Seit ihrer Einführung mussten die AOI-Systeme für die Bestückung von Leiterplatten (PCB) ständig weiterentwickelt werden, um mit den Herausforderungen der laufenden Miniaturisierung, der Komplexität und der zunehmenden Dichte der Baugruppen Schritt halten zu können. Je stärker die Hersteller bei einer kombinierten Fertigung („High-Mix“) wie auch bei der Massenfertigung um die erstklassige Erkennung von Fehlern und eine zuverlässige Inspektion bemüht sind, um so mehr setzen sich AOI-Systeme mit 3D-Technologie durch.
Ursprünglich wurden solche Systeme in den 80er Jahren als Alternative zu der wenig zuverlässigen Sichtprüfung entwickelt, inzwischen haben sich AOI-Anwendungen jedoch längst als integrierter Bestandteil einer Strategie des Test- und Qualitätsmanagements etabliert. Wegen der breiten Einsatzmöglichkeit und der hohen Geschwindigkeit der konsistenten AOI stellt diese Technologie heute eine kostengünstige Methode als Ergänzung zu elektrischen Tests dar. Und was noch wichtiger ist: Im Rahmen eines Testprogramms war die breite Abdeckung der AOI-Lösungen für viele Hersteller ein Anlass, den Einsatz der teureren Incircuit-Tests (ICT) zu optimieren und zu reduzieren.
Wenn AOI als Element einer allgemeinen Strategie zur Test- und Qualitätskontrolle in Betracht gezogen wird, muss der Benutzer sicher sein, dass diese Technologie einen hohen Anteil an Fehlern zuverlässig erkennt – an verschiedenen elektronischen Komponenten mit unterschiedlichen Eigenschaften und bei einer Reihe von Produkten in drei Schichten täglich, an sieben Tagen in der Woche. Darüber hinaus ist ständig mit neuen Designs und Formaten der Komponenten zu rechnen, sodass die Hersteller bei den Tests laufend mit neuen Herausforderungen konfrontiert werden. Bei der Auswahl der AOI-Technologie muss sicher gestellt sein, dass sie zuverlässig mit den neuen Formaten und Anforderungen Schritt halten kann und auch eine ausreichende Kapazität bietet, um den Herausforderungen zukünftiger Inspektionen begegnen zu können.
Für den AOI-Designer liegt die Herausforderung darin, genügend Daten über die Baugruppe zu sammeln, um unter Berücksichtigung der Einschränkungen des Produktionszyklus eine exakte und wiederholbare 24 x 7-Fehleranalyse zu ermöglichen. Hierzu gehört auch die Auswahl der richtigen Kombination verfügbarer Technologien und hoch entwickelter Systeme, die mit einer großen Vielfalt von Einzel- und Mehrfachkameras, Beleuchtung und nicht zuletzt einer modernen Softwarearchitektur arbeiten.
Überprüfung nach dem Löten
Die Inspektion elektronischer Bauteile nach dem Löten hat sich in der Elektronikfertigung weit gehend durchgesetzt; Schätzungen zufolge werden mehr als 72% aller Maschinen weltweit in dieser Phase eingesetzt. Der wichtigste Grund hierfür liegt darin, dass diese Technologie den höchsten Anteil erkannter Fehler bietet und einen allgemeinen Überblick bzw. einen „Gesundheits-Check“ des fertigen Produkts liefert, bevor die weiteren Montageschritte wie Elektrik- und Funktionstests eingeleitet werden und vor allem bevor das Produkt zum Kunden gelangt. Die Vorteile des Produktüberblicks in dieser Phase liegen in zwei Bereichen. Zum Einen erkennt diese Technik im Gegensatz zur Inspektion vor dem Löten auch Fehler, die direkt auf den Lötprozess zurückzuführen sind, wie beispielsweise auf das Temperaturprofil des Reflowofens. Zum Anderen verbessert dieses Verfahren die Erkennungsrate in der ersten Phase des Elektrikprozesses und bietet eine zusätzliche Sicherheit, dass ein Produkt mit einem Fehler an einer Lötverbindung nicht zum Kunden gelangt.
Das Auffinden von Fehlern an einer gelöteten Bestückung gehört zu den größten Herausforderungen der AOI. Eine fertig gelötete Baugruppe kann eine Vielzahl von Problemen enthalten, die eine umfassende Lösung erfordern, wenn das AOI-System eine hohe Fehlererkennungsrate erzielen soll:
- Im Vergleich zu einer bestückten, aber nicht gelöteten Baugruppe steigt die Anzahl der Fehler an und umfasst alle Fehler, die auf den Lötprozess zurückzuführen sind wie beispielsweise: Brückenbildung, nicht ausreichende oder offene Lötverbindungen.
