VIII. Inspection Days

Die Automatische Optische Inspektion hat sich zu einem dominierenden Prüfverfahren in der Elektronikfertigung entwickelt. Dieses Potenzial hat Göpel electronic frühzeitig erkannt, und ist durch die permanente Weiterentwicklung der AOI-Systeme stets am Ball geblieben. Unter anderem bestand ein Ziel darin, sich bei der Produktentwicklung neben innovativen Technologien auch auf die langjährige Tradition im Bereich der Optik und Feingerätetechnik in Jena zu stützen. Das Ergebnis ist ein umfassendes Spektrum an Technologien und Verfahren für die Fehlererkennung und Qualitätssicherung im Elektronik-Fertigungsprozess. Die Etablierung des Geschäftsbereichs begann anfangs mit rein kundenspezifischen Lösungen zur Durchführung von optischen Inspektionsaufgaben an verschiedenen Produkten. Schnell konnten durch das Know-how Seriensysteme für die optische Prüfung von elektronischen Baugruppen entwickelt und gefertigt werden. War es anfangs eine eher bescheidene Anzahl von gefertigten AOI-Systemen, so entwickelte sich schnell eine Serienproduktion, die in den Räumlichkeiten des im Jahre 2003 bezogenen Neubaus eine entsprechende Infrastruktur fand.

Mario Berger, der in seiner Funktion als Moderator der Veranstaltung bereits die Teilnehmer begrüßt hatte, führte mit seinem Vortrag über die Prüftechnologien für die Qualitätssicherung in der Elektronikfertigung erstmal in die Thematik ein. Er differenzierte zwischen dem optischen Test und dem elektrischen Test, der die Funktion der Bauteile überprüft und auch alle elektrischen Fehler abdeckt, jedoch keine Aussagen über die Lötverbindung macht. Das AOI ist eine Prüfung mit hoher Fehlerabdeckung und an vielen Stellen des Fertigungsprozesses sinnvoll einsetzbar. Nicht sichtbare Lötstellen sind dennoch nur mit Röntgeninspektion zu detektieren, was wiederum eine lange Prüfzeit beansprucht und deshalb meist nur auf Stichprobenprüfung begrenzt ist. Ein aufwändiges Testverfahren mit hohen Investitionskosten. Herr Berger stellte die elektrischen Testverfahren im Einzelnen vor, Funktionstest, Incircuit-Test, Flying-Probe-Test und JTAG/Boundary Scan. Der Funktionstest liefert im Fehlerfall nur sehr ungenaue Diagnosen und kommt schnell an seine Systemgrenzen, während der ICT ein schneller Test bei hoher Testtiefe bedeutet. Trotz geringem Aufwand für die Testprogrammerstellung bei einfachen Bauteilen erweist sich dieses Prüfverfahren als unflexibel, und benötigt aufwändige Funktionsbeschreibungen bei komplexen Bauteilen. Der Flying-Probe-Test ist ein sehr langsames Prüfverfahren, muss doch mit vier Nadeln seriell abgearbeitet werden. Dagegen bietet der Boundary-Scan-Test hohe Flexibilität, da keine Testpunkte und Adapter nötig sind, ist aber nur begrenzt im analogen Bereich einsetzbar. Der stetige Trend zur Miniaturisierung macht es notwendig, unterschiedliche Testverfahren einzusetzen. Bei den optischen Testverfahren kristallisiert sich das AOI als das vorteilhafteste Testverfahren raus, während bei den elektrischen Testverfahren JTAG/Boundary Scan das Rennen macht. Jedoch fordern die immer wieder neuen Prüfaufgaben auch neue Denkansätze. Als goldenen Schluss seines Vortrags berichtete Herr Berger noch über das auf der kommenden electronica vorgestellte Röntgengerät, einem echten inlinefähigen 3D-System zur gleichzeitigen Inspektion beider Leiterplattenseiten bei höchster Prüfgeschwindigkeit, einer Auflösung bis 15 µm und für 01005-Bauteile bereit.

