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Vorausschauen beim Schablonendruck

DEKs 2Di-System inspiziert Leiterplatten und Schablone
Vorausschauen beim Schablonendruck

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Maschinenintegrierte Inspektionssysteme für Schablonendrucker werden allgemein als wünschenswert angesehen. Mit ihnen ist es möglich, die Tendenz des Prozesses zu beurteilen und rechtzeitig das Verlassen des Toleranzbereichs zu erkennen. In der Regel untersuchen solche Inspektionssysteme die bedruckte Leiterplatte, um die Lotpaste in zwei Dimensionen zu verifizieren. DEK, Hersteller von Schablonendruckern, hat den Prozeß analysiert und aufgrund der definierten Anforderungen die 2Di-Inspektions-Technologie entwickelt.

David Hughes, für DEK Printing Machines, Bad Vilbel

Die integrierte Inspektion beim Schablonendruck kann die Qualität der Baugruppen steigern. Ziel ist es, durch präzise aufgebrachte Lotdepots optimale Lötverbindungen zu erzeugen. Bei einem konventionellen System, das die Paste auf dem Pad inspiziert, kann der Prozeß angehalten werden, wenn die Pastenmenge akzeptable Grenzwerte überschreitet. Die Produktivität wird optimiert, indem fehlbedruckte Leiterplatten aus dem weiteren Prozeß ausgeschleust werden.
Die Anwendung dieses Verfahrens schließt jedoch ein, daß im Fehlerfall bereits meist einige wenige Leiterplatten schlecht bedruckt sind. Zwar kann die Lotpaste wieder entfernt und die Leiterplatten dem Schablonendrucker erneut zugeführt werden, doch wirkt sich dies auf die Produktivität aus. Obwohl das Inspektionssystem den Fehler korrekt identifiziert, gibt es, abgesehen von den Erfahrungen des Bedieners, nur selten einen Hinweis auf die Fehlerursache.
Abgesehen von einer Fehlausrichtung zwischen Schablone und Leiterplatte, die durch das Kamerasystem der Maschine leicht zu korrigieren ist, ergab sich bei der Prozeßanalyse, daß Fehler beim Schablonendruck in der Regel durch zu wenig oder zu viel Paste auf dem Pad hervorgerufen werden. In beiden Fällen schaut der Bediener zunächst auf die Schablone. Im ersten Fall wird nach einer eventuellen Blockierung der Durchbrüche geschaut, und im zweiten Fall sucht man nach einer Verschmierung der Unterseite, die zu einer überhöhter Pastenmenge führt.
Was soll ein Inspektionssystem leisten?
Benötigt wird also ein Inspektionssystem, das potentielle Fehldrucke bereits vor dem eigentlichen Druck verhindert. Ergebnis der Überlegungen ist das 2Di-Konzept, das erstens die Leiterplatte inspiziert, um die Vollständigkeit des Druckes sowie eine mögliche Brückenbildung zu erkennen, und das zweitens die Schablone prüft, um verschlossene Durchbrüche zu identifizieren. Für das Inspektionssystem wurden ein kontrastreiches Beleuchtungssystems sowie eine leistungsfähige Software für zusätzliche Sichtfunktionen der Kamera konstruiert. Außerdem liefert das System umfangreiche Inspektionsdaten für die Prozeßkontrolle.
Das Inspektionssystem verfügt über folgende Prüffunktionen:
• Vollständigkeit des Druckes
• Ausrichtung des Druckbildes
• Brückenbildung zwischen Pads
• Blockierte Aperturen der Schablone
• Verschmierungen an der Unterseite
der Schablone
Das System reagiert bei vollständiger oder auch teilweiser Blockierung der Aperturen. Es löst entweder automatisch einen Schablonenreinigungszyklus üblicherweise mit Vakuum aus oder meldet Alarm. Ein Grund, neben der Automatik einen Modus für eine Bediener-Entscheidung beizubehalten, liegt darin begründet, daß nicht jede Verschmierung das Ergebnis des nächsten Drucks beeinträchtigt.
Das Bedienpersonal wird seine Entscheidungen zusätzlich von weiteren Faktoren abhängig machen, wie beispielsweise von den Pasteneigenschaften, von der Zeit seit dem letzten Druck sowie dem prozentualen Anteil der Pad-Blockierungen und Verschmierungen. Absolute Sicherheit bietet allerdings nur das automatisch durchgeführte Reinigen der Schablone, denn nur so kann sichergestellt werden, daß sie immer im idealen Zustand ist. Eine automatische Reinigung der Schablone in festgelegten Zyklen hat sich in der Praxis bestens bewährt. Beta-Tests am 2Di-System zeigten schnell, daß die Reinheit der Schablone in direktem Zusammenhang zur Qualität des Druckergebnisses steht.
