Benefits durch Boundary Scan

EINFLUSS VON BOUNDARY-SCAN AUF DEN GEWINN
Verbesserung der Testeffektivität im gesamten Produktlebenszyklus
Die auf IEEE 1149.1 und zugehörigen Spezifikationen basierende Boundary-Scan-Technologie wird inzwischen
in großem Umfang in der Elektronik-Produktion eingesetzt, um schwierige Testprobleme an komplexen
Baugruppen zu lösen. Die Schwierigkeiten entstehen aufgrund fehlenden Zugriffs auf Schaltungsknoten,
der für herkömmliche Testverfahren erforderlich ist.
Seit sich Boundary-Scan an breiter Front durchgesetzt hat, haben sich die Qualität der BSDL-Dateien
(Boundary-Scan Beschreibungssprache) der Halbleiter-Hersteller sowie die Komplexitätsgrade von Hard- und
Software der Testwerkzeug-Hersteller dramatisch erhöht. Weniger bekannt hingegen sind die abgeleiteten
Anwendungen und Arbeitsumgebungen für Boundary-Scan, die, wenn sie umfassend betrachtet werden,
Vorteile nicht nur beim Produktionstest, sondern im gesamten Produktlebenszyklus bieten können.
Der Produktlebenszyklus
Wenn ein elektronisches Produkt seinen Lebenszyklus, beginnend bei der Entwicklung, über Prototypen und
Produktion bis zum Service und Support durchläuft, ändert sich auch die jeweilige Zuständigkeit für das Produkt
innerhalb der Herstellerorganisation. An den Übergabestellen von einer Abteilung oder einer Disziplin zur
nächsten (in Bild 1 durch Pfeile veranschaulicht), können erhebliche Verzögerungen und Unterbrechungen
auftreten, die verschiedenste Ursachen haben.
Bild 1 Typischer Produktlebenszyklus
Eine der verzögernden Ursachen, die während des Lebenszyklus zum Tragen kommen, sind unterschiedliche
Testverfahren und -werkzeuge in den verschiedenen Unternehmensteilen. Es können Abstimmungsfehler auftreten,
die die Kommunikation zwischen den Abteilungen belasten. Wenn Probleme wie z. B. Markteinführungszeiten,
Reparaturzeiten sowie geringe Produktqualität und Zuverlässigkeit nicht schnell identifiziert und gelöst werden,
können sie sich weit über akzeptable Dimensionen aufschaukeln. Zu den Symptomen problematischer Transfers
zählen:
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Zusätzliche Entwicklungsdurchläufe, die durch schlechte Test- und/oder Herstellbarkeit verursacht werden.
Häufig sind mehrere Layoutänderungen und Prototypen-Durchläufe beteiligt
Lange Prototypen-Debuggingphasen, teilweise verursacht durch Fertigungsfehler, die Entwicklungsprobleme verdecken
Logistische Probleme mit vorprogrammierten Bauteilen wie falsche oder veraltete Konfigurationen, die auf
Leiterplatten bestückt werden und Montageverzögerungen verursachen
Schwierigkeiten bei der Beseitigung von Fertigungsfehlern durch schlechte Testdiagnose und/oder fehlerhafte Dokumentation
Übergroße Stapel fehlerhafter Baugruppen beim Funktionstest, sogenannte Bone-Piles, und hoher Zeitbedarf bei der Fehlersuche, verursacht durch das Vorherrschen defekter Baugruppen, die mittels struktureller Tests geprüft werden
Rätselhafte Ausfälle bei beschleunigten Lebensdauer- und Stresstests (HASS- und HALT-Tests), d. h. Ausfälle unter hohen Temperaturen, die bei Raumtemperatur verschwinden
Hohe Reparaturzeiten aufgrund mangelhafter Testfähigkeiten in den Reparaturstätten
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Verbesserung der Testeffektivität im gesamten Produktlebenszyklus
EINFLUSS VON BOUNDARY-SCAN AUF DEN GEWINN
Boundary-Scan im Produktlebenszyklus
Boundary-Scan kann etliche der oben diskutierten Probleme lösen. Darüber hinaus werden die Vorteile durch
erhebliche wirtschaftliche Chancen und Qualitätsverbesserungen begleitet. Diese Technologie ist dann besonders
wirksam, wenn sie als grundlegender Bestandteil der Test-Strategie unternehmensweit eingeführt ist.
