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Exakte Messdaten durch Inspektionssysteme

Erhöhte Sicherheits- und Qualitätsansprüche im E-Mobility-Markt
Exakte Messdaten durch Inspektionssysteme von Viscom

Die Elektromobilität erfordert anspruchsvollere Qualitätsprüfungen von Elektronikbaugruppen. Eine Klassifikation nach Gut- und Schlechtteilen reicht nicht mehr aus. Viscom baut seine Inspektionstechnologien dafür weiter aus und liefert mehr exakte Messwerte, damit die Fertigungsprozesse noch weiter optimiert werden können.

Mit der Elektromobilität steigen die Anforderungen an die Langlebigkeit und Sicherheit von Elektronikbaugruppen. Hier steht insbesondere die Stabilität der Lötstellen im Fokus. Qualitätsprüfungen gemäß der DIN 1319 ermöglichen die Gut-/Schlecht-Klassifikation eines Prüfobjekts. Es wird festgestellt, ob die Merkmalswerte innerhalb der festgelegten Grenzwerte (Toleranzen) liegen. Bei der Beurteilung von Gaseinschlüssen (Voids) in Flächenlötungen, Füllgraden von THT-Lötstellen, den Höhen- und Positionswerten oder bei der Bauteilausrichtung reichen die Qualitätsprüfungen allerdings nicht aus. Erst genaue Messwerte zeigen, wie gut die IPC-Richtlinien oder die eigenen Vorgaben eingehalten werden. Ähnliches gilt für den tatsächlichen Abstand von Anoden und Kathoden bei Lithium-Ionen-Batterien. Auch hier sind exakte Messwerte gefragt.

Durch exakte Messwerte werden Prozesstrends und Streuungen sichtbar. So kann besser ermittelt werden, wo der Fertigungsprozess nachjustiert und verbessert werden muss. Es können Änderungen umgesetzt werden, bevor Fehler entstehen. Das Ziel: AOI- und Röntgenprüfungen liefern kontinuierlich Informationen zurück an Pastendrucker und Bestücker. Die Fertigungssysteme regulieren sich selbst und die Prozesse werden laufend optimiert. Die Voraussetzungen dafür sind allerdings sehr hoch: Eine höhere Messauflösung und Genauigkeit, eine größere Datenrate und die schnelle Messung und Datenübermittlung an Inlinesysteme.

Messdaten für die Voidprüfung von Lötstellen

Große Hohlräume in Lötstellen, sogenannte Voids, können die Lebensdauer von Produkten wesentlich verkürzen. Voids reduzieren die thermische und die mechanische Belastbarkeit der Lötstellen (Temperaturzyklen, Scherfestigkeit). Das betrifft neben Leistungsbauteilen und LEDs auch BGAs, QFNs, Transistoren, und generell THT-Bauteile. Voids werden durch unterschiedliche, interagierende Faktoren verursacht, wie Verschmutzungen, Auswahl der Lotpaste, Schmelzverhalten, Temperaturprofil im Lötofen, Auswahl vom Flussmittel usw.

Mit der automatischen optischen Inspektion (AOI) werden Voids nicht erkannt. Auch bei elektrischen Funktionsprüfungen kann das Testergebnis fehlerfrei sein, obwohl die Lötverbindung durch Voids nicht temperaturstabil und die Produktsicherheit gefährdet ist. Erst eine Röntgenprüfung zeigt die Lage und Verteilung von Gaseinschlüssen. Dabei bieten die 2D-, 2.5D- und die 3D-Röntgeninspektion unterschiedliche Prüfmöglichkeiten.

  • 2D-Röntgeninspektion: Hier fällt der Röntgenstrahl senkrecht auf die zu bewertende Lötstelle und liefert eine direkte Bestimmung der Voidgrößen. Die Vorteile des Verfahrens liegen in der sehr schnellen Inspektion bei einer geringen Strahlenbelastung der Bauteile. Einschränkungen ergeben sich insbesondere bei Abschattungen durch absorbierendes Material auf der Unterseite der Leiterplatte.
  • 2.5D-Röntgeninspektion: Hier werden die Bilder der zu bewertenden Lötstelle schräg zur Leiterplatte aufgenommen. Die Vorteile: Die Prüfposition wird so gewählt, dass sie abschattungsfrei ist. Die Inspektion ist sehr schnell und die Bauteile unterliegen nur einer geringen Strahlenbelastung.
  • 3D-Röntgeninspektion: Hier werden 2.5D-Bilder in einer Ebene unter verschiedenen Winkeln aufgenommen (Tomosynthese / planare Computer Tomografie). Je mehr Bilder aufgenommen werden, desto höher ist die Qualität der 3D-Schichtaufnahmen. Die Vorteile: Die Auflösung ist sehr hoch und die Prüfpositionen sind abschattungsfrei. Allerdings steigt die Inspektionszeit mit der Zahl der Bildaufnahmen. Dabei wird auch die Strahlenbelastung der Bauteile erhöht.
  • Best-Mix aus AXI 2/2.5/3D: Durch die Kombination der Technologien kann die Prüfleistung und die Prüfabdeckung der Röntgeninspektion gezielt optimiert werden.