- Die Abweichungen innerhalb der als akzeptabel bzw. nicht akzeptabel angesehenen Grenzen ist größer.
- Lötverbindungen bringen eine dritte Dimension mit sich, die der Prozess entsprechend berücksichtigen muss.
- Bei dicht bestückten Baugruppen können aneinander angrenzende Komponenten Schatten werfen oder andere Komponenten teilweise verdecken.
- Platz sparende Gehäuseformate wie beispielsweise „J-Legs“ verdecken die Lötstellen ganz oder teilweise, so dass sie von oben nicht zu sehen sind.
Teile, die nicht zu sehen sind, können natürlich auch nicht inspiziert werden. Wegen der Vorteile einer 3D-Inspektion werden AOI-Systeme mit dieser Technologie für solche Anwendungen gern eingesetzt. Ein 3D-System nutzt orthogonal und rechtwinklig angeordnete Kameras, um durch die Kombination mit der Beleuchtung mehrere gleichzeitige Ansichten einer Komponente oder eines Baugruppensegments zu erhalten. Mit Hilfe dieser Technik stehen mehr Bilddaten des tatsächlichen physischen Aussehens einer Komponente und vor allem der Lötstellen zur Verfügung zur richtigen Erkennung und Klassifizierung von Fehlern, die für ein konventionelles 2D-System mit einer einzigen orthogonalen Kamera nicht zu erkennen wären (Bild 1).
Bei früheren AOI-Designs war zwar die 3D-Technik von Vorteil, gleichzeitig wurde sie jedoch auch als ein notwendiges Übel betrachtet, da verschiedene Kamerasichten in Verbindung mit verschiedenen Lichtquellen bis zu 90 Bilder generieren können, die in den Speicher eingelesen, gespeichert und von den Systemalgorithmen verarbeitet werden müssen. Glücklicherweise hat sich auch die den Entwicklern zur Verfügung stehende Hardware mit rasender Geschwindigkeit weiter entwickelt: Hochgeschwindigkeitskameras, Firewire, moderne Framegabber-Technologien und nicht zuletzt PC-Architektur und -Speicher lassen sich heute zu modernen Lösungen verbinden, die die Vorteile der 3D-Technik in vollem Umfang nutzen, eine Hochleistungsinspektion mit bis zu 40 cm²/s ermöglichen und damit mit den schnellsten heutigen Montageeinrichtungen Schritt halten können (Bild 2 + 3).
Adaptive Technologie für neue Herausforderungen bei der Inspektion
Bei der sich ständig ändernden Verpackungsoberfläche für Elektronikkomponenten stellt die Konzeption des AOI-Systems einen wichtigen Punkt dar, wenn es darum geht, die Technologie auf die neuen Herausforderungen der Inspektion abzustimmen. Die Auswahl der richtigen Plattform bietet eine hohe Vielseitigkeit und lässt sich an neue Anwendungen anpassen, ohne dass die Leistung in anderen Bereichen der Inspektion beeinträchtigt wird. Ein gutes Beispiel für die Kapazität eines 3D AOI ist seine progressive Anpassung zur Inspektion der Klemmanschlüsse bei Backplane-Platinen.
Eine Backplane ist ein komplexes Produkt aus verschiedenen Verbindungstechnologien einschließlich gelöteter Flächenmontageeinheiten (Surface Mount Devices, SMD) und Klemmanschlüssen. Backplanes stellen eine echte Herausforderung an konventionelle AOI-Prüfsysteme nach dem Löten dar. Die verschiedenen Bestückungsschritte und die Anzahl der Klemmanschlüsse und Pins der Baugruppen bieten zahlreiche Möglichkeiten für Fehler, die mit einer konventionellen Sichtprüfung nur sehr schwer zu erkennen sind. Orbotech hat die technischen Herausforderungen der Backplane-Technologie gemeistert und eine innovative automatisierte Inspektionslösung entwickelt, die die Vielseitigkeit der Software und Hardware der 3D AOI-Plattform unterstreicht.
Diese Technik ermöglicht eine besonders exakte, automatisierte Inspektion allgemeiner Fehler bei Klemmanschlüssen einschließlich fehlender oder falsch platzierter Pins. Wegen ihrer spezifischen elektrischen Aufgabe enthalten Klemmanschlüsse auch Pins unterschiedlicher Länge. Um sicherzustellen, dass die Pins im richtigen Abstand vom Anschluss herausragen, bietet die Lösung außerdem ein einzigartiges Verfahren zur Messung der Pin-Höhe; dieses Verfahren verwendet Winkelkameras, um festzustellen, ob die Höhe eines Pins innerhalb der vom Benutzer gesetzten Toleranzen liegt (Bild 4).
