Nachdem die Umstellung von bleihaltiger auf bleifreie Lötung elektronischer Baugruppen vor einigen Jahren für viel Wind in der Verbindungstechnik gesorgt hat, steht nun – zumindest bei einigen Bauteilen – ein nicht weniger spektakulärer Wandel bevor. So wird seit einiger Zeit bei Steckverbindern vollständig auf die Lötung verzichtet. Das Herstellen des elektrischen Kontaktes erfolgt dabei durch eine kraftschlüssige Verbindung der Anschlüsse mit der Durchkontaktierung in der Leiterplatte. Um eine zuverlässige Funktionsweise sicherzustellen, stehen damit neue Anforderungen an die Qualitätsprüfung an, welche ihrerseits neue Verfahren der Messtechnik erfordern. Das nachfolgende Beispiel zeigt, wie diese neue Aufgabe durch Einsatz innovativer Technologien gelöst wird.

Typische Telekommunikations-Baugruppe mit Einpress-Steckverbindern.

Typische Telekommunikations-Baugruppe mit Einpress-Steckverbindern. Coriant

Netzwerklösungen für die Zukunft

Coriant ist ein führender Anbieter von dynamischen Datenübertragungs-Systemen im Bereich Packet Optical und für Verbindungen von Datenzentren untereinander. Mit seinen Lösungen, Produkten und Dienstleistungen unterstützt das Unternehmen Telekommunikationsanbieter weltweit, die Komplexität ihrer Netze zu reduzieren. Gleichzeitig soll auch eine Grundlage für die neue Generation von Services im Bereich Mobile, Video und Cloud geschaffen werden, um somit den größtmöglichen Wert aus bestehender Netzinfrastruktur zu ziehen. Dabei stützt sich das Unternehmen auf mehr als 1.800 Patente und über 35 Jahre Erfahrung im Aufbau hochleistungsfähiger optischer Telekommunikationsnetze. In seinem Berliner Delivery Operations Center stellt Coriant schwerpunktmäßig Systeme für die Langstreckenübertragung her.

Tiefenmessung in Bohrungen

Baugruppen die in Schaltschränken, sogenannten Racks, verbaut werden, sind Bestandteile einer Übertragungsstrecke. Auf diesen werden zunehmend Einpressstecker eingesetzt, die zur Erfüllung der hochfrequenztechnischen Anforderungen sehr kurze Pins haben. Bei komplexen Multilayerboards mit mehr als 20 Lagen sind diese Pins kürzer als die Leiterplattendicke und können von der Gegenseite her nicht mit herkömmlichen Mitteln auf einen korrekten Einbau überprüft werden. Erschwerend kommt hinzu, dass der Durchmesser der Bohrungen bei diesen Steckern weit unterhalb von einem Millimeter liegt. Neben der Existenz des Pins in der Bohrung spielt zudem die realisierte Einpresstiefe eine Rolle für die Qualität der Signalübertragung. Sollte der Pin sich beim Einpressen so verbogen haben, dass ein Kurzschluss hergestellt wird, kann dies zu elektrischen Beschädigungen an weiteren Baugruppen führen.

Die Suche nach einem Inspektionssystem, das die beschriebenen Einpressstecker sicher und mit ausreichender Geschwindigkeit testen kann, gestaltete sich schwierig. Erst bei einem Gespräch mit Göpel Electronic, Jena, ergab sich schließlich die Möglichkeit, ein System mit einer 3D-Messtechnologie auszustatten, sodass es den dargestellten Kriterien entspricht. Mit der TMSA-Technologie (Telecentric Multi Spot Array) ist eine 3D-Vermessung selbst in tiefen Bohrungen mit kleinsten Durchmessern möglich. In ein eigens für diesen Zweck entwickeltes telezentrisches Messobjektiv wird bei diesem Verfahren eine Lichtquelle eingekoppelt. Dadurch erreicht man, dass im Gegensatz zu Triangulations-Technologien kein Winkel zwischen Lichtquelle und Sensorik besteht und somit Beleuchtungs- und Signalstrahlengang identisch sind. Vorteil dieser Anordnung ist, dass zum einen keine Schattenbildung an hohen Bauelementen entsteht und zum anderen auch in tiefen Bauteilschluchten oder Bohrungen sicher gemessen werden kann.

Das AOI-System in der Fertigung bei dem Anbieter von dynamischen Datenübertragungs-Systemen.

Das AOI-System in der Fertigung bei dem Anbieter von dynamischen Datenübertragungs-Systemen. Göpel Electronic

3D-Messung auf Basis TMSA-Technologie.

3D-Messung auf Basis TMSA-Technologie. Göpel Electronic

Das Objektiv differenziert nun die einzelnen Wellenlängen des Lichts, sodass in Abhängigkeit des Abstandes zwischen Messobjektiv und zu messender Oberfläche jeweils nur ein kleiner Wellenlängenbereich fokussiert wird. Das reflektierte Licht wird anschließend durch Auswertung der jeweiligen Intensität in einen Höhenwert umgerechnet. Da diese Optik einzelne Messpunkte auf die Leiterplatten-Topografie projiziert, ist für eine flächige Messwertaufnahme eine Bewegung des Spot-Arrays notwendig. Je nach Schrittweite lassen sich dadurch beim Scannen unterschiedliche laterale Auflösungen erzielen, sodass diese gemäß Anforderung der Messaufgabe frei konfigurierbar sind.

