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AOI  von elektronischen Flachbaugruppen.
Peter Krippner, Bereichsleiter Baugruppeninspektion der Viscom AG in Hannover.
Volker Pape, Vorstand der Viscom AG.

Es gibt immer noch relativ viele Unternehmen, die bis dato keinen Bedarf an einer automatischen optischen Prüfung von Lötstellen nach dem Reflow (AOI) oder nach dem Pastendruck (SPI) hatten, sich jetzt aber doch dazu entscheiden müssen. Andere sind mit dem Problem konfrontiert, eine automatische Röntgenprüfung zu implementieren. Doch wie findet man das passende System unter dem im deutschsprachigen Raum recht umfangreichen Angebot an vollautomatisch arbeitenden Optischen Inspektionssystemen (AOI und SPI) sowie Röntgeninspektionssystemen (AXI) oder Kombisystemen (AOI/AXI) heraus?

AOI: Durchsatz und Prüftiefe

Bei der Viscom AG in Hannover werden alljährlich 50 bis 80 Demos gefahren, die den interessierten Anwendern bei der Entscheidungsfindung für „ihr“ AOI-System helfen sollen. „Unserer Erfahrung nach orientieren sich interessierte Anwender weniger an Datenblättern als vielmehr an den Features, die zu ihrer Fertigung passen“, meint Peter Krippner, Bereichsleiter Baugruppeninspektion der Viscom AG in Hannover.

Das Kernthema ist der erzielbare Durchsatz bei einer möglichst hohen Prüftiefe. Dabei ist den meisten auch klar, dass Prüftiefe nicht nur bedeutet wenig bis gar keinen Schlupf  zu erhalten. Vielmehr ist es das Ziel, bei geringstmöglichem Schlupf  die Pseudofehlerrate zu beherrschen, um zu vernünftigen Ergebnissen zu kommen.

AOI: Pseudofehlerrate beherrschen

Die Rede ist von Pseudofehlerraten im Bereich 50 bis 500 ppm, was natürlich enorm vom Bauteilspektrum des Anwenders abhängig ist. Auch der  Grad an Prozesssicherheit, den der Anwender realisiert hat, spielt eine große Rolle. Je besser dieser Fertigungsprozess beherrscht wird, desto weniger schwanken die Inspektionsergebnisse für gute Lötstellen, desto besser lassen sich auch die Toleranzschwellen einstellen.

Wer aber mit ständig wechselnden Baugruppen arbeiten muss, wer oft sich ändernde Bauteillieferanten hat, bei denen trotz gleicher Sachnummer Gehäuseabmessungen um 30 % schwanken können, muss mit einem größeren Aufwand rechnen, um niedrige Pseudofehlerraten zu erzielen

Optische Inspektion gemäß IPC

„Wir erleben es immer wieder, dass in Lastenheften eine Prüftiefe gemäß IPC-A-610D gefordert wird“, erläutert Peter Krippner. „Dazu müssen wir sagen, dass wir uns an diese Normen durchaus anlehnen. Eigentlich müssen wir aber auch darauf hinweisen, dass es sich bei dieser Norm um ein Werkzeug für die menschliche Sichtprüfung handelt. Die relativ grobe Quantisierung der aufgeführten numerisch-geometrischen Schwellwerte eignet sich unserer Meinung nicht dazu, sie 1:1 auf ein AOI-System zu implementieren. Inzwischen haben wir an einigen Untersuchungen teilgenommen, die deutlich machen, dass man nicht einfach 3D-Messergebnisse mit den IPC-Grenzwerten vergleichen und für gut befinden kann. Schon im Vorwort der IPC 610 wird darauf hingewiesen, dass AOI-Systeme als Alternative zu den vorgegeben Normen der Sichtkontrolle zum Einsatz kommen, statt sie zu übernehmen.“

AOI-Systemmerkmale

AOI-Systeme arbeiten mit Zeilenkameras oder, was weitaus häufiger ist, auf der Basis von Ein- oder Mehrfach-Kamera-Systemen. Sie sind mit Schwarzweiß- oder Farbkameras ausgestattet und verarbeiten Grauwerte oder Farben, die mit programmierbaren Beleuchtungssystemen erzeugt werden.
Oft werden dazu gehörige telezentrische Linsensysteme eingesetzt. „Weil wir mit mehreren Kameras gleichzeitig arbeiten, sind unsere Systeme mit einer Art verteilter Telezentrie ausgestattet, um verfälschende Effekte über das jeweilige Inspektionsfenster (Field-of-View) zu vermeiden,“ betont Krippner.

