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Interview: 3D-AOI - Messen statt inspizieren

Foto JensKokottGÖPEL electronic GmbH bietet verschiedene Lösungen für den Test von elektronischen Baugruppen an, darunter auch Systeme für die automatische optische Inspektion (AOI). Für diese hat das Unternehmen eine völlig neue Technologie entwickelt, die eine Layout-unabhängig 3D-Vermessung erlaubt. Wir sprachen darüber mit Jens Kokott, Bereichsleiter für AOI-Systeme bei GÖPEL electronic.

 

 

AaT: Wie wichtig ist eine Höhenmessung bei der optischen Inspektion von elektronischen Baugruppen und wofür wird diese hauptsächlich eingesetzt?

Jens Kokott: Die Forderung nach Vermessung der dritten Dimension entstand schon recht früh nach der Etablierung der ersten AOI-Systeme im Elektronik-Fertigungsprozess. Die Messaufgaben bestanden vorrangig in der punktuellen Höhenbestimmung z. B. an BGAs oder an Steckverbindern. Das Ziel war bzw. ist es hierbei, durch die Vermessung der Koplanarität der Bauteile zur Leiterplatte Fehler im Lötprozess zu erkennen. Korrekte Höhenwerte sind dabei zwar keine 100%-ige Garantie für die Fehlerfreiheit; erhöhen aber trotzdem die Fehlerabdeckung der gesamten Baugruppe. Somit können dadurch typische Defekte wie aufgeschwommene Bauteile im Wellenlötprozess oder abgeworfene Bauteile unterhalb eines BGAs sicher erkannt werden.

Mit den Möglichkeiten der direkten 3D-Topografie-Erfassung (wie sie z. B. in der Lotpasteninspektion eingesetzt wird) ergeben sich natürlich weitere interessante Möglichkeiten. Während mit den herkömmlichen AOI-Systemen die Qualität der Lötstelle anhand von Sekundärmerkmalen (Beleuchtungsreflexen) ermittelt wird, können mit messenden 3D-Verfahren auch Lotvolumen und Höhe bzw. Fläche der Benetzung bestimmt werden. Zum einen ist man mit diesem Verfahren wieder ein Stück näher an den Vorgaben der IPC-A-610, zum anderen kann man damit auch mehr über die mechanische Belastbarkeit einer Lötstelle aussagen. Natürlich lassen sich mit einem 3D-Messverfahren auch Fehler wie „Lifted Lead“ und „Tombstone“ sicher detektieren, allerdings ist die Erkennungsqualität der meisten herkömmlichen AOI-Systeme hinsichtlich dieses Fehlertyps auch schon sehr hoch.

AaT: Welche Technologien zur Höhenmessung gibt es und wie unterscheiden sich diese z. B. hinsichtlich der Einsatzmöglichkeiten sowie der Vor- und Nachteile im Vergleich zu dem neuen Verfahren von Göpel?

Jens Kokott: Der Begriff „3D“ hat ja ursprünglich im Multimediabereich seine Popularität erlangt und ist nun aber auch in zahlreichen anderen Bereichen weit verbreitet. In Bezug auf die Prüfung von elektronischen Baugruppen gibt es jedoch eine enorme Bandbreite von dem was man als „3D“ bezeichnet und somit ist es in jedem Fall empfehlenswert, das jeweilige Verfahren und dessen erzielbare Ergebnisse genau zu hinterfragen. Prinzipiell kann man dabei zwischen interpretativen und messenden Verfahren unterscheiden.

Die interpretativen Verfahren bringen zwar mögliche Höhen- oder Winkelinformationen; allerdings kann man von ihnen keine Messwerte erwarten. Bei diesen Technologien kommen z. B. farbige Beleuchtungen aus unterschiedlichen Richtungen oder Schrägblick-Kameras mit entsprechender Auswertung zum Einsatz.

Als Basis für eine Vielzahl der messenden Verfahren ist die Triangulation in Kombination mit strukturiertem Licht weit verbreitet. Geometrisch gesehen bilden somit die Lichtquelle, die Kamera und das Objekt ein Dreieck, wodurch auf Grundlage der entsprechenden Formeln die Position im Raum eindeutig bestimmt werden kann. Aber hiermit wird auch ein entscheidender Nachteil des Verfahrens deutlich: Es muss immer die „freie Sicht“ aus zwei unterschiedlichen Winkeln auf das Objekt vorhanden sein. Dadurch ergeben sich Einschränkungen in der Nutzung des Verfahrens zwischen hohen Bauteilen bzw. bei sehr dichter Bestückung. So kann es sich z. B. ergeben, dass Lötstellen oder Bauteile „im Schatten“ anderer Komponenten (z. B. Steckverbinder) liegen und eine Messung nicht möglich ist.

