Es gibt AOI-Systeme auf dem Markt, die mit acht Kameras werben – kann das die richtige Anzahl sein? Wie viele Kameras sind wirklich erforderlich? Bei solchen Multikamera-AOI-Systeme stellt sich die Frage, wie die Bilddaten verarbeitet werden, um brauchbare Inspektionsdaten zu erhalten. Typischerweise arbeiten solche AOI-Systeme mit Seitenkameras auf der Basis von Bildvergleichen. Mit anderen Worten, sie nutzen ein ‚Golden Image‘, das von einigen bis vielen Mustern generiert wurde und vergleichen diese Vorlage mit den Inspektionsbereichen der aktuell zu prüfenden Flachbaugruppe. Aber was passiert, wenn der Inspektionsbereich für gut befunden wurde, aber ein Unterschied in Farbe, Beleuchtung/Reflexion oder Variationen von Baugruppe-zu-Baugruppe beziehungsweise Los-zu-Los auftreten? Funktioniert das selbe Muster für die gleichen Komponenten und Packages, die irgendwo anders in anderer Orientierung auf der Flachbaugruppe platziert sind?

Daraus leitet sich sofort die Frage ab, ob die Nutzung der gleichen Bauteilbibliothek für Komponenten möglich ist, unabhängig davon, wo sich das Bauteil befindet oder ob es beispielsweise von hoch aufbauenden Nachbarkomponenten umgeben ist (Abschattungseffekte). Benötigt man bei der Verwendung von Multikamera-AOI-Systemen mehr Zeit für die Programmierung und das Debugging? Erhöht die Anzahl von Kamerasystemen die Anzahl von Pseudofehlern oder Schlupf? Der Einsatz der Line-Scan-Technologie (LST) von Saki (Vertrieb: GPS Technologies) bietet eine interessante Alternative zu Multikamera-AOI-Systemen. Seit Mitte der 1990er Jahre wird diese Technologie in großem Maßstab eingesetzt und kann auch mit modernen Problemen fertig werden.

Was ist die Line-Scan-Technik?

Bei der LST wird ein hochauflösendes CCD-Sensorarray über die Flachbaugruppe bewegt und nimmt dabei das vollständige Bild der Flachbaugruppe auf. Die Aufnahme einer Flachbaugruppe von 460 mm x 550 mm erfolgt in gerade einmal 10 s, was einer Inspektionsgeschwindigkeit von mehr als 250 cm²/s entspricht. Die Inspektionsgeschwindigkeit ist dabei völlig unabhängig von der Anzahl der Bauteile auf der Flachbaugruppe. Das Beleuchtungssystem besteht aus mehr als 3000 LEDs. Diese sind in so genannten Multiple-Bänken angeordnet und generieren ein Auflicht (Top light) eine Seitenlicht (Side light) und ein Tiefenlicht (Low light). Während jedem Scanvorgang moduliert die LED-Beleuchtungseinheit mehrere tausend Mal, um über 20 verschiedene Beleuchtungsschemata zu generieren. Diese liefern eine bemerkenswerte Flexibilität, um die richtigen Kontraste für jede Inspektionsanforderung bereitzustellen.

Der Primärsensor, der in konventionellen AOI-Systemdesigns verwendet wird, unabhängig davon, ob Schrägsichtmodule zum Einsatz kommen oder nicht, ist eine Aufsicht CCD-Kamera (large area array CCD). Typischerweise ist diese Kamera mit einer mehr oder minder aufwendigen Ringbeleuchtung umgeben. Um nun die Flachbaugruppe zu inspizieren, wird die Kamera über die Flachbaugruppe hinweg positioniert und es wird eine Vielzahl von Bildern aufgenommen. Abhängig vom Field-of-View (FOV) der Kamera, der Größe der Flachbaugruppe und der Bauteildichte kann die Datenakquisition von wenigen Sekunden für kleine Baugruppen und bei geringer Bestückungsdichte bis hin zu einigen Minuten bei großen, dichtbestückten Baugruppen dauern. LST führt einen mit konstanter Geschwindigkeit geführten Scan durch und nimmt dabei den gesamten Bildinhalt der Flachbaugruppe in einer schnellen Bewegung auf. Die gesamte Flachbaugruppe zu inspizieren ist dabei von großer Bedeutung: verloren gegangene Bauteile, Kratzer, Verschmutzungen oder Lotperlen können ebenfalls gleich mit erfasst werden. Dies liefert einen nicht unerheblichen Beitrag zur Qualitätssicherung und Kosteneinsparung.

