„Revolutionär Neues“ aus der Röntgen-Inspektion?

Oft wird nur aus Analysegründen geröntgt – auch hier gibt es eine große Bandbreite an Produkten am Markt. Besonders bei auditierten Elektronikfertigern gilt dies oft nicht mehr als ausreichend. Kein Zweifel: Der Ruf nach vollautomatisierter Röntgen-Inspektion wird immer lauter. Prinzipiell existieren folgende Kategorien: Röntgen zur Analyse (Prozessfehler, Stichproben, etc.), Röntgen mit automatischen Auswertungen (Offline, Inline), 2D-Durchsicht-Röntgen, 2,5D-Röntgen mit Schrägansichten, Computertomografie (CT) als Option zu oben genannten Möglichkeiten und 3D-Röntgen (Schichtebenen, CT). In aller Regel kommen dabei Laminografie, Tomosynthese und Computertomografie zum Einsatz.

Das Unternehmen Agilent Technologies (heute Keysight Technologies) war lange Vorreiter bei der automatischen Inspektion und verwendete das Verfahren der Laminografie. Noch heute lassen sich Fehler aufgrund cleverer Auswertealgorithmen automatisch dedizieren. Nachteilig sind die für das menschliche Auge doch recht schlechten Bilder – da braucht es für die Nachverifizierung und am Reparaturplatz große Erfahrung der Bildbewertung und auch Prozesskenntnisse. Das gilt auch für die manuellen und halbautomatischen Inspektionen, ganz gleich welcher Technologie sich die Anbieter bedienen. Dieser Hersteller ist bereits vor Jahren aus diesem Markt ausgestiegen und seither ist jener natürlich offen für eine Reihe von neuen Anbietern. Daher gibt es nun Hersteller, die basierend auf den früheren Technologien neue Lösungen auf den Markt bringen. Aber auch komplett neue Ansätze sind gefragt, um den gestiegenen Anforderungen gerecht zu werden.

Teststrategien mit 2D- und 2,5D

Im 2D- und 2,5D-Bereich haben sich sehr gute Lösungen auch im sehr preiswerten Bereich einen Namen gemacht – oft gibt es dazu auch CT als Option. Generell gilt, dass mit CT eine so genannte voxelbasierte Auswertung möglich ist (3D-Pixel) – mit der Kantenlänge der eingestellten Auflösung. Bei manuellen Geräten und Halbautomaten sind da allerdings noch heute die Rechenleistungen recht mager, sodass man auf das CT-Bild recht lang warten muss, und auch die Umsetzung mit entsprechender Analyse-Software ist dem Fachmann vorbehalten. Hinzu kommt, dass die Prüflinge sehr oft einer Limitierung der Abmaße unterliegen. Analysegeräte nutzen oft Nanofokus-Verfahren, was eine sehr gute Bildqualität und Vergrößerung ermöglicht, aber eben dann auch gigantische Bilddatenmengen produziert. Daher kam eine CT-Lösung für den Inline-Betrieb auch lange nicht in Betracht.

Auf Algorithmen basierende Inline-Auswertungen tauchten als erstes als so genannte 2D-Lösungen auf und haben auch heute noch ihre Berechtigung. Eine einseitige Bestückung – zum Beispiel von Pads verdeckenden LEDs – lässt eine solche Inspektion auch in kurzer Zeit automatisch zu. Allerdings hört das bereits bei einer doppelseitigen Bestückung auf. Dem bestückten BGA steht unter Umständen ein Kondensator auf der gegenüberliegenden Seite im Weg und würde die automatische Inspektion zu einer „Kurzschluss“-Analyse bewegen. Hier greifen dann 2,5D-Inspektionen, die auch Seitenansichten ermöglichen. Um dabei noch im sinnvollen Linientakt zu bleiben, sind große Geschwindigkeiten der bewegliche Teile notwendig und die nun hohen Datenmengen müssen programmiert, gedebuggt und verarbeitet werden. Stehen jetzt Bauteile auf beiden Seiten gegenüber (BGA oder gar mehrreihige Stecker), sodass selbst die Schrägansicht nicht mehr in die Zwischenräume der zu inspizierenden Felder gelangt, hilft nur eine 3D-Methode weiter.

Hier gibt es am Markt so genannte Schichtebenen- oder Slice-Verfahren. Über Tomosynthese werden Schichtebenen aus dem Produkt „extrahiert“ und dann ähnlich dem AOI-Verfahren als 2D-Bild ausgewertet. Es könnten theoretisch beliebig viele Ebenen über der gesamten Masse angelegt und ausgewertet werden, solange die Datenmenge zeitlich beherrschbar ist. Allerdings ist es hier nicht ganz so einfach, die entsprechenden Ebenen zu finden. Ebenso sind Leiterplatten – ja, selbst die Komponenten – nie und nimmer so eben, dass dort insbesondere bei sehr kleinen Strukturen die Ebenen auswertesicher zu platzieren sind. Auch „Abschattungen“ durch gegenüberliegende Massen behindern die Bildqualität und damit die immer treffsichere Auswertung. Hier würde nun wiederum eine CT-Technologie greifen, da ja dort das gesamte Volumen der beidseitigen Leiterplatte bis auf 3D-Pixelebene verfügbar ist. Das Verfahren ist aus der Medizin bekannt, doch das „in die Röhre schieben“ funktioniert leider nicht mit der flachen Leiterplatte. Betrachtungswinkel in der Parallel-Ebene der Leiterplatte wären nicht zu inspizieren – Artefakte würden automatische Auswertungen unmöglich machen.

