Röntgenprüfung & optische Inspektion

ANS, Limeshain

Als die ersten AOI-Systeme mit Röntgeneinheit auf den Markt kamen war dies ein Meilenstein. Die Kunden waren erfreut, beide Technologien in einer Maschine zur Verfügung zu haben. Doch waren die Maschinen sehr groß, und die beiden Inspektionsmethoden mussten aufeinander folgend verarbeitet werden. Dann, als weiterer Meilenstein in der Entwicklung der automatischen Inspektionsgeräte, tauchte der so genannte „Hybrid-Inspektor“ auf. Ein Kombisystem mit zeitgleicher (Real-Time) Optischer- sowie Röntgenprüfung, das auch als reines AOI-System nutzbar ist. Durch diese zeitgleiche Inspektion werden schnelle Prüf- und Handlingzeiten erreicht.

Den ersten Hybrid-Inspektor weltweit entwickelte die Firma Sony für den Eigenbedarf. Dieses System wurde von i-Pulse in Japan, einer Tochter der Yamaha-Motor-Group, übernommen und weiterentwickelt. So ist der „KX2“ seit Anfang des Jahres auf dem Weltmarkt erhältlich.

Die Innovation dieser Maschine ist, dass die Vorteile der beiden Techniken kombiniert werden. Ein z. B. rein optisches System kann keine BGA- und CSP-Inspizierung durchführen. Dies kann aber ein AXI-System, wo hingegen ein reines AXI–System keine fehlplatzierten Komponenten oder aber auch keinen „Polaritäts-Check“ durchführen kann, was wiederum ein AOI-System zur Verfügung stellt.

Das Kamerasystem der KX2 besteht aus einer CCD-Farb-Kamera mit zwei Millionen-Pixel und einem X-Ray-CCD-Sensor. Das Lichtsystem besteht aus mehreren Lichtringen mit unterschiedlichen Wellenlängen und Anordnung. Die Farbgebung der LED-Lichtringe geht von der Farbe Weiß bis hin zu Infrarotlicht. Es wird ein strukturiertes und schnelles Arbeiten ermöglicht. Zu den Vorteilen dieses Systems zählt neben der benutzerfreundlichen Bedienbarkeit über Maus & Tastatur sowie einem 17“-Touch-Screen-Monitor auch die Software, deren Masken über eine gute Struktur verfügen. Die Einstellungsmöglichkeiten für ein Bauteil auf der Leiterkarte befinden sich komplett auf einer Maske. Möchte man ein neues Programm erstellen, kann man dies manuell oder mittels des CAD-Daten-Importes generieren. Hierbei können die Blöcke (Sichtfenster der Kamera) automatisch erzeugt werden. Die Bauteile aus der Bibliothek werden den Daten zugeordnet. Zum Anderen ist eine manuelle Programmerstellung möglich. Da an jedem Bauteil in der Bibliothek die Inspektionsdaten angehängt sind, sind auch diese recht schnell auf der Leiterkarte platziert. Sollte ein Bauteil nicht in der Bibliothek vorhanden sein, kann dieses geteacht und zur Bibliothek hinzugefügt werden.

Kommt man während der Erstellung des Programms zum Entschluss, dass ein Bauteil, welches mehrfach auf der Leiterkarte ist, nicht die richtige Einstellung verwendet, so kann ein globales Refactoring durchgeführt werden. Die geänderten Einstellungen für alle auf der Leiterkarte befindlichen Bauteile sind damit schon übernommen. Um eine entsprechende Auswertung treffen zu können, ob ein Bauteil gut oder nicht gut ist, muss zuerst ein passendes Licht ausgewählt werden, mit welchem das Bauteil optimal inspiziert werden kann. Hierbei kann man zwischen 27 verschiedenen Lichtmix wählen. Gemixt werden die vorhandenen Lichtquellen (Upper, Middle, Lower und X-Ray). Hier hat man die Möglichkeit, das optische Licht mit dem X-Ray zu vermischen. Um nun eine perfekte Auswertung zu erzielen, muss eine Feineinstellung über das so genannte Thresh-Setting erfolgen. Die Software arbeitet mit der Vektorvergleichs-Methode. Hierbei wird versucht, anhand von Hell-/Dunkelübergängen das Bauteil zu ermitteln, um zu erkennen, wie sehr das Bauteil versetzt und verdreht ist.

