3D-Lotpasteninspektion steigert Yield

Hilpert Electronics, Baden-Dättwil (CH)

Die Erkennung fehlerhafter Lotpastendepots aufgrund von Problemen im Druckprozess ist für die Eliminierung der Fehlerursache der meisten SMT-Fehler wesentlich effektiver, als in nachgelagerten Stationen der Linie AOI-Systeme einzusetzen. Die rasche technologische Entwicklung in den Bereichen IT und Kommunikation führen zu immer kompakteren und leichteren Endprodukten. Entsprechend schritt die Miniaturisierung im Bereich der Bauelemente voran und führte zu CSPs und 01005 Chips, die mit manueller Sichtkontrolle nicht mehr geprüft werden können. Daher wird die automatische Inspektion des Pastendrucks (Solder Paste Inspection, SPI) zum unverzichtbaren Prozesselement moderner SMT-Produktionslinien.

Lotpastenbezogene Ausfälle führen bei den meisten Herstellern die „Hitliste“ der Fehlerursachen am Ende der Produktionslinie an. Nach dem Reflowlöten steigen die Kosten für die Reparatur eines Fehlers drastisch an und das Risiko, die Leiterplatte oder das Bauelement während des Reworks zu beschädigen, gehen deutlich in die Höhe. Es ist wesentlich effektiver, den First-Pass-Yield zu verbessern und die Entstehung dieser Fehler von vornherein zu verhindern. Darüber hinaus führen schlechte Lötstellen auf lange Sicht zu hohen Servicekosten und unzufriedenen Kunden. Die Lotpasteninspektion kann eine wesentliche Rolle dabei spielen, pastenbezogene Fehler als Ausfallursache zu eliminieren.

Die Industrie entwickelte Lotpasteninspektions-Systeme. Mit zunehmender Miniaturisierung gelangten die 2D-Systeme jedoch an ihre Grenzen bezüglich der präzisen Inspektion der Ergebnisse des Druckprozesses. Kamera basierte 2D Inspektionssysteme können lediglich die Flächenbedeckung und die Ausrichtung des Pastendrucks messen. Deren Messverfahren beruht auf der Auswertung von Farben und Kontraständerungen. Die wesentliche Begrenzung der 2D-SPI Systeme liegt darin, dass sie keine Höhen- und Volumeninformationen liefern können. Die Flächenbedeckung durch Paste ist für sich allein jedoch kein zuverlässiger Indikator für die korrekte Pastenmenge. Die 3D Lotpasteninspektion kann die Volumen-, Höhen- und Flächendaten ermitteln. Darüber hinaus ist sie unempfindlich gegenüber Farb- und Kontraständerungen sowie wesentlich einfacher zu konfigurieren. Das Lotpastenvolumen ist ein guter Indikator für die Qualität der fertigen Leiterplattenbaugruppe. Als Schlüsselvariable ist das Lotpastenvolumen entscheidend für die Qualität der resultierenden Lötverbindungen. Zu wenig Pastenvolumen (magere Lötstelle) wird beim elektrischen Incircuit-Test typischerweise nicht erkannt, kann jedoch nach der Auslieferung des Endprodukts im Feld zu Ausfällen führen.

