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Typische SMT-Fertigungslinie mit Drucker, Bestücker, Reflow-Ofen, AOI plus AOXI.
Von Prozessschritt zu Prozessschritt verursachen Fehler zunehmend höhere Folgekosten.
AOI-System YSi12 von Yamaha IM.
Für jedes Field of View werden 10 Bilder erfasst, die aufgrund verschiedener Wellenlängen und Einfallswinkel erzeugt werden.
Mit der Laser-basierten vertikalen Versatzkontrolle konnte eine bekannte Schwäche herkömmlicher AOI-Geräte behoben werden.
Mit dem Offline-AOI-System YSi-S können Prüfprogramme erstellt und direkt an die in der Fertigungslinie befindlichen Geräte übermittelt werden.
Die AOXI-Hybridmaschine YSi-X von Yamaha IM verwendet die 3D-Laminographie zur Erfassung eines kompletten Inspektionsbildes.

Automatische Inspektionssysteme sind in heutigen Hochgeschwindigkeits-SMT-Fertigungslinien, in denen Baugruppen für die Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt- sowie Militärtechnologie, für medizintechnische Geräte und High-End-Verbraucherprodukte hergestellt werden, etabliert. Die eingesetzte Inspektionstechnologie basiert hauptsächlich auf optischen Verfahren, wobei Röntgeninspektionen mehr und mehr in den Industrien zur Anwendung kommen, deren Kunden eine 100-Prozent-Inspektion der Baugruppen verlangen.

In einem 2011 von Researchandmarkets herausgegebenen Bericht wurde jedoch festgestellt, dass Fertigungsleiter häufig den Nachweis erbringen müssen, dass der Einsatz eines AOI-Systems in der Fertigungslinie den Wert steigert. Gleichzeitig sind sich viele Hersteller nicht sicher, an welcher Stelle Inspektionsmaschinen zur Erzielung optimaler Ergebnisse eingesetzt werden sollten bzw. wie diese Geräte zu programmieren und zu verwenden sind.

Trotzdem können AOI- und AXI-Systeme bei sachgerechtem Einsatz nicht nur höchst effektiv fehlerhafte oder nicht den Anforderungen entsprechende Baugruppen vor Auslieferung an den Kunden aussortieren, sondern außerdem in Echtzeit auf Fehlerursachen hinweisen. Dies hilft den Ingenieuren, die Kapazität und Produktivität der Fertigungslinie zu maximieren und gleichzeitig Stillstandzeiten zu minimieren, sodass ein wirtschaftlicher und profitabler Betrieb gewährleistet ist und die anfängliche Kapitalinvestition sich schnell rentiert.

Integration einer automatischen Inspektion

Idealerweise sollten elektronische Baugruppen nach Abschluss der Bauteilbestückung und danach ein weiteres Mal nach dem Reflowlötprozess einer AOI-Inspektion unterzogen werden. Nach dem Lotpastendruck ist diese Inspektion generell nicht erforderlich, da dieser Prozess hochautomatisiert abläuft und von modernen Druckern wie denen der Yamaha YSP-Serie inklusive der Pasteninspektion durchgeführt wird.

Da die SMD-Bestückung unter Umständen erhebliche manuelle Eingriffe erfordert, wie z. B. das Schneiden von Gurten und das Einstellen von Düsen und Zuführungen, sollte die AOI-Inspektion idealerweise nach diesem Schritt durchgeführt werden, um Fehler, wie z. B. fehlende oder schlecht ausgerichtete Komponenten, zu erkennen. Mit einer AOI-Inspektion nach der Bestückung werden auch unzulässige Materialabweichungen rechtzeitig erkannt, wie z. B. abweichende Bauteilabmessungen oder mangelhafte äußere Erscheinungsbilder, die beim Kunden einen Eindruck mangelnder Qualität erwecken würden.

In einer weiteren AOI-Inspektion nach dem Reflow-Prozess werden Lötfehler, wie z. B. Tombstoning oder Lotperlenbildung, erkannt, sodass fehlerhafte Platinen vor der Weiterverarbeitung ausgeschleust werden können.

Die direkt nach der Komponentenbestückung gesammelten AOI-Inspektionsergebnisse stellen eine wertvolle Informationsquelle dar, nicht nur zur Erkennung vorhandener Fehler, sondern auch für die Lokalisierung deren Ursachen. Ein erfahrener Bediener, der wiederkehrende Fehler in den Ergebnisprotokollen erkennt, ist auch in der Lage, deren Ursache zurückzuverfolgen — bis hin zu einer bestimmten Machine, Bestückungsdüse oder Zuführung.

Eine weitaus schnellere Möglichkeit, durch die der Fehler in Echtzeit behoben werden kann, ist die direkte Kommunikation der AOI-Maschine mit dem Bestücker. Dies ist unter Umständen nicht einfach. Auch wenn industrieübliche Schnittstellenstandards wie z. B. SMEMA zur Anwendung kommen, bleibt der Austausch detaillierter Informationen zwischen Maschinen mit fundamental unterschiedlicher Software problematisch. Beide Maschinen unterstützen möglicherweise nicht den kompletten Nachrichtensatz, was den Bestücker daran hindern kann, die AOI-Fehlerprotokolle richtig zu interpretieren.

Effektiver Inline-Einsatz von AOI

Diese Probleme lassen sich vermeiden, wenn AOI-Stationen und andere Maschinen in der Fertigungslinie auf der Basis einer gemeinsamen Softwareplattform arbeiten, sodass ein Feedback von der Inspektion zum Bestücker möglich ist, der die Fehlerbehebung unterstützt. Jedoch nur wenige Geräteanbieter haben sowohl Bestückungs- als auch Inspektionslösungen in ihrem Portfolio. Mit weltweit über 30.000 installierten Einheiten wie SMD-Bestückern und AOI-Systemen hat Yamaha Intelligent Machines genau die passende Lösung, basierend auf einheitlicher Softwarearchitektur, mit der alle Maschinen innerhalb der Fertigungslinie schnell und einfach miteinander verknüpft werden können.