Koaxiales Auflicht (Top Light)

Unterschiedliche Bauteile haben unterschiedliche Bauteilhöhen und manche sind deutlich höher als ihre direkte benachbarten. Intensive Untersuchungen haben gezeigt, dass die beste Beleuchtung für die Lötstelleninspektion eine direkt lotrechte Projektion auf die Flachbaugruppe ist. Jede andere Beleuchtung, die exzentrisch angeordnet ist, führt unweigerlich zur Schattenbildung. So ist es leicht nachvollziehbar, dass hoch aufbauende Komponenten das Seitenlicht blockieren können und kleinere benachbarte Bauteile dadurch beschatten.

Dies führt unweigerlich zu Pseudofehlern, die ihrerseits mehr Aufwand bei der Programmierung und dem Debugging bedeuten. Entscheidend ist, dass gute Lötstellen bei direktem, also koaxialem Auflicht, ein charakteristisches Reflexionsmuster produzieren und damit eine diskrete Abgrenzung zu kalten Lötverbindungen oder ungelöteten Lötverbindungen zeigen. Und darum geht es schlussendlich: gute von nicht-guten Lötverbindungen klar zu unterscheiden.

Als weiteres wichtiges Element kommt die telezentrische Optik zum Einsatz. Sie ermöglicht eine Vergrößerung der Fokustiefe des Sensors und eliminiert den Parallaxenfehler (Manhattan-Effekt). Schatteneffekte und andere optische Störungen sind damit ausgeschlossen und ermöglichen erstmals die Verwendung einer flexiblen Bauteil-Inspektions-Bibliothek, die auf jedem Ort der Flachbaugruppe angewendet werden kann – unabhängig von den Höhen benachbarter Bauteilen – ein Problem, dass immer noch viele AOI-Systeme haben.

Welche Beleuchtung ist die Beste?

Es hat sich gezeigt, das koaxiales Auflicht die beste Wahl für die Lötstelleninspektion ist. Jedoch gibt es andere Inspektionsanforderungen, die abweichende Projektionswinkel und Beleuchtungsfarben erfordern, um eine sichere Abgrenzung zwischen guten (G) und nicht-guten (NG) Inspektionsbedingungen vornehmen zu können. Aufgaben wie etwa Optical Character Recognition (OCR) oder Optical Character Verification (OCV) erfordern gegebenenfalls andersartige Projektionswinkel, um eine akkurate Festlegung zu treffen, ob das entsprechende Bauteil bestückt wurde. In einigen Fällen wird die Farbe des Bauteils für die Aussage ‚An- oder Abwesend‘ beziehungsweise ‚richtiges Bauteil‘ herangezogen.

Die Farbinspektion erfordert üblicherweise weitere spezifische Beleuchtungseinstellungen. In einigen Fällen ist der Farbkontrast zwischen Bauteil und Substrat sehr gering. Um das koaxiale Auflicht in seiner Leistungsfähigkeit zu erweitern, werden LED-Bänke hinzugefügt. Diese projizieren Licht von der Seite auf den Prüfling und zeigen sehr Ergebnisse für die Farbinspektion. Das so genannte ‚Low Light‘ ist in seiner Projektionsebene sehr spitzwinklig und damit ideal für OCR- und OCV-Inspektionsaufgaben. Mit verschiedenen Kombinationen aus den unterschiedlich angeordneten Beleuchtungsquellen erhält man sehr gute Inspektionsergebnisse. Im Zusammenspiel mit intelligenter Software werden bei jedem Scan über 20 verschiedenartige Beleuchtungsschemata generiert. Jedes einzelne dieser Schemata lässt sich auf jedes Inspektionsfenster und auf jeden hinterlegten Algorithmus der Bauteil-Inspektions-Bibliothek anwenden. Diese intelligente Beleuchtungsflexibilität erlaubt ein sehr einfaches elektromechanisches Design und hat keine negativen Auswirkungen auf die Inspektionszeit.

