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Richtig inspiziert ist halb gewonnen

Anwendung von AOI-Systemen in der Baugruppenfertigung
Richtig inspiziert ist halb gewonnen

Bei der Fertigung von Baugruppen treten immer wieder verschiedene Fehler auf, die von der Bestückung mit falschen Bauelementen, falscher Polarität bis hin zu schlechten Lötstellen reichen. Daraus ergibt sich die generelle Notwendigkeit von Überprüfungen bei der Produktion. Ständige Verbesserungen auf dem Gebiet der automatischen optischen Inspektion (AOI) lassen Inspektionssysteme zunehmend Bestandteil im Fertigungsablauf elektronischer Komponenten werden. Insbesondere gilt dies für die Produktion von bestückten Leiterplatten, da hierbei eine Vielzahl von Bauelementen während des Fertigungsprozesses in kürzester Zeit getestet werden muss.

Thomas Heßland, Göpel Electronic, Jena

Die Anforderungen, die an automatische optische Inspektionssysteme gestellt werden, sind vielschichtig und unterliegen im Rahmen der Entwicklung des Produktionsprozesses von Leiterplatten gewissen Veränderungen. So sind Bauteile bis zur Gehäusegröße 0201 zu testen, die Lötstellenkontrolle sollte an den Pins von ICs durchgeführt werden können und die Prüfgeschwindigkeit der zu kontrollierenden Boards muss dem Produktionsprozess angepasst sein. Der Fehlerschlupf und die Pseudofehlerrate müssen gering sein, auch wenn alternative Bauelemente (beispielsweise bei Lieferantenwechsel) eingesetzt werden. Das Er-stellen von Prüfprogrammen muss einfach, schnell und ohne zusätzliche zeitaufwändige Rückfragen beim Hersteller möglich sein. Die Testsysteme sollten in mehreren Konfigurationen erhältlich sein, da die optimale Lösung immer eine auf den Kunden angepasste Spezifikation darstellt. Schließlich müssen sich die Kosten für derartige Systeme schnell amortisieren. Eine Zusammenfassung ergibt die Hauptanforderungen:
• geringer Fehlerschlupf,
• geringe Pseudofehlerrate,
• Akzeptanz alternativer Bauelemente (beispielsweise bei Lieferantenwechsel),
• schnelles Erstellen von Prüfprogrammen,
• einfache Bedienbarkeit,
• transparenter Prüfalgorithmus,
• Verfügbarkeit in unterschiedlichen Konfigura-tionsvarianten,
• hoher Testdurchsatz und
• kurze Amortisationszeit.
Da immer komplexere Baugruppen und immer kleinere Bauteile in der Fertigung Verwendung finden, besteht die Forderung nach ausgereifteren Teststrategien beziehungsweise Testsystemen. Göpel Electronic entwickelte in den letzten Jahren eine Produktserie mit innovativen Systemkomponenten. Bei diesen Systemen werden neben den Standardfunktionen, wie etwa Anwesenheit und Lagerichtigkeit von Bauteilen, auch das Erkennen von Klarschrift, die Höhenvermessung von Bauelementen und das Prüfen von Koplanaritäten, wie beispielsweise an Steckverbindern, ermöglicht. Das AOI-System Opticon Speedline bietet sich daher als Testwerkzeug für die Leiterplattenfertigung innerhalb der Produktionslinie an.
Beim Erstellen von Prüfprogrammen mit Hilfe der „intelligenten“ Software der AOI-Systeme treten die bekannten Nachteile wie umständliche und zeitintensive Programmierung oder eine hohe Anzahl von Pseudofehlern nicht in Erscheinung. Der Grund hierfür ist, dass der Erkennungsalgorithmus nicht auf einem simplen Bildvergleich, der Kantendetektion oder der Helligkeitsanalyse (Histogramm) basiert. Einfache Bilderkennungsprogramme haben insbesondere bei verschiedenen Farben von Komponenten, unterschiedlichen Kappengrößen von Chip-Bauelementen oder wechselndem Leiterplattenuntergrund große Probleme. Durch den Einsatz einer neuronalen Bauelementebibliothek konnte der Sprung von einem rein vergleichenden zu einem lernenden System vollzogen werden.
Hardwareanforderungen an Prüfsysteme
Die ständig steigenden Anforderungen an die Baugruppenfertigung erfordern, dass die eingesetzten optischen Inspektionssysteme mehr als nur Bilder vergleichen können. Durch die Auswahlmöglichkeit zwischen einer Standard-Ringlichtbeleuchtung und einer Schräglichtbeleuchtung wird gewährleistet, dass beispielsweise eine gelaserte Beschriftung oder kritische Polaritätsmerkmale sicher und zuverlässig erkannt werden. Diese Möglichkeit, zwischen verschiedenen Beleuchtungen auszuwählen, kommt bei der Beschriftungskontrolle sowohl von ICs als auch bei verschiedenen Prüfaufgaben an Steckverbindern zum Einsatz. Anhand der Beispiele in Bild 2 und 3 wird ersichtlich, wie kontrastreich die in der Opticon-Familie integrierte Schräglichtbeleuchtung das gewünschte Objekt ausleuchten kann.
Entscheidend für den Prüfumfang, der mit der Produktserie Opticon abgedeckt werden kann, ist die Möglichkeit der unterschiedlichen Kamerakonfiguration. Sowohl beim Basicline als auch beim Speedline sind unterschiedliche Kameraköpfe mit verschiedenen Auflösungen und Objektfeldern wählbar. Die Standardkamera hat einen Auflösungsbereich von 35 µm/Bildpunkt. Dies entspricht dem kleinsten prüfbaren Bauelement von 0603 beziehungsweise 0,80-mm-Pitch. Zusätzlich kann eine zweite Kamera mit der Auflösung von 20 oder 10 µm/Bildpunkt konfiguriert werden, womit Bauelemente bis hin zu 0201 und 0,4-mm-Pitch überprüfbar sind. Durch die Wahl zwischen diesen unterschiedlichen Kameras in einem Gerät ist es möglich, anwenderspezifisch den gesamten Bereich der Prüfaufgaben abzudecken.
Für jede Kamera gewährleistet die stromstabilisierte Ringlichtbeleuchtung aus vielen einzelnen LEDs ein gleichmäßiges Ausleuchten des Objektfelds. Helligkeitsschwankungen im Gesichtsfeld der Kameras, die zu einem unterschiedlichen Bewerten der zu prüfenden Bauelemente führen könnten, sind daher ausgeschlossen.
Mit Hilfe des eingebauten Laser-Höhenmesssystems lassen sich auch bei kritischen Oberflächen (beispielsweise metallisch reflektierend) Höhen präzise vermessen. Dadurch sind auch solche Bauelemente prüfbar, die optisch nur schwer oder gar nicht erfasst werden können. Koplanaritäten an BGAs sind mit diesem System ebenfalls schnell bestimmbar, wodurch ein zusätzliches Bewertungskriterium entsteht.
Zusammenfassung
Mit Hilfe von AOI-Systemen erhält der Anwender ein leicht zu bedienendes Werkzeug, mit dem die Qualität der Produkte bei der Fertigung von Leiterplatten sichergestellt werden kann. Dabei stellen die Opticon-Prüfsysteme von Göpel Electronic Produkte dar, die die erforderliche Testabdeckung für die Leiterplattenbestückung garantieren. Die Möglichkeit eines einfachen und schnellen Erstellens von Prüfprogrammen nach dem CAD-Bestückdaten-Import in Verbindung mit der Bibliotheksstruktur auf der Grundlage von neuronalen Netzen zeichnet die Softwarekomponenten des Systems aus.
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