Bild 2 Boundary-Scan im Produktlebenszyklus
a. Boundary-Scan-Tools einsetzen, um Design-for-Testability-Ziele zu erreichen
Es zahlt sich aus, Boundary-Scan-Testabdeckungs-Werkzeuge bereits in einer frühen Phase einzusetzen. Die
Markteinführungszeit wird verkürzt und die Produktqualität steigt. Der Entwickler kann noch vor der Prototypenphase
den Grad der Testabdeckung ermitteln, der mit dem Produkt erreichbar ist. Wenn die Testabdeckung unzureichend
ist, kann das Design abgeändert und die Testabdeckung erneut ermittelt werden. Auf diese Weise kann die Verzögerung
eliminiert werden, die ansonsten alle nachfolgenden Prozessschritte betreffen würde. Wenn das Unternehmen
eine Entwicklungspolitik verfolgt, die eine Designphase mit DFT-Analyse beinhaltet, bei der die Einhaltung von
Testabdeckungsanforderungen verifiziert wird, lassen sich lassen sich überflüssige Re-Layoutierungen und
Prototypendurchläufe vermeiden.
b. Prototypen effizienter testen
Im Gegensatz zu strukturellen Testverfahren wie etwa dem In-Circuit-Test, erfordert Boundary-Scan nur minimale
Kontaktierung. Daher kann Boundary-Scan auch auf kleine Prototypen-Lose einfach angewendet werden und
erlaubt dort die Identifizierung und schnelle Reparatur struktureller Fehler. Das Prüfen hinsichtlich struktureller
Fehler erlaubt es dem Entwickler, sich während der wichtigen Prototypenphase vorwiegend auf Designaspekte zu
konzentrieren. Mit Hilfe von Boundary-Scan lassen sich während des Debuggings eine Vielzahl an Testpunkten
stimulieren und abfragen. Flash-Speicher und Logik-Elemente der Baugruppe können schnell und einfach während
der Firmware-Verifizierung programmiert und re-programmiert werden. Die Einfachheit, mit der Boundary-ScanApplikationen entwickelt werden können, bedeutet, dass sich Designänderungen schnell in die Test- und
Programmierroutinen einpflegen lassen.
c. Strukturelles Testen optimieren
Boundary-Scan verbessert die Effizienz des Produktionstests auf verschiedene Weisen. Scan-basierte Tests laufen
typischerweise mit hoher Geschwindigkeit ab. Selbst bei hochkomplexen Baugruppen liegt die Testdauer in der
Größenordnung einiger zehn Sekunden mit dem Ergebnis pingenauer Fehlerdiagnosen. Adapter für die Kontaktierung
beim Testen können drastisch vereinfacht oder sogar eliminiert werden. Darüber hinaus erlaubt es die modulare
Struktur der Boundary-Scan-Technik, sie mit anderen, bereits im Werk benutzten strukturellen Testverfahren,
wie z. B. In-Circuit-Test oder Flying-Probe-Test, zu kombinieren.
d. Baugruppen-Vorprüfung vor dem Funktionstest
Baugruppen, deren Fehler durch strukturelles Testen nicht erkannt werden, „schlüpfen“ zur Stufe des Funktionstests
durch. Dort werden sie zwar erkannt, aber nicht so leicht korrigiert. Ganze Stapel fehlerhafter Baugruppen sind das
hochgradig unerwünschte Ergebnis von Ausfällen beim Funktionstest, die nicht analysiert und repariert werden können.
