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Ein Tool der Qualitätssicherung

Höhere Herausforderungen an optische Inspektionssysteme
Ein Tool der Qualitätssicherung

Der VisionScorpion, Alternative zum elektrischen Tester, ergänzt die Sysempalette von Scorpion (früher ITA)
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Die optische Inspektion ist ein wesentliches Tool der Qualitätssicherung. Zwar ist die Beurteilung durch den Menschen immer noch am weitesten verbreitete, doch in der industriellen Serienfertigung führen Ermüdung, Irrtümer und andere subjektiv-menschliche Charakteristiken sehr oft zu Fehleinschätzungen. Automatische optische Inspektion (AOI) ist in der Elektronikfertigung neben elektrischen Tests eine wichtige Säule der Qualitätssicherung.

Michael Knür, Scorpion Technologies, Hamburg

Das menschliche Auge weist mit einer Auflösung von 126 Megapixel einen hohen Grad an Diagnosemöglichkeiten auf. Dahinter verbirgt sich in der Sprache der Informatiker ein Netzwerk von 2 Millionen Neuronen. Eine Million „serielle Links“ zur CPU (dem Gehirn), getaktet mit 100 Hz à 100 Mbit/s sprechen für sich. Die Bewegungen der „Kameras“ erfolgen servogesteuert.
Doch es gibt auch Nachteile, die beim Einsatz von Menschen zur Inspektion in Kauf nehmen müssen: Unterschiedliche, subjektive Beurteilung des inspizierten Mediums, abhängig von den individuellen Fähigkeiten des Menschen, lassen sich grundsätzlich nicht vermeiden. Ebenso die durch Ermüdung entstehende Leistungsabnahme ist als negativer Punkt aufzuführen.
AOI-Einsatz inder gesamten Linie
In der Elektronikfertigung setzen sich deshalb zunehmend die automatischen optischen Inspektionssysteme (AOI) durch. Die Vorzüge sind einfach zu umreißen: Neben der quantifizierbaren und wiederholbaren Leistung läßt sich hier ein meßbarer, gleichbleibender Durchsatz zugrunde legen. Es besteht eine gleichbleibende Qualität der Meßergebnisse, die in QMS-Systemen analysiert und dokumentiert werden kann. Damit AOI für Anwender als wichtiges Werkzeug in Betracht kommen kann, muß solch ein System exakt wiederholbare Ergebnisse liefern, maximale Testabdeckung erzielen, die Geschwindigkeit des automatisierten Produktionsprozesses (Linientakt) nicht beeinträchtigen und durch Nähe zu den einzelnen Fertigungsabschnitten eine höchstmögliche Kostenminimierung erzielen. AOI-Systeme eignen sich hervorragend, vor dem Löt- oder Reflow-Prozeß eingesetzt zu werden. So können fehlerhafte Boards ausgeschleust und repariert werden, bevor ein kostenintensiver, oft irreversibler Arbeitsschritt gestartet wird.
Die Entwicklung der AOI-Systeme dauert mittlerweile über zehn Jahre. War es in der Vergangenheit sehr aufwendig, einzelne Inspektionsroutinen zu programmieren, kann man heute von vertretbar schnellen Zyklen sprechen. Die gesamte Technik wurde sehr zu ihrem Vorteil weiterentwickelt. Einfachen PCs bzw. sehr teuren und aufwendig bedienbaren RISC-Computern stehen heute schnelle und relativ kostengünstige Pen-tium-Rechner mit PCI-Bus gegenüber. Die binären Kamera-Systeme werden ersetzt durch Grauskala- oder Farbsysteme. Auch die mit der Investition verbundenen Kosten sind nun auf einem Niveau angelangt, das Anschaffungen nicht mehr als unüberwindbares Hindernis gegenübersteht.
Strukturenfortlaufend minimiert
Die Anforderungen an Testsysteme aller Art erhöhen sich zur Zeit explosionsartig. Deshalb legen alle Unternehmen bei der Evaluierung neuer Techniken und dem Erwerb eines Testsystems besonderen Wert auf die Investitions- und Zukunftssicherheit. Neben den immer häufiger zu findenden Advanced-Packages wie BGA und CSP werden durch verbesserte Fertigungsprozesse höhere Komponentendichten erzielt. Hieraus resultiert, daß weniger Platz für Testpunkte zur elektrischen Prüfung zur Verfügung steht. Diese wird also entweder völlig entfallen oder in ihrem Umfang re-duziert.
