Künstliche Intelligenz in der Elektronikfertigung Online-Qualitätssicherung für gedruckte 3D-Elektronik

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Ein automatisiertes Qualitätssicherungssystem für 3D-gedruckte Leiterstrukturen erkennt erfolgreich Unterbrechungen von Leiterbahnen auf verschiedenen Substraten und repariert diese automatisch. So können Ferti-gungsfehler frühzeitig entdeckt und Ausschuss auf ein Minimum reduziert werden.

Die Technologie der Fully Additive 3D Printed Electronics, also der “vollständig additiv" gefertigten räumlichen elektronischen Komponenten, ermöglicht zukünftig völlig neue Ansätze für den Entwurf und die Fertigung elektronischer und mechatronischer Systeme. Durch die Kombination digitaler Fertigungsverfahren aus dem 3D-Druck mit innovativen Prozessen der gedruckten Elektronik, einschließlich entsprechender Vor- und Nachbearbeitungsstrategien sowie dem Pick&Place von leistungsfähigen SMD-Bauteilen, können völlig neue Ansätze für das Design entwickelt und realisiert werden (Bild 1).

Durch die Kombination von additiven Verfahren, wie der Fused-Filament-Fabrication (FFF/FDM), und digitalen Druckverfahren zum Aufbringen elektrischer Funktionsmaterialien, wie dem PiezoJet-Druck von Leitpasten und -tinten, können elektrische und elektronische Funktionen während des Herstellungsprozesses in die mechanischen Strukturen eingebettet werden (Bild 2). Die daraus resultierende Erhöhung der Integrationsdichte bietet Vorteile für viele Anwendungsbereiche, stellt jedoch neue Herausforderungen an die Fertigung, um die Qualität des Bauteils zu gewährleisten. Aus Sicht des Leiterbahndrucks können Fertigungsfehler in den einzelnen Lagen, beispielsweise offene Leitungen, Kurzschlüsse oder eine fehlerhafte Kontur, nur mit hohem Aufwand in den der Fertigung nachgeschalteten Prozessen erkannt werden.

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Als Lösungsansatz hierfür wurde von der Neotech AMT und dem Arbeitsbereich TAMS des Fachbereichs Informatik an der Universität Hamburg ein kamerabasiertes Überwachungssystem für additiv gefertigte Objekte mit integrierter Elektronik entwickelt. Ziel war es, den Leiterbahndruck in einer 5-Achs-Druckanlage durch ein automatisiertes Qualitätssicherungssystem (AQS) zu verbessern, um damit eine zuverlässige Fertigung auch in Stückzahl 1 zu ermöglichen. Das AQS-System analysiert gedruckte Leiterbahnen und korrigiert Bearbeitungsfehler automatisch und fallabhängig. Hierfür erfasst ein integriertes Bildverarbeitungssystem zunächst die gedruckten elektrischen Strukturen in mehreren Einzelbildern. Durch eine angepasste Bildverarbeitung können hierbei optische Verzerrungen und Bereiche außerhalb der Schärfentiefe kompensiert werden. Anschließend werden die gedruckten Leiterbahnen in den Bildern durch den Einsatz von Künstlicher Intelligenz (KI) auf den unterschiedlichen Substraten erkannt und im Vergleich zu dem Sollverlauf der Leiterbahnen auf Fertigungsfehler überprüft. Wird ein Fehler erkannt, korrigiert das System diesen automatisch durch einen entwickelten Closed-Loop-Ansatz für den Leiterbahndruck. Außerdem werden die vom AQS generierten Daten zur Dokumentation archiviert, um beispielsweise Zertifizierungsprozesse in kritischen Anwendungen zu unterstützen.

