Optische Inspektion

Optische Inspektion in der SMD-Fertigung

In der Theorie klingt der SMD-Produktionsprozess zur Fertigung von elektronischen Schaltungen einfach: Lotpaste drauf, Bauteile drauf und ab mit der grünen Leiterplatte in den Lötofen. Doch der Teufel liegt bekanntlich im Detail und so ist es gut, viele Detailinformationen über den SMD-Prozess zu bekommen. Während man in den 80er Jahren noch mit dem bloßen Auge Anschlussstellen prüfen konnte, braucht man dafür heute ein Mikroskop, so klein sind die Bauteile geworden.

Da Highspeed-SMD Linien aber alle 15 bis 20 Sekunden eine Mehrfachschaltung komplett produzieren, nutzt ein Blick unters Mikroskop nichts: Bis man die Platine eingelegt hat, sind schon fünf weitere Platinen vom Band gelaufen. Und überhaupt ist das menschliche Auge für die Prüfung zu träge und ungenau. Deswegen gibt es automatische optische Prüfsysteme, die diese Arbeit erledigen und im Micrometerbereich arbeiten. Seit den 2010er Jahren setzte sich dafür sogar ein 3D-Messstandard durch: das bedeutet, dass jede sichtbare Lötstelle auf einer Platine optisch in 3D vermessen wird.

Um die Qualität der Lötverbindungen sicherzustellen, wird nicht nur die Anwesenheit von Lot und Bauteil, sondern auch der genaue Lotanfluss untersucht und nach verschiedenen Klassen ausgewertet. Um Kosten im Produktionsprozess zu minimieren, hat es sich sogar durchgesetzt, zwei optische Inspektionen in den SMD-Prozess zu integrieren: Einmal wird das Aufbringen der Lotpaste geprüft, später im Prozess dann die Platzierung der Bauteile. Dies hat den Vorteil, dass schlecht bedruckte Platinen nicht mit teuren Bauteilen bestückt, sondern gleich aussortiert oder in den Rework-Prozess überführt werden.

Die erste Inspektionseinheit im Prozess nennt man Solder Paste Inspection System (SPI), die spätere AOI für automated optical inspection. Diese Systeme ermitteln in Echtzeit zahlreiche Messdaten. Diese dienen in einer modernen SmartFactory natürlich nicht nur dazu, den Produktionsprozess zu dokumentieren und zu überwachen, sondern auch dazu, das Prozessfenster zu optimieren und stetig zu verbessern. Dafür wird auch KI-Technologie genutzt.

Gegenüber der bisher vorherrschenden 2D Bildanalyse-Methode hat die 3D-Analyse den Vorteil, dass nicht nur das Vorhandensein von Lotpaste, sondern das genaue Volumen erfasst werden kann: Ein Blick von oben kann täuschen, denn es kann zwar viel Lotpaste in der Fläche vorhanden sein, aber die Höhe an Lot nicht für eine stabile Verbindung ausreichen. Ein hochstehender Pin kann auf einem 2D Bild schwer zu erkennen sein, wenn er nur leicht angehoben ist.

Zusätzlich kann beispielsweise die Verkippung eines Bauteils ermittelt werden. Die kommt vor, wenn unter einer Seite des Bauteils sehr viel mehr Lot ist als unter der anderen Seite. Lotbrücken, Verdrehungen des Bauteils, Versatz und Kopflieger lassen sich mit 3D-Rekonstruktion ebenfalls viel einfacher ermitteln.

Eine weitere Größe, welche eine 3D-Analyse liefert und eine 2D-Analyse nicht erfassen kann, ist die Bauteilhöhe: Diese kann genutzt werden, um die Anwesenheit eines Bauteils zuverlässig prüfen zu können. Der koreanische Maschinenbauer Koh Young brachte 2003 die 3D-Messtechnologie in die SMD-Branche: Das erste 3D-Lotpastenmesssystem eröffnete durch eine patentierte Form der Phasenshift-Moiré-Technik neue Analysemöglichkeiten. 2009 wurde die Technologie dann auf das AOI übertragen. Seither können Lötstellen und Bauteile auf Leiterplatten in 3D erfasst werden.