Zerstörungsfreie Kontrolle komplexer Baugruppen in der Elektronikfertigung

Röntgenprüfung: Durchblick sichert Qualität

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Die Röntgeninspektion hat sich in der Elektronikfertigung dort bewährt, wo Lötverbindungen mit konventionellen optischen Verfahren nicht oder nur unzureichend kontrolliert werden können. EMS-Dienstleister bebro electronic GmbH setzt das Verfahren sowohl in der SMD- als auch der THT-Bestückung zur Prozessabsicherung ein. Aber auch Kunden selbst fordern die Kontrolle bei kritischen Bauteilen.

Kleiner, platzsparender und effizienter: Die Komplexität in der Elektrotechnik nimmt seit den 80er Jahren beständig zu. Der Druck, Bauteile leistungsfähiger und gleichzeitig kompakter zu fertigen, wirkt sich auch auf das Layout der Platinen aus, die in der Folge immer enger bestückt werden. Die eingehende Prüfung der Lötstellen durch einfache optische Verfahren ist deshalb in einigen Fällen erschwert, da die Verbindungen nicht oder nur teilweise sichtbar sind. Dennoch muss die Qualität kompromisslos gewährleistet sein.

Ein hoher Anspruch, denn mit fortschreitender Technisierung des Lebensumfelds steigt auch der Funktionsumfang eines jeden elektronischen Geräts – und damit auch die Anzahl benötigter Bauelemente und Lötverbindungen auf den zugehörigen Platinen. Insbesondere im Bereich der Hochleistungselektronik sind die Forderungen auf Kundenseite klar definiert: Sie erwarten eine konstant hohe Leistungsfähigkeit selbst unter rauen Umgebungsbedingungen. Fehlfunktionen dürfen nicht auftreten: Die Forderung nach Qualitätsmaßstäben von 0 ppm (parts per million) auf Baugruppenebene ist heute deshalb keine Utopie mehr, sondern Realität. Deutlich wird dies bei elektronischen Devices, die heute nahezu jeder Mensch nutzt. Moderne Smartphones etwa besitzen eine immense Zahl an Lötstellen. Bei 1.000 Einzelteilen, die im Mittel etwa 10 Lötstellen besitzen, ergeben sich somit 10.000 potenzielle Fehlerstellen. Ist nur eine davon gegeben, funktioniert unter Umständen das Telefon nicht – eine Flut von Nutzerreklamationen könnte die Folge sein, immense Image- und finanzielle Schäden für den Hersteller inklusive.

Sensoren als Erfolgsfaktor für Industrie 4.0

In Zeiten fortschreitender Digitalisierung in Industrie und Produktion gewinnen Sensoren auch in diesen Branchen mehr und mehr an Bedeutung. Um möglichst viele Daten einer Maschine zu sammeln, diese auszuwerten und zu Gunsten des Unternehmens nutzen zu können, bilden Sensoren eine wichtige Basis: Sie erfassen beispielsweise Bauteil- und Werkzeugpositionen, Betriebsdauer und Umgebungswerte. Je präziser diese Daten erhoben werden, umso genauer lassen sich Ausfallrisiken oder Instandhaltungsintervalle für die Maschinen bestimmen und gleichzeitig die Gefahr unerwünschter Ausfallzeiten minimieren. Die Effizienz steigt. Damit die Daten korrekt und zuverlässig erfasst werden, müssen die dafür erforderlichen Sensoren ebenso beständig und präzise arbeiten. Eine absolute Funktionsfähigkeit ist zu gewährleisten – die Güte der Lötstellen des Sensors ist dafür entscheidend. Um diese Qualität selbst bei enger Bestückung sicher zu gewährleisten, wird das Verfahren der Röntgeninspektion eingesetzt. Der EMS-Dienstleister nutzt das Verfahren stichprobenartig zur Prozessabsicherung – nach dem Bestücken oder bei kritischen Bauelementen, etwa dann, wenn der Verdacht auf Produktfälschungen vorliegt. Es wird aber auch auf Kundenwunsch zur durchgängigen Auftragskontrolle eingesetzt.

