Lotpastenkontrolle mit universell einsetzbarem AOISystem

Insgesamt können Probleme beim Lotpastendruck für mehr als die Hälfte aller Fertigungsfehler verantwortlich sein. Damit gewinnt die Kontrolle der Pastendruckergebnisse eine entscheidende Rolle im Qualitätssicherungskonzept für die Herstellung bestückter Leiterplatten. Auf die Lötstellenkontrolle sollte deshalb natürlich nicht verzichtet werden. Doch was, wenn das Budget für noch ein weiteres Inspektionssystem nicht ausreicht? Je früher desto besser Mangelhafte Lötstellen, die ihren Ursprung in Fehlern beim Lotpastendruck haben, lassen sich meist am Ende des Fertigungsprozesses durch Inspektion der bestückten und gelöteten Baugruppe noch finden. Üblich sind dafür die Sichtkontrolle durch den Menschen, die Automatische Optische Inspektion (AOI) oder die Automatische Röntgeninspektion (AXI) bzw. auch elektrische Prüfverfahren wie z.B. In-Circuit-Test (ICT), Flying-Probe-Test (FP) oder BoundaryScan. Die erstgenannten optischen Verfahren (AOI, AXI) haben dabei den Vorteil, dass eine qualitative Beurteilung aller Lötstellen möglich ist, die über die Aussage gelötet oder nicht gelötet weit hinaus geht. Warum also nicht nur ganz am Ende prüfen und alle Fehler mit einem Test finden? Zwei beispielhafte Szenarien sollen verdeutlichen, was dagegen spricht. Szenario 1: Im ersten Prozessschritt wird durch eine verunreinigte Schablonenöffnung eines der beiden Pads eines Kondensators nur zu einem geringen Teil mit Paste bedruckt. Nach dem Lotpastendruck erfolgen die Bauteilbestückung und anschließend das Reflowlöten. Die Lotpastenmenge reicht gerade aus für einen geringen Anfluss des Lots an die Bauteilkappe. Nach dem Löten erfolgt nur eine stichprobenartige Sichtkontrolle der Ergebnisse, weil am Ende noch ein ausgiebiger Funktionstest erfolgen soll. Danach werden verschiedene Zusatzkomponenten und Gehäuseteile montiert, wobei die sehr magere Lötstelle der mechanischen Belastung nicht standhalten kann und abreißt. Beim Funktionstest fällt das Gerät sporadisch aus. Und auch das nächste und übernächste Gerät hat dieses Problem. Denn die verunreinigte Schablonenöffnung wurde einige Zeit nicht bemerkt und es sind mehrere Dutzend Geräte mit diesem Serienfehler entstanden. Das Bauteil, bzw. die Lötstelle zu finden, welche den Funktionsausfall verursacht, dauert einen halben Tag. Die Reparatur aller Geräte zieht sich allerdings um einiges länger hin. Der Kondensator ist kaum noch zugänglich, weil bereits Steckverbinder über dem Kondensator montiert wurden. Die Folge sind enorme Reparaturkosten durch die zeitaufwändige teilweise Demontage der Baugruppe und eine Lieferverzögerung an den Kunden mit entsprechendem Imageschaden. Szenario 2: Im ersten Prozessschritt wird durch eine verunreinigte Schablonenöffnung eines der beiden Pads eines Kondensators nur zu einem geringen Teil mit Paste bedruckt. Die automatische Inspektion des Lotpastendrucks entdeckt diesen Fehler auf der ersten Leiterplatte, auf der dies auftritt. Daraufhin wird die Produktion unterbrochen und die Schablone sofort gereinigt. Die fehlerhaft bedruckte Leiterplatte wird je nach Größe bzw. Kosten entweder abgewaschen und erneut bedruckt oder entsorgt. Die Produktion kann weiterlaufen und beim Funktionstest am nächsten Tag laufen alle Geräte auf Anhieb und überstehen den Dauertest. Die etwas überspitzte Darstellung soll auf zwei entscheidende Argumente für eine frühe Inspektion der Ergebnisse des einzelnen Prozessschrittes hinweisen. Je früher im Produktionsprozess ein Fehler erkannt wird, desto günstiger ist die Reparatur der Leiterplatte. Man geht allgemein davon aus, dass die Reparaturkosten für einen früh entstandenen aber erst später entdeckten bzw. reparierten Fehler mit jedem Prozessschritt um den Faktor 6-10 ansteigen. Es ist also nicht egal, wann ein Fehler repariert wird. Das zweite Argument für eine frühe Inspektion der Prozessergebnisse ist die Möglichkeit der Vermeidung von Serienfehlern. Die meisten der Probleme beim Lotpastendruck treten an mehreren Leiterplatten hintereinander auf, wenn nicht sofort die entsprechende Ursache beseitigt wird. Fehlermöglichkeiten und deren Ursachen Die Fehlermöglichkeiten beim