Für die Pins kommt die gleiche Analyse zur Anwendung. Für die Lötstellenkontrolle wird die Grauwertanalyse verwendet. Eine Methode, bei der ein Messfenster am Ende des Pins angelegt wird, um den mittleren Grauwert der Lötstelle unter einer bestimmten Beleuchtung zu ermitteln. Die zu prüfenden Bereiche werden mit roter Farbe gekennzeichnet. Anhand des gekennzeichneten Rot-Anteils wird berechnet, ob das Bauteil gut oder nicht gut ist. Der Rot-Bereich wird in Abhängigkeit von den Lichteinstellungen und der Inspektionsart errechnet. Die Software bietet derzeit 18 verschiedene Inspektionsarten. Diese nutzen während des Inspektionsprozesses unterschiedliche mathematische Berechnungen, um die Bauteile zu überprüfen.

Möchte man z. B. das Filet eines Beinchens an einem IC kontrollieren, wird mit der optischen Inspektion nicht das gewünschte Ergebnis erzielt. Hier muss man auf die AXI-Inspektion zurückgreifen. Als Standard-Inspektionsmethode wählt man hierbei den „Lead Check“ aus. Über die Thresh-Setting-Einstellungen wählt man einen Bereich, in welchem sich die Größe des Filets bewegen soll. Wird dieser Bereich über- oder unterschritten, so ist entweder zu viel oder zu wenig Lot vorhanden. Ist der Wert im eingegebenen Bereich, ist das Filet in Ordnung. Um Fehler auf Leiterkarten feststellen zu können, ist es mittlerweile unumgänglich, diverse Bauteile über die Möglichkeit des Röntgens zu überprüfen. Soll die Polarität des Bauteils ermittelt und ein zuverlässiges Inspektionsergebnis erzielt werden, ist die AXI-Methode zu verwenden, Inspektionsart ist Level & Comparison.

Brücken bei Beinchen oder Brücken auf der Rückseite des Bauteiles sowie defekte Kontakte können mit der optischen Inspektionsmethode ebenfalls nur schwer bis gar nicht erkannt werden. Wählt man in diesen Fällen die AXI-Methode, so können diese versteckten Fehler mit Leichtigkeit erkannt werden. Werden BGAs oder CSPs auf der Leiterkarte verwendet, geht ohne AXI gar nichts mehr. Die Balls auf der Unterseite des Bauteils benötigen eine AXI-Inspektion.

Möchte man eine qualitativ hohe und optimierte Inspektion auch unter der Berücksichtigung aller fertigungsrelevanten Prüfungen erlangen, ist das KX2 mit der Parallelinspektion das richtige Gerät für die Fertigung. Durch die Erweiterung der Diagnostik ist es ein leichtes, nahezu alle möglichen Fehler zu ermitteln.

Ein weiteres Feature ist eine „Brightness-Level-Correction“, die benötigt wird, um eventuelle Differenzen des X-Ray–Strahles auf einem gleich bleibenden Niveau zu halten. Auch gibt es das „Back-Side-Component-Removal“ (BX-Eraser). Werden Leiterkarten mit beidseitig bestückten Komponenten inspiziert, so können mit dieser Funktion die Bauteile auf der Rückseite ausgeblendet werden. Werden die Balls des BGAs auf Brücken überprüft und es befinden sich zufälligerweise auf der Rückseite an genau der gleichen Stelle Bauteile, so beeinflussen diese normalerweise das Testergebnis. Mit dem BX-Eraser werden diese ausgeblendet.