Ganze Flachbaugruppe inspizieren

Konventionelle FOV-AOI-Systeme inspizieren lediglich Bereiche der Flachbaugruppe, die über einen Bestückinhalt verfügen. Diese Einschränkung der Inspektion auf bestückte Bereiche bedeutet, dass große Bereiche der Flachbaugruppe ohne Prüfung weiter prozessiert werden. Fremdmaterial wie etwa lose Bauteile, Lötperlen oder Schmutzpartikel werden schlichtweg nicht erkannt und führen damit unweigerlich zu Fertigungsproblemen. Mit LST wird immer die gesamte Flachbaugruppe inspiziert. Um sicherzustellen, dass keine Flachbaugruppe mit Fremdmaterial in den nachfolgenden Prozessschritt übergeben wird, steht das Software-Feature Extra Component Detection (ECD) zur Verfügung. Es handelt sich dabei um eine Routine, die lediglich das Sampling von maximal zehn bekannt guten Baugruppen erfordert, um ein sicheres stabiles Modell zu generieren. Das Ergebnis ist hohe Ausbeute und angemessener Linientakt.

Lötqualität

Die Lötqualität von Bauteilformen bis 01005 lässt sich unter Anwendung von koaxialem Auflicht sehr einfach beurteilen. Wenn die Lötverbindung richtig ausgeprägt ist, dann wird das rechtwinklig zur Flachbaugruppe projizierte Licht im Bereich des Lötmeniskus unter gegebenen Winkeln reflektiert. Der Line-Scan-Sensor ‚sieht‘ diesen Bereich als Bereich geringer Helligkeit. Andererseits liefert das Fehlen von Lotmaterial beziehungsweise gar die gänzliche Abwesenheit von Bauteilen einen Bereich hoher Helligkeit, da das orthogonal projizierte Licht sehr stark respektive total auf den Sensor zurückreflektiert wird.

Die in den Inspektionsbibliotheken hinterlegten Schwellwerte für die Helligkeit lassen sich für jedes Inspektionsfenster anpassen. Zusätzlich ist es möglich, mehrere Parametersätze für eine Inspektionsaufgabe anzuwenden, um so genannte ‚conditional jumps‘ zu erlauben. Um beispielsweise die Lötverbindungen eines 0805-Bauteils unterschiedlicher Hersteller zu prüfen, die sich gegebenenfalls in Bezug auf seine Farbe, optische Reflektivität oder ähnliches unterscheiden können, werden die Parametersätze (conditions) schrittweise (jumps) berücksichtigt. Der Vorteil liegt auf der Hand: kürzere Programmier- und Debugzeiten sowie niedrige Pseudofehlerrate.

Inspektion von Anschlussbeinchen

Die Notwendigkeit zur Detektion von lifted-leads ist möglicherweise die treibende Kraft zur Implementierung von Schrägsichtmodulen in AOI-Systemen. Allerdings liefert LST auch hier gute Ergebnisse und kann dabei ohne Qualitätsverlust auf zusätzliche Hard- und Software verzichten.

Schaut man senkrecht von oben auf ein lifted lead, dann zeigt dieses eine andere Länge als seine Nachbarn. Die Bestimmung der Länge eines lifted leads ist demnach eine qualifizierte Methode. Als Möglichkeiten können die Messung und/oder der Vergleich mit benachbarten leads herangezogen werden. Auch hier stellen die koaxiale Beleuchtungstechnik und die entsprechenden Algorithmen die Qualität und Sicherheit der Messung sicher. Ein weiteres Symptom für die Bedingung eines lifted leads ist die Qualität der Lötverbindung. So liefert das koaxiale Auflicht charakteristische Reflexionsmuster als Antwortfunktion. Es zeigt sich in der Praxis, dass sich lifted leads so sicher erkennen lassen.

Minimalistisches AOI

Die Line-Scan-Technologie bietet ein in sich schlüssiges AOI-System, das auf unnötige Hard- und Software und die damit verbundenen hohen Initial- und Betriebskosten verzichtet, ohne dabei einen schlechten Kompromiss hinsichtlich der Prüftiefe und vor allem Prüfsicherheit einzugehen. Hinzu kommen bei bestimmten Prüfaufgaben Vorteile bei Prüfgeschwindigkeit und Prüfgenauigkeit.

Andreas Gerspach

ist Geschäftsführer GPS Technologies

(mrc)

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