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Schwierige Nadelgeometrie schnell automatisch überprüft

Automatische Sondennadel-Inspektion mit maschineller Bildverarbeitung
Schwierige Nadelgeometrie schnell automatisch überprüft

Sondennadeln sind eines der Produkte, mit denen Point Technologies in der Halbleiterindustrie und im Medizin- und Biotechnikbereich bekannt ist. Bei ihrer Herstellung setzt das Unternehmen seit kurzem auf maschinelle Bildverarbeitung. So können die Qualitätsanforderungen an Nadeln für den Wafer-Test schneller und einfacher erfüllt werden

Da die Geometrie der Sondennadel für einen erfolgreichen Testbetrieb auf Wafer-Ebene entscheidend ist, hat Point Technologies früher eine Kombination aus manuellen Videoinspektionssystemen und optischen Vergleichern eingesetzt, Damit können Sondenkartenherstellern Nadeln geliefert werden, die den strengen Vorgaben gerecht werden. Mit immer größeren Stückzahlen bei der IC-Produktion und steigendem Bedarf an Sondennadeln zeigte sich jedoch schnell, dass dieser Prozess bei weitem zu arbeitsintensiv war. Da die Inspektion der Nadeln einen beträchtlichen Teil der gesamten Fertigungszeit in Anspruch nahm, war dieser Prozess ein guter Kandidat für den Einsatz automatisierter Lösungen.

