3D-AXI für Standardaufgaben und weit darüber hinaus

Miniaturisierung, Multi-Layer-Baugruppen und eine hohe Packungsdichte sind bekannte Faktoren, mit denen ein modernes Prüfsystem gut zurechtkommen muss. Gleichzeitig stellen Elektromobilität, erneuerbare Energien und modernste Telekommunikationselektronik das Inline-Röntgen vor neue Herausforderungen. Zudem verkürzen sich die Zeitspannen zwischen Prototypenentwicklung und Serienfertigung und eine rundum zuverlässige Inspektion wird zunehmend schon bei der Anlaufbegleitung gefordert. Messbarkeit und Einhalten von festgelegten Grenzwerten, Prozessstabilität und Audits haben Einfluss auf die Planung und in der Praxis stellen sich diesbezüglich einige konkrete Fragen: Was muss überhaupt gemessen und entsprechend dokumentiert werden? Welche Bereiche sind von besonderem Interesse und welche Grenzwerte gilt es festzulegen? Je nach Baugruppe und Bauteil kann die Antwort unterschiedlich ausfallen. Ausschlaggebend für die Ausgestaltung des Prozesses können z. B. das Lastenheft des Auftraggebers oder das Regelwerk IPC-A-610 sein.

THT-Füllgrade und Voidgehalt in Lötstellen

Eine sehr hohe Genauigkeit der Inspektionsergebnisse bildet eine solide Grundlage für verlässliche und transparente Fertigungsabläufe. Bei THTs etwa lässt sich mit 3D-AXI der Füllgrad exakt messen und so sicherstellen, dass 75 % einer optimalen Verlötung nicht unterschritten werden. Bekanntestes Beispiel für Messungen im 3D-AXI-Bereich sind aber immer noch Luft- bzw. Gaseinschlüsse (Voids) in den Lötstellen. Ist zu viel Voiding vorhanden, kann wegen unzureichender Hitzeübertragung die Langzeitstabilität eines Produkts gefährdet sein. Nicht nur in der Leistungselektronik, wo besonders hohe Ströme fließen, können dadurch Baugruppen ausfallen. Vielfach muss von Fertigungsdienstleistern für elektronische Komponenten (EMS, Electronic Manufacturing Services) deswegen gegenüber ihren Kunden bereits eine hundertprozentige Prüfung im Hinblick auf Voids nachgewiesen werden.

Wege zur richtigen Segmentierung

Die Nachfrage nach leistungsstarken Inspektionssystemen für eine anspruchsvolle Qualitätssicherung ist entsprechend hoch und hier bietet das Inline-Röntgen u. a. mit seinen Analysen auf Basis der Tomosynthese große Vorteile: Einzelne Schichten aus den Volumenberechnungen zeigen abschattungsfrei die gewünschten Ergebnisse und Fehler werden in den automatisierten Prozessen sicher erkannt. Um Voids exakt zu identifizieren, geben Algorithmen z. B. das prozentuale Verhältnis des größten Voids oder aller Voids zusammengerechnet zu einer vordefinierten Gesamtregion aus. Bei der Prüfprogrammerstellung ist es in diesem Zusammenhang z. B. wichtig, die Referenzgröße „100 Prozent“ richtig zu wählen. Zählen etwa Vias (Durchkontaktierungen) in der Lötfläche eines QFNs dazu oder nicht? Man muss sich für eine der gegebenen Optionen entscheiden und zwecks der späteren Vergleichbarkeit die Einstellung konsequent beibehalten. Immer mehr hält auch in der Inline-Röntgeninspektion zudem die künstliche Intelligenz Einzug. In der Praxis gibt es bereits sehr positive Erfahrungen mit KI-gestützter Segmentierung in Bezug auf Voids und ihre Umgebung. Damit die künstliche Intelligenz für jeden einzelnen Bildpunkt sicher erkennt, ob es sich um ein Void-Pixel handelt oder nicht, werden die entsprechenden Klassifikatoren kontinuierlich nachtrainiert.

Nachweis wiederholgenauer Ergebnisse

Ob in Zukunft zunehmend mit Hilfe von KI oder anderen heute angewandten Methoden – ist ein Fehler identifiziert, kommt es erheblich darauf an, ihn in seiner Ausprägung im Vergleich zu anderen Fehlern zu betrachten. Kunden eines Fertigungsdienstleisters können deshalb als Qualitätsanforderung besonderen Wert auf die Wiederholgenauigkeit der Ergebnisse legen und die Einhaltung dieser Vorgabe über entsprechende Audits z. B. auch stichpunktartig kontrollieren. Prüfungen der Fähigkeit von Messmitteln sind aus dem Qualitätsmanagement unter der Abkürzung MSA für Measurement System Analysis, Deutsch Messsystemanalyse, bekannt. Die von einem System erreichte Genauigkeit setzt sich dabei zusammen aus Kriterien wie der Richtigkeit der Ergebnisse und der Wiederholpräzision. In der Regel geschieht dies heute beim Inline-Röntgen anders als bei Systemen für die automatische optische Inspektion nicht mit Hilfe eines zertifizierten Targets, sondern anhand von Baugruppen aus der Fertigung, die man z. B. 50-mal wiederholt unter denselben Bedingungen prüft. Auch wenn keine MSA gefordert wird, kann ihre turnusmäßige Durchführung sinnvoll sein, um die Zuverlässigkeit laufender Prüfprogramme zu testen.