Immer mehr Hersteller bieten Systeme mit geneigtem Kamerawinkel an, die für eine Schrägansicht der Baugruppe konzipiert sind. Das bringt natürlich Vorteile bei den Analysemöglichkeiten, erhöht aber auch den konstruktiven Aufwand des Gesamtsystems. „Einkamerasysteme bringen zwar  gute Inspektionsergebnisse im Bereich einfacher Fehlerffekte, stoßen aber bei bestimmten Fehlern, wie z. B. Lifted Leads schnell an ihre Grenzen,“ meint der AOI-Spezialist bei Viscom. „Schließlich werden nicht nur die Bauteile immer filigraner, sonder auch die Bauteildichte auf der Platine wird immer enger.“

Mainstream bei den Verkaufzahlen der Viscom AG sind im Moment Standard-AOI-Systeme mit 4 Kameras von oben und weiteren 4 Schägsicht-Sensoren. „Wir verkaufen kaum Systeme ohne Schrägsichtkameras“, betont Peter Krippner.

Preis-Leistungverhältnis

„Nebenbei bemerkt gilt das auch für unsere Tischsysteme, die mit den gleichen Sensormodulen ausgestattet sind. Die Sensormodule entwickeln und bauen wir übrigens selber. So können wir eine über alle Systeme gleiche Prüfqualität anbieten,“ fügt Volker Pape, Vorstand der Viscom AG, hinzu. „Eine quasi abgespeckte Sensorik, wie z. B. für die reine Bestückungsprüfung, bieten wir natürlich auch an, bei entsprechend günstigem Preis-Leistungverhältnis.“

AOI und Pseudofehler

Bei kleinen Losgrößen ist eine Defektrate unter 100 ppm nur mit großem Aufwand zu erreichen. Niedrigste ppm-Raten haben hier einen geringen Nutzen, da der Aufwand nicht in vernünftiger Relation steht. Bei Losgrößen von 10 bis 100 sind 2 bis 3 Fehler pro Board eigentlich unkritisch. Wichtig ist hierbei effiziente Systemunterstützung bei der Nachsichtung und Reparatur.
Bei größeren Serien rechnet man aber nicht mehr mit Fehlern pro Board, sondern will einen möglichst guten First Pass Yield erreichen. Geht man davon aus, dass 50, 60, 70, 80 oder 90 % der Boards auch als gut geprüft werden, kommen Softwaretools zum Tragen: Am Klassifikationspatz wird auch hier entscheiden, ob ein Fehler nachgelötet wird oder nicht.

Die gespeicherten Daten der echten Fehler werden dann dazu genutzt, um bei der Optimierung des Prüfprozesses, die offline vorgenommen wird, sicherzustellen, dass die Optimierung auch für alle Fehler richtig greift. „Es geht um den Regelkreis, einmal gefundene Fehler auch immer wieder finden zu können,“ so Krippner. .“ Für eine „nicht integrierte Verifikation“ gab es früher immer Baugruppen aus der Schublade mit Fehlern, von denen man der Meinung war, dass, wenn sie wieder gefunden würden, der Prüfprozess richtig eingestellt ist. Das ist heute nicht mehr zielführend“.