Planare oder oblique CT-Verfahren

Eine neue Methode bahnt sich nunmehr ihren Weg: das planare oder oblique CT-Verfahren. Hier verfahren Leiterplatte und Detektor in kreisenden Bewegungen gegeneinander in der V-förmigen Bestrahlung aus der Röhre. Zusätzliche Z-Achsen ermöglichen eine Programmierung der Auflösung, je nach Bauteilgröße und entsprechend benötigter Vergrößerung.

Damit wird also das gesamte Produkt, egal was an welcher Stelle aufgebracht ist, geröntgt und als voxelbasierendes Material in Datensets abgelegt. In dieses Material kann nun per automatischer Inspektion eine Schichtebenen-Inspektion, ganz gleich an welcher Stelle, durchgeführt werden und zwar unabhängig der genutzten Hardware. Eine Durchbiegung der Leiterplatte oder/und auch der Komponenten, die also herkömmliche Schichtebenen unter Umständen nicht die gleichen Inspektionsebenen finden lassen, lassen sich nun „rekonstruieren“. Das heißt, es wird von einer so genannten Null-Linie (zum Beispiel ab dem Kupfer) pixelweise abgezählt und ein Bild in exakter Ebene zusammengesetzt. Damit spielt die Durchbiegung keine Rolle mehr. Das wiederum ist bei sehr kleinen Komponenten wie etwa Mini-BGAs im Moment die einzige Methode. Hierzu verfahren bis zu sechs Ebenen mit- und gegeneinander und das ebenfalls in sehr großer Geschwindigkeit, um den benötigten Taktzeiten im Linientakt gerecht zu werden. Auswertezeiten von unter drei Sekunden pro FOV sind bereits machbar.

Schärfere Inspektion

Im Jahr 2009 erhielt Omron (Vertrieb: ATEcare) einen Auftrag aus der japanischen Automobilindustrie, ein solches System zu entwickeln. Ziel war von Anfang an, Bildmaterial zu erstellen, das aus der Medizintechnik bekannt war und deutlich schärfere und damit besser auswertbare Bilder liefert. Ebenso sollten physikalische Handicaps der Schichtebenen-Geräte ausgemerzt werden. Die Programmierung solcher Geräte sollte ähnlich einfach der AOI-Systeme werden und mit den gleichen einfachen Grunddaten bestückbar sein. AOI-Systeme können aus CAD-Daten oder auch ganz einfach aus den Daten eines Bestückers programmiert werden – Schichtebenen-AXI-Systeme brauchen dazu immer auch noch Datensets, die später dann die Ebenenstruktur der Leiterplatte als 3D-Daten enthalten.

Eine wesentlich neue Anforderung war auch, diese Bilder dann in einer angenehmen Form dem Verifizier- oder Reparaturplatz zur Verfügung zu stellen, damit eben nicht mehr nur mit entsprechendem Erfahrungspotenzial dieser Arbeitsschritt bedienbar ist. Omron hat eine Systemplattform geschaffen, die CT im Linientakt ermöglicht. Es nimmt nun voxelbasierend Aufnahmen vor, übergibt ein CT-Set dem Programmierer, der mit AOI-Erfahrung auch einfach das AXI programmieren kann und dazu Werkzeuge in die Hand bekommt, die notwendige Einstellungen 3D-transparent machen.

Hinzu kommt die Einbindung einer 2D-Farbkamera im System, sodass der Programmierer, wie später auch der Reparateur, eine farbliche Übersicht der Leiterplatte zur besseren Orientierung bekommt. Im System sind auch Fiducials, Badmarks und andere Orientierungsmarken erkennbar. Zu guter Letzt werden aufgrund dieser Technik voxelbasierende Sets erzeugt. Diese sind mit bekannten, am Markt frei verfügbaren Programmen auch analysierbar, wie etwa das Tool VG-Studio von Volume Graphics). Das heißt, ein solches AXI lässt sich nun auch als Analysesystem verwenden.

Jetzt steht noch die trendige Marktfrage, ob solche AXI-Systeme auch mit AOI Geräten koppelbar sind (AOXI). Prinzipiell steht dem nichts im Wege, aber da Elektronik bei Langzeitbestrahlung auch zerstört wird, müssen elektronische Komponenten wie auch die notwendige Kameratechnik, aus dem „Schussfeld“ genommen werden. Daher sind so oder so getrennte Kammern erforderlich. Jetzt steht also nur noch die Frage, ob ein gemeinsames Gehäuse um beide Geräte gezogen werden soll oder die Geräte nebeneinander angeordnet sind. Wichtig bleibt dabei aber, entsprechende Software zu verwenden, die eine logisch getrennte Programmierung beider Einheiten ermöglicht.

STM Hybrid Packaging 2015: Halle 6, Stand 434A

(mrc)