Eine automatische optische Inspektion in neuer Dimension stellt das OptiCon TurboLine dar, ein AOI-System für die Highend-Inspektion in der Großserienfertigung sowie für die Qualitätssicherung komplexer und hochwertiger Baugruppen. Der Manager AOI-Systems des Veranstalters Jens Kokott machte es sich zur Aufgabe, den Teilnehmern die Systemeigenschaften des Prüfsystems näher zu bringen. Das Herzstück des auf der letzten SMT vorgestellten AOI bildet ein vollkommen neu entwickelter Kamerakopf, welcher gemäß den jeweiligen Anforderungen modular mit Kameras für orthogonale Betrachtung und Schrägblickinspektion konfiguriert werden kann. Das 20-Megapixel-Kameramodul für die senkrechte Inspektion ermöglicht eine mikroskopische Auflösung bei telezentrischer Bildaufnahme eines Betrachtungsfelds von 42 mm x 42 mm. Die Kameramodule für die Schrägblickinspektion zeichnen sich durch Bildqualität aus und decken das Betrachtungsfeld der orthogonalen Kamera komplett ab. Die Bauteile können in beliebigen Winkellagen durch den frei wählbaren Rotationswinkel der Schrägblickmodule geprüft werden. Das Kameramodul ist erweiterbar, so dass auch die verschiedenen Konfigurationsmöglichkeiten zur Sprache kamen: Konfigurationsvarianten mit orthogonalen Kameras von oben, Varianten mit Schrägblickkameras von oben sowie mit orthogonalen Kameras von unten, die alle untereinander kombinierbar sind.

Für die sichere Erkennungsqualität unter Nutzung der OptiCon-Referenzdatenbank war Stephan Rabich, der Projektleiter der Software AOI, zugegen. Zum Aufbau einer Referenzdatenbank können Referenzdaten von jeder Test- bzw. Offlinestation sowie von den Reparatur- bzw. Verifizierplätzen gespeichert, und die Prüfschritte/Bibliothekseinträge von jeder Test- bzw. Offlinestation kontrolliert werden. Es ist möglich, sowohl gefundene Fehler als auch korrekte Bauelemente zu speichern, ein einfacher Knopfdruck reicht fürs Hinzufügen. Ein integrierter Browser ist zur Darstellung sowie zur Nachbearbeitung der Datenbank vorhanden. So sind Schlupf und erhöhte Auffälligkeitsraten durch einfaches Verifizieren von Änderungen vermeidbar, indem alle prüfrelevanten Einstellungen verglichen, und die Unterschiede auf Parameterebene übersichtlich dargestellt werden. OptiCon Pilot ist datenbankorientiert und erlaubt damit den parallelen Zugriff von allen Anlernstationen sowie Verifizier- und Reparaturplätzen. In Planung stehen die Analyse des Klassifikators auf Unterschiede, Verifizierung ganzer Prüfabläufe sowie die automatische Rücknahme von Änderungen auf Parameterebene.

Weiter ging es mit den Statistikmodulen der OptiCon-Software und deren Einsatz zur Prozessoptimierung und Fehlerauswertung durch den Softwareentwickler des Unternehmens Bernhard Gorski. Die Module Fehlerstatistik zur manuellen Datenauswertung durch eine grafische Darstellung der Fehlerraten sowie die statistische Prozesskontrolle SPC zur automatischen Datenauswertung durch Überwachung der Messdaten sind für eine Prozessoptimierung zuständig. Es können Auffälligkeiten im Prozess erkannt werden, bevor Fehler auftreten, die Verarbeitung großer Datenmengen ist möglich. Damit wird eine Kostensenkung angepeilt, sowie Material- und Personalkosten verringert. Um im Wandel der Zeit nicht hinterherzuhinken, sollte die Fehlerstatistik nicht nur überarbeitet, sondern auch erweitert werden. Innerhalb der statistischen Prozesskontrolle sind die Angleichung der Benutzeroberfläche, Integration von Bestückerinformationen und automatische Fehlerdatenanalyse ein weiterer Schritt.