Lotpastendruck und deren Ursachen sowie die Auswirkung auf die spätere Lötstelle sind sehr vielseitig. Es soll deshalb hier nur kurz auf einige der wichtigsten eingegangen werden. Fehlende Lotpaste, partiell oder auf dem gesamten Pad, führt zu offenen oder sehr mageren Lötstellen. Wie im oben beschriebenen Szenario kann dies durch eine verunreinigte Schablonenöffnung verursacht werden. Weitere mögliche Ursachen sind ein Verschmieren der Lotpaste auf der Schablone durch schadhafte Stellen des Rakels oder falsche Prozessparameter wie Rakeldruck oder Rakelgeschwindigkeit. Ein Druckversatz der Lotpaste gegenüber den Pads der Leiterplatte kann Kurzschlüsse vor allem an Schaltkreispins hervorrufen. Je nach Größe des Druckversatzes ist es auch möglich, dass offene Lötstellen sowie Lotperlen auf der Leiterplatte entstehen. Ursache des Druckversatzes ist eine falsche Ausrichtung von Schablone zu Leiterplatte, was wiederum durch nicht korrekt erkannte Ausrichtmarken bedingt sein kann. Es kommt allerdings auch vor, dass die Größen von Schablone und Leiterplatte nicht optimal zueinander passen. Überdruckung mit Brückenbildung zu benachbarten Pads kann durch eine schlechte Konturstabilität der Lotpaste entstehen. Dabei verläuft das Lotpastendepot in alle Richtungen und bedeckt eine Fläche, welche größer ist als das Pad. Die Auswahl der richtigen Lotpaste und deren Zustand bzw. Alter sind hier entscheidend. Wird zu viel Paste gedruckt kann es zu Kurzschlüssen kommen oder Lot zieht sich beim Reflowprozess bis auf den Bauteilkörper. Eine zu große Pastenmenge wird z.B. aufgetragen durch nicht richtiges Abziehen der Lotpaste auf der Schablone, wenn der Rakeldruck nicht korrekt eingestellt ist oder eine ausreichende Leiterplattenunterstützung fehlt. Ein weiteres Problem, welches ebenfalls Kurzschlüsse verursachen kann, wird manchmal als sogenannter Zipfelmützeneffekt bezeichnet. Dabei wird durch schlechtes Herauslösen aus der Schablone ein Ende des Lotpastendepots mit nach oben gezogen. Fällt diese „Zipfelmütze“ später nach unten, kann es zu Brückenbildung kommen. Ebenso kann durch schlechtes Herauslösen der Paste ein ungleichmäßiger Auftrag mit Überhöhungen entstehen. Verfahren zur Lotpastenkontrolle Eine noch immer weit verbreitete Methode ist die manuelle Sichtkontrolle des Lotpastendrucks, meist nur als Stichprobenprüfung. Dabei können Fehler wie Druckversatz oder großflächig fehlender Lotpastenauftrag erkannt werden. Eine zuverlässige Erkennung stellt dies aber bei weitem nicht sicher. Sollen alle Fehler mit über längere Zeit gleichbleibenden Prüfkriterien erkannt werden, ist eine automatische Inspektion unerlässlich. 2D-Inspektionssysteme nehmen mit Linien oder Matrixkameras Bilder der Leiterplatte auf und prüfen in diesen den Lotpastendruck. Dabei können alle Fehler bezüglich Flächendeckung und Positionierung erkannt werden. Damit keine Probleme durch Helligkeitsund Farbänderungen von Leiterplatte, Pads oder Lotpaste entstehen, ist eine entsprechend ausgereifte Beleuchtungstechnik notwendig. 2D-Inspektionssysteme haben den Vorteil, dass sie zuverlässige Ergebnisse bei einer überschaubaren Komplexität der Prüfanordnung liefern können und sich idealerweise einfach programmieren lassen. Die deutlich geringeren Kosten sind ein weiteres Argument gegenüber 3DInspektionssystemen. 3D-Inspektionssysteme liefern zusätzlich eine Höheninformation und damit die Möglichkeit das Volumen zu bewerten. Dies kann für einige Fehlerarten, wie z.B. solche die durch schlechtes Herauslösen der Paste aus der Schablone verursacht werden (s.o.), eine wichtige Information zusätzlich zur Analyse der Flächenbedeckung sein. 3D-Inspektionssysteme arbeiten meist mit dem Triangulations- bzw. Lichtschnittverfahren. Dabei werden Linien in einem bestimmten Winkel auf die Leiterplatte projiziert und diese mit Hilfe einer oder mehrerer Kameras aufgenommen. Eine Höhenänderung des Objektes bedingt eine Änderung der Form der Lichtlinien. Aus diesen Änderungen lässt sich ein Höhenprofil errechnen. Durch den wesentlich komplexeren Aufbau der Prüfanordnung sind 3D-Inspektionsgeräte meist teurer als 2D-Sytsteme und die Programmierung stellt höhere Anforderungen an den Bediener. Im