Null Fehler in Sicht mit Ersascope

Eine korrekt geprüfte SMT-Baugruppe senkt automatisch die hohen Kosten, die mit Fehlern im Lötverfahren verbunden sein können. Es gibt weniger Nacharbeiten, Ausschuss und Garantiefälle. Die Elektronikfertiger wissen um die wirklichen finanziellen Einbußen und den Imageverlust durch nicht eingehaltene garantierte Vorgaben, die durch unentdeckte, prozessbezogene Fehler an ihren Produktionslinien entstehen. Die Einhaltung einer Six-Sigma-Qualitätspolitik ist beispielsweise nur dann sinnvoll und führt zum Erfolg, wenn alle möglichen Fehler entdeckt werden – und zwar zu dem Zeitpunkt und an dem Ort, an dem sie entstehen.

Auf dem Weg zur Nullfehlerfertigung sind nach wie vor noch einige Hürden zu nehmen. Die Miniaturisierung von Bauteilen wie TQFPs mit Pinabständen von lediglich 0,4 mm, Bauelemente in den Baugrößen 0201 oder gar 01005, CSPs und Flip-Chips, und Ähnliches stellen die Fertigung elektronischer Baugruppen vor große Herausforderungen. Daher ist die Herstellung elektronischer Baugruppen, also von den Einzelkomponenten bis hin zu komplexen Baueinheiten, mit vielen Prüfschritten verbunden. Mit jeder Zwischenprüfung wird angestrebt, eventuell vorhandene Abweichungen zu einem frühestmöglichen Zeitpunkt zu detektieren. Das ist mit hohen Kosten verbunden. Richtig teuer würde es jedoch werden, wenn die Baugruppe durch unentdeckte Fehler beim Endanwender zum Ausfall führte.

Visuelle Inspektion zur Qualitätssicherung

Reichten früher Sichtgeräte mit einer starken Vergrößerung aus, um Lötanschlüsse der oberflächenmontierbaren Bauteile zu kontrollieren, sind spätestens mit der Einführung der Ball Grid Arrays (BGA) gänzlich neuartige Konstruktionen der optischen Prüfung nötig, da die Lötverbindungen bekanntlich nicht mehr an den Stirnseiten, sondern flächig unter dem Gehäusekörper des Bauelements erfolgen. In logischer Konsequenz wurden so genannte BGA-Inspektionssysteme konzipiert, die den Blick zwischen Leiterplattenoberfläche und Bauteilunterkante erlauben. Allerdings sind diese Kameras selbst in ihren kompaktesten Ausführungen zu groß für diese Anwendungen, weshalb sich vermehrt die endoskope Arbeitsweise durchsetzt.

Nun mag man anmerken, dass Röntgeninspektionssysteme zwischenzeitlich die bessere Wahl sind, um potenzielle Fehlerquellen im Produktionsprozess frühzeitig zu erkennen. Grundsätzlich verfolgen Inspektionstechniken das Ziel, vermeintlich „Unsichtbares“ sichtbar zu machen. Jedoch werden etwa nichtmetallische Fremdkörper, wie Flussmittelverunreinigungen, ausschließlich von einem BGA-Inspektionssystem erkannt. Da diese Fremdkörper die Strahlung nicht nennenswert absorbieren, sind sie mit einer Röntgenprüfung nicht zu erkennen. Auch das tatsächliche Aussehen der ansonsten verborgenen Lötstellen zeigt nur das Endoskopieverfahren. Für die Prozesstechniker ist die Oberflächenstruktur von Lötstellen ein wichtiger Indikator bei der Beurteilung von Lötprofilen. Hingegen erkennt ein Röntgenprüfsystem neben der exakten Kontur auch die innere Beschaffenheit einer Lötstelle. Lufteinschlüsse, auch Voids genannt, werden auf diese Weise eindeutig erkannt. Letztendlich ergänzen sich Röntgenuntersuchung und optische Inspektion mit Ersascope perfekt und nur die Kombination beider Verfahren garantiert optimale Prozesssicherheit.

Ersascope macht Unsichtbares sichtbar

Zweifelsohne ist die Inspektion verdeckter Lötstellen einer der wichtigsten Bereiche in der Qualitätssicherung. Seien es Flussmittelrückstände unter BGAs, Delaminierungen beim BGA-Gehäuse, mangelhafte Durchsteiger beim PGA oder dass sich kein Innenmeniskus beim PQFP ausgebildet hat, so manches Mikroskopsystem stößt hier bereits an seine Grenzen. Um „Unsichtbares“ sichtbar zu machen, sind verbesserte Inspektionsprozesse, wie sie die Ersascope-Technologie bietet, nötig. Das mehrfach ausgezeichnete und patentierte Inspektionssystem Ersascope basiert auf Endoskopie und wurde speziell für die Lötstelleninspektion von BGAs, CSPs und Flip-Chips entwickelt.

