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2-2020

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Fachzeitschrift für Elektronik-Produktion - Fertigungstechnik, Materialien und Qualitätsmanagement

Qualitätssicherung

Qualitätssicherung AOI-Systeme mit Framegrabbern und FPGA-Applet Leiterplatteninspektion mit höherer Geschwindigkeit und Genauigkeit erlauben die AOI-Systeme der Firma Delvitech aus der Schweiz. Der Framegrabber microEnable 5 marathon VCX-QP mit vier Ports (Bild: Silicon Software) Autor: Martin Cassel Marketing Silicon Software GmbH https://silicon.software Zur Vermeidung von Prozessfehlern bei der Herstellung von elektronischen Leiterplatten sowie den Ertrag zu erhöhen und die Kosten zu senken, bietet Delvitech Automatische Optische Inspektion (AOI). Optischer Kopf auf höchstem Niveau Kernelement dieser Systeme ist ein optischer Kopf bestehend aus fünf Kameras und verschiedenen seitlich angeordneten Beleuchtungen. Das Unternehmen hat kürzlich ein neues Upgrade für den optischen Kopf für seine am Markt installierten AOI-Systeme entwickelt, mit leistungsstärkeren Kameras und Framegrabbern – und profitiert nun von einer stärkeren Nachfrage, bietet deutlich bessere Lösungen an mit höherer Geschwindigkeit, verbesserter Genauigkeit und größerer Flexibilität. Für den optischen Kopf benötigte Delvitech neue Kameras, da die vorhandenen hinter der gewünschten hohen Bildqualität zurückblieben. Die Kameras sollten eine höhere Auflösung erreichen, über passende Schnittstellen zu den neuen Framegrabbern verfügen und mindestens 30 Bilder pro Sekunde aufnehmen. Für die Skalierbarkeit des Systems war die Austauschbarkeit von Kameras und Framegrabbern eine wichtige Anforderung, und zwar unabhängig von der Kameraschnittstelle und ohne die eigenentwickelte Bildverarbeitungssoftware zu ändern. Im optischen Kopf sind eine Kamera oben und vier seitlich angeordnete Kameras zusammen mit 240 Xenon-Lichtquellen, vier RGB-LEDs und einem speziellen Sensor verbaut. Für die obere Kamera wurde anstelle der 4 MP auflösenden bisherigen Kamera die monochrome CMOS-Flächenkamera von SVS- Vistek mit 25 MP Sensor und CoaX- Press-Schnittstelle ausgewählt. Für die Seitenkameras kommen nun vier monochrome Camera Link Basler Ace CMOS-Flächenkameras mit 4 MP Auflösung bei 180 Bildern pro Sekunde zum Einsatz anstelle der bisherigen analogen Kameras. Die obere Kamera verfügt über einen größeren Sensor, sodass feine Merkmale besser aufgelöst werden oder das gleiche Leistungsniveau bei einem höheren Durchsatz beibehalten werden kann. Durch die ebenfalls größeren Sensoren der Seitenkameras werden Diskrepanzen in der Auflösung zwischen allen Kameras verringert. Die ausgewählten Kameras sind so dimensioniert, dass sie unterhalb ihrer möglichen Leistungsfähigkeit laufen, und erlauben daher, die Leistung des Systems zu einem späteren Zeitpunkt auszubauen. Skalierbarkeit und große Flexibilität Nachteil der bislang eingesetzten Framegrabber war, dass sie sich nur für spezielle Kameras eigneten und inkompatibel mit den neuen ausgewählten Hochleistungskameras, den vorgesehenen Lichtquellen und der eigenentwickelten Software, die auf Algorithmen mit Künstlicher Intelligenz (KI) basiert, waren. Daher entschied sich Delvitech für zwei unterschiedliche programmierbare Framegrabber von Silicon Software, die beide sowohl mit verschiedenen Kameras und Beleuchtungen als auch der Software kompatibel sind. Die obere Kamera, vier Seitenkameras und Beleuchtungen synchronisiert der microEnable 5 VCX-QP CoaXPress Framegrabber, während die bis zu vier Seitenkameras durch zwei Camera Link Framegrabber microEnable 5 VCL getriggert werden. Mit dem System- Upgrade wechselte Delvitech auch zu dem sehr leistungsfähigen 64bit D.ONE Core. Das System wurde auf eine Skalierbarkeit mit dem Einsatz von einer Standardkamera bis zu fünf Highend-Kameras in der höchsten Ausbaustufe ausgelegt, was die Framegrabber unterstützen. Um diese an die Software anzubinden, entwickelten die Projektpartner Aufnahmefunktionen über ein Hardware-Applet mit der grafischen FPGA-Entwicklungsumgebung VisualApplets von Silicon 28 2/2020

