Vision-Systeme: Optische Qualitätsprüfung in Bestückautomaten

Modernes SMT-Fertigungsequipment, wie beispielsweise die SIPLACE Bestückautomaten von ASMPT, zeichnen sich durch höchste Präzision und Prozessstabilität aus. Hochgenau gefertigte Positioniersysteme und schlupffreie Off-belt-Antriebe mit Linearmotoren stellen sicher, dass jedes noch so kleine und noch so komplex aufgebaute Bauteil exakt an der vordefinierten Stelle landet. Doch die beste Mechanik stößt an ihre Grenzen, wenn die Ausgangbedingungen nicht optimal sind – was in der Praxis durchaus der Fall sein kann: Bauteile sind verbogen oder haben Risse, Lotpastendepots sind fehlerhaft oder es befinden sich Fremdkörper auf der zu bestückenden Platine. Eine „blinde“ Maschine kann solche Probleme nicht erkennen. Sie geht weiterhin von optimalen Ausgangbedingungen aus – und produziert Ausschuss.

Ebenso relevant wie die Mechanik sind daher optische Systeme für Produktionsqualität und -ertrag, die den Ist-Zustand von Boards und Komponenten vor, während und nach der Bestückung erfassen. „Ohne Weltklasse-Vision-Systeme kein Weltklasse-Equipment, um auch kleinste Platinen ebenso fehlerfrei wie effizient herstellen zu können“, betont Jérôme Rousval, Solutions Marketing Manager ASMPT, dem weltweit führenden Anbieter von Hard- und Software für die SMT-Fertigung.

2D-Inspektion: ein Bild für jedes Bauteil

„Die Bauteilkontrolle hat sich in den letzten Jahren enorm weiterentwickelt“, weiß Rousval. „Wir können heute weitaus mehr erfassen als nur Umrisse.“ Dazu wird in den SIPLACE Bestückautomaten von ASMPT jedes Bauteil an einer Kamera vorbeigeführt. Das Besondere: Für jede einzelne Komponente wird ein separates Bild aufgenommen. Die Beleuchtung kann dabei individuell konfiguriert werden. So wird nicht nur geprüft, ob ein Bauteil face down oder zu stark verkippt im Bestückkopf hängt, oder ob der Pin 1 an der falschen Stelle zu liegen kommt. Das hochauflösende System ermöglicht zudem eine Crack Detection für DIEs: Hier werden definierte Risse oder Beschädigungen in Chips registriert, fehlerhafte Exemplare abgeworfen und damit teurer Ausschuss vermieden. Die Bilder der aussortierten Komponenten lassen sich für die spätere Analyse abspeichern. Vor der Aufnahme der Bauteile wird außerdem ein Offset der Pipettenspitze zur Bauteilmitte erfasst, so dass der Unterschied bei der Bestückung automatisch kompensiert werden kann. Liegt die Abweichung außerhalb der programmierten Toleranz, wird das Bauteil abgeworfen.

3D-Inspektion: wichtig für OSCs

Noch mehr Aufwand betreibt ASMPT bei der Inspektion von Odd Shaped Components (OSCs), die meist auch noch THT-montiert werden müssen. Bereits ein fehlender oder leicht verbogener Anschlussdraht führt dabei zu einer Fehlbestückung oder späteren Funktionsstörung – und damit im schlimmsten Fall zu einem unbrauchbaren Board. Schon die Dimensionen von OSCs sind eine Herausforderung für die Vision-Systeme in Bestückautomaten. Oft können die Bauteile nicht mit einer einzigen Aufnahme erfasst werden. Hinzu kommen bei OSCs und THT-Bauteilen ungünstige optische Eigenschaften an den Spitzen der Pins oder Reflexionen, die eine genaue Vermessung mit herkömmlich verwendeten 2D-Aufnahmen schwierig bis unmöglich machen. Darüber hinaus ist es für reine 2D-Systeme oft schwer zu unterscheiden, ob Pins tatsächlich verbogen sind, denn ein zur Kamera hin oder von der Kamera weg verbogenes Beinchen kann oft nicht erkannt werden, weil es sich wie ein nicht verbogenes Beinchen ‚abbildet‘.

Wo 2D-Verfahren für eine exakte Prüfung der Bauteile nicht ausreichen, werden in ASMPT Systemen 3D-Aufnahmen erstellt. Das Verfahren ist der Funktion des menschlichen Auges nachempfunden: Ähnlich wie beim binokularen Sehen, werden im SIPLACE Vision-System zwei versetzt aufgenommene 2D-Bilder mit speziell für diese Aufgabe optimierten Algorithmen zu einem 3D-Bild zusammengefügt, das dann mit dem vorprogrammierten Soll-Zustand verglichen werden kann. So wird eine sehr flexible und hocheffiziente optische Inspektion selbst komplexer Bauteile möglich. Der Clou dabei: Bei ASMPT macht eine einzige Kamera beide Bilder, dabei wird das Bauteil zwischen den beiden Bildaufnahmen bewegt. Dieses Verfahren spart Platz und Kosten.

Um die Präzision der optischen Kontrolle und damit die Prozesssicherheit noch weiter zu erhöhen, können, je nach installiertem Kamerasystem, bis zu sechs verschiedene Beleuchtungslevel für die Aufnahmen eingesetzt werden. Dabei übernimmt eine automatische Beleuchtungsoptimierung die Kameraeinstellung. Denn die einfache Bedienung der GUI ist die Zielsetzung bei der Entwicklung des SIPLACE Vision-Systems. Dies bedeutet im konkreten Fall, dass jeder Level in einzelnen Stufen von 0 bis 255 justierbar ist. Damit stehen Billionen von Belichtungsvarianten zur Verfügung. Das Software-Modul Automatic Illumination Optimization hilft, die optimale Ausleuchtung für jedes Bauteil zu gewährleisten. „Mit diesen 3D-Messungen sind wir derzeit konkurrenzlos auf dem Markt“, versichert Rousval.

