Inspektionslösungen für den SMT-Prozess aus einer Hand

Die kommende Messe SMT Hybrid Packaging 2018 wird wieder die Innovationskraft der Elektronikfertigung mit neuartigen Inspektionslösungen unter Beweis stellen. Gerade in der Welt der Inspektionssysteme ist derzeit einiges im Umbruch: Haben Hersteller bei automatischen optischen und Röntgen-Inspektionssystemen bislang alle vier bis fünf Jahre neue Systeme auf den Markt gebracht, geschieht dies heute bereits in einem ein- bis zweijährigen Turnus. Der 3D-Hype und immer weiter verbesserte Rechentechnik beflügeln die rasante Geschwindigkeit der Entwicklungszyklen.

So mancher Anwender, der vor einer Investitionsentscheidung steht, fragt sich bei diesen Innovationssprüngen, inwiefern es klüger sein könnte zu warten oder doch gleich in ein Inspektionssystem zu investieren. Eine kompetente Beratung kann eine wertvolle Unterstützung sein. Der auf Test und Inspektion spezialisierte Systemanbieter ATEcare kann auf ein umfangreiches Portfolio verweisen. Mit dem japanischen Hersteller Omron verbindet das Unternehmen eine langjährige Partnerschaft hinsichtlich SPI, AOI und AXI. Auf der SMT-Messe sind die Systeme auf dem Gemeinschaftsstand „Future Packaging“ vom Fraunhofer IZM  in Halle 5, Stand 434 ausgestellt. Die SPI, AOI und AXI  sind in der der vom Fraunhofer IZM organisierten Live-Demolinie und bei Omron in Halle 4A, Stand 300 installiert.

Klare Durchsicht: AXI mit CT

Allen Unkenrufen zum Trotz haben AXIs längst aufgeholt. Dass sie nicht wirtschaftlich seien, über keine oder kaum automatische Auswertungen verfügten und den Linientakt blockieren, gehört der Vergangenheit an. Auch, dass das Bildmaterial schwierig oder nur mit viel Erfahrung zu interpretieren sei, ist längst passé. Neben den für Analyse- und Freigabe-Zwecken bestehenden 2-, 2.5- und 3D-Systemen sind Vollautomaten vermehrt auf dem Vormarsch. Diese lassen sich nunmehr sehr ähnlich einem AOI-System programmieren.

Omrons 3D-AXI VT-X750 ist mit Computertomographie ausgestattet und dadurch präzise und inline-tauglich. ATEcare

Ein Beispiel hierfür stellt der AXI-Vorreiter VT-X750 von Omron dar: Die aus Analysegeräten bekannte Computertomographie (CT) wurde hier erstmalig in ein Inline-Gerät integriert. Damit sind pro Leiterplatte jetzt 400 bis 600 Schnittebenen in Auflösungen von 6 bis hin zu 30 µm vollständig aufnehmbar. Über eine mitgelieferte Bibliothek werden die Algorithmen automatisch auf die aus den CAD-Daten bekannten Bauteile gelegt. Die Auswertungen erfolgen spezifisch, egal ob es einfache Standartbauteile wie R-, C- oder L-Komponenten sind, komplexe ICs (BGA, QFN, LGA) oder auch schwierig zu handhabende Bauteile, wie mehrreihige Stecker oder gar Pressfit-Baugruppen. Neben dem nun endlich scharfen und gut sichtbaren Bildmaterial werden auch die CT-Daten (Voxel = 3D-Pixel) vorgehalten.
Nach einem AOI-Test werden Baugruppen oft nachverifiziert. Dem Operator gibt man Zusatzwerkzeuge wie Mikroskope oder Video-Mikroskope zur Hand, damit er entsprechend nachprüfen kann. Nach dem Röntgen gibt es aber keine Möglichkeit der Nachinspizierung. In Schnittebenen zu scrollen geht bei klassischen 3D- AXI-Systemen nicht – nur ein CT-System bietet eine solche Möglichkeit, da alle Daten vorliegen. Damit bietet ein solches System eine automatische Inspektion und als Prozessindikator auch die Analyse im gleichen Gerät mit an.

