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3-2015

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Fachzeitschrift für Elektronik-Produktion

Qualitätssicherung

Qualitätssicherung Qualitätssicherung in der Elektronikfertigung Qualitätssicherung wird immer bedeutsamer und damit leider auch teurer. Ohne den „großen Überblick” findet man keine optimale Lösung. Wir stellen darum hier die grundlegenden Aufgaben und Methoden zur Qualitätssicherung bei der Elektronikproduktion vor. Montagekonzepte, Prüfverfahren, Mikroskopie, beschleunigte Alterungsprüfung, Vibrations- und Schockprüfung, Leiterplatteninspektion, digitale Bildverarbeitung, optische und elektrische Messungen, Röntgenprüfverfahren, In-Circuit- Test, Funktionstest, Emulation, Boundary Scan oder EMV-Prüfung – das sind nur einige der Grundbegriffe des modernen Qualitätsmanagements. Nicht erst seit heute beginnt die Qualitätssicherung schon lange vor Die Norm IPC-A-610D Der amerikanische Fachverband IPC hat 2005 die Norm IPC-A-610 Acceptability of Electronics Assemblies völlig überarbeitet und mit Bleifrei-Aspekten versehen. Beschrieben werden die visuellen Abnahmekriterien für qualitätsgerechte Lötverbindungen und Baugruppen. Wertvoll machen das Dokument Übersetzungen und viele Fotos, Prinzipdarstellungen, mikroskopische Aufnahmen und Schliffdarstellungen sowie Parametertabellen. Daher wird die Norm zunehmend weltweit eingesetzt. Bezüglich bleifreier Prozesse kommt ihr eine besondere Bedeutung zu. Diese „Bilderbuch-Norm” im Vielfarbendruck hat nunmehr fast 400 Seiten. IPC-A-610D ist das Nachschlage- und Referenzwerk für die Qualitätssicherung in der Baugruppenfertigung. der Prüfung fertiger Baugruppen. Denn nur ein optimales Leiterplattenlayout ermöglicht eine optimale Bestückung und somit die bestmögliche Funktionssicherheit. Die Funktionstests erfolgen nach verbindlichen Parametern oft über den gesamten Produktionsprozess. Warum wächst die Bedeutung der Qualitätssicherung? Hauptsächlich aus drei Gründen: weil Elektronikprodukte immer komplexer werden, weil die Miniaturisierung noch voranschreitet und weil immer höhere Frequenzen und Datenraten immer anspruchsvollere Verbindungen verlangen. Testverfahren im Überblick Da es viele Fehlermöglichkeiten gibt, mussten auch viele Testverfahren entwickelt werden (s. Kästen). Prinzipiell unterscheidet man zwischen der optischen Sichtkontrolle/ Inspektion und elektrischen/ elektronischen Testverfahren. Am einfachsten ist die manuelle Sichtkontrolle (MOI). In der heutigen vollautomatisierten Fertigung setzt man sie allerdings aus Zeit- und (Lohn-)Kostengründen meist nur stichprobenartig ein. Fest etabliert ist sie als Nachkontrolle der bei einem Inspektionsautomaten durchgefallenen Baugruppen. Der stärkste Trumpf der manuellen Kontrolle: Nur sie allein bewältigt die vollständige Lötstellenanalyse gemäß IPC (s. Kasten). Die automatische optische Inspektion (AOI) schaltet menschliche Schwächen aus und ermöglicht ein zügiges Vorgehen. AOI meint Systeme, die mittels Bildverarbeitung Fehler finden und melden. Diese Vision- Systeme sind in der gesamten industriellen Produktion anzutreffen, im Elektronikbereich beispielsweise bei Leiterplattenherstellung, Baugruppen- und Geräteproduktion. Zur Bildaufnahme eignen sich Scanner oder Kameras. Ein Scanner muss nur einmal über eine Leiterplatte fahren. Kameras haben einen begrenzten Sichtbereich und werden darum mittels XY-Verfahreinheit über die Leiterplatte bewegt, wobei ein Programm bestimmt, wohin sich der Schlitten bewegt und wann Bilder gemacht werden. Eingegeben werden die CAD-Daten der Platine, damit die Maschine weiß, an welcher Position sich welches Bauteil befinden muss und damit sie die Bauteile erkennt. Kamerasysteme gibt es in drei Grundstrukturen: • eine Kamera, die von oben auf die Platine schaut • mehrere Kameras, die alle von oben auf die Platine gerichtet sind • Systeme mit zusätzlichen schräg angebrachten Kameras Bei Stand-alone-Geräten wird eine Leiterplatte von Hand eingeführt und nach der Inspektion wieder entnommen, bei Inline- Systemen transportiert die Leiterplatten ein Förderband. Die automatische Röntgeninspektion (Automated X-Ray Inspection, AXI) ist eine spezielle Spielart der AOI und dient der Kontrolle bestückter Leiterplatten. Hier werden auch innere Bauteilstrukturen sichtbar. Das macht immer dann Sinn, wenn die Verbindungen zur Leiterplatte optisch nicht vollständig erfassbar sind, wie bei einigen Chipgehäusen. Die AXI kann aber auch offene Verbindungen, Kurzschlüsse, ungenügende Lötmenge, zu viel Lot, fehlende Teile, verdrehte Bauteile etc. auf- 6 3/2015

