Blick in das Inspektionssystem: Die Linearachse positioniert die Baugruppen schnell und präzise.

Blick in das Inspektionssystem: Die Linearachse positioniert die Baugruppen schnell und präzise.Hiwin

Der Speed-Cube-Sensor von Wickon Hightech ist ein Inspektionssystem für den Pastendruck von Elektroniken und Dickschichtmodulen. Es prüft die Druckbilder auf Defekte, wie fehlende oder verschmierte Paste, Brückenbildung oder auch Volumen- und Höhenvariationen. Kernstück des Systems ist eine Farb-Zeilenkamera mit LED-Beleuchtung. Das weiße Licht wird mit einem Prisma in seine Bestandteile zerlegt und das so entstehende Spektrum über das zu prüfende Objekt gelegt. In jeder Höhe werden die verschiedenen Farben anders reflektiert, das heißt jede Höhe wird letztendlich durch einen anderen Farbort im Kamerabild repräsentiert.

Die Kamera hat eine RGB-Auflösung von 8.192 Pixel in Zeilenrichtung und nimmt 10.000 Zeilen/s auf, während unter ihr der Prüfling durch das Blickfeld huscht. Mit einer seitlichen Auflösung von 20 μm je Pixel ergibt sich damit ein Bild mit 80 Millionen Pixeln; beziehungsweise eine Fläche von 320 cm², die je Sekunde erfasst wird. Jeder aufgenommene Pixel enthält die Höheninformation des Produktes. Beim klassischen Verfahren kommen Flächenkameras zur Triangulation zum Einsatz, die einen schräg auftreffenden Laser detektieren. Durch den schrägen Laser und die Flächenkamera wird die Höheninformation durch die Verschiebung des Lasers in dem Flächenbild relativ zur Höhe dargestellt. Alle Pixel, die nicht vom Laser beleuchtet werden, tragen keine Information. Ein Beispiel: Bei einer Kamerafläche von 2.500 mal 2.000 Pixel und einem Laser tragen 2.500 Pixel vom gesamten Bild Informationen. Zehn Laser ergeben 25.000 Pixel. Durch die Farb-Zeilenkamera des Wickon-Prüfsystems enthält hingegen  jedes Pixel Höheninformation. Das heißt: bei 8.192 Pixeln mal 10.000 Zeilen 81,92 Mio Pixel/s. Außerdem sind hohe Beschleunigungen, wie bei Flächenkameras und Triangulation üblich, nicht mehr notwendig. Das Scannen von Prüflingen fällt also einfacher aus als mit herkömmlichen Inspektionsmethoden.

Der Blick der Kamera: In jedem Pixel stecken auch die Höheninformationen der Baugruppe.

Der Blick der Kamera: In jedem Pixel stecken auch die Höheninformationen der Baugruppe.Hiwin

Am Sensor beträgt die Höhenreichweite 4 mm. Damit ergibt sich eine Höhenauflösung von 0,2 μm – andere übliche Lösungen bieten Höhenauflösungen von 20 μm bei niedrigeren Aufnahmegeschwindigkeiten. Außerdem ist die Detektionsebene im Lichtbereich bei den Inspektionssystemen frei wählbar. Zum Abschluss wird das aufgenommene Bild von einem PC aus mit einer firmeneigenen Software ausgewertet.

