Wie wird das AOI-System (Automatic Optical Inspection) in der Produktion von Leiterplatten eingesetzt?

Nach fast 112 Jahren Bemühungen wurde das automatische optische Inspektionssystem (AOI) endlich erfolgreich in der Produktionslinie für Leiterplatten (PCB) eingesetzt. In dieser Zeit ist die Anzahl der AOI-Anbieter stark gestiegen, und auch verschiedene AOI-Technologien haben erhebliche Fortschritte gemacht. Derzeit können viele Anbieter, von einfachen Kamerasystemen bis hin zu komplexen 3D-Röntgeninspektionssystemen, nahezu AOI-Geräte anbieten, die in allen automatischen Produktionslinien eingesetzt werden können.

In den letzten zehn Jahren wurde die Leistung von Lotpastendruckern und SMT-Bestückungsautomaten verbessert, was die Geschwindigkeit, Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Produktmontage erhöht hat. Die Ausbeute großer Hersteller wurde dadurch verbessert. Die steigende Anzahl von SMT-Bauelementen, die von Komponentenherstellern bereitgestellt werden, hat auch die Entwicklung der Automatisierung in Leiterplattenbestückungslinien vorangetrieben. Die automatische Platzierung von SMT-Bauelementen kann Fehler, die bei der manuellen Montage in der Produktionslinie auftreten können, nahezu vollständig eliminieren.

In der Leiterplattenindustrie waren Miniaturisierung und Denaturierung von Bauelementen schon immer der Entwicklungstrend. Dies hat die Hersteller dazu veranlasst, AOI-Geräte in ihren Produktionslinien zu installieren. Denn es ist nicht mehr möglich, eine zuverlässige und konsistente Erkennung von dicht angeordneten Bauelementen durchzuführen und genaue Erkennungsaufzeichnungen zu führen, indem man sich auf manuelle Arbeit verlässt. AOI hingegen kann wiederholte und präzise Inspektionen durchführen, und die Speicherung und Freigabe von Inspektionsergebnissen kann ebenfalls digitalisiert werden.

In vielen Fällen kann die Inspektion und Anpassung des Lotpastendruckers und des Montageprozesses durch Verfahrensingenieure sicherstellen, dass die Lotpastenverschmutzungsrate (Spritzrate) in der Produktionslinie nur wenige Teile pro Million (ppm) beträgt. Für eine Produktionslinie mit hohem Output/geringer Mischung liegt die typische Lotpastenverschmutzungsrate zwischen 20 ppm und 150 ppm. Die praktische Erfahrung hat gezeigt, dass es schwierig ist, die Kontamination jeder einzelnen Art von Lotpaste nur durch Stichproben und Tests von Leiterplattenmustern zu erkennen. Nur durch die Durchführung einer 100 %-Inspektion aller Leiterplatten kann eine größere Inspektionsabdeckung gewährleistet und somit eine statistische Prozesskontrolle (SPC) erreicht werden.

In vielen Fällen existiert tatsächlich nur ein sehr kleiner Teil bestimmter Arten von Lotpastenverunreinigungen, und die Entstehung dieser Lotpastenverunreinigungen kann mit bestimmten Produktionsanlagen in Verbindung gebracht werden. In vielen Fällen können Sie das Auftreten einer Lotpastenverunreinigung auch einem bestimmten Gerät zuordnen. Bei einigen Variablen, wie z. B. der Bauteilverschiebung (aufgrund des Selbstkorrektureffekts während des Reflow-Prozesses), ist es jedoch unmöglich, zu einem bestimmten Produktionsschritt zurückzuverfolgen. Um alle Lotpastenverunreinigungen zu erkennen, ist es daher erforderlich, in jedem Produktionsschritt der Produktionslinie eine 100 %-Inspektion durchzuführen. In der Realität können Leiterplattenhersteller aus wirtschaftlichen Gründen jedoch nicht jede Leiterplatte nach Abschluss jedes Prozesses testen. Daher müssen Verfahrensingenieure und Qualitätskontrollmanager sorgfältig abwägen, wie das beste Gleichgewicht zwischen Investitionen in die Inspektion und den Vorteilen durch eine erhöhte Produktion gefunden werden kann.

Im Allgemeinen können Sie, wie in Abbildung 1 dargestellt, AOI effektiv nach einem der vier Produktionsschritte in einer Produktionslinie einsetzen. In den folgenden Abschnitten wird die Anwendung von AOI nach vier verschiedenen Produktionsschritten in der SMT-Leiterplattenproduktion vorgestellt. Wir können AOI grob in zwei Kategorien einteilen: Problemverhinderung und Problemerkennung. In der folgenden Beschreibung kann die Inspektion nach dem Lotpastendruck, der (oberflächenmontierten) Bauteilplatzierung und der Bauteilplatzierung als Problemverhinderung klassifiziert werden, während der letzte Schritt - die Inspektion nach dem Reflow-Löten - als Problemerkennung klassifiziert werden kann, da die Inspektion in diesem Schritt das Auftreten von Fehlern nicht verhindern kann.