Gegensatz zu 3D-Systemen stellen 2D-Systeme vielfach ein vollwertiges AOI-System dar und können somit zusätzlich sehr flexibel auch für die Lötstellenkontrolle eingesetzt werden. Eine Auswertung der im eigenen Fertigungsprozess auftretenden möglichen Fehler sollte die Grundlage für die Definition der eigenen Anforderungen darstellen. Desweiteren spielt das zur Verfügung stehende Budget natürlich eine entscheidende Rolle bei der Auswahl eines Inspektionssystems. OptiCon Systemfamilien als universelles Inspektionssystem Als Anbieter optischer Inspektionssysteme hat GÖPEL electronic die AOI Geräte der OptiCon Systemfamilie mit einem sehr flexiblen Beleuchtungssystem ausgestattet. Alle AOI-Systeme der OptiCon Reihe sind kamerabasiert und leisten beste Ergebnisse in den klassischen AOI-Anwendungsbereichen wie Prüfung auf Bauteilanwesenheit, Lagerichtigkeit, Polarität, Typerkennung, Lötstelleninspektion, Kurzschlusskontrolle. Die flexiblen Beleuchtungsmöglichkeiten gestatten auch bei schwierigen Helligkeits- oder Farbverhältnissen eine kontrastreiche Unterscheidung zwischen Lotpaste, leeren Pads und Hintergrund. So werden die Systeme sowohl zur Lotpastenkontrolle auf klassischen Leiterplatten mit FR4-Material wie auch auf Keramik-Substraten eingesetzt. Die OptiCon Geräte lassen die Wahl einer beliebigen Beleuchtungsfarbe zu, was wichtig ist, um z.B. verschiedenfarbige Layer auf einem Keramik-Substrat zu unterdrücken und Merkmale deutlich hervorzuheben. Die Bilder zeigen ein typisches Anwendungsbeispiel. Desweiteren kann die Beleuchtungsrichtung sowie die Intensität verändert werden. Anforderungen an die Software Eine entscheidende Anforderung an die Software eines Lotpasteninspektionssystem ist die Möglichkeit Gerber-Daten importieren zu können. Diese definieren eindeutig die Bereiche, in denen Lotpaste gedruckt werden muss, da sie im Idealfall auf den Daten der Druckschablone basieren. Nach der automatischen Programmerstellung sollten die Prüfparameter für eine Optimierung des Prüfprogramms leicht und bedienfreundlich zu editieren sein, um auf geänderte Prozessbedingungen schnell und unkompliziert reagieren zu können. Durch die bewährte und an die Bedürfnisse der schnellen Programmerstellung und Programmänderung angepasste Software OptiCon Pilot (Göpel electronic) ist dies voll gegeben. Speziell entwickelte Algorithmen zur Lotpasteninspektion, welche in der Bibliothek zur Verfügung stehen, erlauben eine zuverlässige Kontrolle auf alle Kriterien hinsichtlich Flächendeckung und Positionierung des Lotpastendrucks. Zur stetigen Prozessoptimierung stehen im OptiCon Pilot Softwarepaket mehrere Module zur statistischen Auswertung zur Verfügung. Die Fehlerstatistik erlaubt Rückschlüsse auf Fehlerschwerpunkte. Es kann z.B. analysiert werden, an welchen Positionen einer bestimmten Leiterplatte statistisch die häufigsten Lotpastenfehler auftreten oder bei welchem Produkt gehäuft ein bestimmter Fehlertyp auftritt. Eine weitere Möglichkeit ist die Auswertung des erzielten Durchsatzes zu verschiedenen Zeiten. Die Statistische Prozesskontrolle (SPC) der als PASS geprüften Leiterplatten erlaubt dagegen eine Analyse der aktuellen tatsächlichen Produktionsqualität. Es ist ein langsames Abdriften einzelner Parameter, wie z.B. Druckversatz, durch Definition von Warn- und Eingriffsgrenzen feststellbar. Dies erlaubt das Eingreifen in den Prozess bevor der erste Fehler entstanden ist. Damit kann sogar die erste Leiterplatte aus oben stehendem Szenario 2 ohne Nacharbeit bis zum Funktionstest gelangen. Fazit Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass mit Hilfe der automatischen optischen Lotpasteninspektion Fehler frühzeitig erkannt und unnötige Reparaturkosten vermieden werden können. In der Vielzahl der Fälle sind dabei 2D-Inspektionssysteme für die effektive Qualitätssicherung ausreichend und könne zusätzlich in Kombination mit AOI-Funktionalität auch zur Bauteil- und Lötstellenkontrolle im Fertigungsprozess eingesetzt werden. Bezüglich der Systemauswahl ist ein besonderes Augenmerk auf ein flexibles Beleuchtungssystem zu legen, um z.B. auch bei der Lotpastenkontrolle auf Keramik-Substraten eine sichere Fehlererkennung zu ermöglichen.