Zwischenzeitlich gibt es zwei Modelle: Das Ersascope 1 (Bild 1) ist ein kostengünstiges, effektives und optisches Inspektionssystem zur Inspektion von BGAs sowie verdeckter, innenliegender Lötstellen an SMD- und konventionellen Bauteilen, gemäß der neuen IPC-Inspektionsstandards (IPC-7095B). Derzeit ist das Ersascope 2 das einzige Inspektionssystem weltweit mit austauschbaren Optiken zur Inspektion von Flip-Chips, CSPs, BGAs und 0201-Chips. Obwohl beide Systeme grundsätzlich ähnliche Fähigkeiten haben, unterscheiden sie sich hinsichtlich der Spalthöhe des zu inspizierenden Bauteils sowie der Bestückungsdichte der Leiterplatte. Die 90°-Optik des Ersascope 1 hat zum Beispiel eine Auflagefläche von 1,5 mm x 4,5 mm, eine bis zu 400-fache Vergrößerung (bei einem 20-Zoll-Monitor mit einer Auflösung von 1600 x 1200 Pixel und ohne digitalem Zoom) und kann in einer Spalthöhe von zirka 300 μm unter dem Bauteil inspizieren. Im Gegensatz dazu verfügt der Flip-Chip-Kopf des Ersascope 2 über eine Auflagefläche von lediglich 0,6 mm x 4,0 mm, eine bis zu 700-fache Vergrößerung (bei einem 20-Zoll-Monitor mit einer Auflösung von 1600 x 1200 Pixel und ohne digitalem Zoom) und kann in einer Spalthöhe von zirka 30 μm unter dem Bauteil inspizieren (Bild 2). Das Ersascope 2 eignet sich folglich besser zur Inspektion von Bauteilen mit niedrigen Spalthöhen, wie etwa CSPs und Flip-Chips.

Die digitale Kamera mit USB-2.0-Schnittstelle arbeitet bei der Ersascope 1 mit CMOS-Technologie und verfügt über eine optimale Lichtempfindlichkeit und Auflösung. Sowohl die Optik als auch der im Lieferumfang enthaltene flexible Schwanenhals werden von der Halogenlichtquelle optimal versorgt. Zwei Lichtauslässe am Optikenträger und eine flexible Schwanenhals-Lichtquelle stellen sowohl auf der Leiterplattenoberfläche als auch unter dem Bauteil eine sehr gute Ausleuchtung sicher. Durch die mechanische Verbindung des Gegenlichts mit dem Optikenträger ergibt sich eine gleichmäßige Ausleuchtung, wenn die Optik am Bauteil entlang gefahren wird und ermöglicht die schnellste BGA-Inspektion. Das Ersascope 2 plus arbeitet mit einer Metall-Halid-Lichtquelle, deren langlebiges Leuchtmittel im Vergleich zu anderen Systemen ein viel reineres und helleres Weißlicht liefert (Bild 3). Mittels der in der Lichtquelle eingebauten mechanischen Irisblende lässt sich die Lichtmenge regeln, ohne dabei Temperatur und Farbe zu ändern. Zwei mechanische Irisblenden am Optikenträger ermöglichen eine individuelle und voneinander unabhängige stufenlose Dimmung (0 bis 100 %) von Front- und Gegenlicht. Eine weitere Komponente ist der Glasfaser-Lichtpinsel, dessen einzelne Fasern (ø 0,050 mm) unter die meisten Gehäusetypen reichen und so für eine optimale Ausleuchtung während der Inspektion sorgen.

Die im System enthaltene Inspektionssoftware ImageDoc Basic bietet neben der Darstellung des Livebildes viele Möglichkeiten zur Dokumentation und Analyse der Inspektionsergebnisse. Die Bildverarbeitungsfunktion „Best Focus“ erlaubt es dem Nutzer, sehr einfach für einen frei bestimmbaren Bildausschnitt die objektiv beste Schärfeeinstellung zu finden. Die ist vor allem dann hilfreich, wenn im Bild Messungen vorgenommen werden sollen. Die zweite Funktion dient der verbesserten Darstellung und Dokumentation des Inspektionsergebnisses: Mit „Focus Fusion“ errechnet die Software aus mehreren zuvor aufgenommenen Einzelbildern automatisch ein Gesamtbild mit hoher Tiefenschärfe. Es lassen sich also zum Beispiel alle Anschlüsse eines BGAs in einer Reihe scharf darstellen. Die Inspektionsergebnisse eines hochpoligen Bauteils werden in nur einem Bild dokumentiert.

Nichts dem Zufall überlassen

Ein klassisches Beispiel für eine visuelle Inspektionsaufgabe ist das Inspizieren von innenliegenden Menisken bei TQFPs (Fine-Pitch Quad Field Packages) und PLCC (Plastic Leaded Chip Carriers). Die Position dieser in Abbildung 4 und 5 dargestellten Menisken ist deshalb prozesstechnisch ungünstig, da sie durch die Nähe zum Bauteilkörper thermisch stark an diesen gekoppelt sind und sich daher nur sehr langsam erwärmen. Schwächen des Prozesses werden hier oft deutlich. Jedoch ist die Inspektion von solchen innenliegenden Menisken aufgrund deren schwer zugänglichen Lage mit herkömmlicher Mikroskopie äußerst schwierig.

Für die Inspektion versteckter Lötstellen im Rahmen der Qualitätssicherung bietet Ersascope mittels der Technologie der Kleinspalt-Endoskopie eine universelle, ergonomische und ökonomische Alternative. So ermöglicht es die Ersascope 2 plus mit seiner Flip-Chip-Optik bei extrem niedrigen Spaltmaßen von 75 µm bis 100 µm von Bauteilen wie µBGAs, CSPs, und Flip-Chips die obere, bauteilseitige Anschlussfläche sichtbar zu machen. Dies ist deshalb von immenser Wichtigkeit, da die Anschlüsse erfahrungsgemäß häufig von der Abscherung durch thermische Verspannung während der Abkühlphase betroffen sind.

(mrc)