Mit dem S730H genannten 3D-AOI bietet Omron neben sehr hohen Inspektionszeiten einen Aufbau an, der niedrigste Pseudofehler sicherstellt. ATEcare

Mit der VT-X700E hat Omron seit zwei Jahren diese Möglichkeiten. Hier war noch der Ansatz, nur verdeckte Bauteile aufzunehmen. Die neue VT-X750 inspiziert aber nun „on-the fly“ bis zu 512 Aufnahmen/FOV in wenigen Sekunden. Damit ist der Linientakt zu halten. Bei Bedarf ist es möglich, auch die gesamte Leiterplatte zu inspizieren, wobei saubere, kontrastreiche Bilder entstehen. Das System wurde mit EtherCAT-Schnittstellen ausgestattet, sodass Fernwartungen, aber auch vorbeugende Diagnoseaufnahmen möglich sind. Überdies bindet der japanische Hersteller auch dieses System in seine bekannte Q-up-Navi-Software ein: SPI-, AOI- und AXI-Bilder sowie Messdaten werden dort prozessunterstützend zusammengetragen und lassen sich beliebig weiterverarbeiten.

Saubere Messinformation: 3D-AOI mit SJI-Verfahren

Zwei bis drei Duzend Anbieter tummeln sich im AOI-Segment – ein guter Indikator, dass die Branche boomt. Smarte 3D-Darstellungen, aber insbesondere Messmöglichkeiten lassen sich bei der Inspektion und neuerdings bereits bei der Programmerstellung nutzbringend einsetzen.
Leider gibt es aber nicht DIE Technologie, die preiswert und effizient die Aufgaben einer optischen Abtastung erfüllen kann. Physikalische Hindernisse, wie Abschattungen und Reflektionen sind nicht zu vermeiden, selbst wenn der Entwickler von Anbeginn mit eingebunden ist. Dabei gibt es Verfahren, die Reflektionen sehr gut handhaben, wie etwa das Color-Highlight-Verfahren von Omron.

Das SJI-Verfahren (solder joint inspection) eliminiert Reflektionen und Abschattungen an reflektierenden Oberflächen, so dass echte Messwerte verbleiben. ATEcare

Jedoch lassen sich an diffusen Oberflächen keine Höhenwerte ermitteln. Widerspiegelnde Oberflächen, wie Lötstellen, können aber nur sehr schwer mit den neuen 3D-optischen Höhenmessverfahren (Streifenlicht, Moiré, etc.) ausgewertet werden. Hier greifen die Hersteller sehr gern – wie bei SPIs erfolgreich angewendet – zu Interpolationen, um das 3D-Bildmaterial von Reflektion-Spitzen und Lücken zu kompensieren, die durch fehlende Informationen (zum Beispiel Abschattungen) entstehen. Es bedarf keiner weiteren Erklärung: Der Computer entscheidet per Algorithmus, was interpoliert wird. Wenn man Pech hat, wird auch ein möglicher Fehler „weg-interpoliert“ oder diverse Oberflächen sind schwierig oder gar nicht zu handhaben (vorverzinnt, weiße Lackierungen, Lötstoplack, etc.). Es gilt also die jeweiligen Schwächen einzelner Verfahren, durch Überlappungen mehrerer Technologien zu kompensieren, damit echte Messwerte verbleiben. Omron löst das in seinen beiden 3D-AOI-Modellen VT-S530 und VT-S730 mittels SJI-Verfahren (solder joint inspection).

Hier werden mögliche Fehlmessungen oder fehlende Messinformationen durch ein Zweitverfahren überwacht und bei Bedarf kompensiert. Das Flaggschiff, die VT-S730H, tut dies auch noch in einer atemberaubenden Geschwindigkeit. Statt klassisch vier bis acht einfache Projektoren einzubauen, verwendet der japanische Hersteller sogenannte intelligente DLP-Projektoren. Damit sind auch große Höhen zu handhaben und die Projektionsfläche ist in Form, Fläche und Sequenz veränderbar.

Autonome mobile Robotik (AIV): ATEcare hat von CTS als auch von Omron nutzerorientierte Robotik-Lösungen im Programm. ATEcare

Doch die beste Hardware taugt nicht, wenn die Programmierung zu schwierig und zu zeitaufwendig ist. Zum Einsatz kommt daher ein patentiertes Verfahren (EP 1 638 050 B1). Anstatt die sich ständig ändernden Pad-Geometrien in Bibliotheken aufzunehmen, nutzt das System die Leiterplatteninformation direkt, also neben der Pad-Größe und Pad-Form auch die Oberflächenfarbe und – viel wichtiger – auch den Auftrag des Lötstopplacks. Denn dort beginnt das Lot zu verlaufen und dort muss der Messansatz sein. Über eine integrierte Datenbank werden nun nur noch Packagetypen mit Bewertungskriterien versehen. Diese lassen sich IPC-orientiert oder auch selbst definiert nutzen.

