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Leistungsstarke AOI-Sensorik Peter Krippner, Viscom AG, Hannover

Allen Einflussgrößen gewachsen
Leistungsstarke AOI-Sensorik Peter Krippner, Viscom AG, Hannover

Eine hohe Anzahl an Produktwechseln, winzige Bauteile und eine schnelle Inspektion sind die Herausforderungen, der sich die Elektronikproduktion heute stellen muss. Die automatische optische Inspektion leistet ihren Teil, um die Qualität der Produkte sicherzustellen und die Fertiger wettbewerbsfähig zu machen. Das entscheidende Herzstück dieser AOI-Systeme sind die Sensormodule. Sie bestimmen die Bildqualität und die Geschwindigkeit der Inspektion. Im Folgenden werden die entscheidenden Voraussetzungen und Entwicklungstrends für Sensormodule beleuchtet.

Die Sensorik eines AOI-Systems (Bild 1) stellt das Bildmaterial zur Verfügung, in dem Fehlermerkmale wie fehlende Bauelemente, Lötfehler usw. möglichst eindeutig und reproduzierbar gegenüber Gutmustern zu erkennen sind. Je stärker die bildlichen Unterschiede zwischen gut und schlecht ausgeprägt sind, desto besser sind die Eingangsbedingungen für eine automatische Auswertung. Bei der automatischen Auswertung soll möglichst kein Fehler übersehen (kein Fehlerschlupf) und kein Gut-Bauteil als schlecht gemeldet werden (keine Pseudofehler). Fehlerschlupf ist für eine hohe Auslieferungsqualität untragbar, während Pseudofehler zusätzlichen Zeitaufwand und damit Kosten verursachen sowie im schlimmsten Fall die gemeldeten echten Fehler in den Pseudofehlern “untergehen”. Um dies zu vermeiden, muss die Sensorik aussagekräftige Bilder liefern.

Bei der Fertigung elektronischer Baugruppen spielt zudem der Durchsatz eine entscheidende Rolle. Fertigungseinrichtungen wie Pastendrucker oder Bestückungsautomaten realisieren immer kürzere Taktzeiten – und damit muss das AOI-System Schritt halten. Die Bilddaten für die automatische Auswertung müssen also schnell aufgenommen werden. Dabei muss garantiert sein, dass das System und seine Software diese Daten auch entsprechend schnell verarbeiten können.
Technologische Trends
Führende AOI-Anbieter setzen zumeist Sensormodule mit Matrixkameras und umschaltbarer Beleuchtung ein. Wenn mit dem gleichen Prüfsystem verschiedene Fehlerarten (z. B. Lotbrücken, Auflieger, Polaritätsfehler etc.) gefunden werden sollen, verbessert der Einsatz unterschiedlicher Beleuchtungen die Fehlererkennung. Mit zunehmender Tendenz erfolgt die Bildaufnahme in Farbe. Dagegen findet die Auswertung häufig noch im umgerechneten Graustufenbild statt. Nur dort, wo Farbe Träger der Information ist, kann die Auswertung im Farbbild die Fehlerfindung verbessern. Darüber hinaus sind Farbbilder zur Fehlerdarstellung an einem Nacharbeits- oder Reparaturplatz bzw. zur Bildanzeige am Bedienmonitor gut geeignet.
Eine große Rolle bei der Beurteilung der Sensorik spielt die Pixelauflösung der Bildpunkte. Einige Anbieter setzen hierfür Subpixelverfahren ein, wobei mit Hilfe mathematischer Verfahren die Auflösung hochgerechnet wird – aber kein Mehr an realen Informationen enthalten ist. Allerdings sind diesem Ansatz Grenzen gesetzt. Ab einem gewissen Punkt gibt es zur Verbesserung der optischen, also physikalischen Auflösung keine Alternative. Durch eine entsprechende Entwicklungsleistung muss ein Ansatz gefunden werden, der höhere Auflösungen bei gleicher Prüfgeschwindigkeit zulässt. Seitens der Auswertealgorithmen können Subpixelansätze zur Steigerung der effektiven Auflösung unabhängig von der genauen Sensorkopf-Auslegung zusätzlich vorgesehen werden.
