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Verbesserte Fehlerdarstellung Malachy Rice, Stacy Kalisz Johnson, Glen Leinbach, Jan Beck, Agilent Technologies, Böblingen

Der Einsatz von 3D-Verfahren bei hoch entwickelten SMT-Test- und Inspektionsgeräten
Verbesserte Fehlerdarstellung Malachy Rice, Stacy Kalisz Johnson, Glen Leinbach, Jan Beck, Agilent Technologies, Böblingen

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Sehvermögen und Wahrnehmung des Menschen beruhen auf der Fähigkeit, Dinge in ihren drei Dimensionen zu sehen. Die Erkennung von Tiefe, Entfernung sowie Oberfläche und Konturen eines Objekts basiert darauf, dass zwei gleichzeitig eintreffende Bilder in eine dreidimensionale Ansicht übersetzt werden können. Aber nicht nur das menschliche Gehirn kommt normalerweise besser mit 3D-Bildern zurecht, diese enthalten auch mehr Informationen für die Computeranalyse.

Im Zusammenhang mit der SMT-Technologie für Leiterplatten kommt derzeit eine neue Klasse hoch entwickelter Test- und Inspektionsgeräte auf den Markt, welche die Strukturen auf einer Leiterplatte als echte 3D-Objekte behandelt, d.h. in allen drei Dimensionen Messungen vornimmt, und Bilder extrahiert. Sowohl AOI-Systeme für die Prüfung von Bauteilen und Verbindungen, Lotpasteninspektionssysteme (SPI) für die Überwachung des Pastendrucks und Röntgensysteme für die Prüfung von Lötstellen werden alle durch 3D-Bildverarbeitung und -Analyse erheblich verbessert.

AOI-Systeme (Automatische Optische Inspektion)
Derzeit nehmen AOI-Systeme Bilder einer Leiterplatte auf und analysieren diese auf mögliche Herstellungsfehler. Durch verschiedene Techniken werden dabei mehrere 2D-Bilder der Leiterplatten hergestellt. Verwendet werden dazu z.B. analoge Kameras mit niedriger Auflösung, die in verschiedenen Winkeln rund um die Platte platziert werden, bis hin zu digitalen Farbkameras mit hoher Auflösung, die sich über der Leiterplatte befinden. Eine neue Generation von AOI-Systemen kann aus diesen 2D-Bildern ein 3D-Modell der Leiterplatte erstellen. Auf dieses Modell werden dann AOI-Algorithmen angesetzt, um so bessere Informationen zu erhalten, als dies mit mehreren 2D-Bildern möglich ist. Eine dieser Techniken ist das so genannte Solid Shape Modelling (SSM), eine patentierte Technologie, mit der von jedem erhabenen Körper (also Bauteilen und Lötstellen) auf der Leiterplatte ein 3D-Modell erstellt werden kann.
Zu diesem Zweck müssen die 2D-Bilder für das Solid Shape Modelling (SSM) jedoch sehr präzise aufgenommen werden. Die Informationen über die dreidimensionale Form werden gewonnen, indem das Objekt aus festgelegten Richtungen (z.B. von Süden, Norden, Osten und Westen) mit gerichtetem Licht beleuchtet und mit einer einzigen feststehenden Kamera hoher Auflösung aufgenommen wird. Die Auswertung der Reflexionen und Schatten des auf diese Weise beleuchteten Objekts liefert dann die Informationen zu seiner dreidimensionalen Form. Bei SSM werden die Bilder analysiert, indem das Blickfeld aus 8 verschiedenen Winkeln und Richtungen beleuchtet, und dann zu einem 3D-Modell kombiniert wird.
Bild 1 zeigt ein SMT-Bauteil, einmal mit einem 2D-AOI-System (1a) und einmal mit einem 3D-AOI-System (1b) betrachtet. Das 3D-Bild zeigt, dass bei den IC-Pins ganz links Lot fehlt, was auf dem 2D-Bild nicht zu erkennen ist.
2D-AOI-Systeme erzeugen eine statische Ansicht der Leiterplatte. Der Programmierer muss hier entscheiden, welche Kombination von Beleuchtung und Kamera optimal für die Entdeckung eines Fehlers ist. Bei 3D-AOI-Systemen kann die Ansicht in drei Dimensionen frei gedreht werden, um Eigenschaften, die andernfalls verdeckt wären, erkennen zu können.
Im Fall von Bauteilen zeigt das 3D-AOI-System Höhe und Form des Bauteils im Verhältnis zur Leiterplatte. Bei Lötstellen zeigt es Höhe, Volumen und Form des Lotkegels.
