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5-2021

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Fachzeitschrift für Industrielle Automation, Mess-, Steuer- und Regeltechnik

Qualitätssicherung

Qualitätssicherung AOI-optimiertes Design für miniaturisierte Steckverbinder Kooperation von ept und Viscom Automatische optische Systeme wie die S3088 ultra gold von Viscom können u.a. sehr sicher erkennen, ob Steckverbinder wie der Zero8 einwandfrei positioniert und gelötet sind. Bild: © Viscom Um herauszufinden, welches Kontaktdesign sich optimal für die automatische optische Inspektion (AOI) anbietet, haben die ept GmbH und die Viscom AG bei der Entwicklung eines neuen Steckverbinders zusammengearbeitet. Die Einhaltung der daraus resultierenden Vorgaben vereinfacht nicht nur den Inspektionsvorgang, sondern es können auch die Fertigungskosten erheblich gesenkt werden. Die Entwicklung hin zur Integrated Industry vereint immer mehr die Schlagworte Leistungsdichte und Kompaktheit in sich. Kleine Raster von 0,5 mm und 0,8 mm gewinnen in der Leiterplattenfertigung zunehmend an Bedeutung. Durch diesen Trend werden Elektronikbaugruppen im Steuerungs-, Maschinenund Sondermaschinenbau immer kleiner. Auch die Steckverbinderhersteller reagieren und entwickeln immer kompaktere Produkte. Trotz der angestrebten Miniaturisierung müssen diese weiterhin einfach zu verarbeiten und zu bedienen sein. Bei SMT-Steckverbindern stellt sich außerdem die Herausforderung des akkuraten Lötens und der perfekten Meniskusbildung, um eine qualitativ hochwertige Schaltung zu erzielen. Prozesssichere Kontrolle der Produktqualität Es kann jedoch immer passieren, dass beim Bestücken durch den Bestückungsautomaten oder beim anschließenden Lötprozess Fehler auftreten. Diese äußern sich beispielsweise als fehlende oder falsch bestückte Bauteile. Weitere Fehler können verdrehte oder versetzte Bauteile, nicht oder unzureichend gelötete Bauteilanschlüsse (Pins) oder Kurzschlüsse und Verunreinigungen zwischen den Pins sein. Hier kommt die automatische optische Inspektion ins Spiel. Sie dient der Kontrolle bei Leerleiterplatten, Keramiksubstraten, Pastendruck, Bestückungsvorgängen und der Überwachung bei Verlötungen. Die AOI-Systeme helfen auch dabei, die technische Sauberkeit zu überprüfen. Oberstes Ziel ist die Fehlererkennung im Sinne der Qualitätssicherung und Rückverfolgbarkeit nach der Norm IPC-A-610 des amerikanischen Fachverbandes IPC. Sie beinhaltet eine Zusammenstellung von Abnahmekriterien für die visuelle Inspektion elektronischer Baugruppen. Die IPC-Organisation veröffentlicht Industriestandards und Kriterien zur Bewertung verschiedener Bauelemente im Bereich der Elektro- und Elektronikindustrie. So definiert sie auch, welche Anforderungen an Leiterplatten, Chipgehäuse und das Löten in der Elektronik gestellt werden. Höchste Anforderungen an Funktion und Leistung Die IPC-A-610 hat sich mittlerweile zum Weltstandard ent wickelt, weshalb auch Steckverbinderhersteller dazu angehalten sind, ihre Produkte daran im Sinne der Produktqualitätsoptimierung und -zuverlässigkeit auszulegen. So ist der neue SMT-Steckverbinder Zero8 von ept unter Berücksichtigung der Toleranzkettenbetrachtung für die höchste Klasse 3 gemäß IPC-A-610 Ausgabe G ausgelegt. Die IPC-Klasse 3 steht für Hochleistungselektronik, bei der Ausfälle ausgeschlossen sein müssen. Produkte, die in diese Klasse eingeordnet werden, müssen kontinuierlich eine hohe Leistungs- und Funktionssicherheit gewährleisten sowie eine ununterbrochene Leistungsbereitstellung ermöglichen. Autoren: Olaf Szarlan, Marketing Viscom AG www.viscom.com/de/ Irina Lew, Marketing ept GmbH www.ept.de Aus orthogonaler und geneigter Perspektive ermöglichen Reflektionen die sichere automatisierte Beurteilung der Meniskusbildung. Alle weiteren Bilder: © ept GmbH 26 PC & Industrie 5/2021