Anforderungen
Eine moderne AOI-Sensorik muss also folgenden Anforderungen gerecht werden:
– Aufnahme möglichst großer Bildfelder bei gleichzeitig hoher Pixelauflösung: Der Einsatz moderner Kamerachips (mit z. B. 4 oder 5 Megapixeln) maximiert die als globaler Grenzfaktor wirkende Pixelanzahl. Darüber hinaus lässt sich die effektive Bildfeldgröße durch eine parallele Anordnung mehrerer Kameras weiter steigern. Stellt der AOI-Hersteller dieses Know-how bereit, so hat die Parallelisierung der Bildaufnahme weitere klare Vorteile. Die Option der Skalierung des Durchsatzes z. B. durch eine Teilbestückung des Moduls bei geringeren Anforderungen für Spezial-Applikationen bedeutet größere Flexibilität und Kostenersparnis.
– Verfügbarkeit unterschiedlich umschaltbarer Beleuchtungen für verschiedene Prüfaufgaben: Der Wunsch nach schnell und flexibel umschaltbaren sowie gleichzeitig kalibrierfähigen Beleuchtungen schränkt die Auswahl der Lichtquelle weitgehend ein. Werden zudem wirtschaftliche Aspekte und Fragen bzgl. Langlebigkeit und Wartungsfreiheit in Betracht gezogen, dann sind LEDs die beste Wahl.
– Möglichkeit des Abgleichs von Beleuchtungen und Kameras zur Sicherstellung reproduzierbaren Bildmaterials und Ermöglichung der Übertragbarkeit von Prüfparametern und -Programmen zwischen Kameras und Systemen.
– Die Nutzung unterschiedlicher Bildansichten (orthogonal/geneigt) bzgl. des Betrachtungswinkels ist für eine sichere Fehlererkennung im Post-Reflow-Bereich unabdingbar. Auch in Zukunft wird der Einsatz einer geneigten Kameraansicht vorteilhaft bleiben. Neue Bauelemente wie beispielsweise QFNs können wegen ihrer platzsparenden seitlich und unter dem Bauelement angebrachten Anschlüsse orthogonal nicht optimal geprüft werden. Ist die benötigte Technologie zur Steuerung paralleler Bildaufnahmen und zur Kalibration multipler Kameraköpfe verfügbar, so bietet sich auch hier die integrierte Verwendung mehrerer Kamera-Einheiten (in diesem Fall aus unterschiedlichen Blickrichtungen) an.
– Optionale Bereitstellung von Farbauszügen durch die Verwendung weißer LED’s.
– Umschaltbare Auflösungen bei jeweils optimiertem Durchsatz und Bildübertragungsraten. Dies kann auf folgende Art und Weise realisiert werden:
  • Erstens: Durch die Verwendung eines zusätzlichen Kameramoduls mit angepasster Optik. Diese Möglichkeit hat aber einen zusätzlichen Positionierungsschritt zur Folge.
  • Zweitens: Durch die mechanische Zuschaltung einer Vergrößerungsoptik oder
  • Drittens: Durch die Verwendung motorisch verstellbarer Zoom-Objektive. Bei beiden Lösungen ist ein mechanischer Vorgang erforderlich, der zeitraubend ist und zur Instabilität des Moduls führen kann. Eine geometrische Kalibrierung wird in der Praxis fast unmöglich.
  • Viertens: Die Verwendung von Kamerachips mit unterschiedlichen Bildauslese-Modi. Im hochauflösenden Modus werden de facto sowohl in Zeilen- als auch in Spaltenrichtung mehr Informationen aus dem Chip ausgelesen. Aufgrund der größeren zur Verfügung stehenden Datenmenge wird die Bildübertragungszeit zwar beeinflusst, aber zwischen den verschiedenen Auflösungen kann quasi in Nullzeit hin- und hergeschaltet werden.
