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1-2019

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Fachzeitschrift für Elektronik-Produktion - Fertigungstechnik, Materialien und Qualitätsmanagement

Qualitätssicherung/Messtechnik Das Für und Wider der 3D-Inspektion Ob Automatische Optische Inspektion (AOI), Automatische Röntgeninspektion (Automated X-Ray Inspection, AXI) oder Lotpasteninspektion (Soldering Paste Inspection, SPI) – die Anforderungen an Prüfverfahren werden größer, die Entwicklung geht weiter. Wie ist hier die 3D-Inspektion einzuordnen? Ein prüfender Blick. Auf der electronica 2018 stellte Viscom sein breites Produktportfolio im 3D-Bereich vor Die wichtigsten optischen Testverfahren sind Automatische Optische Inspektion (AOI) und X-Ray (Röntgeninspektion). Sie dienen u.a. der Lage- und Verbindungsüberprüfung und der Schliffbildanalyse. Und hier spielt auch die 3D-Inpektion die größte Rolle. Ein weiteres Verfahren, das sie erobert hat, ist die Lotpasteninspektion (SPI). In jedem Bereich entfaltet sie Vorteile, bringt aber auch neue Herausforderungen und Problemstellungen, die beachtet und gelöst werden müssen. Die 3D-Darstellung wird meist aus 2D-Bildern generiert (rückgerechnet), wobei die 2D- Bilder mit einer Höhenmessung gekoppelt werden. Hierbei sind verschiedene Technologien im Einsatz, die z.B. auf folgende Arten vorgehen: • Übertragen des gesamten 3D-Modells • Übertraten eines 2D-Bildes mit zusätzlichen Tiefeninformationen (2,5D) • Übertragen von mindestens zwei Ansichten des Bildes Hinzu kommen verschiedene mögliche Verfahren für das Abtasten von Oberflächen. Die nun möglichen Kombinationen von messtechnischen Möglichkeiten haben besonders Cha- Impression von der 3D-Bondinspektion (Bildquelle: Viscom) rakteristika, es gibt leider keinen Favoriten. Die Qualität der 3D-Rückrechnung und damit des Gesamtergebnisses hängt von einigen Einflussfaktoren ab: • Anzahl der verschiedenen Schrägdurchstrahlungen • Winkelabweichung aus der Senkrechten • gewählte Vergrößerung bzw. effektive Pixelauflösung auf dem Bildwandler • Art des Bildwandlers • Anzahl und Größe der Bildwandler • Typ des Rückrechnungsverfahrens Checkt man diese Faktoren etwas näher, so wird klar, dass der Preis für eine hohe Qualität des Gesamtergebnisses (d.h. viele Ansichten in hoher Auflösung) ein geringe Prüfgeschwindigkeit ist. Das kommt ganz einfach daher, dass 3D locker beispielsweise das 30-fache an Daten in der gleichen Zeit produziert wie 2D. Dieser Nachteil lässt sich einzig und allein durch die Steigerung des technischen Aufwands kompensieren. Dabei spielen die Bildwandler die entscheidende Rolle. Hier gibt es mehrere Grundkonzepte: • analoge Bildverstärker Diese haben ein Eingangsfenster, in dem die Röntgenstrahlung nach der Durchstrahlung der Baugruppe auftritt. Auf dem Ausgangsfenster erscheint nach der Bildwandlung das Röntgenbild. Von dort muss es durch eine Kamera dem Analyserechner zugeführt werden. Diese Bildwandler haben sich u.a. deswegen bei 3D-Röntgensystemen nicht bewährt. • Flatpanel-Detektoren Diese glänzen durch eine sehr hohe Bildqualität und liefern selbst bereits ein digitales Bildsignal. Sie sind in verschiedenen Größen (Pixelzahl) erhältlich, mit der Pixelzahl steigt allerdings der Preis. Ein paralleler Einsatz zur Erzeugung der verschiedenen Ansichten ist technologisch eher schwierig. Stattdessen ist eine flexible Auslenkung des Detektors aus der Senkrechten sinnvoll. Je nach Größe der Auslenkung ist es möglich, auch größere Schrägwinkel zu realisieren. Durch eine höhere Anzahl der verwendeten Auslenkungen/Positionen des Detektors lässt sich die Qualität der 3D-Rückrechnung deutlich steigern, allerdings um den „Preis“ eines höheren Zeitbedarfs für die Bildaufnahme. • TDI-Röntgenzeilenkameras (Time Delay Integration) Diese liefern eine verbesserte Bildqualität bei einer sehr hohen Datenrate. Das TDI-Prinzip ermöglicht eine kompakte Bauweise, sodass sich leicht mehrerer dieser Kameras parallel betreiben lassen. So gelingt es besonders leicht, größere Flächen in kurzer Zeit für eine 3D-Rückrechnung zu erfassen. „Bei der Programmerstellung lässt sich die zeitaufwendige 3D-Inspektion auf diejenigen Bauteile beschränken, bei denen das wirklich notwendig ist.“ [1] Die AOI ist schnell und schaltet menschliche Schwächen aus. Sie nutzt Systeme, die mittels Bildverarbeitung Fehler finden und melden. Diese Vision-Systeme sind in der gesamten industriellen Produktion anzutreffen (z.B. 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 programmgesteuert über die Leiterplatte bewegt. 14 1/2019