Boundary-Scan kann dazu beitragen, dass die Bone-Pile-Stapel minimiert werden, indem diese Test-Technologie
dafür sorgt, dass keine oder nur sehr wenige Fertigungsfehler bis zum Funktionstest gelangen. Der Einsatz von
Boundary-Scan als Vorstufe zum Funktionstest zahlt sich aus, indem er die Zeit spürbar vermindert, die Entwickler
dem Debugging schwer zu analysierender Baugruppen widmen müssen. Aufgrund der präzisen Fehlerdiagnosen der
Boundary-Scan-Technologie ist statt der vielfachen Versuch-und-Irrtum-Reparaturmaßnahmen beim Funktionstest
nur eine zielgerichtete Reparaturmaßnahme erforderlich. Diese Präzision hat einen spürbar positiven Einfluss auf die
Zuverlässigkeit des Produkts und senkt die Markteinführungszeit.
We are boundary-scan.
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e. Flash-Speicher, PLDs und andere Bauteile nach der Montage programmieren
Die gleichen Werkzeuge, die für den Boundary-Scan-Test eingesetzt werden, können auch zum schnellen In-SystemProgrammieren (ISP) von Flash-Speichern sowie einer Vielzahl von Logik-Bauteilen und Bauteilen mit eingebettetem
Speicher (Microcontroller) dienen. Die Programmierung erfolgt nach der Bestückung der Baugruppe – zum
optimalen Zeitpunkt innerhalb der Prozesskette. Eine Umprogrammierung ist einfach möglich ohne dass Bauteile
von der Baugruppe entfernt werden müssten. Einsparungen ergeben sich aus der verminderten Anzahl verwendeter
Werkzeuge, der Vermeidung von IC-Sockeln und einer Vereinfachung der Prozessabläufe.
f. Effektivität von Umweltverträglichkeitsprüfungen erhöhen
Boundary-Scan kann die Effektivität von HASS- oder HALT-Stresstests spürbar erhöhen. Da die Verbindung des
Boundary-Scan-Controllers mit der zu testenden Baugruppe über ein dünnes, störunanfälliges Kabel erfolgt,
ist die Test-Einrichtung sehr einfach. Der Boundary-Scan-Test kann so konfiguriert werden, dass er zyklisch im
Dauerbetrieb läuft. Dadurch können Fehler erkannt werden, die durch Umgebungsbedingungen ausgelöst werden.
Fehlerdaten werden punktgenau erfasst und mit einem Zeitstempel für die spätere Analyse versehen. Zeitweise
auftretende Fehler, die z. B. nur bei erhöhten Temperaturen vorkommen, werden sicher aufgespürt. Scheinbar
fehlerfreie Tests werden vermieden und es wird verhindert, dass die fehlerhafte Baugruppe zum Funktionstest
oder gar ins Feld gelangt.
g. Boundary-Scan- und Funktionstest kombinieren
Diese beiden, sich komplementär ergänzenden, Verfahren innerhalb einer Plattform zusammenzuführen, kann
dem produzierenden Unternehmen spürbare Vorteile verschaffen. Einsparungen ergeben sich daraus, dass weniger
Produkthandling, weniger Teststationen und ein geringerer Flächenbedarf anfallen. Beim Personal resultieren die
Einsparungen aus einem geringeren Schulungsaufwand und einer vertrauten, einheitlichen Benutzeroberfläche.