Die ersten drei Möglichkeiten stellen also die erhöhte Auflösung (bei gleich angenommenem Chip) durch eine entsprechend veränderte Optik zur Verfügung, was in der Regel mit einer entsprechenden Verkleinerung des Bildfeldes einhergeht. Bei der vierten Alternative verringert die erhöhte Auflösung nicht die Bildfeldgröße, das heißt, es werden mehr Bildinformationen bei gleicher Bildfeldgröße gewonnen. Aus diesem Grund und aufgrund der umschaltbaren Auflösung ist die letzte Option zu bevorzugen und bei der 8M-Sensortechnologie von Viscom realisiert.
Leistungsstarke 8M-Sensorik
Das 8M-Sensormodul liefert im Bereich der Schrägansichten Farbaufnahmen der Lötstellen mit 5 Megapixeln und im Bereich der orthogonalen Ansicht ein Farbbild mit 20 Megapixeln. Es glänzt gegenüber älteren Lösungen mit einer 25 % höheren Bildaufnahmegeschwindigkeit durch kürzere Belichtungszeiten im Standard-Mode. So können im Standard-Mode nun 20 statt 16 fps (Bilder pro Sekunde) aufgenommen werden. Aufgrund der schnelleren Bildaufnahme konnte auch der Durchsatz erheblich gesteigert werden. Die Kamerachips verfügen über die oben beschriebenen unterschiedlichen Bildauslese-Modi für die schnelle Umschaltung verschiedener Auflösungen bei gleichem Bildfeld. Mit der OnDemandHR-Funktion kann die Auflösung für jede Analyse von 23,4 auf 11,7 µm/Pixel bei voller Bildfeldgröße flexibel umgeschaltet werden. Die sichere Inspektion von 01005-Bauteilen ist so standardmäßig gegeben. Darüber hinaus muss der Benutzer nicht zusätzlich in High-Resolution-Kameras investieren, da die Kamerachips sowohl über einen Standard- als auch High-Resolution-Mode verfügen.
Als Lichtquellen für die verwendeten, voll farbfähigen Kamerachips werden weiße LEDs eingesetzt. Das AOI-System verfügt so standardmäßig über die Möglichkeit der Farbauswertung. Dies hat den Vorteil, dass z. B. zusätzliche Fehlermerkmale wie Copper Exposure, bei dem der Unterschied zwischen Kupfer und Silber festzustellen ist, sicher erkannt werden können (Bild 2). Für ein optimales Herausarbeiten der jeweils relevanten Prüfmerkmale stehen verschiedene Beleuchtungstypen zur Verfügung. Durch die flexible, umschaltbare Beleuchtung kann für jeden Anwendungsfall die bestmögliche Kontrastierung erzeugt werden.
Zusammenfassung
Ein modernes Sensorkonzept sollte alle genannten Anforderungen hinsichtlich Darstellung der Fehlermerkmale, Auflösung, Geschwindigkeit der Bildaufnahme, Modularität und Abgleichbarkeit abdecken. All dies bietet das 8M-Sensormodul von Viscom. Durch ein ausgefeiltes Beleuchtungskonzept ist es bei der Darstellung und Segmentierung der Fehlermerkmale äußerst flexibel. Sowohl die Beleuchtungswinkel als auch die Beleuchtungsintensität lässt sich einfach anpassen, so dass sich eine hohe Erkennungssicherheit ergibt. Darüber hinaus erfüllt es extreme Taktzeitanforderungen und ermöglicht durch den Paralleleinsatz mehrerer Kameras eine skalierbare Anlagenleistung. Die eigens entwickelte Beleuchtungs- und Steuerungstechnik garantiert die Kompatibilität der Sensorik und stellt damit die einfache Übertragbarkeit der Prüfprogramme sicher. Diese Technologie kommt erstmalig in den AOI-Systemen S3088-II (Bild 3) und S6056 zum Einsatz. Bereits im Feld befindliche Viscom-Inspektionssysteme vom Typ S6055 / S6056 können ab Anfang 2009 nachgerüstet werden. Durch den Einsatz dieser neuen Generation von Sensormodulen ist der Anwender für alle zukünftigen Applikationen gerüstet.
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