Die Softwareoption Centralized-Control-System ist zur Überwachung von bis zu 99 Maschinen diesen Typs. Die Software verwaltet alle NG(Nicht Gut)-Reporte der angeschlossenen Maschinen zur gleichen Zeit. Somit werden die Informationen von den angeschlossenen Maschinen auf einem zentralen Host-Computer verwaltet, womit der Prozess zur Beurteilung der NGs erhöht wird. Es können Marker-Pens in die Maschine integriert werden, um NG-Bauteile zu markieren oder IDs auf die Leiterkarten zu schreiben. Die User können in vier Gruppen mit unterschiedlichen Rechten eingeteilt werden. Im Converter besteht die Möglichkeit, CAD-Daten in KX2-spezifische IFF-Daten zu konvertieren, mit denen dann Inspektionsprogramme erstellt werden. An die Repair-Station werden alle fehlerhaften Bilddaten einer Leiterkarte geliefert und dort mit einem fehlerfreien Bild verglichen. Nun kann der User manuell entscheiden, ob ein akzeptabler Fehler vorliegt oder nur ein „Pseudo-Fehler“ aufgetreten ist. Die Offline-Software ermöglicht das Erstellen eines Programms von einem separaten PC, ohne den Produktionsbetrieb zu stören. Sie beinhaltet die gleichen Funktionen wie die Software der Maschine. Weitere Inspektionsalgorithmen befinden sich in der Entwicklung, ebenso wie Features zur Vereinfachung beim Anlegen und Erweitern von Programmen.

Die K5L ist ein „Desktop-Board-Inspector“, welcher alle Funktionen der optischen Inspektion der KX2 durchführen kann. Im Unterschied der im Inlinebetrieb laufenden Maschine, die automatisch bestückt wird, erfolgt bei der Desktop-Lösung die Bestückung manuell. Zwei weitere Besonderheiten: Zum einen verfügt diese Ausführung über eine Laser-Unit zur Ermittlung der Bauteilhöhe, und zum anderen verfügt sie über eine spezielle Software-Funktion (VADMIC – Variable Division Multi Image Comparison). Dieser neue Inspektions-Algorithmus VADMIC macht die Programmerstellung einfach und die selbstlernende Bild-Vergleichs-Methode verbessert die Fehler-Erkennungs-Leistung. Hierbei bedarf es keiner manuellen Anpassung. Das optische Desktop-Inspektionssystem ermöglicht schnelle Handlingzeiten. Eine Überprüfung der IC-Platzierung kann anhand der Zeichenerkennung ermittelt werden. Mit der integrierten Marker-Unit wird mittels eines Markierungsstiftes eine ID oder ein Datum auf die Leiterkarte geschrieben. Anstelle der Marker-Unit steht auch eine Laser-Unit zur Verfügung. Ein Laserstrahl ermittelt den Abstand eines Bauteils an verschiedenen Punkten zum Laser. Somit werden schwebende Chips, schwebende BGAs, hochgebogene Beinchen, falsche Polarität, vertauschte Position, usw. ermittelt.

Das asymmetrische Design erleichtert den Aufbau eines Arbeitsplatzes mit mehreren Maschinen. Das MMC (Multi-Machine-Control) und das C2-System unterstützen diese Art des Arbeitsplatzes. Des Weiteren befindet sich der Inspektionstisch in einer Neigung von 16 Grad, womit das Boardhandling vereinfacht wird. Außerdem wurde der PC im Gehäuse integriert und der 17“-Touch-Screen-LCD-Monitor dort auch angebracht. Das Lichtsystem besteht aus mehreren Lichtringen mit unterschiedlichen Wellenlängen, Anordnung sowie der X-Ray-Generator ermöglichen eine perfekte Ausleuchtung der Leiterkarte. Lichtmischungs-Möglichkeiten erlauben eine gute grafische Darstellung der Bauteile. Die Bauteile können mit umfangreichen Inspektionsmethoden, welche mit der Vektor-Vergleichsmethode arbeiten und unterschiedliche Analyse-Algorithmen verwenden, schnell und mit einer geringen Fehlerquote inspiziert werden. Das System ist einfach zu installieren, es werden auch große Leiterplatten von 50 x 50 mm bis 485 x 410 mm unterstützt.

EPP 461