Nach einer Mittagspause ging es um den Einsatz der OptiCon-Systeme und den damit gemachten Erfahrungen. Theo Schelasni von R&D Elektronik berichtete über den flexiblen Einsatz der OptiCon Smartline in der Fertigung kleiner und mittlerer Losgrößen. Die Geschäftsfelder des Unternehmens liegen in der Entwicklung, Produktion und Vertrieb von CNC-Steuerungen und kundenspezifischen Steuerungen. Die Prüfanforderungen in der Elektronikproduktion haben den Fokus auf die Vermeidung der häufigsten Fehler beim Rüsten, falsches, verdrehtes, verpoltes oder gar Versatz des Bauteils und, während der Produktion auftretende Lötfehler oder fehlende Bauteile. Ein zur Wahl stehendes AOI-System sollte einige Vorteile mitbringen: Prüfung direkt am Bestückautomat und direkt nach dem Lötprozess mit der Kontrolle eines Loses am Reparaturplatz. Weitere Features wie die Software für einen zusätzlichen Reparaturplatz, eine statistische Auswertung zur Prozessoptimierung und Kompatibilität bzw. Übernahme von Kundendaten, waren gefordert. Gefunden hat das Unternehmen dann die Lösung im OptiCon Smartline von Göpel electronic, das sich genau für die Anforderungen im Unternehmen eignete. Heute liegt die Pseudofehlerrate unter 10 und der Schlupf ist kleiner 1 %. Dass sich Qualität bezahlt macht, konnte mit der Erweiterung der Produktion im September 2007 durch zwei weitere Bestücker und eines Lötofens bewiesen werden.

Effektive Einbindung von OptiCon-Systemen in die Inline-Fertigung elektronischer Baugruppen bei SMT & Hybrid war das Thema von Artur-Alexander Friedrich, dem Fertigungsleiter des Dienstleisters. Mit einer Bestückkapazität von 140.000 Bt/h werden die Leiterplatten in drei Fertigungslinien im Drei-Schicht-Betrieb hergestellt. Für die Muster- und Kleinserienfertigung steht eine Linie mit einem einzelnen AOI zur Verfügung, während an zwei Linien mit zum Teil inline-stehenden AOI-Systemen für die Serienfertigung geprüft wird. Die Fertigung ist so aufgebaut, dass AOI und AOI-Reparaturplatz immer miteinander verbunden sind, um eine zeitnahe Abarbeitung der Baugruppen am Reparaturplatz zu sichern. In jeder Schicht müssen mindestens zwei Mitarbeiter die Programme erstellen und auch anpassen können. Die Baugruppen sollten technisch auf jeder Linie herstellbar sein, und die zu verwendenden Maschinenprogramme, Parameter und deren Änderungsstände in Arbeitsplänen verwaltet werden, so die Grundprinzipien des Fertigungsdienstleisters bezüglich der Organisation. Als Ergebnis dieser Maßnahmen erhielt man eine unkomplizierte Anpassung der Testprogramme bei veränderten Eigenschaften, ein schnelles Nachlernen neuer Fehlerbilder sowie hohe Akzeptanz bei den Mitarbeitern durch die einfache Programmstruktur. Abschließend stellte er noch das AOI mit LED-Helligkeitsmessung und Funktionsweise vor, das ebenfalls im Unternehmen zum Einsatz kommt.