Ein weiteres einzigartiges Merkmal ist die Möglichkeit, in einem einzigen Arbeitsgang SMT-Komponenten zu inspizieren und die Pin-Höhe zu korrigieren. Zwischen den Pin-Spitzen und den SMT-Komponenten kann eine Höhendifferenz von bis zu 12 mm auftreten. Normalerweise würde die Backplane inspiziert, entfernt und manuell angehoben werden, um die SMT-Komponenten vor einem zweiten Inspektionszyklus in den Fokus zu bringen. Das AOI-System ist mit einer Z-Achse ausgestattet, die dieses Problem durch die automatische Anpassung der Höhe der Backplane-Anordnung überwindet; dadurch werden die verschiedenen Inspektionsebenen unter den Kameras in den Fokus gebracht.
Der Umstieg von der 3D-Technologie auf die High-Mix-Fertigung
Wegen ihrer technologischen Vorteile wurden 3D AOI-Systeme bereits zu einem frühen Zeitpunkt als geeignete Plattform für Massenfertigungslinien eingesetzt, wo der Schwerpunkt auf einem hohen Durchsatz lag. Abgesehen von der Geschwindigkeit der Inspektion liegt die wichtigste Herausforderung an ein AOI-System in solchen Fertigungsumgebungen darin, für eine permanente und zuverlässige Erkennung zu sorgen und gleichzeitig einem typischen Phänomen der Massenfertigung zu begegnen – den Abweichungen.
Eine erfolgreiche Möglichkeit, mit den Prozessabweichungen umzugehen, ist die Verwendung eines Klassifizierungsverfahrens, das als „statistische Modellierung“ bezeichnet wird. In jedem Prozess treten gewissen Varianzen auf – die statistische Modellierung bietet eine Wissensdatenbank mit einem Spektrum zulässiger Variationen zu allen inspizierten Komponenten. Dadurch ist das AOI-System in der Lage, exakt zwischen akzeptablen und nicht akzeptablen Merkmalen zu unterscheiden und gleichzeitig ein konstantes, vom Benutzer festgelegtes Niveau der Fehlererkennung aufrecht zu erhalten. Das AOI-System wird mit einem Bestand an statistischen Informationen geliefert, die ein bestimmtes anfängliches Niveau der Fehlererkennung sicherstellen. Wenn das System weitere Daten zu den Produktionskarten erfasst, werden die statistischen Modelle an die intrinsischen Varianzen des jeweiligen Prozesses angepasst, und das System kann eine exakte Klassifizierung zwischen akzeptablen und nicht akzeptablen Varianzen treffen.
Während die Massenfertigung in den letzten Jahren immer stärker in Billiglohnländer verlagert wurde, hat sich in der Elektronikfertigung Westeuropa als eine Art globales Fertigungszentrum für geringe Losgrößen etabliert. OEMs achten meist darauf, ihre Kernkompetenzen wie die Konzeption von Schaltkreisen und Software zu erhalten, und sich dadurch von ihren Mitbewerbern abzuheben. In dieser neuen Umgebung wird die Bestückung von Baugruppen häufig kleinen und besonders flexiblen Dienstleistern überlassen, die sich auf die Fertigung geringer Stückzahlen in kurzer Zeit spezialisiert haben. Darüber hinaus wurden von den Elektronikherstellern in der Nähe ihrer OEM-Kunden auch neue Produkteinführungszentren („New Product Introduction“, NPI) eingerichtet, die die Fertigung optimieren, bevor die Serienfertigung an andere Standorte übergeben wird.
Der Trend zum „High-Mix“ mit geringen Losgrößen zwingt die Hersteller, ihre Technologie an die vorherrschenden Anforderungen anzupassen, deren Schwerpunkt auf Präzision und Flexibilität liegt, statt auf Durchsatz und High-End-Lösungen. Dieses Umdenken bei der Produktstrategie führt zur Entwicklung neuer AOI-Softwarelösungen, die mit Hilfe der umfassenden Hardwareplattform neue, speziell auf geringe Losgrößen einschließlich NPI zugeschnittene Inspektionsfunktionen bieten. Die Hersteller in diesem Segment profitieren dadurch jetzt von den Vorteilen der 3D AOI-Inspektion und erzielen damit höchste Fehlererkennungsraten schon von der ersten Baugruppe – und das bei Kosten, die mit denen von 2D-Systemen vergleichbar sind.
EPP 475
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Applikationen aus dem Bereich der Leistungselektronik gewinnen immer mehr an Bedeutung. Die Inspektion dieser Applikation lässt sich mit der bewährten Standardtechnologie der 3D-Messtechnik bewerkstelligen.
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