Elektronikfertigung Die wichtigsten 3D-Prüf- und Inspektionstechniken auf einen Blick

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Um Fehler in der Elektronikfertigung frühzeitig und zuverlässig zu erkennen, stehen verschiedene Inspektions- und Prüfverfahren zur Verfügung. 3D-Techniken haben sich dabei zu einem wichtigen Bestandteil der Qualitätssicherung entwickelt.

In der Elektronikfertigung kommen verschiedene Inspektions- und Prüftechniken zum Einsatz. Zu den eingesetzten Verfahren gehören die automatische optische 3D-Inspektion (AOI), die 3D-Lotpasteninspektion (SPI), die 3D-Lötstelleninspektion (SJI) und die automatische 3D-Röntgeninspektion (AXI). Weitere Verfahren sind In-Circuit-Testing (ICT), Environmental Stress Screening (ESS) und Funktionstests.

Im Folgenden wird der Schwerpunkt auf die vier 3D-Technologien gelegt, da sie häufig in Kombination eingesetzt werden, um eine ganzheitliche Inspektion und Prüfung während des gesamten Fertigungsprozesses zu erreichen. Jede eingesetzte Technik hat ihre Vorteile und Grenzen, so dass sie für bestimmte Anwendungen und Qualitätssicherungsanforderungen geeignet ist.

AOI und eine dreidimensionale Bildgebung

Die Automatische Optische Inspektion (AOI) ist eine berührungslose Hochgeschwindigkeits-Inspektionstechnik, die Kameras und Bildverarbeitungsalgorithmen verwendet, um Fehler in Baugruppen und Leiterplatten zu erkennen. AOI-Systeme können Probleme wie fehlende Bauteile, falsche Ausrichtung, Lötfehler und falsche Polarität erkennen. Durch die Automatisierung des Inspektionsprozesses verbessern AOI-Systeme die Effizienz und Genauigkeit und reduzieren gleichzeitig menschliche Fehler.

3D-AOI verbessert Inspektionsprozesse durch zusätzliche dreidimensionale Bildgebung. Fortschrittliche Bildgebungsverfahren wie Streifenprojektion oder Lasertriangulation ermöglichen die zusätzliche Erfassung von Höheninformationen. Diese Tiefeninformation ermöglicht eine genauere Vermessung der Bauelementhöhe, des Lötstellenvolumens und der Koplanarität, also des maximalen Abstands eines IC-Beinchens von der Aufsetzebene.

3D-Bildgebung erkennt mehr mögliche Fehler

Die Koplanarität muss überprüft werden, da bei zu großem Abstand der Beinchen von der Leiterplatte keine zuverlässige und einwandfreie Lötung möglich ist. Mit der 3D-AOI können Fehler erkannt werden, die in 2D-Bildern nicht ohne weiteres erkennbar sind. Beispiele sind abgehobene Anschlüsse, Grabsteineffekt (Tombstoning) oder unzureichendes Lötvolumen. Beim Tombstoning stellen sich kleine (meist zweipolige) Bauelemente während des Lötprozesses einseitig auf.

Der zweite Anschluss des Bauelements ist dann elek­trisch nicht kontaktiert. Die neuesten 3D-AOI-Inspektionslösungen von Omron sind mit künstlicher Intelligenz (KI) ausgestattet, um den Programmier- und visuellen Inspektionsaufwand zu minimieren. Sie können automatisch Fehlerbilder für die Analyse und Visualisierung der Ergebnisdatentrennung zur KI-gestützten Fehlerbestimmung erfassen und sind mit der MDMC- (Multi-Direction/Multi-Color-)Beleuchtung und der MPS- (Micro-Phase-Patented-Shift-)Moiré-Technik ausgestattet.

3D Solder Paste Inspection (SPI)

Die Lotpasteninspektion ist ein kritischer Schritt im Montageprozess der Oberflächenmontagetechnik (SMT). Dabei wird der Lotpastenauftrag auf der Leiterplatte vor der Bestückung überprüft. SPI-Systeme verwenden fortschrittliche bildgebende Verfahren wie 3D-Imaging, um das Volumen, die Höhe und die Ausrichtung der Lotpaste genau zu messen. Diese Kontrolle stellt sicher, dass die richtige Menge Lot auf jedes Pad aufgetragen wird.