Die Erfahrungen haben auch gezeigt, daß die Inspektion nicht über die gesamte Leiterplatte erfolgen muß. Lediglich kritische Bereiche wie Fine-Pitch-Pads und Mikro-BGA-Verbindungen erfodern eine intensive Kontrolle. Die Arbeit in der Praxis machte auch deutlich, daß Probleme mit blockierten Aperturen eher im Fine-Pitch-Bereich auftreten. Verschmierungen an der Unterseite sind dagegen ein Problem von Bereichen, wo Brückenbildungen bei dicht nebeneinander liegenden Pads zu Kurzschlüssen führen können.
Die Druckqualität wird üblicherweise so verifiziert, daß nach dem Druck die Leiterplatte auf Pastenflecken in diesen empfindlichen Bereichen inspiziert wird. Meist kann das Bedienpersonal mit dieser Methode gut leben. Sie kommt jedoch einen Schritt zu spät, wenn ein Fehler gefunden wird, dann muß die Leiterplatte ausgemustert werden. Nun bedeutet aber der Zusammenhang zwischen Reinheit der Schablone und Druckqualität, daß das 2Di-System nicht zur Prüfung der Leiterplatte eingesetzt werden muß. Ist der Prozeß unter Kontrolle, liefert allein die Schabloneninspektion schon eine zuverlässige Aussage.
Die technischen Daten
Das bedeutet auch, daß das 2Di-System als leistungsfähiges Tool zum Einrichten und Überwachen des Prozesses eingesetzt werden kann. Wie bei allen Inspektionssystemen kann die Prüfprozedur bei schnellaufenden Produktionsanlagen den Durchsatz beeinträchtigen. Die Möglichkeit, hier das System abzuschalten, erweist sich als Vorteil.
Das 2Di-System arbeitet mit aktiven Fenstern von 4 x 4 mm, die zusammen mit der Platinendatei (das Programm, das alle Druckparameter einer Leiterplatte enthält) abgespeichert werden. Bei Bedarf lassen sich über zweihundert Bereiche definieren. Üblicherweise handelt es sich dabei um die schwierigen Regionen auf einer Leiterplatte, wie beispielsweise Fine-Pitch-Bereiche. Die Schablonenaperturen dienen jedem dieser Bereiche als Basis, denn sie bestimmen die Menge an Lotpaste, die auf jedes Pad aufgebracht werden muß. Sind die Aperturen einmal erfaßt, dann werden die vom Kamerasystem der Maschine aufgenommenen Abbildungen den Abbildungen der entsprechenden Pads auf der Leiterplatte überlagert und das Verhältnis analysiert (die Schablonenaperturen sind typischerweise kleiner als die Pad-Abmessungen). Danach ist im System hinterlegt, welcher Prozentsatz von Paste auf einem Pad einem optimalen Druck entspricht.
Dann werden Toleranzgrenzen bestimmt und auf die einzelnen „gelernten“ Segmente angewendet. So wird definiert, wie der Drucker während des Inspektionszyklusses beim Eintreten von zwei Aktions-ebenen – der Warn- und der Alarmschwelle – reagieren soll.
Eine automatische Reinigung kann dabei durch eine der folgenden drei Zustände ausgelöst werden:
• Die Pastenverschmierung an der Schablonenunterseite erreicht einen Grenzwert
• Die Blockierung von Schablonenaperturen erreicht einen Grenzwert
• Pastenbrücken auf der Leiterplatte erreichen einen Grenzwert.
Auch der automatische Pastenspender kann – wenn der Drucker damit ausgestattet ist – bei ungenügender Pastenmenge auf den Pads vom 2Di-System ausgelöst werden.
Die Beleuchtungstechnik ist ein kritischer Teil des Systems. Nur ein robustes und zuverlässiges Kamerasystem liefert zuverlässige Daten. Eine Herausforderung stellen dabei die unterschiedlichen Oberflächen dar, die das System zu analysieren hat. HAL-Oberflächen beispielsweise zeichnen sich durch sehr unebene und variable Oberflächenkonturen und ein sehr ungleichmäßiges Reflexionsverhalten aus. Deshalb entwickelte DEK ein besonderes flach beleuchtendes System, das auch die schwierigsten Oberflächen sowie Referenzmarken und Pads gleichmäßig ausleuchtet, um eine optimale Justierung und Inspektion zu erlauben.
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