Qualitätssicherung Schrägblick durch ein Mikroskop mit Winkeloptik auf ein Chip-Bauelement (Quelle: Goepel) Das Prinzip der AOI (Quelle: Axiomtec) decken. Auch Röntgenbilder lassen sich automatisch auswerten. Elektrische/elektronische Tests checken die elektrischen Parameter einer Baugruppe oder Platine. Dazu sind Kontaktierungen erforderlich. Der Anschluss der Messeingänge bewirkt grundsätzlich einen Messfehler, was jedoch speziell bei der Qualitätssicherung nicht stören muss, da es hier genügt, die Einhaltung einer Vorgabe zu prüfen. Dies ermöglicht einfacheres Equipment als bei Labormessungen. Die Palette dieser Testverfahren ist sehr groß, und die Verfahren unterscheiden sich teilweise enorm. Die wohl bekanntesten Verfahren sind: • In-Circuit-Test • Boundary-Scan-Test • Flying-Probe-Test • Funktionstest Die direkte AOI Die AOI überzeugt vor allem durch ihre Schnelligkeit bzw. die gut mögliche lückenlose Kontrolle aller Baugruppen. Darüber hinaus eröffnet sie viele Testmöglichkeiten und ist auch hilfreich bei der Optimierung des Produktionsprozesses. Alles was verdeckt ist, entzieht sich jedoch ihrem Blick. Auch daher bleibt ungewiss, ob die Baugruppe tatsächlich sicher funktioniert. Künstliche Beleuchtung ist hier unausweichlich. Je nach System wird Direktlicht von oben oder indirekte Beleuchtung von der Seite eingesetzt, teils verschiedenfarbig. Moderne Geräte nutzen LEDs. 3/2015 Die Bilder werden daraufhin untersucht, ob das abgebildete Bauteil ordnungsgemäß bestückt und gelötet wurde. Beim Bitmap-Vergleich werden die aktuellen Bilder mit Bildern von guten Bauteilen verglichen. Beim Vektorvergleich wird versucht, das Bauteil anhand von Hell-Dunkel-Übergängen zu lokalisieren. Dieser Vergleich informiert über einen eventuellen Versatz oder eine Verdrehung und lässt sich auch für die Pins anwenden. Zur Lötstellenkontrolle dienen hingegen Grauwertanalysen: In einem Fenster am Ende des Pins wird der mittlere Grauwert der Lötstelle gemessen. Einsatzmöglichkeiten der 3D-Röntgeninspektion • Inline-Fertigung • doppelseitig bestückte Baugruppen • qualitative Inspektion aller Lötstellen • Prüfung auf Bauteilanwesenheit, Versatz, Kurzschlüsse • Vermessung von Lufteinschlüssen in unterschiedlichen Schichten • Prüfung komplexer Baugruppen mit überlagerten Lötebenen und Kühlkörpern • Bestimmung des Zinndurchstiegs in THT-Lötstellen 3D-Röntgeninspektion im Linientakt Prinzipbedingt benötigt man für die 3D-Rekonstruktion einer Leiterplatte viele Schrägdurchstrahlungen. Dies beschränkt die Inspektionsgeschwindigkeit kategorisch. Nicht so beim Röntgeninspektionssystem Opti- Con X-Line 3D der Göpel Electronic GmbH. Hier ermöglicht die neuartige Giga- Pixel-Technologie eine vollständige 3D-Röntgeninspektion auf der gesamten Baugruppe mit bis zu 40 cm 2 /s. Was steckt dahinter? Kernstück dieser Technologie ist ein schnelles und hochsensitives Detektormodul, welches eine simultane Erfassung von Bildaufnahmen aus verschiedenen Richtungen ermöglicht. Ein Röntgenbildverstärker ermöglicht die Bilderfassung aus neun Richtungen bei einer Datenrate von bis zu 40 Gigapixeln pro Sekunde. Das Rekonstruktionsverfahren liefert bis zu 48 Megapixel pro Sekunde. So gelingt es, durch Parallelisierung und neuste Hardwaretechnologien, die Datenflut zu bändigen. Die AOI-Systeme werden in der Elektronikproduktion nach folgenden Fertigungsschritten eingesetzt: • Lotpastendruck bei SMT • Bestückkontrolle beim Reflow- SMT-Löten • Lötstellenkontrolle beim Reflow-SMT-Löten • Bestückkontrolle beim Wellenlöt- oder Selektivlötprozess Röntgenbild einer Platine (Quelle: SecretDisc/Wiki) 7

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