Dieser Ansatz erspart den bei Einsatz unterschiedlicher Ausrüstungsteile notwendigen Integrationsaufwand und vereinfacht die intelligente Kommunikation innerhalb der gesamten Fertigungslinie. Wenn ein fehlendes Bauteil, ein Polaritätsfehler oder ein Top-Bottom-Defekt während der Inspektion vor dem Reflow-Prozess entdeckt wird, gibt die optionale Quality Assurance (QA)-Software von Yamaha ein Alarmsignal, um den verantwortlichen Bestücker vor Bestückung der nächsten Platine zu stoppen. Der Inspektionsbericht kann anschließend analysiert werden, um die Ursache des Problems zu beheben.

Leistungsfähige AOI

Die in einer Fertigungslinie angeordnete AOI-Station YSi-12 erzielt unter Verwendung modernster Beleuchtungs- und Bilderfassungs-Techniken eine hohe Inspektionsleistung. Die erfassten Bilder werden in flachem, mittlerem und steilem Winkel von rotem, grünem und blauem LED-Licht beleuchtet, was die Genauigkeit der Bilderfassung und Unterscheidung von Form und Farbe jedes betrachteten Details deutlich verbessert. Darüber hinaus wird durch Infrarot-Imaging die Inspektion im sichtbaren Bereich und damit die Bandbreite der Fehlererkennung erweitert.

Für jedes Field of View werden 10 Bilder erfasst, die aufgrund verschiedener Wellenlängen und Einfallswinkel erzeugt werden. Bei einer so großen Anzahl und Vielfalt der zu analysierenden Bilder kann die Maschine auch solche Fehler erkennen, die mit dem menschlichen Auge kaum mehr zu sehen sind.

Hinzu kommt, dass mit der Laser-basierten vertikalen Versatzkontrolle eine bekannte Schwäche herkömmlicher AOI-Geräte behoben wurde, da auch leicht angehobene Komponenten oder Anschüsse erkannt werden. Diese Fehler können bei sehr kleinen Packages wie QFN oder SON auftreten, sodass beim anschließenden Reflow-Prozess kein Kontakt zur Platine hergestellt werden kann. Bei rechtzeitiger Erkennung können z. B. durch Erhöhung der Bestückkraft beim Place-Prozess abgehobene Anschlüsse verhindert werden, die anderenfalls nach der Endkontrolle ein Nachlöten erfordern würden.

Das AOI-System YSi-12 bietet darüber hinaus ein in der Höhe erweitertes Sichtfeld, sodass auch Kennzeichnungen auf hohen Komponenten erfasst werden können und die horizontale Ausrichtung besser kontrolliert werden kann. So werden Effekte durch unterschiedliche Pad-Größen oder -Formen eliminiert.

Offline-AOI nutzen

In ihrer Gesamtheit vereinfachen all diese Merkmale die Programmierung und ermöglichen kleine, effiziente Bauteilbibliotheken. Eine in ihrer Funktion identische Offline-Maschine, die YSi-S, gibt Ingenieuren die Möglichkeit, Programme unabhängig von der Linie zu erstellen und diese direkt an die in der Fertigungslinie befindlichen Geräte zu übermitteln, was die Produktivität zusätzlich steigert. Diese Offline-Maschine kann natürlich auch für die Fehlersuche und die Inspektion kleiner Losgrößen eingesetzt werden.

AOXI heute

AOI allein kann jedoch nicht alle Anforderungen aus anspruchsvollen Anwendungen erfüllen. Wenn eine 100-Prozent-Inspektion verlangt wird, müssen die Hersteller typischerweise auch eine automatische Röntgeninspektion (AXI) durchführen, entweder nach dem Reflow-Prozess oder nach der Through-Hole-Bestückung und dem Wellen- bzw. Selektivlöten. Dies ist hauptsächlich deshalb erforderlich, um sicherzustellen, dass die unter BGAs und CSPs verborgenen Lötverbindungen verifiziert wurden.

Herkömmliche AXI-Systeme können in Anschaffung und Betrieb teuer und außerdem nur bedingt in die Fertigungslinie zu integrieren sein. Zum Schutz der Bedienpersonen sind umfangreiche Schutzmaßnahmen, wie röntgenstrahlungs-dichte Maschinengehäuse, erforderlich. Zu starke Röntgenstrahlung kann Halbleiter schädigen und zu erhöhten Leckströmen führen.

Die AOXI-Hybridmaschine YSi-X von Yamaha verwendet 3D-Laminographie zur Erfassung eines kompletten Inspektionsbildes nach der Bestrahlung der Komponenten mit einer sehr kleinen Dosis, was Schäden minimiert. Der Stromverbrauch wurde optimiert, so die Betriebskosten gegenüber Vorgängermodellen weiter reduziert wurden. Außerdem wurde das Volumen des AXI-Moduls weiter reduziert.

Als Hybrid-Plattform verbindet man in einem einzigen Gerät AXI mit leistungsfähiger AOI, und das ohne wesentlich größeren Platzbedarf. Darüber hinaus erfasst das AOXI-Gerät gleichzeitig Röntgenbilder und optische Bilder, was die Zykluszeit minimiert. Es können also sowohl optische Inspektionen als auch Röntgeninspektionen auf kleinem Raum innerhalb der Fertigungslinie verwirklicht werden, entweder sofort nach dem Reflow-Prozess oder nach dem Verarbeiten der THT-Bauteile.