Dieses Verfahren wird in einem der folgenden Abschnitte ausführlich genauer erläutert.
h. Boundary-Scan auf der Systemebene implementieren
Die Boundary-Scan-Technologie lässt sich auch in Applikationen der System-Ebene, sowohl für Test- als auch für
Programmieraufgaben einsetzen. Dafür kann entweder ein externer Tester oder die eingebettete Boundary-ScanArchitektur verwendet werden. In beiden Fällen können die Applikationen der System-Ebene aus der Ferne gesteuert
werden. Auf dem Markt sind kommerzielle ICs und Software verfügbar, die es ermöglichen, die Boundary-Scan-Steuerung in das Zielsystem zu integrieren, das dann die Applikationen ausführen kann, ohne dass eine externe Steuerung
erforderlich wäre. Diese fortschrittliche Architektur kann vorteilhaft im Bereich der Wartung und Programmierung
von Systemen im Feld genutzt werden.
i. Von Boundary-Scan im Reparaturbereich profitieren
Sowohl zentrale als auch verteilte Reparaturstätten können die gleichen Boundary-Scan-basierten Tests durchführen
wie das Produktionswerk, was entscheidend zur Vermeidung von Fehlinterpretationen der Testergebnisse beiträgt.
Da Boundary-Scan nahezu keine produktspezifischen Prüfaufbauten erfordert, kann die Reparaturabteilung bei
hoher Produktvielfalt sehr schnell zwischen unterschiedlichen Prüflingstypen wechseln. Zusammengefasst lässt sich
sagen, dass, falls das Produkt gut geplant ist und die Prinzipien des Design-for-Testability berücksichtigt wurden,
das Unternehmen von vielen, wenn nicht sogar allen der oben aufgeführten Vorteile profitiert. Der Transfer der Verantwortlichkeit von einer Organisationseinheit zur Nächsten verläuft reibungslos. Die abteilungsinterne Kommunikation
wird erleichtert und Abstimmungsprobleme werden durch die Nutzung einer gemeinsamen Testmethode vermieden.
Boundary-Scan-basiertes Funktionstesten
Ein ganz spezieller Aspekt der Verbesserung des Produktlebenszyklus mittels Boundary-Scan ist dessen Integration
in den Funktionstest. Beide Testmethoden vollziehen bestimmte Qualitätssicherungsschritte bezüglich des
angenommenen Fehlerspektrums:
• Boundary-Scan deckt Fertigungsfehler auf, die typischerweise durch Probleme beim Löten verursacht werden
• Der Funktionstest deckt Echtzeitprobleme auf, Fehler die sich erst zeigen, wenn die Baugruppe an ihren
Spezifikationsgrenzen betrieben wird, Fehler, die durch den Benutzer entstehen usw. In anderen Worten:
Fehlertypen, die durch die tatsächliche Benutzung der Baugruppe auftreten.
Obwohl sich die beiden Verfahren, Boundary-Scan und Funktionstest, in Zweck und Methode deutlich unterscheiden,
lassen sie sich sehr effektiv kombinieren. Hierfür steht eine Vielfalt an Testsystem-Plattformen wie PCI, USB, Ethernet,
LXI oder PXI(e) zur Verfügung. In jüngster Zeit wurde eine Art „Mittelding“ entwickelt, das unter der Bezeichnung JTAG
Functional Test (JFT) bekannt wurde. Hierbei wird der JTAG/Boundary-Scan-Zugriff auf digitale und Mixed-SignalSchaltungselemente in einem Python-Skript programmiert. JFT ermöglicht eine „reine Boundary-Scan“-Lösung für den
Test von Bauteilen wie ADCs, DACs oder komplexe Logik-Cluster, die bedingte Verzweigungen verwenden. Die Skripte
lassen sich über CoreCommander-Funktionen erweiten, mit deren Hilfe Prozessorkern-Emulationstests hinzugefügt
werden können.
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Dieses Szenario – Boundary-Scan-Vektoren zum Testen sowie JFT-Skripte und
In-System-Programmierung von PLDs und Flash-Speichern – das für die Entwicklungsphase vor der Prototypenprüfung entwickelt wurde, wurde nun für die Produktionsumgebung portiert. Mittels des in den Funktionstest-Aufbau integrierten
Boundary-Scan-Instruments werden die jeweiligen Testdaten in die zu prüfende
Baugruppe übertragen (siehe Bild 3). Im Bild wurde beispielhaft ein PXI-System
benutzt.