Mit Hilfe von Höhe und Form kann die Bestückung auch bei dunklen Bauteilen getestet werden, die auf der Leiterplatte häufig nicht zu erkennen sind. 3D-AOI-Systeme können mit Hilfe der relativen Höhe und Form einen guten Hinweis auf ihr Vorhandensein geben, unabhängig von der Größe, Farbe oder Form des gesuchten Bauteils.
Bei der Analyse von Lötverbindungen wird bei 2D-AOI-Systemen die Tatsache genutzt, dass der Lotkegel einem gewölbten Spiegel gleicht. Mit Hilfe verschiedener Kombinationen und Winkel von Beleuchtung und Kamera kann das Vorhandensein oder Fehlen solcher spiegelnder Flächen hervorgehoben werden und so auf eine einwandfreie oder fehlerhafte Verbindung geschlossen werden. Ein 3D-AOI-System sieht den Lotanfluss dagegen tatsächlich als dreidimensionales Objekt und kann Höhe, Volumen und Form im Verhältnis zur Leiterplatte zeigen. Dies hilft nicht nur den Reparateuren bei der visuellen Beurteilung der Lötstellen, sondern durch die Analyse dieser neuen 3D-Parameter können einwandfreie und fehlerhafte Verbindungen auch genau dargestellt und unterschieden werden. Bild 2 zeigt Beispiele beider Kategorien aus der Sicht eines 3D-AOI-Systems. Der Unterschied ist optisch für das menschliche Auge und mathematisch für den Computer ganz deutlich zu sehen.
Bei den heutigen 2D-AOI-Systemen kommt es einerseits oft zu einem Fehlalarm, andererseits werden Fehler nicht entdeckt. Die SMT-Hersteller haben die Technologie nach einigem Zögern aus Wirtschaftlichkeitsgründen als Teil ihrer Teststrategie eingeführt, führen aber zur Sicherheit immer auch noch In-Circuit- oder Funktionstests durch. Die Fehler, die vom 2D-AOI-System erfasst werden, hängen von der Laune, der verfügbaren Zeit und den Fähigkeiten des Programmierers ab, und es gibt keine branchenweit akzeptierten Klassifizierungsmethoden. 3D-AOI dagegen bietet diese Möglichkeit, indem die 3D-Parameter für Bauteile bzw. Lötstellen analysiert und mit den technischen Spezifikationen in Industriestandards wie IPC- 610A verglichen werden.
Zum ersten Mal in der SMT-Geschichte ermöglicht 3D-AOI die Kontrolle des Post-Reflow-Lotvolumens mit Hilfe statistischer Prozesstechniken, mit denen die quantitativen Messungen der Lötstellen analysiert werden. 3D-AOI steckt zwar noch in den Kinderschuhen, aber die oben beschriebenen Möglichkeiten zeigen bereits, dass darin die Zukunft von AOI liegt.
Lotpasteninspektion (SPI)
SPI-Systeme sind eine Untergruppe der AOI-Systeme. Die Pasteninspektion wird gleich nach dem Siebdruck vorgenommen, da nach Angaben der Hersteller bis zu 80% der Fehler auf diesen Vorgang zurückgeführt werden können [1]. Die Inspektion kann in 2D- oder 3D-Verfahren durchgeführt werden, Inline oder Offline, als 100%iger Test oder als Stichprobe. 2D-SPI-Messsysteme liefern X- und Y-Position und Fläche jedes Lotauftrags und verfügen über eine gewisse Fähigkeit zur Entdeckung von Lotbrücken. 3D-SPI-Messsysteme liefern dieselben Informationen plus Höhe und Volumen sowie zusätzliche Fähigkeiten zur Entdeckung von Lotbrücken.
2D-SPI-Systeme setzen meist Beleuchtungsringe mit verschiedenfarbigem sichtbaren Licht und bestimmten Einfallswinkeln ein. 3D-Messungen erfolgen normalerweise mit Hilfe von Techniken auf der Basis von strukturiertem Licht (Licht oder Laser) [2], bei denen eine aktive Lichtquelle so angebracht ist, dass Variationen in Höhe oder Profil die optischen Eigenschaften (Intensität, Phasenverschiebung, Position, Größe usw.) der Abbildung beeinflussen. Die Mehrzahl der 3D-SPI-Systeme auf dem Markt arbeitet bei der Höhenmessung mit optischer Triangulation.
