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Optische Inspektion

3D-Leiterplatten unter der Lupe

| Autor/ Redakteur: Angela Seegers* / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Die Inspektion gebogener Leiterplatten ist eine besondere Herausforderung. Viscom hat ein automatisches, optisches Verfahren entwickelt, mit dem sich solche Leiterplatten ohne Sonderkonstruktionen an den bestehenden Systemen überprüfen lassen. Die Lemförder Electronic GmbH hat sich für dieses Inspektionsverfahren entschieden.

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Der Produktionsleiter der Lemförder Electronic vor der Viscom S6055
Der Produktionsleiter der Lemförder Electronic vor der Viscom S6055
( Archiv: Vogel Business Media )

Elektronische Baugruppen sind sehr oft sicherheitsrelevant und müssen im Alltag funktionieren. Mechanische Lösungen werden aber immer mehr durch elektronische ersetzt oder ergänzt. Produkte für sensible und kritische Industriebereiche dürfen nicht fehlerhaft sein. Qualität sollte ein selbstverständliches Kriterium sein. Ein entscheidender Ansatz zur Sicherung und Verbesserung der Produktionsqualität ist die automatische optische Inspektion.

Die Produktion bei der Lemförder Electronic GmbH umfasst bleifreie und bleihaltige Produkte. Man fertigt mit SMD- und THT-Technik und zur Qualitätssicherung werden unterschiedliche Tests wie die AOI (automatische optische Inspektion) und der ICT (In-Circuit-Test) sowie eine Funktionsprüfung eingesetzt. Dabei sind die folgenden Punkte entscheidend:

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  • Kompetenz, gebogene, dreidimensionale Schaltungen sicher zu inspizieren einschließlich Ausgleich von Höhenunterschieden,
  • Die Investition muss sich gegenüber der manuellen optischen Kontrolle amortisieren,
  • Die Bewegung des Prüflings im System erfordert eine gute Fixierung der Leiterplatte auf einem Werkstückträger,
  • Ein Werkstückträger ist zur Aufnahme und Transport von gebogenen Leiterplatten erforderlich,
  • Sicheres Erkennen von Lötfehlern, Bauteilverpolungen, Bauteilversatz und fehlenden Bauteilen und
  • Keine Bewegung der Leiterplatte im System, um Vibrationsschäden an empfindlichen Baugruppen zu vermeiden.

Bei dieser Evaluierung stellte sich das Inspektionssystem S6055 von Viscom als die beste und auch einzige einsetzbare Lösung heraus. Im Gegensatz zu allen anderen Herstellern konnte diese Lösung mit den folgenden Vorteilen überzeugen:

  • Erkennung aller Fehler an vorklassifizierten Boards,
  • Sichere Inspektion auch bei gebogenen Leiterplatten mit einem Höhenunterschied ±7,5 mm
  • Keine Sonderkonstruktion im System erforderlich,
  • Leiterplatte muss nur auf einen Werkstückträger gelegt und nicht geklemmt werden
  • Die Programmerstellung konnte vor Ort an unbekannter Schaltung überzeugend demonstriert werden und
  • Inspektion mit mehreren Kameras bei guter Taktzeit.

Die manuelle Sichtprüfung ist nur mit Einschränkungen möglich, denn Qualität und Quantität hängen von den jeweiligen Mitarbeitern ab, deren Einsatzzeit wiederum begrenzt ist. Bei kleiner werdenden Bauteilen werden manuelle optische Prüfungen immer schwieriger.

Bevor die Produkte in die Serienfertigung gehen, werden sie verifiziert und optimiert. Vor der Serienfreigabe werden die einzelnen Prüffenster durch ein Bareboard und ein verlötetes Board ohne Bauteile abgesichert. Die Inspektion umfasst mindestens 300 Baugruppen mit Nacharbeit. Zum Schluss unterziehen zwei Mitarbeiter die Leiterplatten einer besonderen optischen Kontrolle. Das Qualitätsmanagement erteilt die Freigabe, wenn das System alle Fehler erkannt hat. Die Optimierung der Prüfprogramme wird über eine konsequente Auswertung der SPC-Daten und die Korrektur der Fenster mit Pseudofehlern erzielt. Derzeit fertigt Lemförder Electronic 55 Serienprodukte, von denen sechs gebogene Leiterplatten haben. Insgesamt durchlaufen ungefähr 500.000 gebogene Leiterplatten im Jahr die Fertigung.

Die gebogene Leiterplatte und ihre Besonderheiten

Früher waren Automatikgetriebe überwiegend mechanisch aufgebaut. Dabei wurde der so genannte Automatik-Wählhebel über eine gebogene Bodenplatte in die gewünschte Schaltstellung gebracht. Nach dem Einzug der Elektronik in das Automatikgetriebe wollten die Hersteller diese Bogenform aus ergonomischen Gründen beibehalten. Es mussten gebogene Leiterplatten entwickelt werden, die absolut zuverlässig funktionieren und aus diesem Grund automatisch optisch inspiziert werden müssen. Um diese gebogenen Leiterplatten prozesssicher fertigen zu können, war ein Jahr Entwicklungsarbeit notwendig.

