| von Marisa Robles Consée

Escatec, ein Schweizer Unternehmen für elektronische und mechatronische Design- und Fertigungslösungen, setzt nun ein Röntgeninspektionssystem für seine zwei SMT-Fertigungslinien in seinem Werk Heerbrugg ein. Das von Nikon Metrology gelieferte System XT V 160 wird für die In-Prozess-Qualitätskontrolle in Echtzeit verwendet und ersetzt das dem Prozess nachgelagerte Röntgenprüfverfahren. Das In-Prozess-Verfahren ist weitaus effizienter bei der Fehlererkennung und hat die Zeit zwischen Bestellung und Lieferung um einen Tag verkürzt. Außerdem trägt es zur Kostenoptimierung bei, da ein Bediener und ein Prüftechniker nun für andere Aufgaben im Werk zum Einsatz kommen. „Die heutigen Elektronikbauteile werden immer filigraner, so dass wir zunehmend auf hochentwickelte Verfahren angewiesen sind um die perfekte Qualität aller Lötstellen sicherzustellen“, erklärt Dr. Martin Mündlein. Der Technische Direktor von Escatec fügt hinzu. „Die visuelle Prüfung wird zunehmend schwieriger, da die gedruckten Schaltungen vermehrt unter Bauelementen verborgen sind. Die Lötverbindungen lassen sich daher nur noch mittels Röntgenstrahlen sicher erkennen.“

Miniaturisierung erhöht Prüftiefe

Abhilfe soll nun Nikons Röntgeninspektionssystem XT V 160 schaffen: Es ermöglicht die Betrachtung verborgener Lötverbindungen mit einer Bildauflösung von bis zu 1 µm, weshalb Mündlein anmerkt: „Wir sind somit gut vorbereitet, um die immer strengeren Anforderungen an die Qualitätskontrolle zu erfüllen, die mit der zunehmenden Miniaturisierung elektronischer Bauteile einhergehen.“ Die elektronischen Systeme von Escatec, die vorwiegend für den Industrie- und Medizintechnikmarkt entwickelt werden, sind Bestandteil von Überwachungseinrichtungen, Netzwerkanalysatoren, medizinischen Respiratoren und ähnlichen Hightech-Geräten. Diese Systeme enthalten elektronische Baugruppen mit hoher Packungsdichte, einschließlich Bauteile wie BGAs, QFNs, μBGA, CoBs, oder Fine-Pitch-Anschlusskontakte. In den letzten zehn Jahren sei die Detektionsquote der beiden früheren 2D-Röntgensysteme von 100 Prozent auf rund 70 Prozent gefallen, berichtet Mündlein, da Merkmalserkennung durch die fortschreitende Miniaturisierung schwieriger wrede. Alle hergestellten Baugruppen wurden spätestens einen Tag nach ihrer Anfertigung auf Ausschuss geprüft.

Mit dem Röntgeninspektionssystem XT V 160, das eine bis zu 2400-fache Vergrößerung ermöglicht, lassen sich die Merkmale trotz ihrer kleineren Größe wieder prüfen. Die Installation des Systems in der Fertigung, nur wenige Meter von den zwei SMT-Linien entfernt, hat außerdem grundlegende Veränderungen für die Qualitätskontrolle in Heerbrugg bewirkt: Diese Funktion hat sich nun eher von einer dem Prozess nachgelagerten Lösung in eine In-Prozess-Lösung verwandelt. „Anstatt zu versuchen, jeden Fehler zu finden, der während der Montage auf jeder Leiterplatte produziert wird, setzen wir die XT V 160 nun als Prüfsystem ein, um das hohe Qualitätsniveau des Fertigungsprozesses sicherzustellen“, fährt Mündlein fort. Wie dies vonstatten geht, erläutert der Experte so: „Anhand einer festgelegten Stichprobenrate, die sich im Allgemeinen zwischen 5 und 10 Prozent bewegt, werden die bestückten Leiterplatten geprüft und direkt nach dem Aufschmelzen der Lote analysiert. Zur Optimierung der Produktionsparameter werden die Ergebnisse fortlaufend an die SMT-Fertigungslinien zurückgemeldet. Durch das Speichern der Ergebnisse in Testprotokollen ist die Rückführbarkeit gesichert.“ Für das Qualitätskontrollverfahren bedeute dies einen enormen Vorteil, ist sich Mündlein sicher: „Jetzt überwachen und steuern wir die Leistung der Produktionslinien, statt einen Tag später herauszufinden, wie viele fehlerhafte Leiterplatten wir hergestellt haben.“ Gleichzeitig hat sich die Produkteinführungszeit verkürzt und auch der technische Aufwand für die Prüfungen hat sich seiner Ansicht nach verringert: „Wir schätzen, dass wir nun einen Vollzeitmitarbeiter weniger für die Röntgenprüfung benötigen. Dank dieser Einsparungen und des weitaus geringeren technischen Aufwands wird sich unsere Investition in das Nikon-System in weniger als zwei Jahren ausgezahlt haben.“

Fertigungsqualität deutlich verbessert

An sich ist der Bestückungsprozess recht komplex und die Komplexität wird durch die häufigen Umrüstungen – bis zu sieben Mal täglich – beider Linien noch erhöht, mit Losgrößen von zwischen 50 und 100 zu bestückenden Leiterplattennutzen. Über 250 unterschiedliche, vorwiegend doppelseitig bestückte Baugruppen werden in Heerbrugg gefertigt. Bislang war es im halbautomatischen Röntgenprozess möglich, lediglich zwischen 5 bis 10 Prozent aller möglichen Defekte, vorwiegend mangelhafte Lötverbindungen oder Kurzschlussbildung unter BGAs oder QFNs, zu detektieren.

