während des Lötvorganges eventuell von der gewünschten Solltemperatur abweicht.

Mittels des Verfahrens kann selbstverständlich auch erfaßt werden, ob überhaupt Lot an die Baugruppe bzw. die Lötstellen gelangt. Es kann auch die Lötzeit der Baugruppe bzw. einzelner Lötstellen erfaßt werden.

Das Verfahren läßt sich beispielsweise durchführen, indem an elektrisch leitende Elemente in der Leiterplatte, deren elektrischer Widerstand temperaturabhängig ist, eine elektrische Spannung angelegt und der Stromfluß registriert wird. Ebenso kann eine konstante Stromquelle angeschlossen und die sich einstellende Spannung registriert werden. Es ist aber auch möglich, eine Messung mittels eines Impulsreflektometers vorzunehmen. Dabei wird an die leitenden Elemente ein Impuls abgegeben und am Eingang der leitenden Elemente die Reflexion bzw. die Reflexionen des Impulses verfolgt. Die Art der Reflexion gibt dabei Aufschluß über die Zustandsänderung an der die Reflexion verursachenden Störstelle des leitenden Elements und die Laufzeit des Signals über die Entfernung der Stelle von der Sende- bzw Empfangsstelle und damit über den Ort der Störstelle. Dieses in der Kabel- und Freileitungstechnik bekannte Verfahren wird ebenso wie das Time-Domain-Re­ flectometry-Verfahren zur Darstellung und Auswertung des reflektierten Impulses genauer in "Groll, Mikrowellen Meßtechnik" beschrieben.

Somit stehen zahlreiche Möglichkeiten zur Verfügung, Informationen über den Lötprozeß zu erhalten; wobei das Verfahren bei den verschiedensten Lötprozessen, auch Infrarot- oder Laserlöten, einzusetzen ist. Diese Informationen können in den gesamten Fertigungsablauf zurückgeführt werden und mittelbar oder unmittelbar zur Verbesserung der Fertigung, bspw. durch eine direkte Korrektur der Lötmaschineneinstellung, ggf. automatisch über ein Expertensystem, beitragen.

Um die Durchführung des Verfahrens wirtschaftlich interessant zu machen, wird weiterhin eine Vorrichtung zu dessen Durchführung geschaffen, die nicht baugruppenspezifisch, sondern als Massenartikel kostengünstig zu fertigen ist und damit zur wirtschaftlichen Durchführung des beschriebenen Verfahrens beiträgt.

Kernstück dieser Vorrichtung bildet eine temperatursensitive Schicht, die in den Basisträger der Baugruppe integriert wird. Hierbei kann es sich um eine aktive Sensorschicht aus einem Material handeln, das bei Temperaturänderung einen Stromimpuls abgibt, der über eine Anschlußvorrichtung einer Aufnahme- bzw. Auswerteinrichtung zugeführt wird. Hierzu sind Thermoelemente oder konzentrische Drähte mit Thermoelement-Eigenschaften geeignet.

Es kann aber auch eine passive Schicht verwendet werden, an die eine Spannung angelegt wird und die bei Temperaturänderung eine Spannungsänderung oder eine Änderung des Stromflusses hervorruft, die dann registriert wird.

Hierzu können Thermodrähte verwendet werden, die, einzeln angeschlossen, sogar eine Lokalisierung der Temperaturänderung gestatten.

Vorteilhafterweise wird in den Basisträger, der im Normalfall aus einer Platine aus mehreren Faser-Kunststoffschichten besteht, ein Gitter aus Thermodrähten eingelassen. Bei mehrlagigen Platinen wird dieses Gitter genauso wie eine Leiterbahnschicht eingelassen. Es ist klar, daß die Auflösung mit kleiner werdendem Maschenabstand zunimmt.

Dabei wird die Auswertung vereinfacht, wenn die Thermodrähte keinen leitenden Kontakt haben.

Es können aber auch zwei getrennte Lagen Thermodrähte mit einer isolierenden Zwischenlage in die Platine eingelegt werden. Vorteilhafterweise verlaufen die Drähte in den Lagen jeweils parallel.

Statt Thermodrähten können selbstverständlich auch Leiterbahnen verwendet werden. Hierbei wird einfach in Multilayer-Technik zumindest eine Leiterbahnebene vorgesehen, die der Temperaturerfassung dient.

Diese aus Thermodrähten oder Leiterbahnen bestehende Schicht bzw. das daraus aufgebaute Gitter kann universell gestaltet sein oder auch baugruppenspezifisch wie das Layout der Platine selbst entworfen werden, was gerade bei hohen Stückzahlen vorteilhaft ist, da so in Bereichen der Platine, in denen eine Überwachung nicht oder zumindest nicht mit so hoher Auflösung erforderlich ist, die Anzahl der Drähte bzw. der Leiterbahnen reduziert werden kann. Es können selbstverständlich verschiedenste Anordnungen der Drähte bzw. Leiterbahnen vorgesehen werden.

