Die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit elektronischer Systeme bei gleichzeitig geringerem Energiebedarf, reduzierter Systemgröße und niedrigeren Kosten definieren die aktuellen Trends. Auf der Suche nach raumsparenden Kontaktierungsmöglichkeiten in elektronischen Schaltungen entstehen so ständig neue Bauelementtypen mit verdeckten Kontaktflächen. In Kombination mit einer doppelseitigen Bestückung können auf diese Weise kompakte, leistungsstarke Flachbaugruppen gefertigt werden. Dieser Trend stellt jedoch auch die Prüftechnologie vor neue Herausforderungen.
Göpel electronic, Jena
Verdeckte Lötstellen (bspw. an BGA-Bauform) können nur mit einem Blick durch die Leiterplatte hindurch bewertet werden. Die Röntgentechnologie setzt hierbei genau da an, wo konventionelle AOI-Systeme an ihre Grenzen stoßen. Die Bilder dieser Systeme zeigen Lötstellen beider Leiterplattenseiten als Überlagerung. Besser, aber nicht optimal, eignen sich Geräte mit 2,5D-Inspektionstechnologie. Hier wird mittels Schrägdurchstrahlung der Baugruppe, in Abhängigkeit vom Durchstrahlungswinkel und der Leiterplattendicke, eine Trennung der Lötstellen von Leiterplattenober- und -unterseite erreicht. Ist die Bestückdichte der Bauelemente auf der Leiterplatte jedoch sehr hoch, ist eine einfache Schrägdurchstrahlung nicht mehr ausreichend. Es entstehen analog der 2D-Technologie Überlagerungen, die eine sichere Auswertung der Lötstellen schwer möglich machen.
Digitale Tomosynthese
Das 3D-Röntgensystem X-Line 3D von Göpel electronic arbeitet auf Basis der digitalen Tomosynthese. Sie ermöglicht permanente Aufnahmen der Leiterplatte aus mehreren unterschiedlichen Winkeln. Die dabei entstehenden 2D-Bildaufnahmen werden über eine algorithmische Rekonstruktion in 3D-Daten überführt. Auf diese Weise ist eine Trennung der Lötstellen von Leiterplattenoberseite und Leiterplattenunterseite auch bei dichter Bestückung, frei von Überlagerungen, möglich. Gleichermaßen lassen sich auch aufeinander aufgesetzte, elektrisch miteinander kontaktierte Baugruppen in so genannter Package-on-Package (PoP) Bauweise prüfen. Die schichtweise 3D-Rekonstruktion ermöglicht die Trennung von Top- und Bottom-Package und die anschließende bildverarbeitungstechnische Bewertung. Die Übersicht über die Einsatzmöglichkeiten der verschiedenen Röntgeninspektionsverfahren bezogen auf eine spezifische Prüfaufgabe, sowie der verwendeten Fertigungstechnologie macht deutlich, dass bei einer Inline-Fertigung doppelseitig bestückter Flachbaugruppen die 3D-Röntgenprüfung unumgänglich ist.
Prüfprogrammerstellung
In der Serienfertigung bewährt, liefert das Hard- und Softwarekonzept des OptiCon X-Line 3D alle Bilder grauwert- und geometriekalibriert. Die geometriegetreue Rekonstruktion der Leiterplattenschichten erlaubt den Einsatz einer einheitlichen Bauteilbibliothek, was zu einer entscheidenden Verringerung des Aufwands für die Erstellung von Prüfprogrammen führt. Der Bediener ist so in der Lage, mit Hilfe von CAD-Daten und den Bauteileinträgen aus der Bibliothek innerhalb kürzester Zeit ein Prüfprogramm zu erstellen.
Voraussetzung für eine zuverlässige Analyse der Schnittbilder ist eine höhengenaue Rekonstruktion der einzelnen Leiterplattenschichten (sog. Z-Schichten). Ist die Leiterplatte wellig, hängt durch oder liegen Bauteile schief auf, muss das 3D-Röntgensystem dies erkennen und kompensieren. Wird beispielsweise der Durchhang einer Leiterplatte nicht flächig kompensiert, prüfen die Algorithmen in den falschen Lotebenen der Bauelemente, was zu Pseudofehlern oder im schlimmsten Fall zu Schlupf führen kann. Das Unternehmen setzt auf ein eigens entwickeltes Verfahren, welches während des Prüfprozesses die Durchbiegung der Leiterplatte erkennt und ausgleicht. Das Ergebnis ist eine Z-genaue Rekonstruktion der Lotebenen für eine qualitativ hochwertige Bewertung der Lötstellen. Je nach Leiterplattenzustand kann gewählt werden ob die Gesamtleiterplatte, jede Teilschaltung eines Nutzens oder größere Bauelemente ausgeglichen werden sollen.
Fazit
In den drei Fachartikel-Teilen zum Thema „Qualitätskontrolle elektronischer Baugruppen mittels AXI“ (siehe EPP-Ausgaben 11/11 und 1–2/12) wurde zunächst aufgezeigt, dass es prinzipiell zwei Röntgensystemvarianten zu unterscheiden gibt. Zum einen gibt es die Analysesysteme und zum anderen Systeme für die Inline-Fertigung. Analysesysteme bestechen durch ihre Bildqualität und werden für Stichprobenprüfungen verwendet, müssen manuell beladen werden, und auch die Leiterplattenbewertung ist manuell oder halbautomatisch. Prinzip bedingt erlaubt die lange Prüfzeit dieser Maschinen keinen Einsatz innerhalb von Fertigungslinien. Für kurze Taktzeiten und eine vollautomatische 100%-Kontrolle der produzierten Leiterplatten werden Röntgensysteme für die Inlinefertigung benötigt. Diese haben im Vergleich zu einem Analysesystem eine reduzierte Bildqualität, die dennoch ausrechend ist, um eine Gut- von einer Schlechtlötung zu unterscheiden. Hinsichtlich der eingesetzten Inspektionstechnologien müssen bei diesem Systemtyp drei Grundprinzipien unterschieden werden: Die 2D-, 2,5D- und 3D-Röntgentechnik. Im Vergleich wurde deutlich, dass die 3D-Röntgentechnologie das Maximum an Fehlererkennung bietet. Grund hierfür ist die prozesssichere Bewertung von BGA-Balls in mehreren Lotschichten und die Möglichkeit auch bei dichter Bauteilbestückung, die Lötseiten beidseitig bestückter Leiterplatten trennen zu können.
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