Qualitätssicherung Wenn die Fußlänge L weniger als drei Anschlussbreiten W beträgt, ist die minimale Länge der Lötstelle an der Seite D gleich L Damit bei der neuen Steckverbinderfamilie Zero8 sichergestellt ist, dass im Rahmen der vollautomatisierten Baugruppenfertigung eine optimale Prüfung erfolgt, hat ept bei der Entwicklung dieses neuen Steckverbinders mit dem Inspektionssystem-Hersteller Viscom zusammengearbeitet. Die automatische optische Inspektion wird bei SMT- Lötverfahren mit immer kleineren Strukturen, engeren Pitch-Abständen und nah aneinander liegenden Lötpads eingesetzt, denn mit bloßem Auge lassen sich die Lötstellen nicht mehr kontrollieren. Die Bildverarbeitungsanlagen helfen mit großer Präzision und hoher Geschwindigkeit, die vorgeschriebenen essentiellen Parameter zu überprüfen. Aufwand und Ergebnis sind dabei stark vom Kontaktdesign des jeweiligen SMT- Steckverbinders abhängig. Um eine automatische optische Inspektion zu erleichtern, sollten deswegen definierte Designrichtlinien beachtet werden. Farblicher Kontrast und andere relevante Eigenschaften Die Kontaktdesign-Entwicklung bedeutet anfangs einen einmaligen Mehraufwand. Dieser zahlt sich jedoch später aus, da Programmierzeiten reduziert, Pseudo fehler minimiert und die Fehlerdetektionen verbessert werden. Unter der Überschrift „Simultaneous Engineering“ definierten Viscom und ept eine Reihe von Testobjekten. In Zusammenarbeit legten die Produkt- und Vorentwicklung von ept sowie die Entwicklungsingenieure von Viscom fest, wie die Isolierkörperkontur sowie die Farbe der Kontakte und des Isolierkörpers auszusehen haben, um optimal für die AOI-Überprüfung angepasst zu sein. Der farbliche Kontrast zwischen Isolierkörper und Kontakten sollte besonders groß sein, um den Kameras eine deutliche Unterscheidung zwischen beiden Bauteilen zu ermöglichen. Genauso wurden unter diesem Aspekt die Bauteilhöhe, der Abstand zwischen Lötpad und Kontakt sowie die Kontaktlänge ent wickelt. Es folgte eine erste Fertigung von Testplatinen, die daraufhin ausgiebig in den Viscom-Systemen getestet und bewertet wurde. Im nächsten Schritt wurden die Einfluss parameter der AOI- Anlagen definiert: Der Winkelverlauf vom Lötmeniskus wurde in einem Farbverlauf für die Bewertung der Lötstelle reflektiert. AOI-fähige Steckverbinder Anhand der Reflektion unter unterschiedlichen Beleuchtungswinkeln lassen sich die Meniskusbildung sowie die Kurzschluss- und die Verunreinigungsprüfung automatisiert beurteilen. Diese Erkenntnis ist in den finalen Entwicklungsstand des Zero8 eingeflossen und wurde auf orthogonale und geneigte optische Inspektionen ausgelegt. „Die Anforderungsdefinition für die AOI-Fähigkeit für Steckverbinder ist nur mit einem Hersteller der AOI-Systeme möglich. Eine klassische Anforderungsanalyse beim Endkunden ist nicht ausreichend, um alle Parameter festlegen zu können.“, erklärt Martin Adamczyk, Produktmanager bei ept. Im Weiteren durchleuchtete Viscom zur Prozessabsicherung die Stecker in der Entwicklungsphase noch zusätzlich mit einem AXI-System. Hier lag der Fokus in der Absicherung, dass die optisch sichtbaren Lötmenisken mit den röntgen technisch erkannten Menisken äquivalent sind. Ergebnisse der gemeinsamen Arbeit Um eine möglichst hohe AOI- und Prozesssicherheit zu gewährleisten, musste die Baugröße des Steckers auf ein definiertes Maß festgelegt werden. Die Vorentwicklung bei ept und die Produktentwicklung von Viscom achteten darauf, dass bei diesem Verhältnis ein guter Kompromiss zwischen Miniaturisierung und Prozesssicherheit entsteht: Der Zero8 wurde deswegen auf ein Rastermaß von 0,8 mm definiert. Mit dieser Rastermaßgröße ist eine einwandfreie automatisierte optische Inspektion der Lötstellen möglich. Außerdem ergab die Testreihe, dass sich Isolierkörper in Schwarz, bestückt mit silbernen Kontakten, am besten für die automatisierte optische Inspektion eignen. Die AOI-Validierung wurde mit dem Viscom-System S3088 ultra und dessen leistungsstarker XM- Sensorik durchgeführt. Optimiertes Kontaktdesign Neben Isolierkörperkontur sowie Farbe der Kontakte und des Isolierkörpers wurde in Zusammenarbeit auch das Kontaktdesign des Zero8 hinsichtlich seiner Funktionalität optimiert. Herausgekommen ist eine neuartige Verbindungstechnologie namens ScaleX, die durch eine doppel seitige Kontaktierung eine robuste, dauerhafte High-Speed- Datenübertragung von bis zu 16 Gbit/s ermöglicht, auch unter schwierigen Bedingungen wie Schock und Vibration. Um High-Speed-Signale im industriellen Umfeld störungsfrei über tragen zu können, wurde außerdem ein beidseitiges Schirmkonzept für den Zero8 angelegt. Der Name ScaleX verrät überdies ein weiteres Merkmal: Scale steht in diesem Sinne für eine variabel skalierbare Steckverbinderfamilie, die sich Kunden in der Art der Leiterplattenverbindung (parallel, rechtwinklig oder horizontal), Pinanzahl (12 bis 80 Pins) und Bauhöhe (6 bis 20 mm Leiterplattenabstand) selbst zusammenstellen können. Weitere Einflussgrößen im späteren Fertigungsprozess Bei diesem neuen Produkt ist damit auf der gefertigten Baugruppe eine sehr hohe Fehlererkennbarkeit gewährleistet. „Wir haben uns sehr darüber gefreut, ept beratend zu unterstützen. Diese Kooperation Der ungeschirmte Zero8: Ein schwarzer Isolierkörper und silberne Kontakte eignen sich ideal für eine automatische optische Inspektion PC & Industrie 5/2021 27

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