Hatten Bauteil-Pads Mitte der 90er Jahre noch eine Größe von 10 mil (250 Mikron), ist jetzt ein Durchmesser von etwa der Hälfte eher üblich. Design for Testability ist ein oft gehörter Begriff. Doch darf man die Realität in Design und Fertigung nicht übersehen. Jeder bei der Boardgröße eingesparte Millimeter birgt oft ein hohes Einsparungspotential. Zudem müssen adapterlose Testsysteme der neuen Generation in der Lage sein, beidseitig simultan und mit gleicher Funktionalität zu testen. Eine Erhöhung der Produktionszykluszeit bei beidseitig bestückten Baugruppen durch aufwendige Umdrehmechaniken wird künftig vom Anwender nicht mehr akzeptiert werden.
Adapterlose Prüfungen
Entscheidend für den wirtschaftlichen Erfolg ist die Time to Market. Somit zieht sich die Reduzierung von Innovationszyklen durch die Industrie. In vielen Bereichen weichen hochvolumige Serienfertigungen den mittleren und kleinen Stückzahlen. Schnelle Versionsänderungen sind dadurch – nicht nur im Prototypenbau – an der Tagesordnung. Oft ist der Bau von Testadaptern für den elektrischen Test viel zu aufwendig und langwierig. Außerdem impliziert die Verpflichtung der Hersteller, Teile über lange Jahre zu reparieren bzw. nachzuliefern, bei elektrischen Testern mit Adapter hohe Lagerhaltungskosten. In Zukunft werden sich also mehr und mehr adapterlose Testsysteme etablieren. Das sind Flying-Prober wie der FlyingScorpion für den elektrischen Test von Prototypen, Vorserien und Kleinserien sowie AOI-Systeme wie der VisionScorpion in der Mittel- und Großserienfertigung.
Im Design von Inspektionssystemen baut man nun auf modularen, standardisierten Einzelkomponenten auf. Das sind in erster Linie die Schlüsselelemente Kamera, PC, Betriebssystem, Betriebssoftware mit grafischen Entwicklungs- und Debuggingtools. Der nach diesem Prinzip konzipierte VisionScorpion stellt die bestmögliche Lösung dar. Das System ist dabei klein und verlangt nur minimalen Stellplatz. Hohe Zuverlässigkeit und geringer Wartungsaufwand werden auch dadurch sichergestellt, daß – mit Ausnahme des Baugruppentransports – keine Teile oder Komponenten bewegt werden.
Fertigungsfehlerlokalisieren
Beidseitig simultane, funktionell identische Inspektionen mit unterschiedlich einstellbaren Auflösungen und Tiefenschärfen versetzen den VisionScor-pion in die Lage, eine hohe Testtiefe zu erzielen. Er prüft dasBoard auf die Anwesenheit von Komponenten, auf Komponentenverschiebungen, die Polarität von Kondensatoren, Dioden, Transistoren usw., die Orientierung von Schaltern oder ICs. Das AOI-System erkennt die Schrift auf Komponenten, führt Farbverifikationen durch, erkennt nicht vorhandene oder verbogene Pins sowie Kurzschlüsse zwischen Pins oder Pfads, inspiziert mechanische Komponenten, die Größe von Bauteilen oder Displays.
Bei der Entwicklung des Vi-sionScorpions wurde hoher Wert auf einfache Bedienbarkeit und professionelle Debughilfen gelegt. Wenige Menuepunkte und eine flache Struktur derBefehlshierarchien zeichnen die Inspektionssoftware aus. Ein schnelles und leicht zu bedienendes grafisches Benutzerinterface läßt den Anwender komfortabel und effizient arbeiten. Die Software arbeitet unter Windows NT 4. Dem Anwender stehen verschiedene Bildanalysetools zur Verfügung. Verschiedene Strategien können verfolgt werden. Für die Fehlererkennung sind diverse Rückmeldefunktionen verfügbar: Meldung am Bildschirm, Meldung über Netzwerk, Ausdruck oder Ausschleusen mit paralleler Meldung über Alarmleuchten, akustischen Signalen usw.
Eine anwendungsabhängige Zahl von Kameras mit unterschiedlichen Auflösungen wird für Baugruppen bis zur Breite von 610 mm und theoretisch unendlicher Länge eingesetzt. Hohe Tiefenschärfe wird durch die Kombinationsmöglichkeiten der Kamerasysteme erreicht. Vielseitige Einsatzmöglichkeiten wie Stand-alone- oder In-line-Betrieb, die standardisierte (SMEMA) Kommunikation mit den anderen Fertigungsmaschinen gewährleistet, runden das Bild ab.
Abschließend läßt sich feststellen, daß optische Inspektionssystem in der Baugruppenfertigung immer wichtiger werden. Die Komplexität der Boards nimmt zu, parallel dazu steigt die Funktionalität und Flexibilität der AOI-Systeme. Es gibt mehr und mehr Anforderungen, die durch elektrische Prüfung nicht mehr zu erfüllen sind. Je früher eine Baugruppe im Fertigungsprozeß getestet wird, um so höher sind die Einsparungspotentiale.
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