„Wir müssen für den Gesamtschlupf auch den Einfluss des Menschen am Klassifikationsplatzr im Blick behalten“, führt Volker Pape weiter aus. „Am Verifikationsplatz wird eine Vorentscheidung des Systems durch den Mitarbeiter bestätigt oder nicht. Dabei kann es zum so genannten Humanschlupf kommen: Ein echter Fehler wird vom Mitarbeiter als Pseudofehler klassifiziert. Immerhin kann der  Humanschlupf – im Gegensatz zum technischen Schlupf –  bis zu 50 % des gesamten Schlupfs ausmachen. Es geht also darum, durch regelmäßige Trainings mit echten Fehlerbildern und durch eine hohe Ergonomie und Aussagekraft der Fehlerbilder solchen Humanschlupf zu vermeiden.“

So versteht es sich auch von selbst, dass ein durchdachtes Schulungskonzept auf verschiedenen Qualifizierungsebenen das A und O für den Umgang mit AOI-Systemen bedeutet.

AOI und Addons

Neben den Hauptkriterien für die Auswahl eines AOI-Systems wie erreichbare Prüftiefe und Durchsatz oder Bedienbarkeit und Programmierung spielen auch Addons eine wichtige Rolle. Das sind z. B. spezielle Datenanbindungen für Traceabiltiy und Statistikfunktionen. Ein Beispiel ist hier die Identifikation von Data-Matrix-Codes auf einzelnen Baugruppen eines Gesamtnutzens über die interne Kamera. Außerdem ist auch die Übertragbarkeit von Programmen auf unterschiedliche Systeme wichtig, sie ist nur mit Hilfe einer hochgenauen Kalibration zu gewährleisten. Ein weiteres Beispiel für ein nützliches Addon ist die Anlagenselbstkontrolle bei der etwaige Degradationseffekte erkannt und ggf. kompensiert werden.

SPI: Lotpastendepots automatisch messen

Solder-Paste-Inspection-Systeme (SPI), also automatische Inspektionssysteme für die Volumenmessung von Lotpastendepots nach dem Schablonendruck, werden heiß diskutiert und es gibt immer mehr Hersteller, die auf diese Technologie einsteigen. Alle wesentlichen 3D-Merkmale wie Volumen, Höhe und Form werden erfasst und kontrolliert, ebenso wie Fläche, Versatz und Verschmierung. Durch die Rückführung dieser Ergebnisse zum Pastendrucker ergibt sich eine Möglichkeit zur Prozesskontrolle, die z.B. einen Druckversatz automatisch korrigieren kann.

Dabei geht es nicht darum, zweidimensional oder auch zweieinhalbdimensional den Pastendruck im Drucksystem z. B. in der Produktanlaufphase bzw. stichprobenartig genauer anzuschauen, um den Abweichungen beim Druckbild bezüglich Position, Länge, Breite und Höhe des Pastendepots entgegensteuern zu können.

Vielmehr geht es um die vollautomatische Inspektion von Pastendepots in einem eigens dafür konzipierten System direkt nach dem Schablonendruckprozess, das eine exakte Messung vornehmen und mit vorgegebenen Toleranzen einer Bauteilbibliothek vergleichen und die Daten natürlich auch systematisch speichern kann – und das mit einem Durchsatz, der dem Linientakt entspricht.

Die Physik von SPI-Systemen unterscheidet sich insofern von AOI-Systemen, als dass hier nicht nur Kamerabildinformationen auf der Grundlage von speziellen Algorithmen und Bausteinbibliotheken ausgewertet werden.
Vielmehr wird wie z. B. beim Streifenprojektionsverfahren aus Mehrfachbildern mit speziellen Mustern eine 3D-Rekonstruktion vorgenommen, die ein dreidimensionales Höhenprofil erstellen kann.

Viele Hersteller kombinieren eine 3D-Projektion mit einer 2D-Messung. Wieder andere kombinieren die klassische AOI mit einem zusätzlichen 3D-Lotpasteninspektionssensor. Schon länger gebräuchlich sind Messsysteme, die mit dem Lasertriangulationsverfahren arbeiten. Seit kurzem gibt es auch ein SPI-System, dass mit einem Zeilensensor und speziell entwickelter Optik arbeitet.

Die Einsatzbereiche von SPI-Systemen sind hochwertige Boards in eher kleinen Stückzahlen, die Verifikation von Produktionsanläufen aber auch eine 100 %-Kontrolle von elektronischen Baugruppen für lebenserhaltende Systeme, inklusive elektronischer Schaltungen für die Kfz-Elektronik.