Um diesen nicht zu verachtenden Nachteil zu umgehen, hat GÖPEL electronic ein Verfahren entwickelt, bei welchem sowohl Projektion als auch Bildaufnahme telezentrisch erfolgen. Neben den dadurch eliminierten Nachteilen der Triangulation ergeben sich damit bisher ungeahnte weitere Möglichkeiten der Prüfung: so besteht mit dieser Technologie die Möglichkeit, direkt in Durchkontaktierungen im Leiterplattenmaterial „hineinzumessen“, um z. B. die Tiefe von Einpressstiften zu ermitteln. Ein weiterer Einsatzfall ist die Messung des Füllgrads von Pin-in-Paste- (THR-) Lötstellen.
Solche Anwendungen waren bisher nur einigen wenigen Röntgen-Inspektionssystemen vorbehalten, wodurch sich ein natürlich ein nicht zu verachtender Kostenfaktor für die Qualitätssicherung ergibt.

AaT: Wie funktioniert die neue 3D-Vermessung?

Jens Kokott: Zur Ermittlung von Höheninformationen kann man neben geometrischen Informationen aus aufgenommen Kamerabildern (entsprechend der eben erwähnten Triangulation) ebenso auch andere physikalische Größen heranziehen. Beispielsweise eignet sich das Spektrum des sichtbaren Lichtes in Kombination mit optischen Elementen dazu, um eine Entfernungsinformation zu der jeweiligen Position auf dem Objekt zu erhalten. Wir nutzen somit gezielt die Wellenlänge des Lichtes als Maßverkörperung für die Höhenermittlung des Prüflings. In dem von uns entwickelten Messmodul „3D∙EyeZ“ verwenden wir ein Array von telezentrischen Spots, um eine flächige Topographie-Bestimmung vorzunehmen. Im gleichen Strahlengang erfolgt auch die Bildaufnahme dieses Arrays auf dem zu messenden Objekt. Zur Steigerung der lateralen Auflösung ist zusätzlich ein Scanvorgang für eine hohe Messwertdichte in x- und y-Richtung möglich. Aus dieser Herangehensweise ergibt sich auch der Name unserer Technologie: „Telecentric Multi-Spot Array“ (TMSA).

An dieser Stelle lohnt sich eine genauere Betrachtung dieses besonderen Verfahrens: Es sind mit dieser Technologie sowohl Messungen bei extremer Bestückungsdichte und –höhe als auch in Bohrungen möglich. Hinsichtlich Auflösung liegen wir hierbei im µm-Bereich, was selbst für die Messung kleinster Lotvolumina vollkommen ausreichend ist. Auch die Messgeschwindigkeit kann sich sehen lassen: mit bis zu 70 cm²/s ist das Verfahren schneller als manches AOI-System.

AaT: Ab wann und in welcher Form ist die neueTechnologie erhältlich?

Jens Kokott: Innerhalb des Entwicklungsprojektes des Messmoduls „3D∙EyeZ“ stehen wir momentan kurz vor der Serienreife. Aktuell führen wir die typischen Tests hinsichtlich Umgebungsbedingungen und sonstigen Belastungen durch. Wir sind optimistisch, in Kürze auch diese letzte Phase positiv abzuschließen. Parallel dazu steht bereits die Serienfertigung in den Startlöchern, und es wurden alle Vorkehrungen für eine schnelle Markteinführung getroffen.

AaT: In welchen Systemen wirddie neueTechnologie verfügbar sein? Ist diese in bestehende Systeme nachrüstbar und mit anderen Verfahren kombinierbar?

Jens Kokott: Es steht wohl außer Frage, eine maximale Fehlererkennung ist nur durch die Kombination von mehreren Inspektions- und Testverfahren möglich. GÖPEL electronic bietet dazu eine große Bandbreite von elektrischen, optischen und röntgenbasierenden Prüfverfahren auch für höchste Qualitätsansprüche an.

Gleichermaßen sehen wir unser neues Messmodul „3D∙EyeZ“ als einen zusätzlichen Baustein für die sinnvolle Ergänzung bestehender Inspektionsverfahren. Es kann mit den von GÖPEL electronic bekannten AOI-Technologien wie dem drehbaren Schrägblickmodul „Chameleon“ und der orthogonalen Inspektion mit Multispektralbeleuchtung kombiniert werden. „3D∙EyeZ“ steht sowohl für Inline- als auch für Stand-alone-AOI-Systeme zur Verfügung, wodurch der Anwender aus einer 3D-Serie das passende System für seinen Fertigungsprozess auswählen kann. Auch die Nachrüstung des 3D-Messmoduls ist möglich: Mit der Option „3D ready“ kann das Modul zu einem späteren Zeitpunkt beim Anwender vor Ort zusätzlich integriert werden.

AaT: Vielen Dank für das Gespräch!

Das Interview führte Herbert Hönle.

www.goepel.com/