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Elektronikproduktion | 15 Juli 2009

Lotpastenkontrolle mit universell einsetzbarem AOISystem

Wenn am Ende des SMT-Fertigungsprozesses elektronischer Flachbaugruppen ein Bauteil eine nicht ausreichend ausgepr√§gte L√∂tstelle aufweist oder sich z.B. Kurzschl√ľsse zwischen Anschlusskontakten gebildet haben, wird h√§ufig von L√∂tfehler gesprochen. Allerdings haben fast alle Fehler dieser Art ihren Ursprung im ersten Prozessschritt, dem Lotpastendruck.
Insgesamt k√∂nnen Probleme beim Lotpastendruck f√ľr mehr als die H√§lfte aller Fertigungsfehler verantwortlich sein. Damit gewinnt die Kontrolle der Pastendruckergebnisse eine entscheidende Rolle im Qualit√§tssicherungskonzept f√ľr die Herstellung best√ľckter Leiterplatten. Auf die L√∂tstellenkontrolle sollte deshalb nat√ľrlich nicht verzichtet werden. Doch was, wenn das Budget f√ľr noch ein weiteres Inspektionssystem nicht ausreicht?

Je fr√ľher desto besser
Mangelhafte L√∂tstellen, die ihren Ursprung in Fehlern beim Lotpastendruck haben, lassen sich meist am Ende des Fertigungsprozesses durch Inspektion der best√ľckten und gel√∂teten Baugruppe noch finden. √úblich sind daf√ľr die Sichtkontrolle durch den Menschen, die Automatische Optische Inspektion (AOI) oder die Automatische R√∂ntgeninspektion (AXI) bzw. auch elektrische Pr√ľfverfahren 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 L√∂tstellen m√∂glich ist, die √ľber die Aussage gel√∂tet oder nicht gel√∂tet weit hinaus geht. Warum also nicht nur ganz am Ende pr√ľfen und alle Fehler mit einem Test finden? Zwei beispielhafte Szenarien sollen verdeutlichen, was dagegen spricht.

Szenario 1:
Im ersten Prozessschritt wird durch eine verunreinigte Schablonen√∂ffnung eines der beiden Pads eines Kondensators nur zu einem geringen Teil mit Paste bedruckt. Nach dem Lotpastendruck erfolgen die Bauteilbest√ľckung und anschlie√üend das Reflowl√∂ten. Die Lotpastenmenge reicht gerade aus f√ľr 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 f√§llt das Ger√§t sporadisch aus. Und auch das n√§chste und √ľbern√§chste Ger√§t hat dieses Problem. Denn die verunreinigte Schablonen√∂ffnung wurde einige Zeit nicht bemerkt und es sind mehrere Dutzend Ger√§te mit diesem Serienfehler entstanden. Das Bauteil, bzw. die L√∂tstelle zu finden, welche den Funktionsausfall verursacht, dauert einen halben Tag. Die Reparatur aller Ger√§te zieht sich allerdings um einiges l√§nger hin.

Der Kondensator ist kaum noch zug√§nglich, weil bereits Steckverbinder √ľber dem Kondensator montiert wurden. Die Folge sind enorme Reparaturkosten durch die zeitaufw√§ndige teilweise Demontage der Baugruppe und eine Lieferverz√∂gerung 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 Gr√∂√üe bzw. Kosten entweder abgewaschen und erneut bedruckt oder entsorgt. Die Produktion kann weiterlaufen und beim Funktionstest am n√§chsten Tag laufen alle Ger√§te auf Anhieb und √ľberstehen den Dauertest. Die etwas √ľberspitzte Darstellung soll auf zwei entscheidende Argumente f√ľr eine fr√ľhe Inspektion der Ergebnisse des einzelnen Prozessschrittes hinweisen.