3D SPI trägt zur Optimierung des Lötprozesses bei und reduziert Fehler wie zu wenig oder zu viel Lotpaste, falsche Ausrichtung und Brückenbildung. Die hochpräzise und wiederholbare 3D-Bildgebung ermöglicht eine vollständige Lotpastenanalyse der Leiterplatte. Ein möglicher Verzug der Leiterplatte wird an jedem Prüfpunkt berechnet und automatisch kompensiert. Durch die Kombination der Funktionen sind hochpräzise Volumenmessungen möglich.

Solder Joint Inspection (SJI)

Die 3D-Lötstelleninspektion (SJI) wird zur Qualitätsprüfung von Lötstellen auf Leiterplatten eingesetzt. Mit moderner bildgebender Verfahren wie der Streifenprojektion oder der Lasertriangulation werden dreidimensionale Informationen über die Lötstellen erfasst. Diese zusätzliche Tiefeninformation ermöglicht eine genaue Vermessung des Volumens und der Höhe der Lötstellen und damit die Erkennung von Defekten wie unzureichendes Lot, Brückenbildung, Tombstoning und kalte Lötstellen. 3D SJI trägt dazu bei, die Zuverlässigkeit und Funktionalität von Lötverbindungen in elektronischen Baugruppen zu verbessern.

Automated 3D X-Ray Inspection (AXI)

Mit der automatisierten 3D-Röntgeninspektion (3D CT-AXI) können versteckte Lötstellen und interne Strukturen auf Leiterplatten (PCBs) auf Qualität und Unversehrtheit geprüft werden. Röntgenbildgebungstechniken in Kombination mit hochentwickelten Algorithmen ermöglichen die Erfassung dreidimensionaler Informationen über die Leiterplattenbaugruppe.

Durch die Analyse der Röntgenbilder aus verschiedenen Blickwinkeln liefert 3D CT-AXI detaillierte Einblicke in das Volumen von Lötstellen, Lunkern und anderen Defekten, die mit herkömmlichen Prüfmethoden nicht ohne weiteres sichtbar sind. Diese zerstörungsfreie Prüftechnik hilft bei der Erkennung von Problemen wie unzureichender Lötung, Lötbrücken, Fehlausrichtung von Bauteilen und anderen Defekten, die die Zuverlässigkeit und Funktionalität der Baugruppe beeinträchtigen können.

Computertomographie prüft verdeckte Lötstellen

Um optimale Qualität für die Inspektion zu garantieren, setzt beispielsweise Robert Bosch auf Techniken auf Produkte von Omron. Zum Einsatz kommen die 3D-Röntgeninspektionssysteme VT-X750 der dritten Generation. Die Hochgeschwindigkeits-Computertomographie (CT) prüft verdeckte Lötstellen während der Fertigung. Lötfehler wie Head in Pillow oder Poren in BGA-, LGA-, THT- und anderen diskreten Bauelementen lassen sich besser erkennen als mit anderen Prüfverfahren. Die Bildqualität des CT-Verfahrens ist deutlich höher als bei Laminographie oder Tomosynthese. Hinzu kommen innovative KI-Funktionen, die die Programmierzeit verkürzen und den Bediener entlasten.

Eine der aktuellen Techniken bei der Leiterplattenprüfung ist der VT-X850, der speziell für komplexe und dichte Materialien entwickelt wurde. In das System integriert ist eine Hochspannungsröntgenröhre und künstlicher Intelligenz. Damit ist es möglich, Hohlräume oder unzureichende Lötung genauer zu erkennen. Dank des Einsatzes von KI-Methoden lässt sich der Programmieraufwand senken und gleichzeitig die Qualität bei der Inspektion erhöhen, um den Durchsatz zu erhöhen.

* Kevin Youngs ist Sales Manager Inspection bei Omron Europe.

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