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Hohe Anforderungen

Effizienter Einsatz von AOI
Hohe Anforderungen

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Automatische optische Inspektionssysteme (AOI) sind oft wesentlicher Bestandteil von Baugruppenfertigungen. Kritisch sind hier die Prüfalgorithmen, mit denen die Boards gescannt werden, denn sie sind primär dafür verantwortlich, wieviel unerkannte Fehler weiter schlüpfen können oder auch wieviel „falsche“ Fehler (Pseudofehler) angezeigt werden. Selbst mit relativ kostengünstigem Equipment lassen sich nun hohe Anforderungen erfüllen.

Jens Kokott, Göpel Electronic, Jena

Weil Rechnerleistung laufend kostengünstiger wird, offerieren auch AOI-Systeme, deren analytischer Teil Computerpower benötigt, ständig günstigere Preis-Leistungs-Relationen. Jedoch nehmen auch die Anforderungen zu. Gründe dafür sind unter anderem immer kürzere Produktlebenszyklen, Just-in-Time-Fertigung, häufigere Programmierung und Optimierung sowie kürzere Taktzyklen und der insgesamt hohe Kostendruck in der Baugruppenfertigung. Die wesentlichen Anforderungen an AOI-Systeme lassen sich folgendermaßen auflisten:
• Einfache Bedienbarkeit und
transparenter Prüfalgorithmus
• Schnelle Prüfprogrammierung
• Akzeptanz alternativer Bauelemente
(z.B. bei Lieferantenwechsel)
• Geringer Fehlerschlupf, geringe
Pseudofehlerrate
• Effektive Reparaturplatzsoftware
• Verfügbarkeit unterschiedlicher
Konfigurationen
• Hoher Testdurchsatz
• Kurze Amortisationszeit
Wesentliche Bedeutung des Prüfalgorithmus
Von essentieller Bedeutung für die Leistungsfähigkeit eines AOI-Systems ist der Basisalgorithmus für den Erkennungsvorgang. Diverse Verfahren der Bildverarbeitung, wie der direkte Bildvergleich (Korrelation), die Kantendetektion oder der partielle Helligkeitsvergleich (Histogramm) sind für den anspruchsvollen Einsatz in der Baugruppenfertigung wenig geeignet, da hier wechselnde und dennoch zu tolerierende Prüfmerkmale auftreten. Ein Beispiel dafür sind die verschiedenen Farben von Komponenten, unterschiedliche Kappengrößen von Chip-Bauelementen oder der wechselnde Leiterplattenuntergrund. Unter derartigen Bedingungen ist es einem Systembetreuer wohl kaum zuzumuten, über zahlreiche Prüffenster an mehreren Positionen eines Bauelementes Schwellwertvorgaben so zu definieren, damit alle Eventualitäten berücksichtigt sind und als Ergebnis ein akzeptabler Schlupf bei vertretbarer Pseudofehlerrate zu Tage tritt.
Das optische Inspektionssystem OptiCon von Göpel Electronic nutzt ein sehr komfortables Prüfprinzip, bei dem zuerst anhand von Bildvorlagen mit „Gut“ und „Schlecht“ Beispielen ein Klassifikator erstellt wird, der das Aussehen eines Bauelements nach seinen internen Regeln beschreibt. So hat der Bediener lediglich die Aufgabe, in den aufgenommenen Bildern die Bauelemente-Beispiele zu markieren. Von der Software wird danach selbständig ein Unterteilungsprozeß in unterschiedliche Erscheinungsformen (z.B. schmale und breite Kappen) vorgenommen. Dies ermöglicht in sehr einfacher Form die Hinzunahme und Akzeptanz alternativer Bauelementetypen, das durch wechselnde Zulieferfirmen zwingend notwendig ist. Im Anschluß an diesen komfortabel gestalteten Anlernvorgang wird ein Klassifikator auf Basis einer neuronalen Struktur automatisch generiert. Es besteht zusätzlich die Möglichkeit, nicht relevante Bereiche (wie wechselnde Aufdrucke) zu maskieren, um diese unberücksichtigt zu lassen.
