Kombination aus 2D- und 3D-Verfahren für ein Maximum an Fehlererkennung

THT-Selektivlötstellenkontrolle in der nächsten Dimension

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Trotz zunehmender Miniaturisierung der elektronischen Bauteile wird immer noch ein großer Anteil an THT-Bauteilen (Through-Hole Technology) verwendet. Nach dem SMD-Lötprozess werden typischerweise die großvolumigen THT-Bauteile bestückt und verlötet. Die dazu verwendeten unterschiedlichen Lötverfahren haben ihre Vor- bzw. Nachteile. Allen gemein ist, dass auch hier die typischen Lötfehler auftreten können: zu wenig oder zu viel Lötzinn, unvollständiger Anfluss, Lotperlen und viele mehr. In Anlehnung an die IPC 610, welche die visuellen Abnahmekriterien für qualitätsgerechte Lötverbindungen beschreibt, werden Prüfeinrichtungen zur optischen Kontrolle dieser Lötstellen eingesetzt. Sie sind zur Sicherstellung einer gleichbleibenden Qualität essentiell.

Holger Senftleben, Göpel electronic GmbH

Gerade die Prüfung von THT-Lötstellen stellt dabei besondere Anforderungen an das Prüfsystem. So können sich die Inspektionsbereiche an teilweise verdeckten oder bereits vormontiert in Gehäusen befinden. Dadurch ist der Einsatz eines Standard-AOI oft nicht möglich und kundenspezifische Anpassungen sind notwendig. Neue Verfahren zur Prüfung verbessern die Qualitätskontrolle kontinuierlich. Am Beispiel eines Integrationsmoduls zur Selektivlötstellenkontrolle geht dieser Artikel der Frage nach, wie 3D-Verfahren diese Verbesserungen erreichen können.

2D-Verfahren

Die aktuell eingesetzten Systeme zur Kontrolle von THT -Selektivlötstellen basieren fast ausschließlich auf 2D-Verfahren. Zur IPC-konformen Prüfung nutzen diese Verfahren Lichtreflexionen, welche durch die Gestalt der Lötstelle erzeugt werden. Durch die Verwendung einer geeigneten Anordnung von Beleuchtung und Kamera können sehr unterschiedliche Reflexionsvarianten erzeugt werden. Die Beleuchtung ist so konzipiert, dass der zu prüfende Bereich mit unterschiedlichen Farben beleuchtet wird. Zudem spielt die Anordnung der Beleuchtung eine wichtige Rolle, um eine Erkennung von Fehlern zu vereinfachen bzw. erst zu ermöglichen. Die Beleuchtungen lassen sich in die folgenden Arten unterteilen: Koaxialbeleuchtung, Topbeleuchtung und Schräglicht

Gerade diese Vielfalt ermöglicht die Erkennung unterschiedlicher Fehler. Ebenfalls kann durch die Anordnung einer oder mehrerer Kameras eine weitere Erhöhung der Variantenvielfalt erzielt werden. Die Hauptkamera erfasst den Inspektionsbereich lotrecht. Durch Verwendung von Kameras, welche unter einem definierten Winkel diesen Bereich ebenfalls erfassen, können verschiedene Betrachtungswinkel realisiert werden, welche wiederum das Spektrum der Kontrolle erweitern. So ist es zum Beispiel möglich, durch einen Schrägblick bestimmte Bereiche aus einer anderen Perspektive zu betrachten oder sogar teilweise verdeckte Bereiche zu inspizieren.

Die für diese Inspektionen eingesetzte Beleuchtungs- und Kameratechnik ist besonders wartungsarm. Ein zeitlich langer Einsatz ist dadurch möglich. Diesen 2D-Verfahren ist gemein, dass nur sekundäre Merkmale ausgewertet werden, das heißt: es werden nur die Reflexionen, also eine Abbildung des Fehlers, betrachtet. Diese stellen sich durch typische Helligkeitsverläufe und -verteilungen dar. Trotzdem setzt die Erkennung dieser Fehler voraus, dass Beleuchtung und Kamera optimal aufeinander eingestellt sind, dass die korrekte Beleuchtungsart verwendet wird und die verwendete Prüffunktion entsprechend konfiguriert ist. Verschiedene andere Faktoren beeinflussen die Prüfung ebenfalls. So hat die Menge an Flussmittel, welche prozessbedingt notwendig ist, einen großen Einfluss auf die prinzipielle Sichtbarkeit der Lötstelle und somit auch auf die Prüfbarkeit. Ebenfalls spielt die Farbe des Basismaterials eine Rolle bei der Kontrastierung, also Sichtbarmachung von Merkmalen. Die folgenden Bilder zeigen typische Fehler und deren Abbildung mit einem 2D-System.