Durch die Integration der maschinellen Bildverarbeitung von Cognex mit Bewegungssteuerung in eine automatisierte Nadelinspektionsstation mit der Bezeichnung PointScan steht nun ein System zur Verfügung, das Nadeln jetzt noch schneller inspiziert. Es liefert genauere Messungen, verringert den Schulungsbedarf der Bediener und dokumentiert jede Messung automatisch. Dabei verbessert das System gleichzeitig die Wiederholbarkeit und liefert Feedback, damit Verbesserungen am Prozess vorgenommen werden können.
Automatisierung im Blick
Zunächst wurde bewertet, ob sich die Messeffizienz durch den Einsatz eines maschinellen Bildverarbeitungssystems verbessern lässt und dabei trotzdem wiederholbare Messungen innerhalb von 0,00002 Zoll möglich sind. Das Team verfügte über so gut wie keine Erfahrungen mit der maschinellen Bildverarbeitung. Es wurde zunächst ein In-Sight Vision-System von Cognex eingesetzt, da es benutzerfreundlich erschien und gleichzeitig komplett mit Benutzersoftware geliefert wurde.
„Wir mussten nicht viel in das In-Sight-System investieren, um feststellen zu können, dass die maschinelle Bildverarbeitung für unsere Anwendung geeignet ist“, erklärte Steve Neely, Semiconductor Division Manager bei Point Technologies. „Wir konnten einen Prototypen einrichten, der in nur vier oder fünf Wochen zeigte, dass das Konzept funktioniert.“
In-Sight ist ein leistungsstarker maschineller Vision-Sensor, der aus einer DSP-basierten Bildverarbeitungseinheit, einer schnellen Digitalkamera, einer integrierten Lichtsteuerung sowie einem integrierten diskreten E/A besteht. Außerdem liefert er einen standardmäßigen VGA-Ausgang für eine Echtzeitanzeige, integrierte Ethernet-Kommunikation sowie einen integrierten seriellen Anschluss.
„Ohne besondere Schulung dauerte es rund 30 Stunden, um sich soweit mit In-Sight vertraut zu machen, dass die Inspektionsroutine eingerichtet werden konnte“, so Neely. „Das Team studierte die mit dem System gelieferten Tutorials und zog den technischen Telefonsupport von Cognex zu Rate. So machte es sich mit der Spreadsheet-Entwicklungsumgebung von Vision, der Library der Vision-Software-Tools sowie der integrierten Benutzeroberfläche vertraut.“
In-Sight eignete sich recht gut für eine erste Einschätzung. Für die Endanwendung war es jedoch nicht das Richtige. Das Konstruktionsteam entschied sich stattdessen für das PC-basierte Bildverarbeitungssystem VisionPro, ebenfalls von Cognex. Die Umstellung auf die VisionPro-Plattform beanspruchte wesentlich mehr Einarbeitungszeit. Einige Wochen lang stellte Cognex dem Unternehmen einen zertifizierten Vision-Integrator zur Seite. Neely dazu: „Die Investition hat sich wirklich gelohnt, denn wir konnten den Vision-Code viele Male bei den nachfolgenden Systemen verwenden.“
Eine der größten Herausforderungen bei einer maschinellen Bildverarbeitungsanwendung ist die Wahl des Bildformungssystems, damit ein gutes Bild entsteht. Nachdem einige Zeit mit der Belichtung und Optik herumexperimentiert wurde, implementierte das Team eine stark vergrößernde telezentrische Linse, die optische Verzerrungen beseitigt, sowie eine diffuse LED-Hintergrundbeleuchtung (2×2 Zoll), um geeignete Bilder mit der notwendigen Auflösung zu liefern.
Bildverarbeitung trifft auf Bewegungssteuerung
„Unsere Konstrukteure setzen die maschinelle Bildverarbeitung, Bewegungssteuerung, Benutzeroberfläche, Netzwerkkommunikation sowie eine Datenbank mit Microsoft Visual Basic gemeinsam für die gesamte Logik und Steuerung ein“, so Neely. „Bewegungsanwendungen mit Bildverarbeitungsführung wie beispielsweise diese erfordern ein sehr schnelles Bildverarbeitungssystem, das die Bilderfassung, Analyse und Messung mit der Bewegungssteuerung synchronisiert, die zum Suchen und Fokussieren der Nadeln und für die Bewegung von einer Nadel zur nächsten erforderlich ist.“
Das Team konnte das Konzept in allen Punkten in rund sechs Monaten in ein funktionstüchtiges System umsetzen. Seit Ende 2004 wurden fünf Systeme gebaut, die in der Produktion zum Einsatz kommen. Die Systeme werden hauptsächlich für die Messung von Sondennadeln genutzt, finden aber auch bei der Messung von Elektroden in der Elektrochirurgie sowie anderer Komponenten der Medizingeräteindustrie Anwendung.
Die maschinelle Bildverarbeitung und Bewegungssteuerung muss von Ingenieuren integriert werden, die das Bildverarbeitungssystem sorgfältig auf das Bewegungssystem kalibrieren. Ruft die Linse optische Verzerrungen hervor oder kommt es auf Grund des Kamerainstallationswinkels zu Perspektivenänderungen, reicht ein Skalierungsfaktor nicht mehr aus, der die Bildpunkte mit einer gemessenen Dimension in Beziehung setzt. Das Vision-System-Toolpaket beinhaltet spezielle Algorithmen, mit denen sich diese Fehler korrigieren lassen.
Beträchtlich kürzere Inspektionsdauer
Mit Hilfe der maschinellen Bildverarbeitung kann das Konstruktionsteam ein Inspektionssystem schaffen, bei dem ein Computer die komplette Inspektion sowie einen Großteil der Datenanalyse übernimmt. Tests haben gezeigt, dass sich die Inspektionsdauer um mehr als das Zehnfache verringert hat. Eine Person hat in rund 20 Minuten 12 Nadeln gemessen und die Daten auf Papier aufgezeichnet. PointScan misst 12 Nadeln in nicht einmal 2 Minuten, zeichnet die Daten auf und überträgt diese automatisch in ein Diagramm für den Bediener.
Die maschinelle Bildverarbeitung hat sich für eine präzise Prüfung sehr kleiner Teile als überaus wertvoll erwiesen. Sie liefert quantitative Ergebnisse, mit denen sich Teile und Produktivität rückverfolgen sowie ineffiziente Prozesse aufdecken und verbessern lassen.
Die vom Vision-System erfassten Daten liefern gute Einblicke in den Produktionsprozess. PointScan liefert das notwendige Feedback, damit Bediener und das Qualitätsteam Systeme und Prozesse „neu modellieren“ und damit verbessern und effizienter machen können.
Demzufolge sieht Point Technologies die maschinelle Bildverarbeitung und Bewegungssteuerung als Schlüssel für die künftige Fertigung an. Die Integration der Bildverarbeitung mit Bewegungssteuerung ist nicht so schwer, wie manche gedacht haben. Es nimmt jedoch einige Zeit in Anspruch, kostet Geld und verlangt Sachverstand. Wenn es aber richtig gemacht wird, macht es sich selbst bei den anspruchsvollsten Anwendungen bezahlt.
Die patentierten Verfahren der Vision-Software PatMax von Cognex verwenden im Gegensatz zur Grauwertkorrelation die geometrischen Grundstrukturen von Objekten (ähnlich der CAD Konstruktion) in einem dreistufigen Verfahren. Zuerst werden die wichtigsten Einzelmerkmale eines Objektes wie Kanten, Abmessungen, Formen, Winkel, Bögen und Schattierungen isoliert identifiziert.
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