Die Systeme sollten zudem in vorgegebenen Zeitintervallen einer Kalibration unterzogen werden. Im Grunde genommen handelt es sich hier um nichts anderes als die Gewährleistung einer Wiederholgenauigkeit über Monate und Jahre hinweg. Ein auch im Hinblick auf Audits zu berücksichtigender Aspekt – etwa vor dem Hintergrund der für das Qualitätsmanagement in der Automobilindustrie angewendeten Norm IATF 16949 und den damit verbundenen Zertifizierungen. Bei einem 3D-AXI-System kann z. B. neben einer kontinuierlichen Selbstüberwachung auf Hardware- oder Systemfehler die Grauwertkalibrierung automatisch erfolgen. Darüber hinaus kommen entsprechende Kalibrationskörper zum Einsatz, die eine messtechnische Rückführbarkeit gewährleisten.

Großes Fundament an Bildinformationen

Die Stabilität der Prozesse lässt sich darüber hinaus ganz klassisch mit Hilfe von „Bildbasen“ prüfen. Von Bedienerinnen und Bedienern angelegte und langfristig gepflegte Datenbanken mit Bildern von Echt- und Grenzfehlern sowie Gut-Beispielen aus der Fertigung können auch bei geringfügigen Veränderungen wie etwa dem Einsatz einer neuen Lotpaste als zuverlässige Prozessindikatoren dienen. Einmal gelabelt, stehen die Verifikationsdaten als wichtige Erfahrungswerte für zukünftige Optimierungen von Prüfprogrammen bereit. Werden die Inspektionsergebnisse dann noch von statistischen Auswertungen auf Grundlage einer umfassenden Prozesskontrolle untermauert, steht einem auditsicheren Inline-Röntgen in einer modernen Fertigungslinie nichts mehr im Wege. Im Idealfall sind dafür alle Prüftore von der Lotpasteninspektion (3D-SPI) über die optische Post-Reflow-Inspektion (3D-AOI) bis hin zum Inline- und Offline-Röntgen (3D-AXI und 3D-MXI) in vollem Umfang miteinander vernetzt und ihre Daten für alle benötigten Zwecke kombiniert verfügbar.

Kombi-Lösung mit optischer Inspektion

Viscom hat neben 3D-SPI, 3D-AOI und 3D-MXI ein breites Angebot an leistungsstarken 3D-AXI-Systemen. Geht es um gewöhnliche bestückte Leiterplatten mit Abmessungen von bis zu 450 mm Länge und 350 mm Breite, wie man sie aus Bereichen wie Automotive, Luft- und Raumfahrttechnik, Medizinanwendungen und Kommunikationselektronik kennt, gilt heute die X7056-II als weltweit bevorzugte Maschine. Ihre Prüfgeschwindigkeit lässt sich mit Hilfe eines ausgeklügelten Handlings auf bis zu gerade mal vier Sekunden pro Baugruppe reduzieren. Viele Fertiger entscheiden sich hier für eine Konfiguration, die das Röntgen mit der optischen Inspektion kombiniert. Dafür ist in der Maschine neben Röntgenquelle und Bildwandlung auch ein modernes 3D-AOI-Kameramodul verbaut. So lässt sich mit einem einzigen System praktisch die volle Prüfabdeckung ermöglichen.

Andere Anwendungsgebiete

Das Inline-Röntgen hat sich aber längst auch weit darüber hinaus als bewährte Prüfmethode etabliert. Länger als ein Meter können Leiterplatten z. B. in Anwendungsbereichen wie Servertechnologie oder 5G-Datenübertragung sein. Für die Inspektion ist das System dann mit externen Transportflügeln ausgestattet. Inverter von Elektrofahrzeugen, IGBT-Module und andere Produkte aus dem Bereich der Leistungselektronik bringen ebenfalls besondere Anforderungen mit sich. Solche teils sehr sperrigen Prüfobjekte lassen sich nicht einfach so in einen gewöhnlichen Leiterplattentransport hineinlegen. Dafür bedarf es eines speziellen Handlings und es werden oft Werkstückträger benötigt. Darüber hinaus besteht vielfach auch das Interesse an einer zuverlässigen Inline-Röntgeninspektion von kompletten Endkundengeräten, wie etwa Smartphones, Tablets oder Notebooks. Im Fokus sind hier dann weniger die Lötstellen als eher fehlende oder vagabundierende Teile und Fremdmaterialien. Nicht unerwähnt bleiben sollen darüber hinaus Batteriezellen, wo mit fortschrittlichen Röntgenmethoden z. B. der Abstand zwischen der Anode und Kathode gemessen wird.

Für all diese Gebiete jenseits der klassischen kompakten Flachbaugruppe hat Viscom die 3D-AXI-Produktfamilie iX7059 entwickelt. Je nachdem ob es sich z. B. um eine iX7059 Heavy Duty Inspection für bis zu 40 kg schwere Produkte oder eine iX7059 PCB Inspection XL für bis zu 1600 mm lange Leiterplatten handelt, ist die Maschine ideal für ihren jeweiligen Einsatzzweck vorkonfiguriert. Ist bei den Prüfobjekten von einer hohen Absorption auszugehen, die bestimmte Fehlertypen möglicherweise nicht sichtbar machen würde, kann eine Röntgenröhre mit bis zu 180 kV Hochspannung gewählt werden. Ein spezielles dynamisches Bildaufnahmeverfahren beschleunigt 3D-Röntgen zudem auf ein komplett neues Niveau.