Inspektionskosten im Griff

Marco Kämpfert, TechnoLab GmbH, Berlin

Die Suche von Fehlern auf elektronischen Baugruppen im Verlauf der Fertigungsprozesse kann auf vielfältigste Weise erfolgen, von der klassischen optischen Inspektion mit einer Lupe bis hin zur automatischen, optischen Inspektion (AOI). Mit einer Röntgeninspektion können sogar von außen nicht sichtbare Fehler, wie z.B. Lunker, Einschlüsse und Strukturfehler, erkannt werden. Die Auswahl eines adäquaten Systems zur Fehlersuche wird dabei entscheidend durch den Kaufpreis und die Folgekosten beeinflußt. Zudem soll das Inspektionssystem den Ansprüchen des ROI (return on investment) gerecht werden und sich positiv auf die Fertigungskosten auswirken.

Die Fehlersuche auf elektronischen Baugruppen mittels optischer Inspektions-verfahren gehört zum Standardrepertoire in jeder Baugruppenfertigung. Je nach Komplexität der Baugruppen, dem eingesetzten Fertigungsequipment und den eingestellten Fertigungsparametern sowie einer nicht geringen Anzahl weiterer äußerer Einflüsse wird sich bei jeder Fertigungseinrichtung ein kleinerer oder höherer Fehlerlevel einstellen. Dieser Fehlerlevel wird zumeist in ppm (parts per million) ausgedrückt. Man unterscheidet systematische und unsystematische Lötfehler, die im Verlauf der hintereinander geschalteten Prozesse (Linie) entstehen können. Einen wichtigen Einfluss auf den Fehlerlevel hat die Häufigkeit der Maschinenumrüstungen zwischen verschiedenen Baugruppentypen und alle damit verbundenen Tätigkeiten bei der Umstellung der Fertigungslinie. Davon abgeleitet wird sofort deutlich, dass große Fertigungsvolumina durch geringe Rüstanzahlen gekennzeichnet sind und dass dadurch der Fehleranteil sinkt.

Idealerweise ist dieser Fehlerlevel bei nahezu 0 ppm zu klassieren, wobei ein Fehlerlevel von 5 – 10 ppm schon als sehr gut angesehen werden muss. Die Realität sieht aber oft ganz anders aus, insbesondere bei Kleinserienfertigern sowie bei den Dienstleister im mittleren Volumensegment. Hier sind Fehlerlevel im Bereich 100 – 500 ppm oft keine Seltenheit und erfordern eine gewissenhafte Nacharbeit, insbesondere ein sicheres Auffinden der Lötfehler. Die dabei entstehenden Kosten für die Sicherung der Produktqualität (Qualitätskosten) werden all zu oft von vielen Betrieben kaum oder gar nicht beachtet.

Die manuelle, optische Inspektion kann natürlich nur bei der Inspektion von Kleinserien und Prototypen sowie in der Entwicklung ihre Stärken zeigen, da es sich hierbei grundsätzlich um ein Expertensystem handelt, d.h., der Anwender betrachtet mit dem Inspektionssystem Teile von Baugruppen, an denen z.B. systematische Fehler zu Wiederholungsfehlern werden (z.B. fehlerhafter Lotpastendruck auf einer definierten Fläche der PCB), oder gesamte Baugruppen, wobei es hier zumeist um die Suche nach unsystematischen Fehlerbildern (z.B. Nichtlötung durch Bauelementeinfluss / Benetzungsschwächen) geht.

Durch eine manuelle optische Inspektion können Fehlerbilder, wie oben dargestellt, sehr gut erkannt und dokumentiert werden. Besonders für die Inspektion von Nullserien bzw. Prototypen oder bei der Einführung neuer bzw. Veränderung vorhandener Prozessparameter sind solche Inspektionslösungen geeignet. Der größte Vorteil im Vergleich zu automatisierten Systemen sind die zumeist geringen Investitionskosten.