Röntgenprüfung leicht gemacht

Die anhaltende Nachfrage nach hochleistungsfähiger Elektronik treibt die Packaging-Technologie immer weiter in Richtung höherer Packungsdichte, mehr I/O-Funktionen und vor allem Miniaturisierung. Bei modernen Röntgeninspektionssystemen kommt es vor allem auf höchste Auflösung, Bildschärfe und hohe Messgenauigkeit an.

Ein Problem der früheren Röntgengeräte bei Escatec Heerbrugg war, dass sie auf einer Technologie basierten, die automatisierte Schichtbildaufnahmen und das Schreiben aufwändiger Testprogramme erforderte. Der Prüfprozess wurde in zwei Schritten ausgeführt: Zuerst wurden alle Baugruppen automatisch geprüft und in gute Leiterplatten und schlechte Leiterplatten mit mutmaßlich fehlerhaften Lötverbindungen getrennt. Im zweiten Schritt wurden die schlechten Leiterplatten von einem Bediener geprüft, um festzustellen, welche Leiterplatten in Ordnung waren und welche tatsächlich fehlerhafte Verbindungen aufwiesen. Dieser Maschinentyp unterllag der Einschränkung, dass Schnittbilder nur von Ober- und Unterseite des Prüfobjekts betrachten werden konnten. Es gab somit keine Möglichkeit, den Flachdetektor so zu neigen, dass der Bediener das Prüfobjekt von der Seite betrachten konnte. Zusätzlich war die Bildauflösung, insbesondere bei Fine-Pitch-BGAs, QFNs und ähnlichen Objekten, nicht immer ausreichend für den Entscheidungsfindungsprozess. „Es ist sehr schwierig, bestimmte Defekte, wie beispielsweise den so genannten Head-in-Pillow-Defekt bei BGAs, an der Endseite einer Baugruppen zu erkennen“, erläutert Mündlein, mit Blick auf den nachgelagerten teuren Reparaturprozess.

Mit dem System XT V 160 hat sich der Qualitätscheck nicht nur durch die gestochen scharfen Bilder vereinfacht: Die intuitive Bedienung, die Möglichkeit zur schnellen Erstellung von Prüfprogrammen und die stabilen Bildanalyse-Algorithmen sorgen für gesteigerte Produktivität. Die eigens entwickelten intelligenten Diagnose-Tools ermöglichen eine einmalige Bildverarbeitung mit umfassenden BGA- und Wire Sweep-Analysefunktionen. In der Praxis bedeutet dies: Der Bediener verfährt mit den Auswertungen des so genannten „golden Boards“ und hat damit ein Musterprüfprotokoll mit Referenzbildern. Auf diese Weise kann er anschließend das tatsächliche Bild mit dem Referenzbild vergleichen. Dadurch ist es dem Bediener möglich, jedes Merkmal visuell zu prüfen und zügig zu entscheiden, ob es in Ordnung oder nicht in Ordnung ist. Mit dem Röntgeninspektionssystem, das die Möglichkeit bietet, das Prüfobjekt um mehr als 75 Grad zu neigen und es in unterschiedlichen Vergrößerungsstufen zu betrachten, kann der Bediener Head-in-Pillows- und andere Defekte nunmehr leicht erkennen. Ein weiterer Vorteil ist die offene Röntgenröhre, die einen einfachen Austausch des Filaments mit 160 kV/20 W an der Röntgenquelle ermöglicht.

Anspruchsvolle Prüfung von Elektronikbauteilen

Das Röntgeninspektionssystem XT V 160 ist mit einer eigens entwickelten Mikrofokusröntgenröhre und einem Präzisionsmanipulator ausgestattet. Der Fünf-Achsen-Prüfobjektmanipulator wird über einen Präzisionsjoystick bedient, der die Navigation im Echtzeit-Röntgenbildgebungssystem ermöglicht. Die Nanofokusröntgenröhre bietet eine Brennfleckgröße im Nanometer-Bereich. Sie ist mit einem Präzisionsmanipulator und einem 1,45-MPixel-Flachdetektor mit hochdynamischer Abbildungsqualität ausgestattet, der eine Merkmalserkennung von weniger als 0,1 μm ermöglicht. Zudem besticht es durch die stufenlos rotierende 360-Grad-Detektorachse, die Schrägansichten in einem Neigungswinkel von bis zu 75 Grad gegenüber der Detektor-Mittelachse ermöglicht. Das System fixiert den interessanten Bereich (ROI) und sorgt so dafür, dass das interessante Merkmal auch bei wechselnden Vergrößerungen oder Neigungswinkeln im Sichtfeld bleibt. Darüber hinaus lassen sich die auszuführenden Aufgaben weitestgehend über die Software automatisiert werden. Mit dem hochpräzisen und schwingungsgedämpften Objektmanipulator ist das System in der Lage, Schichtbildprüfverfahren auszuführen. Mit der Funktion der Querschnittansicht lassen sich Defekte, selbst im Bereich weniger Mikrometer, sicher erkennen. Dies ermöglicht die Untersuchung von Bereichen, die mit der herkömmlichen 2D-Röntgentechnik nur schwer zugänglich sind, wie etwa Risse in 3D-Stacked Dies, BGA Pads oder in Multilayer-Leiterplatten. Neben der Inspektion von Elektronikbauteilen eignen sich die Systeme ebenfalls für die Röntgen- und CT-Prüfung einer breiten Auswahl kleinerer Bauteile.

Marisa Robles Consée

ist Chefredakteurin Productronic

(mrc)

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