Hochauflösendes Verfahren sichert Qualität

Die Röntgentechnologie baut auf dem Prinzip der Durchstrahltechnik auf. Die Strahlung wird von den einzelnen Bauelementen mehr oder weniger stark absorbiert, wodurch ein Bild entsteht. Die Herausforderung besteht hierbei in Materialien wie Blei, die die Strahlen komplett absorbieren – das Bild wird an dieser Stelle schwarz, alle Bauteile, die davor oder dahinter liegen, sind nicht mehr sichtbar. Die bloße Draufsicht lässt außerdem nicht immer einen klaren Rückschluss auf die Funktionstüchtigkeit von Bauelementen zu. Somit ist es in beiden Fällen unablässig, die Platinen aus verschiedenen Winkeln betrachten zu können, um die Produktionsqualität zu sichern. Das bei bebro eingesetzte Gerät lässt die Betrachtung bis zu einem Winkel von 75 Grad zu. Hinzu kommen unterschiedliche Anforderungen und Aufgabenstellungen für die Kontrolle von Lötverbindungen bei SMD- und THT-Bestückungen, die ein detailliertes, hochauflösendes Bildgebungsverfahren voraussetzen. Auch diesen Anforderungen wird das Unternehmen gerecht: Die Röntgenröhre erkennt Details bis zu 0,5 beziehungsweise 0,2 µm.

SMD-Bestückung: Röntgentechnik für BGA und Vakuumlöten

In der ein- und doppelseitigen Surface-mounted-Device (SMD)- Bestückung ist das Röntgenverfahren überall dort sinnvoll, wo Lötverbindungen nicht mehr sichtbar sind: etwa bei BGAs, bei denen die Anschlüsse kompakt auf der Unterseite des Bauelements liegen. Auch beim Vakuumlöten, dem lunkerfreien Löten von Bauteilen auf Direct-Copper-Bonded (DCB)-Substraten, ist das Verfahren eine etablierte Maßnahme zur Qualitätssicherung. Lunker, die den tolerierten prozentualen Anteil der Lötfläche überschreiten, lassen sich damit absolut sicher identifizieren. Dieses Verfahren nutzt bebro bei Kundenaufträgen, um Platinen im ersten Schritt der Produktion grundlegend zu überprüfen. Stimmt der maximale Lunker-Anteil, geht der Auftrag in Produktion und wird stichprobenartig überprüft.

Röntgentechnik in der THT-Bestückung

Die Through-Hole-Technology (THT) stellt an den Lötvorgang andere Anforderungen, da Bauteile und Komponenten mittels Durchstecktechnik auf den Leiterplatten bestückt werden. Beim Löten ist die Befüllung der Durchkontaktierung entscheidend für die dauerhafte Funktion der Verbindung. Unterschreitet sie einen prozentualen Grenzwert, ist das Risiko einer Fehlfunktion zu hoch: Der Füllgrad muss deshalb mindestens 75 % betragen. Von außen betrachtet ist es jedoch unmöglich, die Qualität der einzelnen Lötstellen sicher zu beurteilen, da der Füllgrad weder in der Aufsicht der Leiterplatten, noch beim Blick von unten ersichtlich ist. Deshalb ist die Qualitätsprüfung mit Hilfe des Röntgenverfahrens angezeigt: Mit Hilfe verschiedener Neigungswinkel lässt sich genau beurteilen, ob die erforderlichen Kriterien erfüllt sind oder ob die Platine ausgemustert wird. Denn ein Nachlöten der unzureichend ausgefüllten Kontaktierungen ist technisch nur schwer möglich und aus Zeit- und Qualitätsgründen ineffizient.

Entwickler von Sensoren profitieren

Prozesssicherheit und Zuverlässigkeit sind die ausschlaggebenden Faktoren, die die Röntgentechnik als qualitätssicherndes Verfahren in der Produktion von Sensoren prädestinieren. Speziell in der Maschinensteuerung und -überwachung ist absolute Verlässlichkeit ein ausschlaggebendes Wettbewerbskriterium. Trotz steigender Kompaktheit und immer kleinerer Abmessungen der Sensoren ist es mit dem Röntgenverfahren möglich, die Qualität der Lötstellen systematisch zu prüfen, damit moderne Verfahren und Prozesse der digitalisierten Industrie mit echtem Mehrwert eingesetzt werden können.

www.bebro.de


Über bebro electronic

Seit knapp 50 Jahren bietet die bebro electronic GmbH Dienstleistungen rund um elektronische und mechatronische Baugruppen, Geräte und Systeme an. Das Spektrum reicht von der Entwicklung über das Prototyping bis hin zur Fertigung mittlerer Losgrößen und dem After-Sales-Service. In enger Zusammenarbeit mit Kunden und Partnern entwickelt der EMS-Dienstleister Hightech-Lösungen in verschiedenen Bereichen, etwa in der Industrieelektronik, Energietechnik, Automobil- und Medizintechnik, ATEX und E-Mobility. Das Unternehmen mit Stammsitz in Frickenhausen gehört der Magenwirth Technologies Group an und beschäftigt europaweit mehr als 500 Mitarbeiter.

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