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Grenzen überwinden

Die Kombination von AOI und AXI in einem Inlinefähigen System
Grenzen überwinden

In den letzten Jahren erreichte der Einsatz von optischen Testsystemen in der Leiterplattenfertigung ungeahnte Dimensionen. Noch vor einiger Zeit waren diese Systeme oft dem Misstrauen bezüglich ihres Fehlererkennungsvermögens unterworfen. Heute dagegen ist diese Technologie sehr ausgereift; optische Testsysteme haben in vielen Elektronikfertigungen Einzug gehalten, und leisten auch dort zuverlässige Dienste.

Romin Richter, GÖPEL electronic, Jena

Trotz aller Erfolge und auch trotz aller weiteren Verbesserungen der Bildaufnahme- und auswertungsverfahren werden optische Testsysteme in Bezug auf die vollständige Kontrolle der Baugruppen aber bald an ihre Grenzen stoßen.
Die Grenzen der optischen Inspektion
Einer der Gründe hierfür ist die steigende Komplexität der bestückten Leiterplatten, u.a. aufgrund des Einsatzes von Bauelementen wie BGAs, µBGAs oder Flip Chip. Zur optimalen Kontrolle einer bestückten und gelöteten Flachbaugruppe gehört natürlich auch die Qualitätsüberwachung der Lötstellen. In Zukunft werden auf den Leiterplatten verstärkt Bauelemente zu finden sein, bei denen sich die Lötstellen unter dem Gehäuse befinden (z.B. BGA) und sich damit dem direkten Blickkontakt entziehen.
Optische Testsysteme können diese Lötstellen nicht mehr prüfen, denn nur was sichtbar ist, kann bewertet werden. Demnach ist mit optischen Testsystemen eine angestrebte vollständige Lötstellenkontrolle nicht mehr möglich. Bei Betrachtung von Statistiken über den Einsatz verschiedener Gehäuseformen ist sofort erkennbar, dass diese „weißen Flecken“ der Testabdeckung in Zukunft zunehmen werden.
In einer Studie (Texas Instruments: Standard Linear and Logic, Package Roadmap, Januar 2004 – Gartner Dataquest 2002) wurde festgestellt, dass der Einsatz von Bauelementen mit
  • Plastic Chip Carrier Gehäuse um 30%
  • Ceramic Chip Carrier Gehäuse um 23%
  • Plastic DIP Gehäuse um 9%
  • Quad Flat Package Gehäuse um 7%
  • SOJ Gehäuse um 61%
im Zeitraum 2000 bis 2006 abnehmen wird.
Andererseits wurden Zuwachsraten für den Einsatz von
  • Plastic BGA Bauelementen um 13%
  • µBGA Bauelementen um 42%
ermittelt.
Wie allseits bekannt ist, erfolgt der Wechsel von einer Bauform zur anderen nicht sprungartig, sondern richtet sich nach den Kriterien Kosten-Performance, zulässige Baugruppengröße, Baugruppenmasse und Zuverlässigkeit. Auch nach 2006 werden DIP-, SO- und andere Gehäuseformen noch zahlreich zur Anwendung kommen. Doch unvermeidlich wird sich jeder Verantwortliche für Qualitätssicherung die Frage stellen müssen, wie bei zunehmendem Einsatz von Bauelementen mit BGA- oder (P)QFN-Gehäusen eine vollständige Testabdeckung seiner Baugruppen gewährleistet werden kann.
Welche Testverfahren bieten sich an?
Für eine kontinuierliche Optimierung des Fertigungsprozesses ist das Testen auf einem qualitativ hohen Niveau prinzipiell Bedingung. Die Praxis hat bewiesen, dass ein einzelnes Testverfahren diesen Ansprüchen nur bedingt gerecht werden kann (Tabelle). An dieser Stelle setzt nun die Idee der Kombination verschiedener Testverfahren an. Dabei kristallisierte sich heraus, dass sich mit einem Mix aus optischen, röntgentechnischen und elektrischen Testverfahren die besten Ergebnisse erzielen lassen. Elektrische Fehler lassen sich mit einer optischen Prüfung nicht finden. Als elektrisches Testverfahren ist besonders JTAG/Boundary Scan hervorzuheben, da es infolge der hohen Packungsdichte auf diversen Leiterplatten schwierig bzw. unmöglich ist, Kontaktierpunkte für die Nadeln des In-Circuit- bzw. Flying Probe Testers zu finden.
