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Post-Reflow- Inspektion ist die Schlüsselposition Peter Krippner und Detlef Beer, Viscom, Hannover

Ergebnisse eines AOI-Prüfaufbaus
Post-Reflow- Inspektion ist die Schlüsselposition Peter Krippner und Detlef Beer, Viscom, Hannover

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Es gibt verschiedene Ansichten darüber, welche Position in der Linie für die automatische optische Inspektion am sinnvollsten ist. Die Einen sagen, dass überwiegend Fehler beim Lotpastendruck entstehen, sodass eine Prüfung hier angeraten ist. Andere wiederum halten einen AOI-Einsatz nach dem Löten für unabdingbar, da nur so alle Fehler gefunden werden können. Ein umfangreicher Prüfaufbau in einer Großserienfertigung mit 2500 Baugruppen zeigt anschaulich, welche Fehlerquote die einzelnen Prozessschritte erzeugen und wie sich Fehler im gesamten Fertigungsprozess verhalten.

In dem umfangreichen Prüfaufbau wurden Baugruppen mit je 2274 Lötstellen geprüft (insgesamt ca. 5,7 Mio. Lötstellen). Die Padflächen bestanden aus einer Nickel-Gold-Legierung (NiAg). Das High-speed AOI-System S6055 wurde dazu als Post-Reflow-System eingesetzt und für die Null-Fehler-Strategie eingerichtet. Wie in Bild 1 zu sehen ist, kamen zwei Systeme vom Typ C3043 QuickScan sowie ein System vom Typ S6055 zum Einsatz. Alle relevanten Prüfpositionen (Paste, Bestückung, Löten) wurden eine Woche lang einer automatischen Inspektion unterzogen.