Die Firmen entscheiden sich aus vielen Gründen für den Einsatz von SPI. Die zusätzlichen Kostenvorteile einer frühzeitigen Fehlererkennung spielen dabei eine entscheidende Rolle. Eine neuere Studie zur Frage 2D oder 3D ergab, dass 3D der Vorzug gegeben wird und in vier von fünf Fällen auch erforderlich ist, da das Lotpastenvolumen wichtige Hinweise auf die Langzeitzuverlässigkeit einer Lötverbindung gibt [1]. Dank neuer technologischer Fortschritte können SPI-Systeme heute 3D-Informationen in Inline-Geschwindigkeit liefern. Der Prozesskontrolle kommt heute mit aufkommenden bleifreien Loten, der steigenden Anzahl von 0201s, CSPs (Chip-Scale-Packages), BGAs (Ball-Grid-Arrays) sowie den CCGAs (Ceramic-Column-Grid-Arrays) mit ihren bekannten Anforderungen an das Volumen, besondere Bedeutung zu [3].
Wenn das SPI-System einen Fehler findet, muss der Benutzer durch Visualisierung entscheiden, ob es sich wirklich um einen echten Fehler handelt und wie aufgrund dieser Information vorzugehen ist. Die SSM-Technologie (Solid Shape Modelling) wurde dazu entwickelt, bereits durch Triangulierung gewonnene Volumendaten in einem 3D-Bild anzuzeigen. Für das ungeübte Auge ist es schwierig, eine 2D-Darstellung (Graustufen) von 3D-Informationen zu interpretieren. Typischerweise liefern Systeme zur Unterstützung ein 2D-Bild, SSM dagegen erstellt mit diesen Informationen eine Ansicht der genauen Größe und Form des Lotpastenauftrags, damit der Benutzer entscheiden kann, ob der Auftrag in Ordnung ist oder nicht (Bild 3).
Mit Hilfe der SSM-SPI-Informationen kann der Lotauftrag also in 3D dargestellt werden, was den Sehgewohnheiten des Menschen entspricht. Dies bedeutet, dass die Einarbeitung des Personals einfacher ist, Siebdruck- und Prozessingenieure vollständigere Informationen bekommen und die Fehlererkennung genauer ist. Bild 4 a zeigt einen fehlerhaften Lotauftrag und 4 b einen einwandfreien. Beide haben die gleichen X-, Y- und Flächenabmessungen. Bei einer Betrachtung in 2D würden beide daher als einwandfrei angesehen werden. Bei Bild 4 a ist jedoch deutlich zu sehen, dass der Auftrag an einigen Stellen sehr dünn ist und teilweise sogar die Leiterplatte durchscheint. Das Lotvolumen ist hier also für eine optimale Verbindung nicht ausreichend. Nur mit Hilfe dieser 3D-Informationen kann ein SSM-Bild erstellt und der Fehler richtig erkannt werden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass 3D-SPI sehr wichtig ist und mit den Entwicklungen im SMT-Bereich zunehmend unerlässlich wird. Entwicklungen wie SSM stellen sicher, dass durch 3D-Techniken die richtige Menge an Informationen zur Verfügung steht, um eine erfolgreiche Prozesskontrolle zu ermöglichen.
Automatische Röntgeninspektion (AXI)
Die Vorteile der Röntgentechnologie für die Prüfung der Leiterplattenbestückung sind seit langem bekannt. Standardlote und die neuen bleifreien Lote bestehen aus Schwermetallen wie Zinn, Blei und Silber. Ihr hohes Atomgewicht und ihre hohe Dichte machen sie im Vergleich zu den anderen Materialien auf der Platte relativ undurchlässig für Röntgenstrahlen. Daher lassen sich leicht Bilder für die Analyse der Lötverbindungen erstellen. Verbindungsstellen und andere Merkmale, die durch Bauteile oder Anschlüsse verdeckt sind, sind gut sichtbar. Nur durch Röntgenstrahlen lassen sich die verdeckten Verbindungsstellen montierter BGAs, CCGAs und CSPs inspizieren. Reflexionen und Abweichungen in Farbe oder Oberfläche haben auf die Röntgenstrahlprüfung keinen Einfluss. Etwa 90% aller Fertigungsfehler bei Leiterplatten zeigen sich an den Lötverbindungen. Offene Lötstellen, Kurzschlüsse oder ungenügende Lotaufträge lassen sich leicht finden. Aber auch Fehler, die nichts mit dem Lotauftrag zu tun haben, wie fehlende oder falsch angeordnete Bauteile, verursachen offensichtliche Abweichungen bei den Lötverbindungen.