Ein wesentliches Merkmal von Lotpaste ist es, dass sie beim Aufschmelzen im Reflowofen ihre Form verändert. Deshalb ist das Lotpastenvolumen die wichtigste zu analysierende Größe für die Vorhersage guter Lötergebnisse nach dem Reflow. Im Gegensatz zu optischen Inspektionssystemen (AOI) ist die 3D Messung bei SPI-Systemen eine wesentliche Voraussetzung für deren Analysefähigkeiten. Die Reparaturkosten zur Beseitigung von Fehlern wie z. B. Lotbrücken steigen massiv nach jedem weiteren Prozessschritt entlang der Produktionslinie. Die Anforderungen an das Reworken steigen ebenso wie die Kosten für Material und Arbeitszeit. Werden die Fehler jedoch eine Prozessstufe früher entdeckt und eliminiert, betragen die Rework-Kosten oft nur ein Zehntel des bei späterer Korrektur anzusetzenden Werts. Wesentlich effektiver ist es, durch Lotpasteninspektion unmittelbar nach dem Druckprozess den First-Pass-Yield zu verbessern und die Entstehung dieser Fehler von vornherein zu verhindern. SPI-Systeme helfen, die vorhandenen Fehler bereits dort zu beseitigen, wo die Rework-Kosten innerhalb der SMT-Fertigungslinie am niedrigsten sind. Die Hauptaufgabe eines SPI-Systems besteht darin, die Linienausbeute (First-Pass-Yield) zu erhöhen, indem sie die Fehlerzahl verringert und die Qualität der Produktion bereits unmittelbar nach dem Einrichten der Linie oder einem Produktwechsel auf einen stabilen Wert hebt.

Darüber hinaus minimiert sie die Wahrscheinlichkeit von Feldausfällen aufgrund schlechter Lötstellen und steigert so die Zuverlässigkeit des Produkts beim Endkunden.

Egal, welche Beleuchtungsquelle auf die zu vermessende Leiterplatte projiziert wird (z. B. Laser oder sinusförmige Streifenmuster), das Kamerabild hängt stark von Farben, Materialien (blankes Pad, Positionsdruck, Lotpaste, Lötstopplack auf Pads bzw. Substratmaterial) und Oberflächenbehandlungen der Leiterplatte ab. Die Helligkeiten im Bild können immer wieder variieren und die rechnerische Berücksichtigung dieser Varianzen haben einen direkten Einfluss auf die Leistung des SPI-Systems. Das von Parmi verwendete Messprinzip der optischen Triangulation, das den Schwerpunkt des Laserstrahls auswertet, wird von unterschiedlichen Helligkeiten nicht beeinträchtigt. Die Laserauswertung ist völlig unempfindlich gegenüber Fremdlicht oder der Farbe von Objekten. Die Hardwarestruktur des Laser-SPI-Systems ist vergleichsweise einfach. Entsprechend robust und stabil ist die Langzeitkonstanz des Systems. Durch Erhöhung der Signalverarbeitungsleistung der Kamera kann die Inspektionsgeschwindigkeit stetig gesteigert werden. Die SPI-Systeme des Unternehmens gehören zu den schnellsten Inspektionssystemen auf dem Markt.

Um den Kundenanforderungen für unterschiedliche Einsatzgebiete gerecht zu werden, werden drei SPI-Modelle (Offline manuell, Tischgerät und Inline-Version) angeboten. Das eingesetzte, kompakte High-Speed Lasersystem ist die Grundlage für hohe Genauigkeit und Wiederholbarkeit des Systems. Aufgrund des Portalsystems konnte ein einstufiges Leiterplatten-Transportsystem eingesetzt werden. Die Komplexität des mechanischen Systems wird niedrig gehalten und die Wartung ist sehr einfach durchzuführen. Das Scannen erfolgt entlang der von einem Linearmotor angetriebenen X-Achse. Um höchste Positioniergenauigkeiten zu erzielen, wird die Y-Achse mit dem Portal bei der großen Maschine (L-Typ) von zwei Motoren angetrieben. Bei den Portalausführungen der Maschinen ruht die Leiterplatte während der Inspektion, so dass Vibrationen minimiert, und Verwindungen der Leiterplatte einfach mittels Unterstützungsstiften ausgeglichen werden können. Das Unternehmen entwickelt und produziert die Systeme einschließlich Software-Entwicklung vollständig im eigenen Haus. Dadurch ist die permanente Weiterentwicklung der Systeme sowie flexibles Eingehen auf Kundenwünsche optimal möglich.

SMT/Hybrid/Packaging

Stand 6-101A & 6-105