Je fr√ľher im Produktionsprozess ein Fehler erkannt wird, desto g√ľnstiger ist die Reparatur der Leiterplatte. Man geht allgemein davon aus, dass die Reparaturkosten f√ľr einen fr√ľh entstandenen aber erst sp√§ter 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 f√ľr eine fr√ľhe Inspektion der Prozessergebnisse ist die M√∂glichkeit 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, f√ľhrt zu offenen oder sehr mageren L√∂tstellen. Wie im oben beschriebenen Szenario kann dies durch eine verunreinigte Schablonen√∂ffnung verursacht werden. Weitere m√∂gliche 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 gegen√ľber den Pads der Leiterplatte kann Kurzschl√ľsse vor allem an Schaltkreispins hervorrufen. Je nach Gr√∂√üe des Druckversatzes ist es auch m√∂glich, dass offene L√∂tstellen 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 Gr√∂√üen von Schablone und Leiterplatte nicht optimal zueinander passen.

√úberdruckung mit Br√ľckenbildung zu benachbarten Pads kann durch eine schlechte Konturstabilit√§t der Lotpaste entstehen. Dabei verl√§uft das Lotpastendepot in alle Richtungen und bedeckt eine Fl√§che, welche gr√∂√üer 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 Kurzschl√ľssen kommen oder Lot zieht sich beim Reflowprozess bis auf den Bauteilk√∂rper. Eine zu gro√üe Pastenmenge wird z.B. aufgetragen durch nicht richtiges Abziehen der Lotpaste auf der Schablone, wenn der Rakeldruck nicht korrekt eingestellt ist oder eine ausreichende Leiterplattenunterst√ľtzung fehlt.

Ein weiteres Problem, welches ebenfalls Kurzschl√ľsse verursachen kann, wird manchmal als sogenannter Zipfelm√ľtzeneffekt bezeichnet. Dabei wird durch schlechtes Herausl√∂sen aus der Schablone ein Ende des Lotpastendepots mit nach oben gezogen. F√§llt diese ‚ÄěZipfelm√ľtze‚Äú sp√§ter nach unten, kann es zu Br√ľckenbildung kommen. Ebenso kann durch schlechtes Herausl√∂sen der Paste ein ungleichm√§√üiger Auftrag mit √úberh√∂hungen entstehen.

Verfahren zur Lotpastenkontrolle
Eine noch immer weit verbreitete Methode ist die manuelle Sichtkontrolle des Lotpastendrucks, meist nur als Stichprobenpr√ľfung. Dabei k√∂nnen Fehler wie Druckversatz oder gro√üfl√§chig fehlender Lotpastenauftrag erkannt werden. Eine zuverl√§ssige Erkennung stellt dies aber bei weitem nicht sicher. Sollen alle Fehler mit √ľber l√§ngere Zeit gleichbleibenden Pr√ľfkriterien erkannt werden, ist eine automatische Inspektion unerl√§sslich.

2D-Inspektionssysteme nehmen mit Linien oder Matrixkameras Bilder der Leiterplatte auf und pr√ľfen in diesen den Lotpastendruck. Dabei k√∂nnen alle Fehler bez√ľglich Fl√§chendeckung und Positionierung erkannt werden. Damit keine Probleme durch Helligkeitsund Farb√§nderungen von Leiterplatte, Pads oder Lotpaste entstehen, ist eine entsprechend ausgereifte Beleuchtungstechnik notwendig.

2D-Inspektionssysteme haben den Vorteil, dass sie zuverl√§ssige Ergebnisse bei einer √ľberschaubaren Komplexit√§t der Pr√ľfanordnung liefern k√∂nnen und sich idealerweise einfach programmieren lassen. Die deutlich geringeren Kosten sind ein weiteres Argument gegen√ľber 3DInspektionssystemen.

3D-Inspektionssysteme liefern zus√§tzlich eine H√∂heninformation und damit die M√∂glichkeit das Volumen zu bewerten. Dies kann f√ľr einige Fehlerarten, wie z.B. solche die durch schlechtes Herausl√∂sen der Paste aus der Schablone verursacht werden (s.o.), eine wichtige Information zus√§tzlich zur Analyse der Fl√§chenbedeckung 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 H√∂hen√§nderung des Objektes bedingt eine √Ąnderung der Form der Lichtlinien. Aus diesen √Ąnderungen l√§sst sich ein H√∂henprofil errechnen. Durch den wesentlich komplexeren Aufbau der Pr√ľfanordnung sind 3D-Inspektionsger√§te meist teurer als 2D-Sytsteme und die Programmierung stellt h√∂here Anforderungen an den Bediener.

