Starrnadeladapter

Starrnadeladapter dienen der Prüfung von elektronischen Baugruppen. Sie ermöglichen durch dünne Starrnadeln das Kontaktieren von feineren Strukturen auf bestückten und unbestückten Schaltungsträgern, als es mit einem konventionellen Adapter mit Federstiften möglich ist. Weiterhin ermöglichen Starrnadeladapter auch das Kontaktieren von hochpoligen Mikrosteckern, indem der Adapter über das Gehäuse in den Stecker geführt wird und dort die Starrnadeln den Stecker kontaktieren.

Starrnadeladapter.

Aufbau

Mögliche Funktionsweise eines Starrnadeladapters.

Im Starrnadeladapter werden in mehreren Adapterplatten geführte Starrnadeln vom Rasterkopf zu einem Kontaktierpunkt (Prüfpad) ausgelenkt. Beim Kontaktieren wird der Adapter in einer bestimmten Adapterhöhe um diesen Kontaktierhub komprimiert. Die Starrnadeln werden dabei um diesen Hub in die entsprechenden Federstifte (Pogo-Pins) im Rasterkopf gepresst, wodurch die Kontaktierkraft aufgebaut wird. Über diese Führungsplatten können sie 2 bis 3 mm ausgelenkt werden, wodurch auf dem Prüfling Kontaktpitches bis herab zu 150 µm kontaktiert werden können.

Im Rasterkopf ist pro Testpunkt ein Federkontaktstift eingebettet. Diese Federstifte werden in einem Raster angeordnet (daher kommt auch der Name), so dass eine möglichst große Prüfdichte erreicht werden kann. Feine Rasterköpfe können so ein 0,6-mm-Raster bis zu 280 Federstifte/cm² aufweisen. Bei einem Kontaktierhub von etwa 2,5 mm wirken je nach Federstift Kräfte von 0,4 N bis 1,5 N pro Kontaktierpunkt.

Standzeiten von Starrnadeladaptern

Die Kontaktierspitze der Starrnadeln wird durch das Kontaktieren mit der Zeit abgeflacht. Die Standzeit ist vor allem vom zu kontaktierenden Material abhängig. Unter optimalen Bedingungen werden etwa 500.000 Kontaktierungen erreicht.

Die im Rasterkopf eingebetteten Federstifte sind vor größeren Querkräften und Verschmutzungen geschützt und haben so Standzeiten von weit über einer Million Kontaktzyklen.

Kombination von feinsten Federstiften und Starrnadeln

Kombination von feinsten Federstiften und Starrnadeln.

Die Kombination von Federstiften und Starrnadeln werden entsprechend den Anforderungen ausgewählt.

Starrnadeladapter für sehr feine Strukturen werden auch als Microadapter (engl. Micro Contacting Adapter, MCA) bezeichnet. Nebenstehende Tabelle zeigt als Beispiel, welche Federstifte mit welchen Starrnadeln in Microadaptern kombiniert werden können. Man versucht, möglichst dicke Starrnadeln einzusetzen, da diese stabiler sind. Die Auswahl des größtmöglichen Starrnadeldurchmessers wird vor allem von den vorhandenen Kontaktierabständen vorgegeben.

Der maximal übertragbare Strom wird meist durch den Federstift oder den Kontakübergang Nadel↔Prüfling begrenzt. Er wird durch die Messleistung (P = I² × R) in den Federstiften und in den Starrnadeln definiert. Bei zu großen Strömen können die Starrnadeln und Federstifte heiß werden und den Prüfling und die Adaptierung beschädigen. Die in folgender Tabelle angegebenen Werte stammen aus Laborversuchen und geben Richtwerte an.

Zulässige Ströme:

Dauerstrom (ID) und Impulsstrom (II) bei 10 ms:

• A: ID = 0,3 A / II = 0,9 A
• B: ID = 0,6 A / II = 1,8 A
• C: ID = 1,0 A / II = 3,0 A
• D: ID = 2,0 A / II = 6,0 A
• E: ID = 3,0 A / II = 9,0 A

Zulässige Spannungen:

Die mögliche Prüfspannung kann nur grob berechnet werden, da hier der Einfluss der Luftfeuchtigkeit eine große Rolle spielt. Eine Faustregel sagt: eine Spannung von 1000 Volt erfordert einen Abstand von etwa 1 mm. Mit dieser Faustregel kann folgende Formel für die Nadelabstände aufgestellt werden:

Maximale Spannung = 1000 Volt/mm × (Pitch − Nadeldurchmesser)

Beispiel: Ein Pitch von 0,2 mm wird mit einem Nadelndurchmesser von 0,13 mm kontaktiert. Die maximale Prüfspannung ist dann: 1000 Volt/mm × (0,2 mm − 0,13 mm) = 70 Volt

Einsatzmöglichkeiten von Starrnadeladaptern

Durch die Miniaturisierung werden die Leiterzüge auf Leiterplatten immer schmaler. Sie können dann oft nicht mehr mit konventionellen Federstiftadaptern kontaktiert werden. Starrnadeladapter können in folgender Weise angewandt werden:

Einsatz im Vakuumadapter

Einsatz im Vakuumadapter

Wird der Starrnadeladapter kompakt aufgebaut, kann er in einen herkömmlichen Vakuumadapter integriert werden. Das Vakuum wird für den Hub genutzt, der Prüfling selbst ist in einer vakuumfreien Zone. Die Adapter können ein- oder doppelseitig und auch als 2-Stufenkontaktierung für getrennten In-Circuit-Test und Funktionstest ausgebaut werden.