Um das Anlegen und Abgreifen einer elektrischen Spannung zu ermöglichen, müssen selbstverständlich die Enden der Thermodrähte bzw. Leiterbahnen oder spezielle Endstücke aus dem Basisträger heraus schauen, so daß eine Kontaktaufnahme mit der Stromquelle und der Aufnahme- bzw. Auswerteinrichtung möglich ist. Hierzu können die Enden bzw. Endstücke an Ober- oder Unterfläche oder auch an den Stirnseiten des Basisträgers austreten.

In diesem Fall kann über eine weitere Vorrichtung mit Stiften leicht Kontakt mit den Enden bzw. Endstücken hergestellt werden; über eine sogenannte Kontaktspinne können dabei einfach und zuverlässig eine Vielzahl von Enden- bzw. Endstücken gleichzeitig abgegriffen werden.

Die Thermodrähte oder Leiterbahnen können auch mit einem herkömmlichen Stecker verdrahtet werden, der auf der Baugruppe montiert, bei Einsatz des Überwachungsverfahrens dann lediglich direkt an die Peripheriegeräte angeschlossen werden muß oder auch indirekt durch Anschluß an eine Sende/Empfangseinrichtung drahtlos mit den Peripheriegeräten verbunden sein muß.

Es ist auch möglich, das Gitter aus Thermodrähten gleich mit einem mit den Drähten verdrahteten Stecker als Anschlußelement in den Basisträger einzulassen.

Weiter können die Thermodrähte auch mit Kontakten des regulären Anschlußsteckers bzw. der Anschlußleiste der Baugruppe verbunden werden.

Es ist auch möglich, die Thermodrähte mitsamt der mit diesen bereits verdrahteten Anschlußleiste in den Basisträger einzulassen, so daß nurmehr die bauteilspezifischen Leiterbahnebenen entsprechend mit der Anschlußleiste verdrahtet werden müssen.

Je nach Einsatzzweck dürfte dabei die Variante mit Anschlußelementen oder die mit den abzugreifenden Enden oder Endstücken vorteilhaft sein. Bei Verwendung der zweiten Variante, wird zur Durchführung des Verfahrens noch eine spezielle Abgreifvorrichtung benötigt.

Diese verfügt über ein Halteelement, das eine Anzahl von Stiften trägt, die mit Enden bzw. Endstücken in Kontakt bringbar sind und zum Anschluß an die Peripheriegeräte mit einem Stecker verdrahtet sind. Zweckmäßigerweise wird das Halteelement mitsamt den Stiften an die Baugruppe herangeschoben, beispielsweise von oben aufgesetzt, bis der gewünschte Kontakt hergestellt ist. Die Stifte werden vorteilhaft federnd im Halteelement gehaltert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in Explosionsdarstellung den Aufbau einer Basisplatine mit einem Gitter aus Thermodrähten.

Fig. 2 zeigt die fertigmontierte Baugruppe Auf eine Grundplatte 1 der Platine wird ein Gitter aus Thermodrähten 2 aufgeklebt. Dieses Gitter besteht aus einer Lage beabstandeter Thermodrähte 3a, die in Längsrichtung der Platine parallel zueinander angeordnet sind, und einer Lage beabstandeter Thermodrähten 3b, die in Querrichtung der Platine parallel zueinander angeordnet sind. Dabei sind die beiden Lagen durch eine Zwischenfolie 7 gegeneinander isoliert. Bei der Zwischenfolie 7 handelt es sich um eine beidseitig klebende Folie, auf deren Seite zunächst die Lagen Thermodrähte 2 aufgelegt werden. Durch die Klebwirkung wird ein Verschieben und gegenseitiges Berühren der Thermodrähte 2 vermieden und durch die Zwischenfolie 7 gleichzeitig ein leitender Kontakt zwischen den Thermodrähten 2 verhindert. Die einzelnen Thermodrähte 2 sind jeweils U-förmig verlegt und an der Seite der Enden mit Kontaktelementen 4 versehen, so daß an diesen leicht eine Spannung angelegt werden kann.

Das gesamte Gitter hat in etwa die Abmessung der Grundplatte 1. Auf die Grundplatte 1 mit dem aufgelegten Gitter 2 wird nun eine Deckschicht 5 auf laminiert, deren Abmessungen in etwa um die Länge der Kontaktelemente 4 vermindert sind. Die Deckschicht 5 wird dabei so auflaminiert, daß die Kontaktelemente freiliegen.

Das so entstandene Verbundteil bildet den die Überwachungsvorrichtung enthaltenden Kern der Platine. Dieser Kern kann nun für unterschiedlichste Platinen verwendet werden, indem auf herkömmliche Weise die benötigten Leiterbahnschichten mit den entsprechenden Zwischenschichten aufgebaut werden. Bei nur einseitig bestückten Baugruppen sollten die weiteren schichten vorzugsweise auf der Seite des Kerns aufgebaut werden, die nicht der Bestückungsseite entspricht, um eine thermische Isolierung der Bauteile vom Gitter 2 zu vermeiden und eine möglichst hohe Sensitivität zu gewährleisten.

