Test und Inspektion in der Elektronikindustrie stehen im ständigen Wandel. Nicht nur die Technologien ändern sich – auch die Anforderungen. Waren noch vor 10 bis 15 Jahren elektrische Tests vorrangig, haben sich mittlerweile automatische optische Inspektionen (AOI, SPI) durchgesetzt. Keiner bestreitet mehr, dass eine Kombination von Test und Inspektionen sinnvoll ist – das kann eine optische und eine röntgentechnische Inspektion sein, aber durchaus auch eine Teststrategie im Verbund mit elektrischen Prüfungen (ICT, FP, FKT). Wichtig ist die Strategie und deren Einfluss der Ergebnisse auf den Prozess – der Fehler soll ja nicht wiederkommen.

Kombinationen von (SPI), AOI und AXI Systemen ATEcare

Kombinationen von (SPI), AOI und AXI Systemen ATEcare

Herausforderung bei der Röntgeninspektion

Wie oft haben Kunden denn tatsächlich die Röntgeninspektion als Dienstleistung genutzt? Ich denke nahezu jeder. Es geht oft um Kontaktprobleme bei BGAs, die Suche nach Kurzschlüssen und das Auffinden von Einschlüssen unter den Bausteinen (BGA, QFN, etc.). Zumeist hinterfragen die Auftraggeber nicht einmal die Inspektionstechnologie, die bei diesen Dienstleistungen zur Anwendung kommt und es wird nach dem günstigsten Angebot geschaut. Dass das Kontakt-Problem beim BGA dann nicht gefunden wurde, überrascht nicht.

2D, 2.5D und 3D bieten pro Bild nur eine Ebene (rechts)... ATEcare

2D, 2.5D und 3D bieten pro Bild nur eine Ebene… ATEcare

Unterschieden wird in erster Linie, ob es beim Röntgen um einen automatisierten Test oder eine Analyse geht. Ähnlich wie beim AOI, werden bei automatisierten Inspektionen Algorithmen hinzugezogen, die die Hersteller erarbeitet haben und die je nach Endprodukt und Technologie auch Anforderungen wie etwa IPC- oder Automotive-relevante Normen und Standards sowie weitere Instanzen erfüllen müssen. Hier gibt es nach wie vor viel Diskussion und im Vergleich zur AOI nicht wirklich viele Festlegungen oder gar Normungen – hier sind Erfahrungswerte gefragt!

So gibt es beispielsweise bei der Fragestellung, welche Menge an Lufteinschluss nun erlaubt oder sinnvoll ist, mittlerweile eine ganze Reihe wissenschaftlicher Auswertungen und Erkenntnisse. Auch die Hersteller von Inspektionslösungen haben hier ihr Know-how entsprechend einfließen lassen. Für einen Testservice ist dies so nur anwendbar, wenn die Definitionen im Vorfeld abgestimmt sind. Dem einen genügen Fehlerreports bei 8 Prozent, der andere akzeptiert auch locker 30 Prozent Voiding. Somit beschränken sich die meisten Dienstleistungen mit einer 2D-Analyse. Hier wird buchstäblich nur geschaut, wie das durchleuchtete Objekt aussieht und ob es Auffälligkeiten gibt.

Inspektionslösungen im Detail

Prinzipiell kommen die folgenden Technologien zum Einsatz:

2D-Röntgen: Die Leiterplatte wird gerade durchstrahlt und Abschattungen bedingt durch Bauteile und Lot können abgebildet werden. Stichproben und einfache Prüfungen zu Kurzschlüssen und Einschlüssen sind möglich.

...CT baut die Bilder einzeln auf

…CT baut die Bilder einzeln auf ATEcare

2.5D-Röntgen: Funktioniert ziemlich ähnlich der 2D Inspektion, nur sind hier noch Seitenansichten möglich, was durch Schwenken der Inspektionsmimik oder des Prüflings möglich wird.