Am anderen Ende der Skala von Inspektionssystemen sind die AOI-Systeme (Automatische Optische Inspektion) angesiedelt. Der wesentliche Unterschied zur manuellen Inspektion besteht darin, dass diese Inspektionssysteme häufig mit sehr komplizierten, hoch-spezialisierten Software-Algorithmen ausgestattet sind, die etwaige Fertigungsfehler automatisch erkennen und auswerten können. Allerdings können diese Systeme das nur soweit, wie sie vorher geteacht, also angelernt wurden. Für die Bildvergleiche werden die häufig zahlreichen und im System gespeicherten Referenzbilder herangezogen. Höher spezialisierte und damit auch deutlich teurere Systeme bieten darüberhinaus eine Vielzahl von automatischen Messfunktionen an, mit denen die Fertigungsqualität bewertet und Fertigungsfehler gefunden werden können. In diesen Systemen werden i.d.R. eine Vielzahl von Kameras und verschiedene Beleuchtungstechniken eingesetzt, die jedoch die Investitionskosten erhöhen. Die Kontrolle dieser Systeme durch einen Mitarbeiter (Experte) ist zumeist nicht vorgesehen, da die Systeme auf hohe Geschwindigkeit ausgelegt sind. Der direkte Eingriff in den Inspektionsablauf ist somit dem Experten im Normalfall verwehrt.

Der größte Vorteil der automatischen Inspektionssysteme besteht in der Auslegung auf mittlere bis große Fertigungsvolumina; eine große Anzahl von elektronischen Baugruppen kann automatisch geprüft werden, sofern vorher ordentlich geteacht und eingestellt wurde.

Nachteilig wirken sich die erhöhten Investitionskosten für derartige Systeme aus, denn es muß sichergestellt sein, dass der Anwender auch zukünftig eine Fertigung mit großen Losgrößen beibehält. Eine Flexibilisierung nach unten, d.h. zu geringeren Losgrößen bedeutet oft, dass sich der Einsatz professioneller AOI-Systeme nicht mehr rechnet (Personalkosten für Teaching, Softwareeinstellungen, Vergleichsbilder anfertigen).

Demzufolge wäre bei Kleinserien bis hin zu mittleren Losgrößen die SAOI (Semi-Automatische Optische Inspektion) die geeignete Lösung für die beschriebene Problematik zwischen Losgröße und Ausführungsart von Inspektionen. Sie vereint die Vorteile der manuellen, optischen Inspektion mit den Vorteilen der automatischen, optischen Inspektion und bietet dem Anwender Investitionssicherheit. Dieses System kann im Betrieb flexibel eingesetzt werden. Ob bei der Einführung neuer Produkte und Fertigungsprozesse oder bei der beschleunigten, automatischen Inspektion bei kleineren und mittleren Losgrößen – sie bietet die Möglichkeit, einen Experten an der Inspektion teilhaben zu lassen, sie bewerten und in den Prüfprozess eingreifen zu können.

Der EasyInspectorSAOI vereint alle diese Vorteile in sich und erfordert keine hohen Investitionen. Es ermöglicht einen unkomplizierten und raschen, automatischen Soll/Ist-Vergleich elektronischer Flachbaugruppen. Dabei werden sogenannte Gutbilder von i.O.- Baugruppen dem Live-Bild der Full-HD Kamera pixelgenau überlagert. Die Software analysiert die Bildunterschiede und zeigt etwaige Unterschiede auf, indem diese Bildbereiche gesondert hervorgehoben werden. Die Bildanalyse kann durch den schwenkbaren Kamerakopf in Draufsicht bis hin zu einem Winkel von 45° erfolgen. Lotgeometrien können durch den flexiblen Einblickwinkel besonders gut dargestellt und komfortabel miteinander verglichen werden. Eine Besonderheit dieses Systems ist es, dass der Inspektionsbereich durch das Schwenken des Kamerakopfes nicht verändert wird, was insbesondere bei einem manuellen Eingriff in den Inspektionsablauf wichtig ist. Für den Vergleich mit den Fertigungsdaten können zudem die CAD-Daten und die Bestückdaten mit in den Inspektionsablauf integriert werden.