Der Einsatz dieses Verfahrens führt zu wesentlichen Vorteilen:
• Der Algorithmus stellt einen überschaubaren Prozeß dar, der mit Bilddaten arbeitet
• Der Debugvorgang erfolgt durch einfaches Hinzufügen weiterer Beispiele oder durch Anpassen einer Schwelle für ein Bauelement
• Je Chip-Bauelement wird nur ein Prüfschritt benötigt, der per Mausklick manuell erstellt oder über die Bestückdaten importiert wird
• Fehlerbilder der Reparaturplatzsoftware können direkt für die Modellverbesserung genutzt werden, damit läßt sich die Optimierung in Pseudofehlerrate und Schlupf stark vereinfachen
Deutlich wird, daß bei optischen Inspektionssystemen der Trend eindeutig zur Verwendung von Bibliotheken mit Vorgabemerkmalen und Prüfparametern geht. Diese ermöglichen sowohl bei manueller als auch automatischer Prüfprogrammerstellung sehr kurze Generierungszeiten. Ist erst einmal ein Grundstock solcher Bibliotheksdaten vorhanden oder befinden sich diese sogar im Lieferumfang, bedarf es lediglich der zusätzlichen Aufnahme weiterer Bauelemente oder eventuell der Anpassung eines Modells an ein neues Aussehen, um diese Basis zu erweitern. Um dem erhöhten Pflegeaufwand einer zu großen Bibliothek entgegenzuwirken, wurde in der OptiCon-Software eine zusätzliche Ebene zwischen Bibliothek und Prüfprogramm eingerichtet. Hier werden mehrere Prüfschritte in makroähnlicher Form zusammengefaßt und lassen sich gemeinsam manuell oder über Bestückdaten in das Prüfprogramm einfügen. Diese Vorgehensweise ist besonders bei komplexen Bauelementen von Vorteil, da bei diesen oftmals die Inspektion in nur einem Prüfschritt nicht ausreicht. Die Einzelschritte werden somit in komfortabler Form analog einem kleinen Prüfprogramm erstellt, wobei die jeweilige Lageposition durch den Bezug zu einem Referenzpunkt (typischerweise dem Bauelemente-Mittelpunkt) bestimmt wird. Im Bild ist ein solcher Prüfkomplex für die umfangreiche Prüfung eines ICs dargestellt. In diesem Fall wird die Lagerichtigkeit anhand der Position der diagonal gegenüberliegenden Pins, sowie die Polarität und der Aufdruck inspiziert. Die Zahl der Bibliothekseinträge wird stark reduziert; mit nur zwei Bibliotheksmodellen (Pin- und Polaritätsmarkierung) können an sämtlichen SO-, SOM- und SOL-ICs mit unterschiedlicher Pinzahl Lagerichtigkeit und Verpolung geprüft werden, der Programmieraufwand ist enorm reduziert. Sowohl bei der manuellen als auch automatischen Erstellung des Prüfprogramms können mit nur einer Aktion alle Inspektionsschritte eines komplexen Bauelementes in das Programm übernommen werden. Nacharbeit ist im allgemeinen nicht nötig. Dieses Verfahren wird durch die in der Praxis erzielten Ergebnisse bei Siemens im Werk Karlsruhe bestätigt. Zwei Inspektionssysteme prüfen hier unmittelbar nach dem Bestückautomaten die Bauelemente auf Anwesenheit, Lagerichtigkeit, Verpolung und Typ. Dies ermöglicht einen kostengünstigen Reparaturvorgang, weil die Bauelemente noch nicht gelötet sind, stellt aber gleichzeitig durch die Linienintegration ohne Ausschleusmöglichkeit hohe Anforderungen an die Effizienz des Prüfsystems. Mit dem System bleiben selbst bei größeren Flachbaugruppen (bis zu 1000 Chip-Bauelemente) die Zeit für die Programmerstellung und