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Schnelligkeit zählt

Automatisches optisches Inspektionssystem mit neuen Features
Schnelligkeit zählt

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Bei der optischen Inspektion von elektronischen Baugruppen in der Produktion ist sowohl ein hoher Testdurchsatz, als auch eine einfache und schnelle Programmerstellung entscheidend. Deshalb wurde das von Rohde & Schwarz angebotene Inspektionssystem Laservision mit neuen Funktionen ausgestattet, die diesen Anforderungen gerecht werden und darüber hinaus die Prüftiefe erhöhen.

Gert Heuer, Rohde & Schwarz, München

In der Elektronikfertigung ist Zeit gleich Geld. Neue Produkte müssen möglichst schnell in die Fertigung eingeführt werden, um dann in großen Stückzahlen kostengünstig und mit hoher Qualität hergestellt werden zu können. Treten während des Produktionsprozesses Fehler auf, so sollten diese schnell erkannt und umgehend beseitigt sowie deren Ursachen abgestellt werden. Hierzu werden in den Produktionsprozess mehrere Prüfstufen integriert, die die jeweils vorangegangenen Produktionsschritte überwachen. Wird ein Fehler festgestellt, so erfolgt parallel zur Fehlerbehebung auch eine Untersuchung der Fehlerursachen, um eine Wiederholung des selben Fehlers möglichst auszuschließen. Dieser kontinuierliche Verbesserungsprozess stellt in der Fertigung sicher, dass die Ziele einer möglichst kostengünstigen und fehlerfreien Produktion mit kurzen Durchlaufzeiten erreicht werden. Eine derart stetige Überwachung des Produktionsprozesses erfordert natürlich entsprechende Testsysteme, die eine umfassende Fehlerabdeckung und kurze Testzeiten bieten, sowie einfach und schnell einsatzfähig sind. Alle diese Punkte beeinflussen dabei direkt die Testkosten und wirken sich damit natürlich auch auf die Herstellungskosten aus. Während noch vor wenigen Jahren hauptsächlich In-Circuit-Tester in der Elektronikproduktion eingesetzt wurden, dominieren mittlerweile vorwiegend optische Inspektionssysteme (AOI – Automatic Optical Inspection). Der Grund für diesen Wandel liegt vor allem in der einfacheren und kostengünstigeren Handhabung der Systeme und dem Verzicht auf eine elektrische Kontaktierung. Während die Programmerstellung vorwiegend automatisch und damit ähnlich einfach verläuft wie beim In-Circuit-Test, verzichten optische Inspektionssystem vollständig auf die bei diesem Test notwendigen Adapter. Dies bringt nicht nur Kostenvorteile, sondern es muss auch nicht mehr auf die Fertigstellung des Adapters gewartet werden und es gibt keine Zugriffsprobleme durch die immer kleiner werdenden Strukturen auf der Baugruppe.
Schnelle Einsatzfähigkeit
Um die Vorlaufzeit bei der Einführung neuer Produkte möglichst gering zu halten und den laufenden Produktionsbetrieb nicht zu stören, kann die Programmerstellung beim Laservision-Sys- tem jetzt nahezu unabhängig vom Produktionssystem erfolgen. Dies ist besonders bei der Inline-Integration von optischen Inspektionssystemen zu empfehlen.
Mit einer zusätzlichen Offline-Programmierlizenz lässt sich das Programm auf einem separaten PC erstellen und anpassen (Debugging), sofern dieser über eine Netzwerkanbindung mit dem Produktionssystem verbunden ist. Dazu werden die Bestückungsdaten der Baugruppe aus der Entwicklung auf den Offline-Programmierplatz übernommen. Aus den Informationen über Art und Position der Bauteile, sowie mittels einer Bibliothek mit bauteilspezifischen Testroutinen wird das gesamte Inspektionsprogramm erzeugt. Anschließend führt das System eine Wege- und Kameraoptimierung durch, so dass während der Leiterplattenprüfung möglichst wenig Bilder aufgenommen bzw. Positionen angefahren werden müssen. Die Bildaufnahme selber muss natürlich noch auf dem Produktionssystem erfolgen. Danach kann mit der neuen Softwareversion fast die gesamte Programmerstellung offline, also auf einem externen PC durchgeführt werden.. Durch diese Vorgehensweise kann das Laservision-Produktionssystem weiterhin in der Produktion eingesetzt werden und wird nicht durch Programmierarbeiten blockiert. Dies spart Geld und verringert den Zeitdruck bei der Programmerstellung und Optimierung.
Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit das erstellte Programm an mehreren ausgesuchten Leiterplatten (Gut-/Schlecht-Muster) prüfen zu können, ohne diese immer vorhalten zu müssen. Einmal geprüfte und archivierte Baugruppen, deren Bilder in der Bilddatenbank abgespeichert wurden, stehen immer zur Verfügung. Sind für das Debugging noch weitere Bilder, eventuell sogar des selben Bauteils auf verschiedenen Baugruppen notwendig, so lassen sich diese im laufenden Produktionsbetrieb erfassen und zusätzlich abspeichern. Damit ist auch ein nachträgliches Debugging von Problemzonen im Offline-Betrieb möglich.