Für das Teaching – also die Erfassung des Sollzustandes – stellt ASMPT eine umfangreiche Online-Datenbank bereit, aus der Bauteildaten abgerufen werden können. Das Teaching von neuen oder speziellen Komponenten, die noch nicht in dieser Online-Datenbank enthalten sind, kann über die Bauteilkamera in der Maschine oder offline über die SIPLACE Vision Teach Station erfolgen. Sie nutzt die gleichen Kamerasysteme wie die SIPLACE Maschinen, bietet damit alle Vorteile der branchenführenden Lösung und spart darüber hinaus wertvolle Zeit, da die Bestücker während der Anlernphasen weiterlaufen können.

Zeit spart auch ein weiterer Optimierungsschritt: Maschinen vom Typ SIPLACE SX erlauben für große, schwere und komplexe Komponenten eine spezifische Programmierung mit Hilfe der Automatic Acceleration Optimization. Das zu bestückende Bauteil wird dabei mehrmals aufgenommen und zur vorgesehenen Position bewegt. Bei jedem Zyklus wird die Geschwindigkeit erhöht, wobei das Vision-System die gleichbleibend korrekte Ausrichtung des Bauteils überprüft. So ermittelt die Maschine die höchstmögliche Geschwindigkeit, bei der das Teil noch prozessstabil verarbeitet werden kann. Und die SIPLACE Bestückautomaten gehen mit smarter Prozesskontrolle sogar noch einen Schritt weiter. Stellen sie auf Basis von Logdateien und diversen automatischen Messungen fest, dass sich der Bestückprozess außerhalb des Standards bewegt, dann stoßen sie eine smarte Prozesskontrolle an, die automatisch die Leiterplatten-Inspektion auslöst. Dies gewährleistet eine hervorragende Bestückqualität bei gleichzeitig kurzen Taktzeiten.

Board-Inspektion: per Software nachrüstbar

„Eine weitere Störgröße bei der Bestückung sind Fehler auf dem Board“, erklärt Rousval. „Deshalb bietet ASMPT auch dafür ein Inspektionssystem, das sich ohne weitere Investitionen in Hardware ganz einfach per Software nachrüsten lässt.“

Die Software OnBoard PCB Inspection von ASMPT nutzt eine in jedem SIPLACE Bestückautomaten bereits installierte Leiterplattenkamera, die im Bestückprozess die Passermarken auf dem Board erkennt und auswertet. Diese Kamera verfügt über eine Ringbeleuchtung, die in vier Segmenten ansteuerbar ist. Mit ihr werden vier Aufnahmen des zu inspizierenden Areals erstellt, jeweils mit einer um 90 Grad gedrehten Beleuchtungsrichtung. Aus diesen Bildern errechnet dann die Software mithilfe smarter Algorithmen ein 3D-Bild, das präzise Höheninformationen beinhaltet. So werden Details sichtbar gemacht, die weniger ausgefeilten Inspektionssystemen verborgen bleiben.

„Diese 3D-Inspektion ist besonders für Elektronikfertiger von Bedeutung, die kein eigenes SPI-System einsetzen, aber dennoch besonders relevante Lotpastendepots vor der Bestückung genauer unter die Lupe nehmen wollen“, erläutert Rousval. Anschließend folgt noch ein Check auf Fremdkörper oder Verschmutzungen. Nach der Bestückung können dann die verbauten Komponenten auf Vorhandensein und Position geprüft werden.

Grundlage der optischen Qualitätssicherung ist immer eine perfekte Musterplatine, die als „Golden Sample“ gespeichert wird. Stellt das Programm vor, während oder nach der Bestückung eine Abweichung auf nachfolgenden Boards außerhalb des Toleranzfensters fest, wird der Prozess für dieses Board gestoppt und ein Bediener zur näheren Beurteilung der Situation herbeigerufen.

Fehler-Detektion: je früher, desto besser

„OnBoard PCB Inspection kann eigenständige SPI-Systeme oder die Kontrolle am Ende der Linie nicht vollständig ersetzen“, räumt Rousval ein. „Die Software ist ein kosteneffizientes und einfach nachzurüstendes Instrument, um ohne zusätzliche Hardware besonders kritische Bereiche zu überprüfen. Dazu zählen zum Beispiel BGAs oder Bauteile, die nach der Bestückung noch mit einem Shielding versehen werden und damit für eine normale optische End-of-the-Line-Kontrolle nicht mehr zugänglich sind. Grundsätzlich gilt: Je früher ein Problem erkannt wird, desto geringer ist der verursachte Zusatzaufwand. Aus diesem Grund ist die frühe Qualitätskontrolle auf dem Bestückautomaten ein probates Mittel zur Fehler- und Kostenreduktion.“

Die Zukunft der Vision-Systeme sieht Rousval im integrierten Zusammenspiel verschiedener Sensoren und Messmethoden. Schon heute überwachen die Maschinen von ASMPT den Flussmittelauftrag, inspizieren die Bauelemente bereits im Gurt oder Tray die Position, um Prozessfehler zu vermeiden, oder erkennen einen Gurtstau. Unterstützende Pins werden beim Smart Pin Support ebenfalls automatisch auf korrekte Höhe überwacht. „Und wenn der Unterdrucksensor in der Ansaugpipette einen zu niedrigen oder zu hohen Wert anzeigt, löst dies eine automatische optische Positions- und Zustandskontrolle des betreffenden Teils aus“, erklärt Rousval. „In einem Smart-Process-Control-System ist das Ganze eben weitaus mehr als die Summe seiner Teile.“