3D Röntgen: Diese Bezeichnung wurde gewählt, weil mit dieser Methode unterschiedliche Schichtebenen – so genanntes Slicing – in einer verdeckten Masse darstellbar sind. Nimmt man den Begriff 3D jedoch wörtlich, stimmt es so eigentlich nicht, da ja nur ein 2D-Bild in der jeweiligen Ebene aufgenommen und ausgewertet wird – richtige „3D-Bilder“ gibt es nicht. Damit kann man in jeder beliebigen Ebene eine Auswertung machen und diese auch mit Algorithmen belegen – die Methode kommt daher auch eher bei automatischen Röntgen-Inspektionssystemen (AXI) zum Einsatz, aber nicht zur Analyse. Die Slicing-Technologie funktioniert recht gut, wenn die zu inspizierenden Objekte und Strukturen nicht zu klein sind und man weiß, in welchen Ebenen man suchen muss.

Inspektionslösungen hinterfragen

Die Qualität von elektronischen Baugruppen ist in hohem Maße abhängig von standardisierten Prozessen. Unabdingbar ist hierbei die Baugruppeninspektion: Eine passende SPI-AOI-AXI-Teststrategie im Verbund mit elektrischen Prüfungen (ICT, FP, FKT) ist sicherlich anzuraten. Wichtig ist die Strategie und deren Einfluss der Ergebnisse auf den Prozess – der Fehler soll ja nicht wiederkommen. Gut beraten ist, wer sich an Experten wie ATEcare wendet. Der Systempartner hat auf der productronica 2019 eine starke Messepräsenz:

  • Halle A2, Stand 331 bei Omron (AOI, SPI, AXI und AVI sowie deren Robotik; eine ganz neue SPI wird vorgeführt)
  • Halle A1, „3D-AOI-Arena“ gemeinsam mit Omron (3D-AOI)
  • Halle B2, Stand 480 bei der Produktionsline vom Fraunhofer (AOI und mit Neuheit KITOV.AI Video-Roboter von Omron)
  • Halle A2, Stand 308: Inspectis mit Video-Inspektionskameras
  • Halle A1, Stand 168 bei Dr. Eschke mit ICT und FKT

Stichwort Ebene: Weder die Leiterplatte noch die Bausteine sind aber wirklich eben. Grobe Durchbiegungen der Leiterplatte kann man hierbei mit einem Laser auf der Leiterplatte ausmessen und kompensieren – alle verdeckten Durchbiegungen aber nicht. Ist also der Micro-BGA nicht hundertprozentig eben, kann die dann gewählte Schnittebene auch nicht automatisch inspiziert werden. So werden beispielsweise zur Inspektion von BGAs zum Beispiel drei Schnittebenen pro BGA-Ball eingesetzt: je einer an der Lötstelle und einer mittig, um die Einschlüsse zu ermitteln. Gibt es nun Verbiegungen und Verwölbungen, stimmt die Schnittebene seitens ihrer Position nicht mehr. Hinzu kommt, dass zwischen den Schnittebenen nichts ermittelt werden kann. Eine grober 25-prozentiger Lufteinschluss ist so sicherlich zu finden – ein Head-in-Pillow-Effekt (HIP) nur durch Zufall – der passt auch locker zwischen solche Schnittebenen.

HIP in der Dimension eines BGA Balls – vs. Durchbiegung

HIP in der Dimension eines BGA Balls – vs. Durchbiegung ATEcare

Kombination AOI-AXI – wirklich sinnvoll?

Der Platzbedarf von mehreren Systemen ist sicherlich ein Aspekt und der Verbund nahegelegener Inspektionen ebenso, die Geräte in ein Gehäuse zu bringen. Zudem sollte eine Programmiersoftware so ausgelegt sein, dass sie eine hundertprozentige Testabdeckung ermöglicht. Kombiniert werden derzeit am Markt zumeist 2D-, 2.5D- oder 3D-Röntgensysteme mit 2D- oder 3D-AOI.

Was spricht dagegen? Dauerhafte Röntgenstrahlung zerstört Elektronik und Materialien. Daher muss also eine AOI im AXI System von dieser „abgetrennt“ werden. Weder Kamera noch Sensorik, auch einfache Kabel verdauen eine Dauerbestrahlung und müssen (zumeist mit Blei) abgeschirmt werden. Zudem müssen Taktzeiten von AOI und AXI zueinander passen. Intensive, insbesondere CT-Inspektionen, erstellen wesentlich tiefere Testabdeckungen und werden daher oft auf spezielle Einzelbauteile angewendet. AOI kann mit verdeckten aber auch manchen schwierig zu inspizierenden Bauteilen oft nicht den hundertprozentigen Erfolg bieten, zum Beispiel bei QFNs. Wer also wann welche Aufgaben übernimmt, kann sehr unterschiedlich ausfallen.