Bild 3
Die Boundary-Scan-Abläufe können sehr einfach in den Funktionstest integriert
werden – sowohl über kundenspezifische Bedienoberflächen als auch über Standardlösungen wie z. B. TestStand oder
LabVIEW. Der Boundary-Scan-Controller sendet die Testvektoren an den Prüfling und wertet die Antworten aus. Falls
Fehler erkannt worden sind, werden sie mittels der gleichen Diagnoseprogramme analysiert, die dem Entwickler zur
Verfügung stehen. Dann können die JTAG/Boundary-Scan Applikationen zur In-System-Programmierung genutzt werden, um dem Prüfling vor der nächsten Testphase „Leben einzuhauchen“.
Nachdem die Boundary-Scan-Applikationen gelaufen sind – und es wird angenommen, dass sie ohne Fehler beendet
wurden – leitet die Testmanagement-Software über zum nächsten Schritt der vorprogrammierten Sequenz. Das kann
z. B. ein Satz von Funktionstests wie Temperaturzyklen, parametrische Messungen, elektromechanische Verifikationen
usw. sein. Falls jedoch der Boundary-Scan-Test nicht bestanden wird, leiten die Scan-Diagnose und mögliche Visualisierungswerkzeuge direkt zur Reparatur der ausgefallenen Position(en). Falls nur die In-System-Programmierung
erforderlich ist, können die nötigen Schritte nach dem strukturellen Test erfolgen. Die Vorteile einer Kombination der
beiden Methoden innerhalb eines Testsystems lassen sich wie folgt zusammenfassen:
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Weniger Prozessschritte und vereinfachtes Produkthandling
One-Stop-Lösung für strukturelles und funktionales Testen sowie In-System-Programmieren
Einsparung von Produktionsfläche
Verminderte Schulungsanforderungen für das Testpersonal durch einheitliche Bedienoberfläche
Boundary-Scan bietet hohe Leistung bei minimalem Platzbedarf und eine immense Vielfalt verfügbarer
Instrumententypen, einschließlich PXI(e)-basierter Boundary-Scan-Instrumente. Typische Scan-Instrumente
erlauben den Test und die Programmierung von bis zu vier verschiedenen Prüflingen. Werden in der
Großserienfertigung extreme Durchsatzanforderungen gestellt, können mehrere Boundary-Scan-Controller
verwendet werden, die alle einer gemeinsamen Test- und Programmierquelle zugeordnet sind.
Boundary-scan offers a compact footprint, high performance, and broad availability of instrument types, including
PXI(e)-based boundary-scan instrumentation. Typical Scan instruments allow up to four individual targets to be tested
and programmed, and for extremely high volume production requirements, multiple boundary-scan controllers can be
deployed, all running from a common test/programming source.
Schlussfolgerung: kombiniertes Testen bietet wirtschaftliche Vorteile
Testen wird häufig als zusätzlicher Prozessschritt ohne Wertschöpfung betrachtet. Dieser Blickpunkt ignoriert jedoch
die tatsächlichen und erheblichen Einsparungen, die durch eine wohlüberlegte Teststrategie erzielt werden können.
Der Testplaner sollte alle Aspekte des Produktlebenszyklus betrachten, in denen durch die Anwendung der BoundaryScan-Technologie spürbare Kosteneinsparungen möglich sind. Diese lassen sich meist durch die Kombination mit dem
Funktionstest weiter steigern.
JTAG Technologies’ Integrationsmöglichkeiten in Testsysteme
In-Circuit-Test
Flying-Prober-Systeme
Funktionstest
•Agilent 3070 (UNIX and PC)
•Teradyne 228x, Z1800, Spectrum, TS12x
•Digitaltest MTS300 Sigma
•Aeroflex 4200
•Digitaltest MTS500 Condor
•Seica S40 Pilot
•SPEA 4040
•Takaya APT-9400-Familie
•LabVIEW, LabWindows, TestStand
•Kundenspezifische Lösungen
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