Fehler auf bestückten PCBs - Wer “richtig” suchet, der findet

Jeder kennt es: Man verbringt viel Zeit damit, seinen Schaltplan zu erstellen und seine Platine sinnvoll zu gestalten. Kommt die fertige PCB endlich an, man macht sich voller Vorfreude direkt ans Bestücken - und muss bei der ersten Inbetriebnahme feststellen, dass die Schaltung nicht die erwartete Funktion erfüllt. Eine der unangenehmsten Aufgabe für Elektroniker, ob Einsteiger oder erfahren, muss nun folgen: Die Fehlersuche auf der Leiterplatte. Durch den raschen technologischen Fortschritt auf diesem Gebiet ist die Leiterplattenbestückung in der heutigen Zeit komplex und wird in Zukunft noch komplexer werden. Damit wird die Fehlersuche bei den Platinen zu einer monumentalen Aufgabe, die Fachwissen verschiedener Technologien und viel technologisches Verständnis erfordert. Es gibt allerdings Mittel und Wege, die es einem erleichtern können, fehlerhafte Komponenten und Funktionen auf der Leiterplatte aufzuspüren und zu beheben. Im Folgenden sollen einige Hinweise und Techniken dabei genannt und erklärt werden, diesen Prozess zu erleichtern und ihn damit auch zu beschleunigen.

Die Hilfsmittel

Um die grundlegenden Funktionen einer Schaltung prüfen und nachvollziehen zu können, werden Ihnen folgende Hilfsmittel die Arbeit erleichtern:

  • Schaltplan (zur Überprüfung von Pfaden, Spannungsleveln, etc.)

  • Lupe (zur verbesserten optischen Prüfung)

  • Multimeter (zur Messung von Spannung, Strom und Widerstand)

  • Durchgangsprüfer (in vielen Multimetern auch integriert)

  • LCR-Meter (für exakte Messung diverser Bauteilpararmeter)

  • Oszilloskop (für die Werteaufzeichnung als Funktion der Zeit)

Sie werden nicht immer jedes dieser Hilfsmittel benötigen und zu manchen vielleicht auch nicht einmal Zugang haben. Aber in ebenso vielen Fällen reicht auch nur eines der Erstgenannten, um grobe Fehler aufspüren. Ob das Multimeter zum Beispiel digital oder analog ist, spielt eine untergeordnete Rolle. Wichtig ist allerdings beispielsweise das Vorhandensein von 4mm-Buchsen am Gerät. Für diese gibt es verschiedene Prüfkabel, die sich für verschiedenste Zwecke nutzen lassen. Für einfache Durchgangsprüfungen oder grobe Strom-/Spannungs- oder Widerstandsmessungen reicht eine einfache Version aus dem Baumarkt. Geht es um präzise Werte, muss dann schon etwas mehr investiert werden. Den Gipfel bildet dabei vermutlich das LCR-Meter, dass nur in Fachgeschäften bezogen werden kann. Geht es allerdings an die Überprüfung von sich schnelle ändernden Signalen und deren Analyse, wird man um die Verwendung eines Oszilloskops nicht herumkommen. Hiermit lassen sich dann allerdings auch Spannungen und Ströme als Funktion der Zeit darstellen.

Die Vorgehensweise

Der erste und gleichzeitig einfachste Schritt, ist die optische Prüfung. Dabei können grobe PCB-Schäden durch vergrößerte und gründliche Sichtprüfung lokalisiert und identifiziert werden. Bei diesem Verfahren können beispielsweise sich überlappende Leiterbahnen, ein deutliches Zeichen für Überhitzung, gefunden werden. Außerdem können Risse oder Beschädigungen an Bauteilen und der Leiterplatte, oder gar fehlende Bauteile entdeckt werden. Gerade Elektrolytkondensatoren sind anfällige Bauteile. Ein Defekt lässt sich hier beispielsweise bei Gehäuse Verformung (Wölbung) vermuten und anschließend verifizieren. Aber auch schon einfachere Fehler wie zum Beispiel

  • falsch herum aufgelötete Bauteile

  • fehlerhafte Lötstellen

  • fehlende und/oder umgeknickte IC-Anschlussbeinchen

  • verschmorte Widerstände

  • lockere Kabelschuhe im Steckverbinder

  • Kurzschluss durch aufgesprengte Bauteile oder Drahtreste

Sollte man durch die optische Prüfung beschriebene Fehlerquellen ausschließen können, geht man zur nächsten Vertiefung über: der diskreten Bauteilprüfung. 

 

Diese Methode ist aufwendig, da man im schlechtesten Fall jede einzelne Komponente auf der Platine überprüfen muss. Das lässt sich weitestgehend mittels dem Multimeter erledigen, in speziellen Fällen wird vielleicht auch ein LCR-Meter benötigt. Als erstes können mit dem Durchgangsprüfer wichtige Strompfade kontrolliert werden. Auch die Dioden Funktionsprüfung lässt sich in diesem Zuge direkt mit erledigen. Dann sollte man die Spannungswerte an relevanten Punkten auf der Platine überprüfen. Dabei ist sorgsam darauf zu achten, dass alle ICs und aktiven Bauteile ihre im Datenblatt empfohlenen Versorgungsspannungen erhalten. Des Weiteren lassen sich dann alle Werte für Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten messen und überprüfen. Bei diesem Verfahren wird man kalte und fehlende Lötstellen als auch defekte und falsche Bauteile aufspüren. Letztere sollte man direkt austauschen ohne den Versuch zu wagen, ihre Funktionstüchtigkeit wiederherzustellen. Das zeigt auch die Wichtigkeit von Ersatzbauteilen, die man direkt bei der Erstellung einer Stückliste bedenken sollte.