Diese Bilddatenbank lässt sich zudem für eine Art Langzeitbeobachtung von kritischen Stellen auf der Baugruppe nutzen. Hierzu können Bilder während der laufenden Produktion gezielt abgespeichert (z.B. bestimmte Bauteiltypen oder Bauteilnamen) und später zu einem beliebigen Zeitpunkt ausgewertet werden. Somit lassen sich Bilder eines Bauteils von einer Vielzahl von Baugruppen wie bei einem Film nacheinander betrachten und miteinander vergleichen. Dadurch ist eine genaue Analyse von Serienfehlern oder Schwachstellen möglich.
Höhere Testgeschwindigkeit
Ebenfalls ein wichtiges Kriterium für die Produktion ist die Testgeschwindigkeit. Hier konnte durch eine neue Megapixelkamera das Blickfeld deutlich vergrößert werden, so dass nun sowohl größere Bauteile mit einer einzigen Aufnahme erfasst werden können, als auch sich die Zahl der Bilder pro Prüfobjekt insgesamt reduziert, wodurch sich deutlich geringere Prüf- und Programmierzeiten ergeben. Die Megapixelkamera verfügt über 1200 x 960 Pixel und bietet damit gegenüber der bisher eingesetzten CCIR-Kameras ein etwa um den Faktor 3 größeres Bildfeld. Die Megapixelkamera ist als Option erhältlich und vorwiegend für In-Line-Anwendungen interessant, wo es auf einen hohen Testdurchsatz ankommt.
Die Inline-Version enthält ein Leiterplatten-Transportmodul, das die zu prüfenden Baugruppen von einem SMEMA-kompatiblen Transportsystem übernimmt und nach dem Test wieder dem Transportband zuführt. Geteilte Bandsegmente ermöglichen die Bereitstellung einer weiteren Leiterplatte, um die Wechselzeiten im System zu verringern
Innerhalb der Teststation wird die Baugruppe durch ein Klemmsystem automatisch fixiert, so dass während der optischen Inspektion keine Verschiebung der Leiterplatte auftreten kann. Eine genaue Lagekorrektur anhand von zwei bzw. drei Passermarken am Anfang des Tests garantiert die richtige Lage der Leiterplatte zu dem Prüfplan.
Bei labilen Baugruppen, die beispielsweise aus mehreren Nutzen bestehen oder die viele Durchbrüche enthalten, besteht oftmals die Gefahr, dass sie mehr als einen Zentimeter durchbiegen, was bei der optischen Inspektion zu Problemen führen könnte. Das AOI-System kann deshalb mit einer automatischen Anhub- und Ansaugvorrichtung ausgestattet werden, wodurch ein planes Aufliegen der Leiterplatte gewährleistet wird. Hierzu stehen verschiedene flexibel positionierbare Stößel zur Verfügung, die die Leiterplatte von unten abstützen bzw. ansaugen können.
Insgesamt lassen sich durch die Zuführungseinrichtung, sowie durch die automatische Fixierung und Unterstützung der Leiterplatte sowohl kürzere Gesamttestzeiten, als auch zuverlässigere Testergebnisse erzielen.
Grössere Fehlerabdeckung
Neben einer höheren Geschwindigkeit konnte durch die Funktionserweiterung auch eine größere Fehlerabdeckung erreicht werden. Die neue Version enthält einen genauer arbeitenden Laser, mit dem Höhenmessungen auf der Baugruppe durchgeführt werden können. Diese Messungen werden hauptsächlich dann eingesetzt, wenn mit der optischen Bildauswertung, beispielsweise wegen Reflexionen oder zu geringen Kontrasten, keine stabilen Ergebnisse erzielt werden können. Ebenfalls erweitert wurde die Lötstellenkontrolle. Hier lassen sich nun die Lötstellen an ICs auf Brücken, angehobenen nicht verlötete Anschlüsse (lifted leads) und fehlendes Lot überprüfen. Viele Parameter, die zur Charakterisierung des Bauteils erforderlich sind (wie z.B. Pin-Raster, Pin-Breite), können über Hilfefunktionen interaktiv ermittelt werden, ohne am Bauteil messen zu müssen. Dies spart viel Zeit bei der Generierung neuer Bauteiltypen.
Basisstatistik
Während des Test können alle anfallenden Prüfdaten erfasst und zur weiteren Auswertung an ein übergeordnetes System übertragen werden. Außerdem lassen sich mit der neuen Ausführung darüber hinaus die Daten automatisch in Echtzeit nach unterschiedlichen Kriterien auswerten. Zur Auswahl stehen hier beispielsweise eine Fehlerverteilung nach Bauteiltypen oder nach Bauteilnamen. Die entsprechenden Daten der aktuellen Baugruppe lassen sich dabei direkt auf dem Bildschirm des Testsystems online darstellen. Somit können besonders Serienfehler oder Schwachstellen des Produkts schnell angezeigt und erkannt werden, ohne dass die Reparaturschleife abgewartet werden muss. Gerade in einer Fertigung mit einer hohen Durchsatzrate ist dies ein wichtiger Vorteil, um die unbemerkte Produktion von Ausschuss zu vermeiden.
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