Der Prüfaufbau
Jede Baugruppe wurde an allen drei AOI-Systemen geprüft und die Ergebnisse jeweils an einen Reparaturplatz übertragen. Dort wurden die detektierten Fehler quittiert, die Quittierungen gespeichert und über das Netzwerk einem Auswerteplatz zugeführt. Die Fehler wurden einer Fehlerklasse zugeordnet. Alle Ergebnisse waren über einen Barcode und einen die jeweilige Prüfposition kennzeichnenden Zusatz eindeutig zuzuordnen.
Außerdem waren alle AOI-Systeme mit der gleichen Basis-Software ausgestattet, sodass es möglich war, an jedem Prüftor zur Rückverfolgung und zum Vergleich, die jeweiligen Bilder und Fehlerdaten einer Baugruppe zu speichern. Zusätzlich ermöglichte ein speziell entwickeltes Software-Tool die vergleichende Auswertung der Ergebnisse und gestattete sowohl Nachweise auf vorgelagerte Fehlerursachen als auch die Analyse von Fehlerschwerpunkten.
Da auch Baugruppen mit eindeutigen Fehlern nicht aussortiert und nicht repariert wurden, war es insbesondere möglich, die Veränderung der einzelnen Fehler im Prozess nachzuvollziehen.
Vor Beginn des Prüfverfahrens wurden der Schablonendrucker, die Bestücker und der Ofen einer gründlichen Wartung und Prüfung unterzogen. Das Fertigungspersonal wurde über das Verfahren informiert und einbezogen.
Fehlerarten nach den jeweiligen Prüfabschnitten
Der Prüfaufbau gab zunächst einmal Aufschluss über die detektierten Fehler nach Pasten-, Bestückungs- und Post-Reflow-Prüfung, wie in Bild 2 zu sehen ist.
Typische Fehler beim Pastendruck, bei der Bestückung und nach dem Löten sind auf Bild 3 zu sehen. Außerdem konnte festgestellt werden, dass sich die Fehlerarten im Laufe des Fertigungsprozesses verändern. Deshalb ist es sinnvoll, in Prozessfehler und echte Fehler zu unterscheiden. Prozessfehler produzieren einen eindeutigen Fehler beim Pastendruck oder Bestücken, führen aber nach dem Löten zu keinem echten Fehler. D.h., die Fehler können sich im Prozess selbst korrigieren. Echte Fehler stellen dagegen eindeutige Fehler dar, die nach dem Löten laut IPC 610 korrigiert werden müssen.
Bei der Analyse aller aufgetretenen Fehler wurden zunächst Fehlerketten erstellt. Anschließend wurden für jeden Fehler die gespeicherten Fehlerbilder aller drei Prozessschritte ausgeschnitten. Bild 3 zeigt exemplarisch die typischen Fehler, die bei der Fertigung aufgetreten sind.
Die Fehlerverteilung nach Fehlerarten
In die abschließende Bewertung gingen 2404 Baugruppen ein. Bei den verbleibenden 96 konnten die Ergebnisse anhand des Barcodes nicht eindeutig zugeordnet werden. Als Ergebnis kann festgehalten werden, dass 167 Boards fehlerhaft waren, d.h., der First Pass Yield (FPY) betrug 93,1%. Auf diesen Baugruppen konnten 189 Einzel- oder Bauteilfehler gefunden werden. Die Einzelfehler wurden zur Vereinfachung in 6 Fehlergruppen zusammengefasst: Bauteilfehler (Bauteil nicht benetzbar), Bestückfehler (Bauteil fehlt, falsche Bauteillage, Bauteil zu viel), Verschmutzung, fehlerhafter Lötpastendruck (zu wenig, fehlende oder verschmierte Paste, Brücke), fehlerhafter Lötprozess (Tombstone, Auflieger, Brücke), Sonstiges (Bild 4).
Fehlerverteilung nach Prüfpositionen und First-Pass-Yield
Sowohl der First-Pass-Yield als auch die Verteilung von echten und Prozessfehlern wurde analysiert. Ebenso die Fehlerabdeckung nach den einzelnen Prozessschritten.
Nach dem Pastendruck wiesen 14 Boards echte Fehler und 36 Prozessfehler auf. Der FPY betrug 97,9% (Bild 5). Der Anteil der Pastenfehler an der Gesamtfehlerzahl betrug 8,3%.
Nach der Bestückung wurden 62 Baugruppen mit Echtfehlern und 65 mit Prozessfehlern detektiert. Die 62 fehlerhaften Baugruppen enthielten auch die 14 fehlerhaft bedruckten Boards. Die Baugruppen mit Prozessfehlern konnten nur eingeschränkt erkannt werden. Der FPY betrug 94,7% (Bild 6). Der Fehleranteil nach dem Bestücken an der Gesamtfehlerzahl betrug 46%.
Der FPY bei der Reflow-Prüfung betrug 93,1%, d.h., es wurden 6,9% echte Fehler gefunden (Bild 7).
Nach dem Löten und der AOI-Prüfung wurden die Baugruppen noch einer ICT-Prüfung unterzogen. Dabei konnten 52% der erkannten AOI-Fehler vom ICT erfasst werden. Fehlende Blockkondensatoren oder aufliegende Chip-Widerstände konnten allerdings nicht vom ICT detektiert werden.
Fazit
Die Bildketten aus dem Prüfaufbau zeigen eindrucksvoll, dass eine Beurteilung bzw. Klassifikation von Prozess- und Echtfehlern direkt nach dem jeweiligen Prozessschritt sehr schwer ist. Erst nach dem Löten ist das endgültige Ergebnis zu sehen und somit eine verlässliche Aussage über die Qualität der Baugruppe möglich.
Beim Pastendruck wurde ein Verhältnis von 2,5 Prozessfehlern auf 1 echten Fehler festgestellt; bei der Bestückung kam 1 Prozessfehler auf 1 echten Fehler. Besonders interessant war die Verteilung von Prozessfehlern. Sie traten stochastisch verteilt auf und waren keine Indikatoren für anschließende Echtfehler. Allerdings konnten über den gesamten Zeitraum Fehlerschwerpunkte z.B. an bestimmten Pads und Bauformen festgestellt werden.
Entgegen der landläufigen Annahme, dass Pastendruckfehler mit 70% den Hauptfehleranteil stellen, betrugen sie in diesem Prüfaufbau nur 8,3%.
49% der echten Fehler – hier Bauteil- und Lötfehler – waren erst nach dem Löten detektierbar. 48% der optisch erkennbaren Fehler konnten elektrisch nicht erkannt werden, d.h., eine optische Inspektion ist unabdingbar.
Ferner zeigte der Prüfaufbau, dass Pasten- und Bauteilprüfung einen relativ hohen Anteil von Prozessfehlern – hier 50% – aufweisen. Diese Fehler sind zwar „echte“ Fehler, korrigieren sich aber in den nachfolgenden Prozessschritten. Für eine Prozessoptimierung ist eine Pasten- oder Prereflow-Qualitätskontrolle durchaus sinnvoll, z.B. um Serienfehler zu vermeiden oder Fehler im Fertigungsequipment zu erkennen. Am Ende sind die Prozessfehler allerdings nicht qualitätsrelevant und eine vorzeitige Reparatur wäre ineffektiv und kostenintensiv.
Die umfangreichen Ergebnisse dieses Prüfbaus sind in ihren Einzelheiten zwar nicht zu verallgemeinern, aber sie zeigen deutlich, dass die Postreflow-Inspektion eine Schlüsselposition im Fertigungsprozess darstellt und sehr gut geeignet ist, um alle relevanten Fehler zu finden.
Bemerkung
Der hohe Anteil an Bauteilfehlern kam durch nicht benetzbare Widerstände zustande, eine Fehlerart, die zufällig in das Ergebnis einging.
Der Test war Abschluss einer 6-wöchigen Installation. In den vorherigen 5 Wochen wurden – im Gegensatz zur letzten Woche – die Baugruppen nach jedem Prozessschritt repariert bzw. die fehlerhaft bedruckten entfernt. Die dabei erhaltenen Zahlen zur Fehlerverteilung zwischen den einzelnen Prozessschritten konnten auch in den 5 Wochen davor bestätigt werden. Trotz der Reparatur gab es noch eine Restfehlerrate von 3,5% bezogen auf die Baugruppen nach dem Löten, d.h., der FPY betrug 96,5%.
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