Qualitätssicherung/Messtechnik Mit dem von Keyence entwickelten präzisen D.F.D.-2.0-Verfahren werden anhand von vielen Bildern, die aus unterschiedlichen Höhen aufgenommen wurden, kleine Änderungen in der Textur analysiert. Dadurch erhalten Anwender immer vollständig fokussierte Bilder und exakte 3D-Aufnahmen. Dank der Tiefenzusammensetzung wird jedes Mal automatisch ein gesamtscharfes Bild erzeugt, wenn sich der Betrachtungsort ändert (Bildquelle: Keyence) Oft genügt eine Kamera, die von oben auf die Platine schaut, aber auch mehrere Kameras, die alle von oben auf die Platine gerichtet sind und als Systeme mit zusätzlichen schräg angebrachten Kameras zusammenarbeiten, sind üblich. 1/2019 3D-AOI-Systeme werden etwa für die Körperfindung von SOT-Bauelementen eingesetzt. Hierbei ergibt sich gegenüber einfacheren Verfahren der Vorteil, dass dies stabiler funktioniert und sich die Pseudofehlerrate reduziert. Es gibt heute eine erhebliche Gehäusevielfalt, die Unterschiede sind oft minimal. Hier punktet 3D. Auch Menisken lassen sich mit 3D-AOI vorteilhaft erfassen. Dabei ist die Crux, ob der geprüfte Meniskus wirklich IPC-konform ist. Weiter kommt die 3D-Ansicht bei der Koplanaritätsprüfung bei verdeckten Lötstellen und Subleiterplatten vorteilhaft zum Einsatz. Aber Achtung: Nimmt man die Streifenlicht- oder Phasenshift- Technologie zu Hilfe, so entstehen neue physikalische Probleme. Insbesondere bei Reflexionen und Abschattungen reichen die Informationen für ein korrektes Hochrechnen der 2D-Bilder auf 3D nicht aus. Die dann unausweichliche Interpolierung (Annäherung, Glättung) kann dann bei sehr kleinen Strukturen einen Okay-Zustand vorgaukeln, obwohl beispielsweise eine schlechte Lötverbindung oder ein Abheber vorhanden sind. Oder Lötstellen, die es gar nicht gibt, werden hinzugerechnet. „Die Möglichkeit, aus mehreren zweidimensionalen Durchstrahlungen des Prüfobjekts aussagekräftige Volumeninfomationen und daraus Einzelschichten zu berechnen, ist der wichtigste Vorteil der 3D-Technologie beim Röntgen elektronischer Baugruppen.“ [1] Aktuelle Produktbeispiele belegen die Fortschritte bei der 3D-AOI. So ist der neuste Trumpf aus dem Hause Omron (Japan) das AOI-System Continent S730H, welches einen Meilenstein setzt, indem es mehrere 2D- und 3D-Technologien kombiniert. Dadurch sind keine zusätzlichen Aufwendungen nötig, wodurch die oben genannten messtechnischen Unsicherheiten Das AOI-System Continent S730H von Omron sticht hervor, weil es mehrere 2D- und 3D-Technologien kombiniert (Bildquelle: ATEcare) eliminiert werden. Den eigentlichen Vorteil bringt ein komplett neuentwickelter AOI-Kopf. Oder das Standalone-AOI-System Basic Line von Göpel erhielt ein neues 3D-Kameramodul. Dadurch sind 3D-Messung und 2D-Inspektion auch für SMD-Fertiger kleiner Losgrößen kostengünstig einsetzbar. Das Kameramodul 3D·ViewZ kombiniert eine auf strukturiertem Licht basierende 3D-Messtechnik mit Schrägblickinspektion. Beides ist in 360°-Schritten möglich, was maximale Fehlererkennung auch bei schwer einzusehenden Situationen ermöglicht. Das 3D-AOI-System S3088 ultra gold von Viscom zur Bauteil-, Bestückungs- und Lötstellenkontrolle hat sich als Premiumsystem mit herausragender Prüftiefe und rasanter Prüfgeschwindigkeit etabliert. Ermöglicht wird die besondere Performance durch die innovative Kameratechnologie: Mit dem ultraschnellen Kameramodul XMplus stehen als Ergebnis der dreidimensionalen Messung leicht zu interpretierende Höhenund Positionswerte zur Verfügung. Für die Beurteilung einer Lötstelle werden mehrere Höhenprofile am Lotmeniskus mit einer sehr guten Auflösung von 10 µm vermessen. Die seitlich geneigten Kameras sorgen für eine 360°-Rundumsicht aus allen acht Richtungen auf Bauteile und deren Lötstellen. Realitätsgetreue Prüfbilder in Kombination mit zuverlässigster Verifikationssoftware gewährleisten geringste Pseudofehler. Die AXI ist eigentlich nur eine Variante der AOI zur 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. aufdecken. Eine Hauptanwendung ist die Kontrolle verdeckter Lötstellen. Die AXI sollte jedoch im Interesse der Prüfgeschwindigkeit immer als Ergänzung der AOI gesehen, also mit Bedacht eingesetzt werden. Man unterscheidet zwischen 2D-, 2,5D- und 3D-Röntgeninspektion. 15

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