Thomas Schimmang referierte über die praxisnahe Qualitätssicherung durch Einsatz eines Advanced Line 4M AOI-Systems bei Lust Hybrid-Technik. Die Produkte des Unternehmens finden ihren Einsatz in der Automobil- und Industrieelektronik, sowie der Sensor- und Medizintechnik. Das im Stand-alone-Betrieb arbeitende AOI handelt nahezu alle Baugruppen. Die Inspektion erfolgt nach dem Lötvorgang, bei beidseitiger Bestückung bereits nach Lötung der ersten Seite. Es findet eine eindeutige Fehlerzuordnung durch die Vergabe von Chargen- sowie Nutzen-/Losnummern statt. So bedarf es für eine Inspektion mittels AOI, bei einem ungefähren 40-zu-60-Mix aus freigegebenen und in Freigabe befindlichen Programmen und einer durchschnittlichen Losgröße von 3.000 Stück, einer durchschnittlichen Inspektionszeit inklusive des Handlings von 3,5 Stunden für 1.000 Stück. Die Debuggingzeit benötigt 1,6 Stunden unter denselben Voraussetzungen. Das Problem der Detektion von Lotspritzern auf Die-Bondpads konnte durch die variable Farb- bzw. Beleuchtungseinstellung des AOI-Systems gelöst werden. Der Lotspritzer bleibt durch Ausblenden des Pads als „Hintergrund“ sichtbar.

Einen Ausflug ins Löten bescherte Rolf Diehm von SEHO Systems seinen Zuhörern mit einem Bericht über den Lötprozess als entscheidender Faktor für die Qualität elektronischer Baugruppen. Nach seinen Erläuterungen über die Basis und Potenziale beim Löten widmete er sich den verschiedenen Löttechniken Welle, Selektiv und Reflow. Durch Mitwirkung des Unternehmens in verschiedenen Forschungsprojekten als Partner für seine Kunden liefert es eine gute Ausgangsbasis. Für hohe Qualitätsausbeute müssen alle beteiligten Bereiche zusammenarbeiten, damit ein gutes Lötergebnis erzielt wird. Der Wellenlötprozess kann durch Prozessparametrierung und Einbindung filigraner Anlagenmerkmale, mit abgestimmter Prozesskontrolle, die Bedürfnisse der künftigen miniaturisierten Lötstellen und Flachbaugruppen nur teilweise abdecken. Die im Lötprozess eingesetzten Flussmittel müssen hierbei den speziellen Rahmenbedingungen dieser Prozesse angepasst werden. Die Selektivlöttechnik kann weiter als die allgemeine Wellenlöttechnik die grundsätzlichen Erfordernisse der kommenden Herausforderungen in der miniaturisierten Verbindungstechnik erfüllen, wenn die Prozessüberwachung sicher gestellt ist. Der Reflowlötprozess ist bei stabilem Prozessablauf unter der Verwendung geeigneter Prozessüberwachungssysteme mit geringen Anpassungen umsetzbar. Damit ist es der Verbindungsprozess, der das höchste Potenzial für die Herausforderung weiterer Miniaturisierungen bietet.

Dr.-Ing. Martin Oppermann von der TU Dresden kam im Anschluss an Herr Diehms Vortrag zur Qualitätskostenoptimierung in der Elektronikfertigung. Der Vortrag präsentierte Methoden zur Ermittlung und Bewertung kostenoptimaler Produktions- und Teststrategien. Die Qualitätskostenmodelle sind leicht verständlich und erfolgreich in der Praxis einsetzbar. Eine Erweiterung bewertete auch die technologischen Prozesse sowie deren Fehlerquote, und stellte ein Werkzeug zur Analyse und Optimierung dieser Prozesse aus Kostensicht dar. Sein abschließender Satz: Es ist sehr wichtig, den Faktor Zeit nicht zu unterschätzen, denn es braucht Zeit, das gestellte Zeil zu erreichen.

Christian Hill von der Friedrich-Schiller-Universität Jena übernahm den letzten Vortrag außerhalb der bisherigen Thematik mit seinem Vortrag über Jena, der Stadt des Wissens und der Wissenschaft 2008, oder warum die Wege in Jena kurz sind. Ein Stadtrundgang mit anschließendem Kulinarischem von A(bbe) bis Z(eiss) rundete den ersten Tag ab.

Am nächsten Tag war es den ca. 90 Teilnehmer möglich, sich in Arbeitsgruppen zu formieren, und an praktischen Ausführungen im Unternehmensstandort teilzunehmen. (dj)

electronica, Stand A1.542

EPP 411