AXI: 100 %-Inspektion im Linientakt

Der Markt für vollautomatisch arbeitende Röntgeninspektionssysteme (AXI) hat in der Vergangenheit zu einigen sehr erfolgreichen Lösungen geführt, die sich gerade im deutschsprachigen Raum bei der Fertigung von anspruchsvoller Automobilelektronik bewährt haben. Es geht darum, Fehler zu detektieren, die mit AOI nicht auffindbar sind, wie z.B. verdeckte Lötstellen an BGAs und QFNs oder abgeschirmte Bereiche einer bestückten Leiterplatte. Einige Hersteller haben sich in den letzten Jahren aus diesem Geschäftsbereich verabschiedet. Andere sind erst vor wenigen Jahren eingestiegen.

Die Forderung nach einer 100 %-3D-Prüfung im Linientakt ist mit teilweise völlig neu entwickelten Lösungen durchaus mit einem wirtschaftlich vertretbaren Invest zu erfüllen. Dabei spielen weniger Röntgenstrahl-undurchlässige Gehäuse und das passende Handling eine Rolle. Vielmehr kommt es darauf an, wie weit die Auflösung des Sensors im Zusammenhang mit dem Durchsatz genutzt werden kann. Je höher die Auflösung, desto langsamer ist der Prüfprozess.

Es gibt AXI-Systeme mit oder ohne Schrägstellung des Prüfobjektes relativ zum Sensor. Einige Systeme können auch für eine computerthomografische Rekonstruktion genutzt werden.
„AXI ist immer noch ein Thema, das technologisch nicht einfach zu beherrschen ist“,meint Volker Pape. „Es gibt technologische Grenzen, die nur schwer zu verschieben sind: Hohe Auflösung, geringe Taktzeit und hohe Genauigkeit – diese Forderungen widersprechen sich in gewisser Weise. Dazu kommt die Lebensdauer der Röntgenröhre, vielmehr noch des Sensors. Deshalb setzen wir bei Viscom auch eher auf bewährte Technik, die wir optimal nutzen. So arbeitet z.B. die klassische Röntgenröhre  im Shuttermodus, was hohen Durchsatz bei guter  Bildqualität ermöglicht.“

AOI-AXI-Kombisysteme

Die Kombination eines AOI-Systems mit einer AXI-Lösung in einem geschlossenen System – sei es mittels Parallelinspektion oder kombinierter Sensorik – schafft enorme Flexibilität, größtmögliche Prüftiefe und Platz durch Einsparung eines weiteren Systems in der Linie. Wenn höchster Durchsatz nicht die erste Maxime ist, kann der Anwender mit diesen Parallelinspektionssystemen entscheiden, welche Produkte optisch, welche röntgentechnisch oder welche mit beiden Verfahren geprüft werden sollen.

„Es gibt Anwender, die z. B. eine 100 %-AOI fahren und dann zusätzlich bestimmte Bereiche – vielleicht 10 % der Baugruppe – röntgentechnisch unter die Lupe nehmen“, so Pape. „Das erledigt unser Kombisystem in einem Durchgang mit AXI-OnDemand.“

Trend zu mehr Qualität

Wir spüren deutlich, dass unsere Kunden entsprechend den Anforderungen, die auf sie zukommen, immer mehr auf Qualität Wert legen“, betont Volker Pape. „Moderne Prozessoren bringen eine Rechnerleistung mit, die man für die automatische Inspektion immer besser nutzen kann. Auf der anderen Seite verfügen wir über rund 40 Vollzeit-Softwareentwickler, die stetig am Ball bleiben.“

„Gerade in Sachen Software und Bedienoberfläche gibt es für so manchen Hersteller noch genügend Nachholbedarf“, so Pape. Mit vVision hat Viscom unter Berücksichtigung langjähriger Erfahrungen und vieler Kundengespräche eine völlig neue Bedienoberfläche geschaffen. Die Navigation ist selbsterklärend und erfolgt über einen Touchscreen. So kommen auch unerfahrene Bediener schnell und sicher zu einem leistungsfähigen Prüfprogramm.