Mit einer AOXI-Kombination muss also das Produktportfolio auch dazu passen. Die Bauteile dürfen nicht zu klein sein, Verbiegungen der Leiterplatten aber insbesondere der Bauteile sind ein wesentliches Hindernis und nicht zu vergessen ist der Punkt, dass bei Stillstand eines der Geräte die komplette Einheit ausfällt. Das kann beispielsweise bei notwendigen Wartungs- und Austauscharbeiten zum Röhren- und Detektoren-Wechsel der Fall sein oder auch, weil Röntgensysteme nun einmal ausfallen können.

Eine gute Teststrategie mit 3D-AOI und hoher Testabdeckung und ein separates Gerät zum Röntgen, was mit Algorithmen ähnlich der AOI funktioniert, aber dabei eine manuelle CT-Analyse ebenfalls zulässt, ist daher auch eine gute Option und bietet unumstritten die beste Testtiefe, die derzeit am Markt verfügbar ist. Keine Frage dürfte aus heutiger Sicht mehr zur AOI-Technologie auftauchen und 3D ist gesetzt. Und dabei sollte 3D-AOI flächendeckend, also für die gesamte Leiterplatte zur Anwendung kommen. Das vereinfacht immens die Programmerstellung und ergibt ganz neue messtechnische Möglichkeiten auf der Gesamtfläche und nicht nur bauteilbezogen.

Zusammenführen von Prozessparametern (SPI, AOI, AXI)

Zusammenführen von Prozessparametern (SPI, AOI, AXI) ATEcare

Analyse und Inspektion via CT

Bekannt aus der Medizin, wurden CT-Analysen schon länger auch in der Elektronik eingesetzt. In der Medizin wird keiner hingehen und ein Hirn mit einem 2D- oder 2.5D-Röntgen betrachten. Dazu haben sich Kunden oft ein manuelles oder halbautomatisches Röntgensystem mit einer CT-Option gekauft. Der Vorteil dabei ist, dass die gesamte Masse nun „durchgescrollt“ werden kann: Je nach auf Auflösung, stehen also nun viele hundert Schichtebenen zur Ansicht. Intelligente Zusatzprogramme wie 3D-Viewer ermöglichen nun, sich durch diese Masse zu „bewegen“ und an unterschiedlichen Stellen Bilder aufzunehmen. Da diese Halbautomaten zumeist mit offenen Röhren arbeiten, sind auch sehr gute Bildqualitäten bei hoher Auflösung zu erwarten. Damit erspart sich so mancher Kunde die teuren Schliffbilder. Wichtig ist aber, so ein System regelmäßig und intensiv zu nutzen – die Analyse-Software ist recht komplex und nicht einfach zu bedienen, sodass Erfahrung und Fachpersonal nötig sind. Hinzu kommt, dass eine Voxel-basierende Aufnahme (3D-Pixel) sehr rechenintensiv ist, damit viel Zeit und natürlich auch entsprechende IT-Forderungen benötigt. Da in solchen Systemen die Leiterplatten oft für eine CT-Aufnahme gedreht werden müssen, ist die maximale Größe der zu inspizierenden Teile sehr stark limitiert.

Lange Zeit gab es keine CT-Inspektion, weil eine automatische CT-Inspektion zu aufwändig war und vor allem die damaligen Rechenzeiten einen Linientakt nicht zugelassen haben. Seit dem Jahr 2009 hat Omron nunmehr erstmalig eine solche Technologie in Zusammenarbeit mit einem japanischen Automotive-Kunden vorgestellt. Allerdings hat es bis zu einem linienfähigen Einsatz noch viel Engagement und eben auch besserer Rechner bedurft. Jetzt gibt es eine Möglichkeit, beide Notwendigkeiten in einem Gerät abzubilden. Das System ist derartig aufgebaut, dass eine Leiterplatte in das System einfährt (In- oder Off-Line), dort positioniert wird, die Barcodes gelesen werden können und grob die Durchbiegung der Leiterplatte ermittelt wird. Dann verfahren in einem kontinuierlichen planaren CT-Verfahren Detektor und Röntgenröhre in genau definierten Abständen, Winkeln und Positionen, kreisförmig über und unter der Leiterplatte. Damit sind verschiedene Auflösungen von 3 µm bis hin zu 30 µm möglich und anhand der gewählten Anzahl von Projektionen (32 bis 512) lässt sich die Bildqualität einstellen.