das Debugging unter einer Stunde und dies bei einer erzielten Pseudofehlerrate von höchstens 20 ppm. Durch die Aufnahme abstrahierter Bibliotheksmodelle (z.B. einer Hell-Dunkel-Kante) kann die Bibliothek auch für die Prüfung „exotischer“ Bauelemente effizient genutzt werden. Gleichzeitig bleibt der Umfang der Einträge auf ein Minimum beschränkt. Hermann Schmidt, bei Siemens in Karlsruhe Betreuer von drei OptiCon Systemen, unterstreicht. „Entscheidend für den effektiven Einsatz von optischen Inspektionssystemen in SMT-Fertigungslinien ist die schnelle Prüfprogrammierung. Wir können mit der optimierten Bibliothek ein Programm für eine Baugruppe mit 900 Chip-Bauelementen in 30 Minuten erstellen. Bei einem Debug-Aufwand von 20 Minuten erreichen wir eine Pseudofehlerrate von etwa 20 ppm“. Einen weiteren entscheidenden Anteil am effizienten Einsatz optischer Inspektionssysteme hat die Fehlerauswertung. Sie sollte sowohl eine übersichtliche Fehlervisualisierung mit fertigungsspezifischer Klassifizierung sowie umfangreiche Möglichkeiten zur statistischen Auswertung und Fehleranalyse bieten. In der Reparaturplatzsoftware von Opti-Con wird neben dem eigentlichen Fehlerbild auch die Lage des fehlerhaften Bauelementes in einem realen Abbild der Flachbaugruppe angezeigt. Die darin integrierte Zoomfunktion ermöglicht das schnelle Auffinden des Fehlers sowie die Nachklassifizierung entsprechend frei definierbarer Fehlerklassen.
Besonders deutlich zeigt sich die komfortable Bedienbarkeit bei anspruchsvolleren Prüfaufgaben, in denen sich Pseudofehlerangaben nicht völlig vermeiden lassen. So wird beim Stromversorgungshersteller Puls ein System in Stand-Alone-Version unter anderem zur Lötstellenkontrolle eingesetzt. Durch die effektive Möglichkeit der Fehlerbetrachtung und die Zuordnung zu Fehlerklassen kommt Fehlalarmen damit nur noch eine untergeordnete Bedeutung zu, so daß auf einen tiefgreifenderen Debugprozeß für die jeweilige Baugruppe verzichtet werden kann. Andreas Zwißler, Werksleiter bei Puls in München, hat festgestellt: „Mit der komfortablen Opti-Con Reparaturplatzsoftware können wir am Monitor Fehler klassifizieren oder als Fehlalarm definieren und ihn in statistischen Auswertungen ausschließen. Die bei anspruchsvollen Prüfungen auftretende Pseudofehler fallen somit durch einfache und schnelle Handhabung nicht mehr so ins Gewicht, so daß sich der Optimierungsaufwand für Prüfprogramme auf ein Minimum reduzieren läßt“.
Ihre besondere Effizienz beweist die Visualisierungssoftware durch die Möglichkeit, angezeigte Fehlerbilder zur Modelloptimierung zu nutzen. Es ist somit eine direkte Rückkopplung auf die Qualität des erstellten Prüfprogramms vorhanden. Weiterhin ist mit dem integrierten Statistik-Modul eine umfassende Darstellung von Fehlerhäufigkeiten und Fehlerverteilungen möglich. Besonders wirksam zur Analyse des Produktionsprozesses erweist sich die Darstellung von Fehlerschwerpunkten innerhalb der Abbildung einer Flachbaugruppe. Sind der Fehlerdaten in einer Datenbank mit offenen Struktur abgelegt, kann für weiterführende Auswertungen auf alle diese Informationen zugegriffen werden.
Fax 03641-689644; j.kokott@goepel.com
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