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Grundprinzipien der Inspektionssysteme

Qualitätskontrolle elektronischer Baugruppen mittels AXI – Teil 1
Grundprinzipien der Inspektionssysteme

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Aufgrund des zunehmenden Einsatzes von Bauelementen mit verdeckten Anschlüssen (z.B. BGA- oder QFN-Bauformen) wird die Prüfung mittels Röntgeninspektionssystemen zu einer immer stärkeren Notwendigkeit für die Qualitätssicherung elektronischer Baugruppen. Mögliche Anwender solcher Systeme stehen dabei vor der Entscheidung, zwischen unterschiedlichen Inspektionstechnologien und Systemkonzepten auswählen zu müssen. Im Folgenden werden die unterschiedlichen Varianten von AXI-Systemen dargestellt sowie die Erkennungsmöglichkeiten der einzelnen Technologien offengelegt.

Göpel electronic, Jena

Eine wichtige und grundlegende Entscheidung ist hinsichtlich des geplanten Einsatzfalls von Röntgeninspektionssystemen zu treffen. Prinzipiell muss dazu zwischen Analysesystemen und Systemen für den direkten inline Einsatz unterschieden werden. Analysesysteme finden ihren Einsatz typischerweise in der Inspektion von Stichproben, wobei die Auswertung vielfach manuell oder halbautomatisch stattfindet. Ebenso erfolgt bei diesen Systemen die Zuführung der Baugruppen von Hand. Aufgrund dieser Rahmenbedingungen steht die Geschwindigkeit in punkto Bildaufnahme und Auswertung im Hintergrund, wodurch sich oftmals recht hohe Inspektionszeiten ergeben. Im Ergebnis dessen stehen dem Anwender Röntgenbilder mit einer hohen Auflösung für die manuelle Bewertung zur Verfügung.
Inline Röntgeninspektionssysteme hingegen verfügen über eine automatische Zuführung entsprechend gängiger Standards und zeichnen sich durch eine vollautomatische Auswertung aus. Bezüglich ihres Bildaufnahme- und Auswertekonzeptes sind sie auf maximalen Durchsatz optimiert. Um eine Inspektion innerhalb der geforderten Taktzeiten zu ermöglichen, wird dabei ein Optimum zwischen notwendiger Auflösung für sichere Fehlererkennung und maximaler Bildaufnahmegeschwindigkeit hergestellt.
Inspektionstechnologien
Hinsichtlich der eingesetzten Inspektionstechnologien kann zwischen drei Grundprinzipien unterschieden werden: 2D-, 2,5D- und 3D-Röntgentechnik.
Bei der 2D-Technologie wird eine Baugruppe generell orthogonal durchstrahlt. Das entstehende Bild ist eine Projektion aller im Strahlendgang befindlichen Bauelemente und Lötstellen, wodurch sich auch der entscheidende Nachteil dieses Verfahrens ergibt: Bei einer doppelseitig bestückten Baugruppe entstehen Überlagerungen, was eine Prüfung dieser Bereiche unmöglich macht. Generell ist auch die Prüfung von BGA-Lötstellen in einfacher orthogonaler Durchstrahlung nur eingeschränkt möglich, da eine senkrechte Projektion eines gelöteten BGA-Balls nur wage Anhaltspunkte zur Unterscheidung zwischen korrekt und fehlerhaft gelötet bietet. 2D-Inspektionssysteme zeichnen sich jedoch durch ein kostengünstiges Gesamtkonzept sowie eine hohe Prüfgeschwindigkeit aus.
Systeme mit 2,5D-Inspektionstechnologie erlauben durch Bildaufnahmen mit horizontalem Versatz von Röhre und Detektor eine Schrägdurchstrahlung der Baugruppen. In Abhängigkeit vom Winkel der Durchstrahlung und der Leiterplattendicke können Lötstellen auf Ober- und Unterseite voneinander „getrennt“ werden. Zusätzlich bietet eine Schrägdurchstrahlung eine wesentlich sicherere Möglichkeit der Bewertung von BGA-Lötstellen. In Abhängigkeit von Bestückdichte auf Ober- und Unterseite der Baugruppe ist jedoch auch bei dieser Technologie mit Überlagerungen zu rechnen, die durch Schrägdurchstrahlung nicht getrennt werden können. Prinzipbedingt ergibt sich bei diesem Verfahren ein sehr hoher Aufwand für die Erstellung von Prüfprogrammen, da je nach Lage der Bauteile eine manuelle Parametrierung der unterschiedlichen Bildaufnahmen vorgenommen werden muss. Durch diese Herangehensweise ist der Einsatz einer einheitlichen Bauteil- und Lötstellenbibliothek nicht möglich. Die zur Trennung von Ober- und Unterseite benötigten zahlreichen Bildaufnahmen bewirken zusätzlich lange Bildaufnahme- und Auswertezeiten, wodurch der Einsatz für großflächige Röntgeninspektionen im inline Prozess stark limitiert wird.
Die 3D-Röntgentechnologie basiert auf dem Grundprinzip, alle Bereiche einer Baugruppe permanent aus mehreren unterschiedlichen Winkeln aufzunehmen. Die sich daraus ergebende Bildbasis kann genutzt werden, eine algorithmische Rekonstruktion beliebiger Schichten vorzunehmen und somit auch die Baugruppe in Ober- und Unterseite zu trennen. Daher resultieren aus diesem Verfahren eine sichere Prüfung von doppelseitig bestückten Baugruppen sowie eine generell verbesserte Prüfaussagen, da Lötstellen in einzelnen Ebenen inspiziert werden können. Die geometriegetreue Rekonstruktion der Schichten erlaubt den Einsatz einer einheitlichen Bauteilbibliothek, was zu einer entscheidenden Verringerung des Aufwands für die Erstellung von Prüfprogrammen führt. Zusätzlich gestattet die verfügbare Bildbasis eine Präsentation von rekonstruierten Ebenen sowie 3D-Ansichten am Verifizierplatz. Eine komfortable Fehleranalyse der vom System als inkorrekt detektierten Bauelemente ist das Ergebnis.
3D-Röntgeninspektionssysteme bieten somit ein Maximum an Fehlererkennung. Bedingt durch die Basistechnologie der flächendeckenden Bildaufnahme aus zahlreichen Aufnahmewinkeln werden jedoch hohe Anforderungen an das Systemkonzept eines 3D AXI-Systems gestellt, um eine vollständige Inspektion im Fertigungstakt zu ermöglichen.
Mit dem OptiCon X-Line 3D steht ein System zur Verfügung, welches eine flächendeckende 3D-Röntgeninspektion im Linientakt ermöglicht. Kernstück des Systems ist ein von Göpel electronic entwickeltes Detektor-Konzept, das zusammen mit der wartungsfreien Mikrofokus-Röntgenröhre eine Realtime-Multi-Angle Bildaufnahme ermöglicht. Das System basiert auf einer revolutionären GigaPixel-Technologie, wodurch Prüfgeschwindigkeiten von bis zu 40 cm2/s bei vollständiger 3D-Erfassung erreicht werden. Im zweiten Teil werden dann die Erkennungsmöglichkeiten mit Röntgeninspektionssystemen diskutiert.
productronica, A1.239
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