3D-Verfahren

Die eingesetzten 2D-Verfahren lieferten schon gute bis sehr gute Ergebnisse. Mit 3D ergeben sich neue Möglichkeiten durch verfügbare Daten einer weiteren Dimension, der Höhe. Dadurch können Werte wie zum Beispiel das Lotvolumenprofil, Lotbenetzung und Pinhöhe ermittelt werden. Damit gibt es einen erheblichen Mehrwert bei der Kontrolle von THT Lötstellen. Die erfassten Messwerte liefern ein exakteres Abbild der Lötstelle und liegen damit näher am der IPC 610.

Typische Beschränkungen, zum Beispiel die Inspektion in Bauteilschluchten, sind nicht relevant, da prozessbedingt diese Lötstellen frei zugänglich sind. Andere Einflüsse wie stark reflektierende Oberflächen oder Verschmutzungen durch übermäßiges Flussmittel haben aber dennoch Einwirkung. Zur Prüfung der einzelnen Lötstellen werden Schnittebenen festgelegt, anhand derer die Bewertung erfolgt. Eine Gut/Schlecht Aussage kann mit den damit ermittelten Werten getroffen werden.

Die Prüfung der Lötstellen soll konform zur Richtlinie IPC 610 realisiert werden und darüber hinaus automatisch erfolgen. Nur in seltenen Fällen ist der Einsatz eines Standard AOI sinnvoll und möglich. Das hängt einerseits mit den Kosten zusammen, andererseits können komplexe Geometrien oder bereits vormontierte Produkte den Einsatz verhindern. Somit besteht der optimale Weg zur Realisierung einer optischen Inspektion von Selektivlötstellen darin, ein Inspektionsmodul direkt in die Lötzelle, in die Peripherie der Lötanlage oder gar als eigene Prüfzelle in die Linie zu integrieren. Genau für diesen Anwendungsfall bietet Göpel electronic ein technologisch ausgereiftes und flexibel adaptierbares Inspektionsmodul an. Dieses kann an unterschiedliche Gegebenheiten und Prüflinge angepasst werden. So lässt es sich zusätzlich zu den Standardkomponenten mit einer oder mehreren Kameras für einen Schrägblick ausrüsten. Ebenfalls kann der Kamerakopf drehbar realisiert werden, um die Inspektionsmöglichkeiten zu erweitern.

Eine solche Integrationslösung wurde zusammen mit der Firma Eutect umgesetzt. Das Modul zur Inspektion der Lötstellen ist mit zwei schräg angeordneten Kameras ausgerüstet. Zur Erweiterung der Möglichkeiten ist der Kopf drehbar ausgeführt und kann in einem Bereich von ± 180° gedreht werden.

Die Integration in eine eigene Zelle innerhalb der Fertigungslinie bietet eigene Vorteile. So kann der mechanische Zellenaufbau einfach sein, eine Abschirmung von Umgebungseinflüssen wie Fremdlicht ist sehr gut möglich und der Transfer des Prüflings erfolgt durch das bereits vorhandene Transportsystem.

Mit den Gut/Schlecht-Aussagen über Lötstellen enden die Möglichkeiten des optischen Inspektionssystems von Göpel electronic aber noch nicht. Angebunden an eine Datenbank können die ermittelten Informationen wie Bilder und Messwerte jeder geprüften Lötstelle gespeichert werden. Diese sind danach zur weiteren Verarbeitung verfügbar. So kann ein separater Reparaturplatz diese Daten anzeigen und Nutzer bei der Nachkontrolle bzw. Reparatur unterstützen. Ebenfalls ist bei langfristiger Speicherung eine Nachverfolgbarkeit der gelöteten Bauteile gegeben.

Durch die gespeicherten Daten ist ebenfalls eine statistische Auswertung über konfigurierbare Parameter, wie zum Beispiel Zeit, Lötstelle oder Prüfparameter, möglich.

Fazit

Die Nutzung der 3D-Verfahren zusätzlich zu den vorhandenen 2D-Verfahren bringt enorme Vorteile. Die nun hinzukommenden Parameter ermöglichen eine qualitativ bessere Beurteilung von Selektivlötstellen. Damit bietet die Kombination aus 2D- und 3D-Verfahren das Maximum an Fehlererkennung. Als Anbieter von Integrationsmodulen verfügt das Unternehmen über langjährige Erfahrungen in der Prüfung von THT-Lötstellen.

productronica, Stand A1-235; A2-506

www.goepel.com


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