Im Detail verläuft der AQS-Prozess wie folgt: Zunächst wird der Druckpfad für die Fertigung in Motion3D erstellt, einer speziellen CAD/CAM-Software von Neotech AMT. Anschließend wird der G-Code für den Druckpfad direkt auf der Maschine ausgeführt. Automatisiert aufgenommene Bilder des Druckergebnisses werden durch das neuronale Netz des AQS-Systems segmentiert. Diese segmentierten Bilder werden mit den Solldaten verglichen, um fehlende Leiterbahnsegmente zu identifizieren, die daraufhin markiert werden. Für diese fehlenden Segmente wird ein spezieller Korrektur-Druckpfad generiert. Schließlich wird der Leiterbahnabschnitt, der Reparatur benötigt, mittels dieses Korrektur-Druckpfads gedruckt.

Erzeugung von Druckpfaden für die Fertigung

Im CAD/CAM-System „Motion 3D“ werden, auf Basis der CAD-Daten die einzelnen Bearbeitungsschritte mit den erforderlichen unterschiedlichen Druckverfahren zur Herstellung der elektronischen Komponenten generiert. Dabei kann in der Software eine Option zur automatisierten Kameradokumentation gewählt werden, wie in Bild 3 dargestellt. Zur Erfassung der gedruckten Leiterbahnen werden aus dem Bauteildesign die Kamerapositionen für eine Bildserie entlang des Druckpfades erzeugt, wobei die Aufnahmen der Einzelbilder immer senkrecht zur Oberfläche und mit Überlapp zu benachbarten Bildern erfolgen. Natürlich kann auch ein eigenständiger CAM-Block „CameraDocumentation" erzeugt werden, um z.B. eine zuvor gedruckte Schaltung nachträglich zu dokumentieren oder nur einen kritischen Teil einer gedruckten Struktur zu überwachen.

Drucken und Segmentieren der Leiterbahnen

Der erzeugte G-Code für die Bearbeitung wird in den 5-Achs-Drucker geladen und ausgeführt. Nach der Abarbeitung eines CAM-Blocks werden die einzelnen Kamerapositionen angefahren, um Bilder aufzunehmen. Die Software speichert die Bilder mit einem eindeutigen Identifier und der jeweiligen Position im Koordinatensystem ab. Diese Bilder werden im Anschluss direkt weiterverarbeitet, können aber auch vom System zur Dokumentation oder für eine externen Qualitätsanalyse zur Verfügung gestellt werden.

Bei der Segmentierung wird anhand der Bilder entschieden, welche Teile des Bildes einen Hintergrund, also das Substrat, und welche Teile eine Leiterstruktur darstellen. Hieraus wird dann ein binäres Schwarz-Weiß-Bild erstellt. Die Segmentierung wird mit dem entwickelten neuronalen Netz „KamelNet“ durchgeführt. Dieses Netz basiert auf einem U-Netz mit einer Tiefe von 5 und einer Eingabeform von 512 x 512 Pixeln. Derzeit werden die Eingabebilder (Größe 2048px X 2448px) auf 512px X 612px herunterskaliert und dann in zwei Bilder mit 512px X 512px mit einer großen Überlappung aufgeteilt. Die beiden Bilder werden dann durch das Netz segmentiert und anschließend wieder zusammengefügt und auf die ursprüngliche Größe zurückskaliert.

Fehlererkennung, Korrektur-Druckpfad und Reparatur

Das Fehlererkennungsmodul liest zunächst den gesamten G-Code für die Fertigung ein und interpretiert daraus u.a. alle gedruckten Leiterstrukturen, die zugehörigen Fertigungsgeschwindigkeiten für den Druck und die Kamerapositionen bei der Bildaufnahme. Die einzelnen Liniensegmente aus dem gesamten Schaltungsbild können zu zusammenhängenden Leiterbahnen gruppiert und entsprechende Anfangs- und Endpunkte ermittelt werden. Die zuvor segmentierten Bilder werden zusammen mit den zugehörigen Bildaufnahmepositionen an das Fehlererkennungsmodul übergeben, um eine Überlagerung mit den Soll-Leiterstrukturen aus dem G-Code zu ermöglichen.