Volume Viewer Ansicht BGA

Volume Viewer Ansicht BGA ATEcare

Natürlich gibt es noch eine Menge weiterer Einstellfaktoren. Mit dieser Konstellation ist es nun möglich, ähnlich bei einem AOI, ein Programm, basierend auf einer Bibliothek, zu generieren. Die entsprechenden Schichtebenen bestimmen die Algorithmen selbst und mittels einer patentierten Technologie muss man dabei gar nicht wissen, in welchen geometrischen Ebenen man nach Ergebnissen sucht – die Ausgangsbasis zur Programmierung bildet die gleiche CAD-Struktur, wie sie beim Bestückautomaten oder AOI vorhanden ist.

Werden nun die vorhandenen Bibliotheken mit eigenen Artikelnummern verheiratet, können hauseigene Qualitätsrichtlinien verwendet werden, um gleichbleibende Qualitäten nachweisen zu können. Natürlich sind dann die Ergebnisse auch mit den Auswertungen von SPI und AOI verknüpfbar. Eine Verifizierstation kann dann dreidimensionales Bild- und Messmaterial der SPI und AOI gleich mit anzeigen – hier ist aus prozessbedingt eine Kombination das beste Werkzeug. Richtig spannend sind die Werkzeuge zum Durchscrollen der CT-Ergebnisse oder der verschiedenen Ansichten aus 3D-SPI und AOI am gleichen Platz.

Fazit

Nur einen Kurzschluss zu finden oder einmal das Voiding zu bestimmen, ist oft mit den oben beschriebenen einfachen Methoden möglich. Sehr kleine Bauformen, wo keine Menisken-Ausbildungen mehr optisch auswertbar sind wie bei Baugrößen von 0201 und kleiner, QFN, Micro-BGA, aber insbesondere neuere Strukturen wie LGA oder Package on Package (mehrschichtige Aufbauten) sind anders überhaupt nicht prüfbar, und gleich gar nicht automatisierbar und damit wiederholbar zu inspizieren.

Nun stellt sich auch die Frage nach der Dienstleistung ganz anders. Wollen Sie nur den Kurschluss bestätigt wissen, kann vielleicht schon der Zahnarzt nebenan ein paar Bilder „schießen“. Wollen Sie jedoch wissen, ob es prozesstechnische Probleme gibt (zum Beispiel HIP in diversen Ebenen, Pinocchio-Effekte in LGAs und PoP) oder eine genaue Zusammensetzung des Lotes um mehrreihige Stecker- und Pressfit-Verbindungen, gibt es keine sinnvolle andere Technologie und derzeit auch noch nicht viele Hersteller.

Pressfit Inspektion

Pressfit Inspektion ATEcare

Kombi oder Nicht-Kombi ist also nicht generell zu beantworten. Die Testtiefe die nötig ist und die Anwendungsform (Röntgen automatisiert UND Analyse) sollte hier ausschlaggebend sein. Die Geräte sollten sich ergänzen und in optimaler Testzeit beste Prüftiefen ermöglichen. ATEcare bietet als Systempartner daher gemeinsam mit Omron auch Einzelgeräte, die aber Software-seitig gleich oder ähnlich zu bedienen sind, und teilen Inspektionsaufgaben sinnvoll pro Produkt auf die beiden Geräte auf.

Außer Frage steht der Punkt, was die Elektronikfertigung in der Zukunft braucht. Optische automatische Inspektionen werden noch weitere 3D-Funktionen bekommen und das Röntgen muss auf neue Forderungen eingehen können – das werden kleinere und auch komplexere Bauteile sein. Autonomes Fahren wird keine Stichproben oder manuelle Inspektionen mehr zulassen, egal ob in Einzelgeräten oder Kombinationen.