Bei Durchkontaktierung durch den Kern ist darauf zu achten, daß keine Thermodrähte berührt werden.

In Fig. 2 ist eine fertigmontierte Baugruppe zu sehen, in deren Platine die erfindungsgemäße Vorrichtung integriert ist. Die Platine trägt die Bauelemente 6, die mit den Lötstellen der Leiterbahnen verlötet sind. Die Baugruppe verfügt bspw. an einer Seite über eine Anschlußleiste 8, über die sie elektrisch mit Komponenten eines Gerätes, für das sie bestimmt ist, verbunden wird.

Am Rand der Baugruppe sind die Kontaktelemente 4 zu sehen, die gegenüber dem darüberliegenden Aufbau der Baugruppe vorstehen. Durch diese exponierte Lage können die Kontaktelemente 4 einfach über einzelne Stifte oder Stiftleisten bzw. Kontaktspinnen abgegriffen und an eine Auswerteinrichtung angeschlossen werden.

Claims (21)

1. Verfahren zur Überwachung von elektronischen Baugruppen, die aus einem Basisträger und darauf montierten Bauteilen bestehen, bei dem die sich an verschiedensten Stellen des Basisträgers einstellenden Temperaturen kontinuierlich oder diskontinuierlich überwacht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an eine Sensorschicht (2) im Basisträger eine elektrische Spannung angelegt wird, deren Spannungsänderung oder Änderung des Stromflusses infolge von Temperaturänderung im Basisträger von einer Aufnahmeeinrichtung registriert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an mehrere elektrisch leitende Elemente (3a, 3b) im Basisträger elektrische Spannungen angelegt werden, deren Spannungsänderungen oder Änderungen des Stromflusses infolge von Temperaturänderung im Basisträger von einer Aufnahmeeinrichtung registriert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der registrierten Spannungs- oder Stromflußänderungen in einer nachgeschalteten Auswerteinrichtung der bzw. die Orte der Temperaturänderung bestimmt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der registrierten Spannungs- oder Stromflußänderungen in einer nachgeschalteten Auswerteinrichtung die Höhe der Temperaturänderung bestimmt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an die leitenden Elemente (3a, 3b) ein Impuls abgegeben wird und am Eingang der leitenden Elemente (3a, 3b) die Reflexion bzw. die Reflexionen des Impulses verfolgt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexion bzw. die Reflexionen mittels eines Oszillografen verfolgt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Darstellung und Auswertung des reflektierten Impulses nach dem Time-Domain-Reflectometry-Verfahren erfolgt.

9. Vorrichtung zur Überwachung von elektronischen Baugruppen, die aus einem Basisträger und darauf montierten Bauteilen bestehen gekennzeichnet durch zumindest eine im Basisträger vorgesehene Schicht (2), die temperatursensitiv ist oder zumindest temperatursensitive Elemente (3a, 3b) umfaßt und über elektrische Anschlußmöglichkeiten (4) verfügt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die im Basisträger vorgesehene Schicht Thermodrähte (3a, 3b) oder Leiterbahnen umfaßt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Thermodrähte (3a, 3b) oder Leiterbahnen parallel angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Thermodrähte (3a, 3b) oder Leiterbahnen kreuzweise angeordnet sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß im Basisträger vorgesehene Schicht (2) ein Gitter aus Thermodrähten (3a, 3b) oder Leiterbahnen umfaßt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermodrähte (3a, 3b) oder Leiterbahnen zumindest an den Knotenpunkten keinen leitenden Kontakt haben.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermodrähte (3a, 3b) oder Leiterbahnen in zumindest zwei durch eine isolierende Zwischenfolie (7) getrennten Schichten vorgesehen sind.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermodrähte (3a, 3b) oder Leiterbahnen über Kontaktelemente (4) mit einer Aufnahmeeinrichtung und/oder einer Auswerteinrichtung verbindbar sind.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelemente oder Leiterbahnen in Endstücken (4) enden, die an der Ober- und/oder Unterfläche des Basisträgers vorgesehen sind.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermodrähte (3a, 3b) oder Leiterbahnen in Endstücken enden, die an den Stirnseiten des Basisträgers vorgesehen sind.

19. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, gekennzeichnet durch ein Halteelement, das eine Anzahl von Stiften trägt, die mit den Endstücken (4) in Kontakt bringbar sind und mit einem Stecker zum Anschluß an eine Aufnahmeeinrichtung und/oder Auswerteinrichtung versehen sind.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung zur Kontaktherstellung zwischen Endstücken (4) und Stiften verschieblich ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Stifte federnd gehaltert sind.