Keine Kompromisse mehr

Wie wichtig die Genauigkeit der Sensorsysteme ist, zeigt sich unter anderem bei der Inspektion von Solarnetzen: Hier wird ein Pastendruck von 15 bis 20 μm Höhe mit einer Prozessgeschwindigkeit von 12 bis 15 s/m² inspiziert. Die seitliche Auflösung beträgt dabei 18 μm. Mit dem Inspektionssystem lassen sich problemlos Dickfilmschaltungen bei Schichtdicken mit einer Höhe von 4 μm überprüfen. Bei der Triangulation ging man bisher einen Kompromiss ein, um Geschwindigkeit mit Höhenauflösung abzustimmen. Die Triangulations-Systeme haben eine Höhenauflösung von 15 bis 20 µm. Physikalisch ist die Höhenauflösung durch den Speckle Noise (Interferenzphänomene) aber auf rund 3,7 µm begrenzt. Werte, die darunter angegeben werden, sind interpoliert. Das Prüfsystem  hat hingegen eine Höhenauflösung von 0,5 µm und weniger – ohne zu interpolieren. „Mit der Geschwindigkeit von heute üblichen 2D-Maschinen sind unsere Systeme in der Lage, 3D-Bilder zu generieren. Wir verbinden also den Vorteil der Zeilenkamera mit dem Messprinzip anderer 3D-SPI-Systemanbieter“, so Wickon Hightech-CEO Roman Wieser. Durch die Zeilenkamera verringern sich die mechanischen Kräfte im System, da die Kamera das Bild mit einer gleichbleibenden Geschwindigkeit aufnimmt und nur am Anfang und am Ende des Bildes beschleunigt. Die mechanische Belastung ist somit geringer. Außerdem liefert das aufgenommene Bild in jedem Pixel die Höheninformation mit rund 15.000 Höhenstufen pro Pixel. „Das Lichtspektrum trifft dabei mit einem Winkel von 80° auf das Prüfobjekt, während andere Systeme einen Winkel von 50 bis 60° nutzen. Unser System bietet also auch eine geringere Schattenbildung“, so Wieser. Jeder Schatten an einem erhabenen Teil enthält keine Information. Geringere Schattenbildung heißt also mehr Information.

Geringe Kräfte schonen das System

Im System arbeitet der Linearantrieb mit 16 N, für die Beschleunigung und auch für das Abbremsen. Im Scanbetrieb, das heißt während der Bildaufnahme, werden nur Kräfte von 1 bis 2 N für den Vorschub benötigt.

Im System arbeitet der Linearantrieb mit 16 N, für die Beschleunigung und auch für das Abbremsen. Im Scanbetrieb, das heißt während der Bildaufnahme, werden nur Kräfte von 1 bis 2 N für den Vorschub benötigt.Hiwin

Die zu prüfenden Komponenten werden in den Inspektionssystemen von Hiwin-Linearmotorachsen des Typs LMX1E-CB5 durch die Anlage befördert – dabei übernimmt eine Aufnahmevorrichtung das Be- und Entladen sowie das Aussondern von Schlechtteilen. Die vom Hersteller konfigurierten und funktionsgeprüften Antriebssysteme sind mit einem eisenlosen Linearmotor der Serie LMCB5 ausgestattet. Aufgrund ihres eisenlosen Primärteils mit Epoxid-vergossenen Spulen, das nur ein geringes Eigengewicht bewegen muss, sind die dreiphasigen Motoren bei einer geringen Bauhöhe leicht und dynamisch. Ihr Sekundärteil besteht aus einem U-förmigen Stator mit Permanentmagneten. Der Motor erreicht eine Spitzenkraft von 270 N und eine Dauerkraft von 90 N. Im System arbeitet der Linearantrieb mit 16 N, für die Beschleunigung und auch für das Abbremsen. Im Scanbetrieb, das heißt während der Bildaufnahme, werden nur Kräfte von 1 bis 2 N für den Vorschub benötigt.

Die geringen Kräfte schonen die Mechanik und halten die Vibrationen im System niedrig. Bei einer Gesamtlänge von 706 mm beträgt der maximale Verfahrweg der Linearmotorachsen 400 mm. Das Profil der Achse sorgt für eine Geradheit von 10 μm. Eine Positioniergenauigkeiten von 0,1 μm ermöglicht das integrierte Wegmesssystem. Die Linearmotoren bieten einen guten Gleichlauf und hohe Geschwindigkeitskonstanz sowie geringe Trägheit und hohe Beschleunigungswerte. Geliefert wird die Linearmotorachse mit Antriebsverstärker, der entsprechend der geforderten Performance vorparametriert wird. „Eine hohe Positioniergenauigkeit ist für uns ein Schlüsselkriterium“, erklärt Wieser. „Dies ermöglicht es, die Suchbereiche für die Bildkorrektur und somit die Rechenzeit zu verringern.“