Eigenschaften:

• Kontaktieren auf Microvias, Testpads, Mikrostecker
• Ein- und doppelseitige Kontaktierung
• Kontaktpad > 400 µm (Bei Zentrierung über Fangstifte)
• Bis 100 Testpunkte/cm² mit einem 1-mm-Rasterfeld)

Inline-Einsatz

Einsatz im Inline-System

Der Starrnadeladapter kann in halb- und vollautomatischen Handlingsystemen für die Prüfung von unbestückten und bestückten Leiterplatten eingesetzt werden. Der Kontaktierpitch ist < 0,4 mm)

Eigenschaften:

• Kontaktieren auf Microvias, Testpads, Mikrostecker
• Ein- und doppelseitige Kontaktierung
• Kontaktpad > 70 µm (mit optischer Zentrierung)
• Kontaktpad > 300 µm (ohne optische Zentrierung)
• Bis 280 Testpunkte/cm² (Mit einem 0,6-mm-Rasterfeld)

Einsatz als Chipadapter

Einsatz als Chipadapter

Der Starrnadeladapter kann auch als Modul in Kombination mit konventioneller Adaptertechnik oder mit individueller Hubsteuerung eingesetzt werden. Die Kombination bringt in der Fertigung den Vorteil, dass die gröberen Strukturen auf den Prüflingen mit einem konventionellen Federstiftadapter abgegriffen werden können und der teurere Starrnadeleinsatz nur für die feine Chipstruktur der Integrierter Schaltungen verwendet wird.

Eigenschaften:

• Kontaktieren auf Testpads
• Ein- und doppelseitige Kontaktierung
• Kontaktpad > 250 µm
• Kontaktierpitch > 400 µm
• Bis 280 Testpunkte/cm²

Einsatz als Steckeradapter

Einsatz als Steckeradapter

Beim Kontaktieren von kleinen Steckern auf Schaltungsträgern erfolgt die Führung des Adapters meist über das Steckergehäuse, dadurch werden die Toleranzen von Träger und Montage aufgehoben. Der Vorteil ist, dass kleinste Stecker direkt kontaktiert werden können und die Kontakte nicht über einen Gegenstecker abgegriffen werden müssen, der oft nach 20 bis 30 Steckzyklen ausgetauscht werden muss.

Eigenschaften:

• Kontaktieren direkt auf die Steckerkontakte
• Ein- und doppelseitige Kontaktierung
• Steckerkontaktbreite > 150 µm
• Bis 200 Testpunkte/cm²
• Pneumatische Hubauslösung

Einsatz im Lasertrimmer

Einsatz im Lasertrimmer

Der Starrnadeladapter kann auch im Lasertrimmer eingesetzt werden. Dabei fährt der Adapter unter das Substrat und stützt es von unten ab. Von oben wird eine Dichtung auf das Substrat gedrückt und dann in der Druckkammer der nötige Gegendruck zu den Starrnadeln aufgebaut. Ist dieser Gegendruck vorhanden, kann der Adapter auf der Bestückungsseite alle Messstellen auf einmal kontaktieren. Durch die Druckkammer können alle Widerstände innerhalb der Druckkammer zugleich kontaktiert werden, wodurch das Lasertrimmen effizienter wird.

Eigenschaften:

• gleichzeitiges Kontaktieren aller Messstellen
• Trimmen aller Widerstände ohne neue Kontaktpositionierung
• Kontaktpad > 70 µm
• Kontaktierpitch > 150 µm
• Bis 280 Testpunkte/cm²

Staggering

Staggering

Das Ziel vom Staggering ist es, feinste Strukturen mit möglichst dicken Starrnadeln prüfen zu können. Beim Staggering werden die Kontaktierpunkte versetzt zueinander auf den Platinen angeordnet, so dass sie möglichst weit voneinander entfernt liegen. Dabei kann gemäß dem Satz des Pythagoras bei einem großen Abstand C (Dicke der Nadeln und Isolationsabstand) ein relativ kleiner Abstand A (Abstand der Kontaktstellen) erreicht werden. Der Pitch, der bei einer solchen Anwendung realisiert werden kann, setzt sich aus den skizzierten Distanzen A und B zusammen:

$C = \sqrt{A^2 + B^2}$

Beispiel von Staggering

Setzt man dieses Staggering bei einem MCA-Microadapter ein, ist das Kontaktieren von folgenden Abständen möglich:

• Starrnadeldurchmesser 0,10 mm → Pitch ab 0,15 mm
• Starrnadeldurchmesser 0,13 mm → Pitch ab 0,20 mm
• Starrnadeldurchmesser 0,18 mm → Pitch ab 0,25 mm
• Starrnadeldurchmesser 0,30 mm → Pitch ab 0,40 mm
• Starrnadeldurchmesser 0,45 mm → Pitch ab 0,55 mm
• Starrnadeldurchmesser 0,60 mm → Pitch ab 0,70 mm

Siehe auch

• Computergestützte Qualitätssicherung
• Laserabgleich
• Toleranzen beim Prüfen