Die TMSA-Technologie ist als Sensorsystem 3D-EyeZ verfügbar und kann in den Standalone und Inline-AOI-Systemen von Göpel Electronic integriert werden. Neben der konventionellen optischen Inspektion elektronischer Baugruppen ist die Messung der Einpresstiefe von Pressfits ein Kennzeichen der Systeme. Dabei kann direkt in die Bohrung der Leiterplatte hineingemessen und die Position der Pinspitze innerhalb des Leiterplattenmaterials in allen drei Dimensionen bestimmt werden. Selbst bei Löchern mit einem Durchmesser von bis zu 200 µm ist ein Messen der exakten Höhenlage in der Bohrung mit einer Genauigkeit von bis zu 5 µm möglich.

Effizienter Einsatz im Fertigungsprozess

Tiefe kein Problem

Mit  Telecentric Multi Spot Array, kurz TMSA, ist eine 3D-Vermessung in tiefen Bohrungen mit kleinsten Durchmessern (< 0,5 mm) möglich. In ein eigens für diesen Zweck entwickeltes telezentrisches Messobjektiv wird eine Weißlichtquelle eingekoppelt. Das Objektiv differenziert nun die einzelnen Wellenlängen des Lichts, sodass in Abhängigkeit des Abstandes zwischen Messobjektiv und zu messender Oberfläche jeweils nur ein kleiner Wellenlängenbereich fokussiert und zurück reflektiert wird. Das reflektierte Licht  wird auf Basis einer Auswertung der jeweiligen Intensität mit einem Höhenwert in Verbindung gebracht.

Entscheidendes Kriterium für den Einsatz ist der Nachweis der Prozessfähigkeit, das heißt, die Genauigkeit der Tiefenmessung und die Streuung der Messwerte bei Wiederholungsmessungen. Die Messgenauigkeit wurde mit einem 3D-Messnormal überprüft, Wiederholungsmessungen wurden anhand einer Serienbaugruppe vorgenommen. Sowohl die theoretische als auch die praktische Tauglichkeit, auch unter Einfluss von Umgebungsbedingungen, konnte dadurch nachgewiesen werden.

3D-Visualisierung eines eingepressten Pins in der Leiterplatte.

3D-Visualisierung eines eingepressten Pins in der Leiterplatte. Göpel Electronic

Das System ist direkt nach dem Prozessschritt Einpressen installiert. Damit kann jede Leiterplatte unmittelbar nach Abschluss des Vorgangs vom gleichen Bediener überprüft werden. Fehler lassen sich korrigieren bevor die Baugruppe fertiggestellt, montiert und getestet wird. Der komplette Prüfablauf ist auch bei komplexen Prüfaufgaben mit vielen zu testenden Steckern schneller als der Einpressvorgang, sodass sich durch den zusätzlichen Prüfschritt keinerlei Verzögerung im Betriebsablauf ergibt. Die Prüfergebnisse werden in einer SQL-Datenbank gespeichert und stehen für Analysen der Prozessqualität zur Verfügung.

Einbindung der Testresultate

Die große Produktvielfalt bei Coriant in Berlin bringt es mit sich, dass kontinuierlich neue Prüfprogramme für Musterbauten, Piloten und Serienprodukte zu erstellen sind. Ein Inspektionssystem muss also die einfache und schnelle Erzeugung von Programmen ermöglichen. Durch das vorgestellte System können Programme einfach aus den vorliegenden Leiterplattendaten heraus erzeugt werden. Einmal erzeugte Steckermodelle sind für alle folgenden Programme wiederverwendbar. Die bisherigen Erfahrungen im regulären Einsatz zeigen, dass sich durch den Einsatz des beschriebenen Systems der Fehlerschlupf minimieren lässt. Fehlerhaft eingepresste Stecker werden sicher erkannt und können repariert werden. Für die Zukunft ist die Einbindung der Testresultate in den existierenden Datenerfassungssystemen geplant, um so ein komplettes Bild der Fertigungshistorie jeder Baugruppe zu erhalten.

3D/2D AOI-Systeme für den Standalone und Inline-Einsatz.

3D/2D AOI-Systeme für den Standalone und Inline-Einsatz. Göpel Electronic

Ein weiterer Vorteil besteht in dem deutlichen Reduzieren der nachgelagerten Test-Engineering-Aktivitäten. Diese lassen sich nun aufgrund der extrem hohen Prüfgenauigkeit des AOI auf ein Minimum reduzieren. Aufwändige Nacharbeiten aufgrund fehlerhafter Steckverbindungen entfallen, wodurch nicht nur Ressourcen gezielter eingesetzt, sondern auch Kunden mit einer noch besseren Produktionsqualität beliefert werden können.

SMT Hybrid Packaging 2017: Halle 4A, Stand 222