Im Gegensatz zu 3D-Systemen stellen 2D-Systeme vielfach ein vollwertiges AOI-System dar und k√∂nnen somit zus√§tzlich sehr flexibel auch f√ľr die L√∂tstellenkontrolle eingesetzt werden. Eine Auswertung der im eigenen Fertigungsprozess auftretenden m√∂glichen Fehler sollte die Grundlage f√ľr die Definition der eigenen Anforderungen darstellen. Desweiteren spielt das zur Verf√ľgung stehende Budget nat√ľrlich eine entscheidende Rolle bei der Auswahl eines Inspektionssystems.

OptiCon Systemfamilien als universelles Inspektionssystem
Als Anbieter optischer Inspektionssysteme hat G√ĖPEL electronic die AOI Ger√§te 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 Pr√ľfung auf Bauteilanwesenheit, Lagerichtigkeit, Polarit√§t, Typerkennung, L√∂tstelleninspektion, 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 Ger√§te lassen die Wahl einer beliebigen Beleuchtungsfarbe zu, was wichtig ist, um z.B. verschiedenfarbige Layer auf einem Keramik-Substrat zu unterdr√ľcken und Merkmale deutlich hervorzuheben. Die Bilder zeigen ein typisches Anwendungsbeispiel. Desweiteren kann die Beleuchtungsrichtung sowie die Intensit√§t ver√§ndert werden.



Anforderungen an die Software
Eine entscheidende Anforderung an die Software eines Lotpasteninspektionssystem ist die M√∂glichkeit Gerber-Daten importieren zu k√∂nnen. 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 Pr√ľfparameter f√ľr eine Optimierung des Pr√ľfprogramms leicht und bedienfreundlich zu editieren sein, um auf ge√§nderte Prozessbedingungen schnell und unkompliziert reagieren zu k√∂nnen.

Durch die bew√§hrte und an die Bed√ľrfnisse der schnellen Programmerstellung und Programm√§nderung angepasste Software OptiCon Pilot (G√∂pel electronic) ist dies voll gegeben. Speziell entwickelte Algorithmen zur Lotpasteninspektion, welche in der Bibliothek zur Verf√ľgung stehen, erlauben eine zuverl√§ssige Kontrolle auf alle Kriterien hinsichtlich Fl√§chendeckung und Positionierung des Lotpastendrucks.

Zur stetigen Prozessoptimierung stehen im OptiCon Pilot Softwarepaket mehrere Module zur statistischen Auswertung zur Verf√ľgung. Die Fehlerstatistik erlaubt R√ľckschl√ľsse auf Fehlerschwerpunkte. Es kann z.B. analysiert werden, an welchen Positionen einer bestimmten Leiterplatte statistisch die h√§ufigsten Lotpastenfehler auftreten oder bei welchem Produkt geh√§uft ein bestimmter Fehlertyp auftritt. Eine weitere M√∂glichkeit ist die Auswertung des erzielten Durchsatzes zu verschiedenen Zeiten.

Die Statistische Prozesskontrolle (SPC) der als PASS gepr√ľften Leiterplatten erlaubt dagegen eine Analyse der aktuellen tats√§chlichen Produktionsqualit√§t. 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 l√§sst sich feststellen, dass mit Hilfe der automatischen optischen Lotpasteninspektion Fehler fr√ľhzeitig erkannt und unn√∂tige Reparaturkosten vermieden werden k√∂nnen. In der Vielzahl der F√§lle sind dabei 2D-Inspektionssysteme f√ľr die effektive Qualit√§tssicherung ausreichend und k√∂nne zus√§tzlich in Kombination mit AOI-Funktionalit√§t auch zur Bauteil- und L√∂tstellenkontrolle im Fertigungsprozess eingesetzt werden. Bez√ľglich 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 erm√∂glichen.

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