Eine Zuordnung, auch mit Schrifterkennung zur eigentlichen Artikelnummer, erfolgt per Datenlink. Aufschriften und Polariäten werden automatisch erkannt. Das lässt sich durchaus auch mit 3D-Vermessungen erledigen, wenn die Kontraste nicht ausreichend sind. Und ist ein Bauteil oder eine Struktur einmal derartig angebracht, dass diese neuen Schräglicht benötigenden Technologien nicht greifen, können Seitenkameras nützlich sein. In dem Fall kann auch auf das klassische 2D-Bildmaterial von oben zurückgegriffen werden. Anbindungen an Server- und web-basierende Medien sind eine Notwendigkeit, die ATEcare jedem 3D-Datennutzer ans Herz legt, da es künftig zu deutlichen höheren Datenmengen und Datentransfers kommen wird.

Soft- und Hardware-Anbindungen in der Elektronikproduktion: Gerade im Bereich der 3D-Inspektionen (SPI, AOI, AXI) steigen die Anforderungen, auch in Bezug auf Rückkopplungen und Einfluss von IoT, Big Data und Smart Factory ganz massiv. ATEcare

Immer mehr auf dem Vormarsch: Robotics und Digitalisierung

Gemeinsam mit CTS bietet ATEcare nun auch nutzerorientierte Robotik-Lösungen an. Auch wenn diese Geräte noch immer einen Science-Fiction Touch haben, gibt es schon umfangreiche Applikationen, die das Leben in der Elektronikproduktion vereinfachen und vor allem fehlerfrei gestalten helften. Der LD90 von Omron ist eine ausgefeilte mobile Roboterlösung, der völlig autonom Transportaufgaben übernehmen kann. Einen Auftrag aus dem Auftragswesen setzt er eigenständig, flottenübergreifend und sicher um. Das können Lagerarbeiten, Zuführungen an den Bestückprozess oder Handhaben von Magazinen sein – und wenn es sein muss, auch über mehrere Stockwerke verteilte Aufgaben.

Die Programmierung ist einfach. Der skizzierte Raum wird mittels Joystick-Steuerung einmalig „befahren“, nicht erlaubte Flächen werden in der Software gekennzeichnet und den Rest der Wegerkennung übernimmt die Intelligenz der Software – ein echter AIV. Auch stationäre Roboterlösungen sind schon vielfältig in der Elektronikproduktion im Einsatz, eigenständige oder kollaborierende Lösungen sind immer häufiger anzutreffen. Ein guter und bewährter Einsatz ist die Handhabe von Leiterplatten beim elektrischen Test (ICT, FKT). Hier geht es definitiv nicht um Beseitigung von Arbeitsplätzen. Der Mensch ist individuell und flexibel einsetzbar – schade also um seine Arbeitskraft, wenn er stumpfsinnige und stupide Arbeitsabläufe handhaben muss.

Aktive Mitarbeit der Kunden gefragt

Wenngleich es auch in Zukunft nicht DIE Testtechnologie geben wird, drehen die Hersteller kontinuierlich an der Optimierungsschraube: Im Visier stehen neben einer intuitiven Bedienung und vereinfachten Programmierung auch Aspekte wie Testtiefe und die Kombinationsmöglichkeiten zugunsten einer höheren Test- und Prüfgeschwindigkeit. Neben dem klassischen Fehlerfinden liegt das Augenmerk auf dem Prozess und der Anbindung der Daten an zu adaptierende ERP-, MES-, QS-, Traceability- und Handling-Systeme.

Mit dem Logo versehene Äpfel gehören mittlerweile zum Markenzeichen von ATEcare und werden auf der SMT-Messe am Messestand verteilt. Als Energiespender eignen sie sich perfekt für das turbulente Messegeschehen. ATEcare

Aber auch der Kunde ist gefragt um weitere Hürden nehmen zu können: Das könnte etwa sein, um Hard- und Software-Schnittstellen zu normieren, wie das bereits bei diversen Ansätzen zum Thema Hermes- oder ELF-Standard zu erkennen ist. Darunter sind offene, nicht proprietäre und herstellerunabhängige Protokolle auf Basis von TCP/IP und XML für die Kommunikation zwischen Maschinen in SMT-Linien gemeint. Es erlaubt, Platinen mit minimalem Einsatz an Lesegeräten wie etwa Barcode-Scannern lückenlos nachvollziehbar und ohne Datenverlust herstellerübergreifend durch alle Stationen einer SMT-Linie weiterzureichen. Dadurch ist nicht nur eine lückenlose Rückverfolgbarkeit sichergestellt: Mit den durch Inspektionssysteme generierten Daten lassen sich Prozesse weiter optimieren.

SMT Hybrid Packaging 2018: Halle A4, Stand 300 und Halle 5, Stand 434