Die innovative Kombination der Testverfahren Boundary Scan und AOI, welche eine hohe Testabdeckung (nahezu 100%) auf komplexen elektronischen Baugruppen garantiert, wurde erstmals von Göpel electronic vorgestellt, die auf dem Gebiet der Integration und Kombination von elektrischen und optischen Testverfahren weltweit führend ist. Zur Kombination AOI/Boundary Scan gibt es nur eine einzige Alternative: die Kombination von optischer und Röntgen-Inspektion. Denn mittels der Röntgenuntersuchung eines Bauelements ist es möglich, versteckte Lötstellen zu prüfen. Daher wurde auf Basis der erfolgreich am Markt platzierten optischen Inspektionsgeräte des Unternehmens ein AOI/AXI-System entwickelt: das OptiCon X-Line.
OptiCon X-Line
Dieses kombiniert die optische und röntgentechnische Inspektion in einem Gerät. Optional ist es auch mit einem Boundary Scan Testmodul erweiterbar. Das OptiCon X-Line kann sowohl im Inline- als auch im Offline-Betrieb eingesetzt werden. Alle typischen Merkmale von diskreten Bauelementen und Schaltkreisen sind mit dem Gerät überprüfbar. Dies betrifft im Einzelnen Anwesenheit, Lage, Polarität, Beschriftung, Einbauhöhe von Bauelementen ebenso wie die Ausführung der Lötstellen, unabhängig von ihrer Sichtbarkeit. Dank der Röntgentechnik ist eine noch höhere Sicherheit der Qualitätsbewertung von Lötverbindungen erreichbar. Es ist möglich, fehlende Lötstellen, Kurzschlüsse und Lufteinschlüsse in den Lötstellen zu finden. Selbst „kuriose“ Fehler wie beispielsweise unter einem Schaltkreis verlorene Bauelemente können schnell und sicher lokalisiert werden. Im OptiCon X-Line wird eine Mikrofokus Röntgenröhre von Feinfocus eingesetzt. Beide Unternehmen verbindet eine strategische Partnerschaft, in der die jahrelangen Erfahrungen in Entwicklung und Fertigung von röntgentechnischen Komponenten und Geräten sowie von leistungsfähigen optischen Inspektionsgeräten verschmelzen.
Die im Einsatz befindliche Röntgenröhre hat einen Spotdurchmesser von 10 µm, wodurch im Transmissionsverfahren eine hohe Detailwiedergabe erreicht wird. Analog zur optischen Inspektionseinheit, die zwei Kameraauflösungen anbietet (35 und 13 µm/Pixel), verfügt die Röntgeninspektion auch über zwei Auflösungen: 20 und 13 µm/Pixel. Die Möglichkeit der Wahl zwischen unterschiedlichen Auflösungen garantiert eine optimale Abstimmung von Erkennungssicherheit und Prüfgeschwindigkeit. Mit dem OptiCon X-Line lassen sich Leiterplatten mit Abmessungen bis zu 450 mm x 380 mm prüfen, wobei die Baufreiheit/maximale Bestückhöhe nach oben 33 mm und nach unten 50 mm beträgt. Bei einer Auflösung von 1 µm bietet das System eine Messgenauigkeit von bis zu 5 µm.
Das OptiCon X-Line hat eine benutzerfreundliche und auch für Einsteiger leicht bedienbare Software. Das Softwarepaket umfasst verschiedene Tools. Mittels Bestückdatenimport kann eine Sachnummernreferenz als Bezug zur OptiCon-Bibliothek hergestellt sowie der Importprozess durchgeführt werden. Des Weiteren sind Präprozessoren für das Einlesen verschiedener Datenformate verfügbar. Ein weiteres Tool ermöglicht die Optimierung des Prüfprogramms. Hier können eventuell Anpassungen von Toleranzwerten vorgenommen bzw. das Prüfprogramm mit zusätzlichen Prüfschritten ergänzt werden. Für die Prüfung im Fertigungsprozess wird das „RunModul“ genutzt. Das Starten des Prüfprogramms erfolgt automatisch über die Inline-Schnittstelle nach SMEMA Standard oder manuell. Dabei werden die Prüfergebnisse in einer Fehlerdatenbank gespeichert und optional an ein SPC-Modul (Statistic Process Control) ausgegeben. Ein Reparaturplatz zur visuellen Darstellung der erkannten Fehler ist auch verfügbar. Das OptiCon X-Line besticht durch die Kombination von AOI und AXI als erprobte Inspektionsverfahren in einem In-linefähigen System. Dank des kombinierten Testverfahrens garantiert es höchste Fehlerabdeckung bei einem herausragenden Preis-Leistungsverhältnis.
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