Qualitätssicherung Skalierbares AOI-System mit optischem Kopf aus Kameras und Lichtquellen (Bild: Delvitech) Software. Hierüber ergab sich der Vorteil, dass die Framegrabber bereits bei der Bildübertragung immer dasselbe Ausgabeformat erzeugen. Somit lässt sich die Software beim Wechsel der Kameras, Framegrabber oder der Kameraschnittstelle einfach weiterverwenden. Das Applet wurde über ein Datenfluss-Modell erstellt und als FPGA-Code für die Laufzeitumgebung auf dem Framegrabber synthetisiert. Die Gesamtimplementierung aus Hardware, Software und Applet konnte innerhalb weniger Tage abgeschlossen werden. „Die geringe Entwicklungszeit haben wir der außerordentlichen Beratungskompetenz und Einsatzbereitschaft von Silicon Software zu verdanken. Auf Basis von lediglich zwei Coachings konnte das Designin komplett fertiggestellt werden“, erläutert Roberto Gatti, VP Sales and Marketing von Delvitech. Hochwertige Software inklusive Bei der Inspektion von elektronischen Leiterplatten prüft das AOI- System zum einen die Komponenten auf Vollzähligkeit, Fehlen, Polarität, Namen, Farben, Polaritäten, Höhe und die richtige Positionierung. Zum anderen inspiziert es die Qualität der Lötstellen anhand ihrer Form, indem Öffnungen, Kurzschlüsse, Kaltlötverbindungen und jegliche Art von Defekten, die auf falsche Lötverbindungen bei Reflowund Wellenanwendungen zurückzuführen sind, detektiert werden. Dazu wird ein Teil der Leiterplatte nach den Vorgaben der Software mit RGB LED-Licht beleuchtet, worauf eine oder mehrere Kameras auslösen und Bilder der Farbreflektion aufnehmen. Dadurch entstehen eine oder mehrere Aufnahmen aus verschiedenen Blickwinkeln, deren Farben später anhand der Software von Delvitech rekonstruiert werden. Die Framegrabber synchronisieren die Auslösung der Kameras und, über einen Flash Inspektion elektronischer Leiterplatten mit zahlreichen Prüfungen (Bild: Delvitech) Controller, der zahlreichen Lichtquellen. Nach der Bildaufnahme werden die Bilder im Zuge der Bildvorverarbeitung über die Software korrigiert, beispielsweise deren Ausrichtung. Das AOI-Bildverarbeitungssystem mit dem optischen Kopf wird in Produktionsanlagen eingesetzt. Es erreicht aufgrund der höheren Kameraauflösung deutlich bessere Messergebnisse bei vierfacher Geschwindigkeit und einer höheren Bildrate. Dadurch sind pro Minute wesentlich mehr Unteruchungen elektronischer Leiterplatten möglich – und dies bei gleichbleibenden Kosten des Gesamtsystems. Das System verarbeitet nun Bilder von der Aufnahme und Bildvorverarbeitung über Zusammenführen und Vergleich der Bilder bis hin zu deren Analyse und der Ergebnisausgabe in lediglich einer halben Sekunde. „Die Komponenten sind unabhängig von Kameramodell und -schnittstelle flexibel austausch- und skalierbar und das System ist dank des dazugehörigen Applets leicht an neue Kundenanforderungen anpassbar“, erklärt Gatti. Um diesen auch in Zukunft zu genügen, ist eine Erweiterung des Systems auf eine 3D-Inspektion mit Stereovision angedacht, was das System weiter optimieren würde. ◄ 2/2020 29

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