Zur Suche nach unverbundenen Leiterbahnsegmenten, wird ein sog. Flood-Fill-Algorithmus verwendet. Dabei wird, ausgehend vom Startpunkt der Leiterbahn, die Struktur mit einer definierten Farbe „geflutet“. Anschließend wird jeder Endpunkt der Leiterstruktur daraufhin überprüft, ob er von der Füllung erreicht und damit eingefärbt wurde oder nicht. Ist das nicht der Fall, muss zwischen Anfangs- und Endpunkt eine Unterbrechung vorhanden sein, die für die weitere Verarbeitung markiert wird.

Mit dieser Erkennungsmethode kann die gedruckte Leiterbahn auch auf Kurzschlüsse überprüft werden, indem das geflutete Bild verwendet wird und geprüft wird, ob Endpunkte eingefärbt sind, die nicht verbunden sein sollten. Die Leiterbahnbreite wird durch Zählen der Pixel entlang der Leiterbahn und Ausgabe eines Breitenprofils überprüft, das die Leiterbahnbreite innerhalb eines bestimmten Toleranzbereichs zeigt.

Wenn eine gedruckte elektrische Verbindung mit einer Unterbrechung markiert ist, iteriert der Algorithmus über jeden Pixel der Leiterstruktur und sucht nach den Kanten, an denen die Verbindungsunterbrechung beginnt und endet. Dann werden alle Reparaturlinien der Leiterbahn zu einem zusammenhängenden Reparaturpfad gruppiert.

Der Anfang und das Ende jedes Reparaturpfades werden um einen definierbaren Offsetwert in Leiterrichtung verlängert, um eine Überlappung zu erzeugen, die eine zuverlässige elektrische Verbindung zwischen der vorhandenen Leiterbahn und dem Reparaturpfad gewährleistet.

Die generierten Reparaturpfade werden anschließend in das entsprechende Maschinenkoordinatensystem transformiert und als G-Code zur nachfolgenden Ausführung auf der Druckanlage ausgegeben.

Nach dem Start des G-Codes benötigt der Prozess keine weiteren Eingaben des Anlagenbedieners und führt die Reparatur der zuvor erkannten Leiterbahnunterbrechungen mit dem gewählten Druckprozess selbstständig durch. Auch hiervon kann eine Dokumentation erstellt werden. Im Anschluss kann die Fertigung des Bauteils fortgesetzt werden (Bild 4).

Zusammenfassung und Ausblick

Das automatisierte Qualitätssicherungssystem für 3D-gedruckte Leiterstrukturen ermöglicht die automatische Erfassung von Bildserien entlang von 3D-Konturen während des Drucks in 5-Achs-Fertigungsanlagen. In den Bildern werden Leiterstrukturen mit Hilfe eines neuronalen Netzes, das mit klassifizierten Bildern von Leiterbahnen auf verschiedenen Substraten trainiert wurde, identifiziert und mit der Sollstruktur aus den Fertigungsdaten verglichen.

Mit dem entwickelten System können Unterbrechungen in gedruckten Leiterbahnen erfolgreich erkannt und auch automatisiert repariert werden. Das Risiko, dass Fertigungsfehler erst nach einem zeitintensiven Herstellungsprozess entdeckt werden, wird dadurch verringert, und Ausschuss durch eine automatisierte Reparatur auf ein Minimum reduziert.

Um die Anwendungsmöglichkeiten weiter zu erhöhen, sind folgende Erweiterungen geplant:

• Vollständige Unterstützung von Freiformflächen, um die Fehlerkorrektur auf komplexere Schaltungen auszuweiten, die auf Freiformflächen gedruckt werden.

• Erhöhung der Prozessgeschwindigkeit durch eine verbesserte und schnellere Bilderfassung.

• Kontinuierliche Messung der Leiterbahnbreite während des Druckprozesses, um die Einhaltung definierter Toleranzbereiche zu überwachen.

• Einbindung subtraktiver Prozesse zur Reparatur von Fertigungsfehlern wie Kurzschlüssen.

Die Arbeiten hierfür wurden im Rahmen des Forschungsvorhabens „KamEl“, durch das Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) unter den Kennzeichen ZF4498403 und ZF4864801, gefördert (mbf)

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