Leiterplatten sind heute meistens beidseitig bestückt, und die Packungsdichte nimmt zu. Es müssen also auch beide Seiten der Leiterplatte geprüft werden. Bei 2D-Röntgensystemen wird alles zwischen der Röntgenstrahlquelle und dem Detektor auf ein einziges 2D-Bild projiziert. Das System bzw. der Betrachter sieht gleichzeitig die überlagerten Bilder der Lötstellen und Bauteile auf beiden Seiten der Platte . Die Merkmale überlagern sich und das Bild kann von automatischen Systemen nicht analysiert werden. Auch der Mensch betrachtet gewöhnlich jede Seite unabhängig von der anderen, so dass diese 2D-Darstellung sehr verwirrend ist.
Es werden also Bilder benötigt, die zwischen den beiden Seiten der Leiterplatte unterscheiden und damit eine Prüfung der Lötstellen zulassen. Diese Bilder müssen auch für menschliche Betrachter sofort verständlich sein. 3D-Röntgentests, die Laminographie einsetzen, ermöglichen dies, indem sie sichtbare „Scheiben“ für die gewünschte Ebene der Analyse extrahieren, während gleichzeitig die Merkmale auf anderen Ebenen unsichtbar gemacht werden.
Bild 5 zeigt, dass die Merkmale auf der unteren Seite der Platte unscharf gemacht wurden, so dass die obere Seite analysiert werden kann. Das System verändert dann den Fokus und liefert ein klares Bild der unteren Seite der Platte, während gleichzeitig die obere Seite unscharf wird (Bild 6). Automatisierte 3D-Röntgeninspektion mit Laminographie ist heute in der PC-Industrie sehr beliebt. Sie deckt mehr als 90% aller Lötstellen mit der Fertigungsgeschwindigkeit vieler Fertigungsanlagen ab.
  • 3D-Röntgeninspektion bietet die höchste Abdeckung von Bauteilen und Fehlern. Sie eignet sich daher am besten für die Fehlereindämmung bei dicht gepackten, zweiseitig bestückten Leiterplatten, wie sie heute in der Industrie allgemein üblich sind. Sie erzeugt getrennte Röntgenbilder der beiden Leiterplattenseiten und analysiert diese Bilder automatisch. Sie liefert auch leicht verständliche Bilder der Fehler und erleichtert damit die Reparatur.
  • 3D-Röntgeninspektion entwickelt sich immer weiter. Heute können sie auch für neue Technologien wie BGAs, CCGAs und Pressfit-Stecker, die immer breitere Verwendung finden, eingesetzt werden. Die Systemgeschwindigkeit hat sich mit der Zeit um fast eine ganze Größenordnung erhöht. Eine vergleichbare Erhöhung hat allerdings in den letzten zehn Jahren auch bei den SMT-Fertigungsstraßen stattgefunden. Deshalb müssen Durchsatz und Fehlererkennung immer weiter verbessert werden, ein ständiges Anliegen aller Hersteller von 3D-Röntgensystemen.
Zusammenfassung
Die beschriebenen 3D-Techniken können wichtige Informationen wie Höhe, Volumen und Form von SMT-Bauteilen und -Strukturen sowie andere typische Merkmale liefern, die bei 2D-Systemen nicht unterschieden werden können. In allen Fällen wird durch 3D die Fehlerdarstellung signifikant verbessert, so dass dem Mitarbeiter bei der Reparatur die Entscheidung entschieden erleichtert wird. Bei zukünftigen AOI-Systemen werden diese Informationen auch quantitative Messungen der Verbindungsstellen und damit eine noch genauere Fehlererkennung ermöglichen. Bei SPI-Systemen erlauben wichtige 3D-Informationen aus SSM eine Fehlerbetrachtung einschließlich der Fähigkeit, das Bild zu rotieren. Dadurch kann der gesamte Lotauftrag analysiert werden. Bei Röntgensystemen ist es ohne 3D-Technik, die eine Trennung der Bilder verschiedener Leiterplattenebenen erlaubt, überhaupt nicht möglich, doppelseitige Leiterplatten zu prüfen.
3D-Techniken besitzen das Potenzial, einen Quantensprung in der Leistung neuer Mess- und Testgeräte zu bewirken. Dank ihrer vielfältigen Vorteile werden sie sich bei zukünftigen Prüfverfahren schnell durchsetzen.
EPP 455

Literaturnachweis:
[1] Fauber, K., S. Johnson, „2D Versus 3D Solder Paste Inspection“, 2003
[2] Abdollahi, M., „In-line, 3D solder paste inspection“, Dezember 2001
[3] „CBGA assembly user guide“, Mai 2002
[4] Johnson, S., „Realizing the Benefits of 3D Inline Solder Paste Inspection“. SMT Germany, August 2003
[5] Molamphy, T., „Six Case Studies Show More Defects Shipped Than Expected: What To Do About It“. Agilent Technologies, APEX 2002, Januar 2002.
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