Führt auch dieser Schritt zu keinem Ergebnis, folgt der Schritt der integrierten Schaltungsanalyse


 

Ohne die Verwendung eines Logikanalysators oder eines Oszilloskops ist das allerdings nichts machbar. Denn mit diesen lässt sich die korrekte Funktionsweise der verbauten ICs überprüfen. Ein aufwendiges Verfahren, dass aber auch gleich aufdeckt, ob die Schaltung das gewünschte Verhalten zeigt. 

Bei all diesen Schritten sollte die Wichtigkeit von Messpunkten deutlich geworden sind. Gerade heutzutage ist die Packungsdichte ein nicht zu vernachlässigender Faktor bei der Entwicklung elektronischer Komponenten. Dadurch ist es oftmals kaum möglich, IC-Beinchen zu kontaktieren oder Spannungslevel abzugleichen. Deshalb denken Sie immer daran, an schwer erreichbaren und relevanten Stellen Messpunkte in Ihrem Platinen Layout einzufügen.

Wenn alles nichts bringt

Abgesehen von der Hoffnung, dass der nächste Schritt erst gar nicht nötig ist, sollte er auch nur im Bereich der Schutzkleinspannung (< 50 V) genutzt werden. Es handelt sich um die physikalische Inspektion. 

Kein Zweifel, es ist eine der effektivsten Methoden, bietet allerdings gleichzeitig ein gewisses Sicherheitsrisiko. Es gilt also, erhöhte Vorsichtsmaßnahmen zu treffen. Sollte die fehlerhafte Schaltung zu viel Strom ziehen, gibt es die Möglichkeit, einfach noch mehr Strom fließen zu lassen. Dann kann entweder durch Berührungsprobe oder falls vorhanden mit der Wärmekamera überprüft werden, welches Bauteil heiß wird. Hier lässt sich der Defekt vermuten. Der Nachteil ist besteht darin, dass durch dieses Verfahren auch weitere Bauteile kaputtgehen können. Im schlimmste Fall können einige Komponenten sogar explodieren. Deshalb gibt es auch die Möglichkeit, diesen Effekt auf umgekehrte Weise zu nutzen. Man kann im laufenden Betrieb auf bestimmte Teile der Leiterplatte Kältespray sprühen, um zu heiße Bauelemente abzukühlen. Denn diese können bei zu großer Wärmeentwicklung ihren Arbeitspunkt verschieben und damit dafür sorgen, dass die gewünschte Funktion ausbleibt. Sollte also nach dem Besprühen die Funktion der Baugruppe wieder hergestellt sein, muss sich das fehlerhafte Bauteil im entsprechenden Bereich befinden und kann ersetzt werden.

Fehler nicht gefunden?

Wenn der Fehler an diesem Punkt noch nicht gefunden wurde, hilft meist eine Pause. Nach einiger Zeit der Ablenkung schaut man wieder mit einem anderen Auge auf die zu prüfende Schaltung oder hat einen Geistesblitz. Auch ein wiederholter Blick auf den Schaltplan kann helfen, möglicherweise handelt es sich ja um einen grundlegenden Fehler im erdachten Schaltplan. Einen anderen Blickwinkel bekommt man auch vom befreundete Hobbybastler, sofern dieser vorhanden sein sollte. Allerletzter Ausweg bleibt allerdings wohl leider, die Platine neu ätzen bzw. herstellen zu lassen und sie nochmal mit viel Ruhe neu zu bestücken. Dabei kann schon vor oder auch beim Bestückungsprozess die Bauteilprüfung stattfinden, um fehlerhafte Bauteile im Vornherein auszuschließen.

Über den Autor

Florian Störmer


Florian Störmer ist wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität Rostock beim Lehrstuhl für Leistungselektronik und elektrische Antriebe, wo er hauptsächlich das Schaltverhalten von Leistungshalbleitern mit unterschiedlichen Ansteuerverfahren untersucht.

Zur Realisierung dieser entwickelt und designt er eigene Treiberplatinen, die den verschiedensten speziellen Ansprüchen gerecht werden müssen.

Im Zuge seiner Untersuchungen hat er unter anderem mit Infineon und Siemens zusammengearbeitet.

Dabei entstanden mehrere wissenschaftliche Arbeiten, die auf der führenden internationalen Fachmesse für Leistungselektronik, der PCIM Europe, veröffentlicht wurden.

Florian Störmer is a research assistant at the Chair of Power Electronics and Electrical Drives at the University of Rostock, where he mainly investigates the switching behaviour of power semiconductors with different control methods.

He develops and designs his own driver boards, which have to meet various special requirements.

In the course of his investigations he has collaborated with Infineon and Siemens, among others.

This resulted in several scientific papers that were published at the leading international conference for power electronics, PCIM Europe.

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