Aufgrund der besonderen Form ergaben sich auch neue Anforderungen an die AOI. Eine wichtige Bedingung und ein entscheidender Vorteil des Viscom-Systems ist die Gestaltung des Werkstückträgers. Der Werkstückträger nimmt die Leiterplatte ohne Klemmung auf. Die Leiterplatte wird in der Höhe vermittelt. Der Schärfetiefenbereich wird dabei optimal genutzt und der Inspektionsbereich von ± 7,5 mm eingehalten.

Außerdem gibt es in der Orthogonalen einen Versatz der Bauteile. Bei der gebogenen Leiterplatte sind die Passermarken verschoben. Das Bauteil im Zentrum hat nur einen geringen Versatz. Dieser wird größer, je weiter das Bauteil am Leiterplattenrand liegt.

Prüfprogramm auf die Gegebenheiten einstellen

Das Prüfprogramm muss dementsprechend eingestellt werden. Als erstes wird das Programm aus den CAD-Daten entsprechend einer flachen Baugruppe automatisch erstellt. Danach lassen sich die aus der Biegung resultierenden Referenzpositionen ausmessen und es erfolgt eine Korrektur der Daten. Im letzten Schritt werden die Prüffensterpositionen korrigiert und die Grauwerte bei Abweichungen aufgrund von Reflexion, Beschattung und Unschärfe werden angepasst. Wegen der besonderen Anforderungen ergibt sich eine Mehrzeit. Die Programmerstellung liegt je nach Bestückumfang bei ca. 1 bis 3 Stunden. Die Prüfzeit ist 30% länger als bei einer ebenen Leiterplatte, da aufgrund von Randunschärfen durch die Biegung nur eine kleinere effektive Bildfeldgröße pro Aufnahme nutzbar ist.

Trotz dieser hohen Anforderungen, die diese Maßgaben an ein AOI-System stellen, bestehen mit dem System S6055 keine Einschränkungen in Bezug auf den Prüfumfang. Geprüft wird das Vorhandensein von Bauteilen, ob Bauteile einseitig schlecht gelötet sind, Position sowie Ausrichtung der Bauteile und die Markierung von ICs, Dioden und Elkos. Während der Prüfung von ICs auf gebogenen Leiterplatten kommt es beispielsweise zu einer ungleichen Reflexion der beiden Pinreihen. Um dieses Phänomen für die AOI zu lösen, wird zunächst die Bauteilposition mit der orthogonalen Kamera ermittelt. Danach die Position an die geneigte Kamera übergeben und auf Lifted Pins geprüft. So ist eine 100-prozentige Bewertung möglich.

Parallele Prüfung verschiedener Leiterplatten

Die Qualität wurde verbessert und der Anteil der Pseudofehler auf durchschnittlich fünf je gebogener Leiterplatte reduziert. Während der SMD-Fertigung lässt sich eine parallele Prüfung durchführen: Inline werden gerade Leiterplatten inspiziert, gebogene Leiterplatten offline. Eine direkte Rückmeldung bei erhöhtem Fehleranteil an die SMD-Linien wurde installiert. Insgesamt ließ sich ein First-Pass-Yield von mehr als 99% im SMD-Bereich erzielen. Die Anschaffungskosten der Systeme haben sich für das Unternehmen nach 2½ Jahren Betrieb amortisiert. Das lässt sich schon am Beispiel der Prüfzeit anschaulich verdeutlichen: Die optische Kontrolle einer Leiterplatte durch den Menschen dauert durchschnittlich 45 s, das AOI-System braucht dagegen nur 10 s. Zukünftig sind noch die (Röntgen-)Inspektion von THT-Bauteilen und BGAs sowie die Inspektion von Wire-Bonds geplant.

Leiterplatteninspektion – vom Basissystem bis zur echten Parallelprüfung

Die automatische optische Inspektion (AOI) von Viscom gewährleistet nicht nur die schnelle und zuverlässige Inspektion der Baugruppen nach dem Löten sowie nach Pastendruck oder Bestückung, sondern bietet zugleich auch ein übergreifendes Prozessmanagement für die Fertigung.

Die 4M-Sensortechnologie mit bis 5,6 Mio. Pixel ermöglicht einen maximalen Durchsatz bei höchster Prüftiefe. Neben den orthogonalen Kameramodulen gewährleistet die Prüfung eine sichere Erkennung kritischer Fehler, z.B. sog. Auflieger im fine-pitch Bereich. Die 4M-Kameramodule sind in Standard- und High-Resolution-Version verfügbar. Auch bei 0201-Bauteilen und einem Rastermaß von 0,3 mm müssen keine Einschränkungen hingenommen werden. Das System ist für eine hochgenaue Prüfung von Pastendruck, Bestückung und Lötstellen geeignet.

*Angela Seegers ist Marketingassistentin bei Viscom in Hannover

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