Inspektionssysteme wie das 3D-AOXI-Prüfsystem X7056-II ermöglichen die kombinierte automatische optische und automatische Röntgen-Prüfung von Lötstellen. Die kombinierte AOXI-Lösung aus Röntgen (AXI) und optischer Kontrolle (AOI) optimiert die Prüfabdeckung und Geschwindigkeit bei einer geringeren Bauteil-Strahlendosis und ist somit die effektivste Inspektionslösung.

Bessere und schnellere Messtechnik für die Inline-Inspektion

Damit die Ergebnisse aus der Röntgeninspektion den Qualitätsanforderungen entsprechen und für die Prozessverbesserung genutzt werden können, müssen sie mehrere Voraussetzungen erfüllen. Die Messwerte müssen wiederholgenau und reproduzierbar sein (Maschinenübertragbarkeit), sie müssen eine hinreichend gute Messauflösung besitzen und überprüfbar sein (Kalibrat). Die Eignung des Messsystems wird durch eine Messsystemanalyse (MSA) am zertifizierten Kalibrat nachgewiesen.

Viscom konnte bei der Messgenauigkeit und Geschwindigkeit deutliche Fortschritte erzielen. Die eingesetzten Flat-Panel-Detektoren (FPD) liefern um den Faktor 3,2 stabilere Messwerte als die früheren analogen Bildverstärker. Außerdem war eine umfassende 3D-Röntgeninspektion bisher zu langsam für eine Inline-Prozesskontrolle. Die aktuellen Auswerterechner nutzen neben dem Hauptprozessor (CPU) auch den Grafikprozessor (GPU), um Rechenaufgaben zu parallelisieren und so erheblich zu beschleunigen. Die Fortschritte ermöglichen vollautomatische Inline-Röntgensysteme mit kürzeren Belichtungszeiten und schnelleren Auswertungen auch bei hochwertigen 3D-Inspektionen.

Eine größere Sensorauflösung ermöglicht zudem feinere Abtastraten. So wird in der 3D-Inspektion eine sehr hohe Auflösung von bis zu 6 µm erreicht. Durch verbesserte Algorithmen können die Bilddaten im Pixel- und zusätzlich auch im Subpixelbereich analysiert werden. Dabei sorgen die Algorithmen dafür, dass mögliche Störsignale ausgeblendet und die Messsignale sauber ausgewertet werden können. Durch die verbesserte Algorithmik verringert sich auch der Aufwand für die Programmierung von Röntgeninspektionen nochmals deutlich. Die Grenz- und Toleranzwerte lassen sich dadurch deutlich einfacher einstellen. Regelmäßige Grauwertabgleiche und Korrekturen sichern überdies eine bessere Reproduzierbarkeit ab. Außerdem ist der FPD-Detektor über ein verschleißfreies X/Y-Achssystem beweglich, sodass dreidimensionale Auswertungen in verschiedenen Qualitäts- und Durchsatzstufen möglich sind.

Verbesserte Messdaten aus der 3D-AOI

Auch bei der automatischen optischen Inspektion übernehmen 2D- und 3D-Verfahren unterschiedliche Messaufgaben. Neben der Bewertung von Lötstellen ist die exakte Erfassung der Bauteilausrichtung ein zunehmend wichtiges Einsatzfeld. Bei den immer kleiner werdenden LEDs, die heute verstärkt in Leuchten und Scheinwerfern von Fahrzeugen verbaut werden, gelten minimale Verkippungen schon als Fehler.

  • 2D-AOI-Verfahren eignen sich für die Messung von Versatz (nach IPC Class 3) und Verdrehungen.
  • 3D-AOI-Verfahren eignen sich für die vereinfachte Bauteilkörperfindung (z. B. dunkle Bauteile), messen von Versatz (nach IPC Class 3), Verdrehungen, Bauteilhöhe, Bauteil-Verkippung, Koplanarität, Höhe von Einzelpins, Taumelkreis, Lotvolumina und Lotprofil. 3D-Verfahren erreichen eine X/Y-Auflösung von 10 µm und eine Z-Auflösung von 1 µm. Auch hier können die Bilddaten mithilfe verbesserter Algorithmen zusätzlich auch im Subpixelbereich analysiert werden.
  • 2D/3D-AOI-Verfahren: Durch eine Merkmalskombination lassen sich die Mess- und Prüfergebnisse weiter optimieren.

Die AOI-Systeme erreichen eine ähnlich hohe Genauigkeit wie spezielle Messmikroskope, ermöglichen dies aber in einer für Inlinesysteme erforderlichen Geschwindigkeit. Der Einzug der 3D-Technologie in die automatische optische Drahtbondinspektion ermöglicht dank der zusätzlichen Höheninformationen auch exaktere Messergebnisse.

www.viscom.com

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