• Nach dem Lotpastendruck:
  Fehlerhaftes Löten resultiert in großem Umfang aus fehlerhaftem Lotpastendruck. In diesem Stadium können Sie die Lötfahler auf der Leiterplatte einfach und wirtschaftlich entfernen. Die meisten 2D-Erkennungssysteme können Lotpastenversatz und -schräglauf, unzureichende Lotpastenbereiche sowie Lotspritzer und Kurzschlüsse überwachen. Das 3D-System kann auch die Lotmenge messen.
• Nach der Platzierung von (Chip-)Bauelementen:
  Die Erkennung in diesem Stadium kann fehlende Bauelemente, Versatz, Schräglauf von (Chip-)Bauelementen und Richtungsfehler von (Chip-)Bauelementen erkennen. Dieses Erkennungssystem kann auch die Lotpaste auf den Pads überprüfen, die zum Verbinden von Bauelementen mit engem Raster und Ball Grid Array (BGA) verwendet werden.
• Nach der Bauteilmontage:
  Nachdem die Geräte Bauelemente auf die Leiterplatte montiert haben, kann das Erkennungssystem fehlende, versetzte und schräge Bauelemente auf der Leiterplatte überprüfen und auch Fehler in der Bauteilpolarität erkennen.
• Nach dem Reflow-Löten:
  Am Ende der Produktionslinie kann das Erkennungssystem fehlende, versetzte und schräge Bauelemente sowie Fehler in allen Polaritätsaspekten überprüfen. Das System muss auch die Richtigkeit der Lötstellen sowie Fehler wie unzureichende Lotpaste, Kurzschlüsse beim Löten und angehobene Füße erkennen.

Bei Bedarf können Sie in den Schritten 2, 3 und 4 auch die Methoden der optischen Zeichenerkennung (OCR) und der optischen Zeichenüberprüfung (OCV) zur Erkennung hinzufügen.

Die Diskussionen von Ingenieuren und Herstellern über die Vor- und Nachteile verschiedener Erkennungsmethoden sind endlos. Tatsächlich sollten sich die Hauptkriterien für die Auswahl auf die Art der Bauelemente und Prozesse, das Fehlerspektrum und die Anforderungen an die Produktzuverlässigkeit konzentrieren. Wenn viele BGA-, Chip-Scale-Packaging- (CSP-) oder Flip-Chip-Bauelemente verwendet werden, muss das Erkennungssystem in den ersten und zweiten Schritten eingesetzt werden, um seine Effektivität zu maximieren. Darüber hinaus kann die Durchführung von Inspektionen nach der vierten Stufe Fehler in preiswerten Konsumgütern effektiv identifizieren. Für Leiterplatten, die in der Luft- und Raumfahrt, in der Medizin und in Sicherheitsprodukten (Airbags für Kraftfahrzeuge) verwendet werden, kann es aufgrund der extrem strengen Qualitätsanforderungen erforderlich sein, an vielen Stellen in der Produktionslinie Inspektionen durchzuführen, insbesondere nach dem zweiten und vierten Schritt. Für diese Art von Leiterplatte können Röntgenstrahlen zur Inspektion ausgewählt werden.

Wenn das in der Produktionslinie verwendete AOI bewertet werden soll, ist es notwendig, zwischen Systemen zu unterscheiden, die nur eine Erkennung durchführen können, und solchen, die eine Messung durchführen können.

Erkennungssysteme, die nur nach Fehlern wie fehlenden Bauelementen und falscher Platzierung suchen können, können keine Werkzeuge für die Prozesskontrolle bereitstellen, so dass sie nicht zur Verbesserung des Produktionsprozesses von Leiterplatten verwendet werden können. Ingenieure müssen den Produktionsprozess immer noch manuell anpassen. Diese Erkennungssysteme sind jedoch sowohl schnell als auch kostengünstig.

Auf der anderen Seite kann das Messsystem genaue Daten für jedes Bauelement liefern, was für die Messung von Produktionsprozessparametern von großer Bedeutung ist. Diese Systeme sind teurer als Erkennungssysteme, aber wenn Sie sie in eine SPC-Software integrieren, kann das Messsystem die Informationen liefern, die zur Verbesserung des Produktionsprozesses erforderlich sind.

Insgesamt ist es nicht umfassend, die Qualität eines Erkennungssystems nur anhand seiner Genauigkeitsrate der Fehlerberichterstattung zu beurteilen, d. h. des Verhältnisses von tatsächlichen Fehlern (genaue Fehlerberichterstattung) zu Fehlalarmen (falsche Fehlerberichterstattung). Wenn ein Messsystem bewertet werden soll, ist es auch erforderlich, sich auf die Bewertungsergebnisse der Genauigkeit des Messsystems innerhalb eines kleineren Toleranzbereichs zu verlassen. Statistische Prozesskontrolle

• Genaue Messdaten
• Reproduzierbare und wiederholbare Messung
• Nahe an der Messung von Ereignissen in Zeit und Raum
• Sowie der Echtzeit-Messprozess und alle Informationen, die mit dem Produktionsprozess zusammenhängen

Die Installation eines AOI-Systems während des Druck- oder Montageprozesses kann Ihnen helfen, andere Prozessvariablen zu eliminieren, die sich während des Produktionsprozesses ansammeln. Angenommen, Sie messen, ob sich die Bauelemente nach dem Reflow-Löten verschoben haben, können die von Ihnen gesammelten Daten die Genauigkeit des Montageprozesses nicht widerspiegeln. Sie sollten die Ergebnisse sowohl nach der Montage als auch nach dem Reflow-Löten messen. Aber diese Informationen sind für die Steuerung der Bauteilmontage fast nutzlos. Angesichts des Trends der Überwachungsentwicklung kann die Installation eines AOI-Systems in der Nähe des Prozesses, den Sie überwachen müssen, einen Parameter, der kurz davor steht, in den nächsten Schritt zu gelangen, schnell korrigieren. Gleichzeitig kann die Nahbereichserkennung auch die Anzahl der nicht konformen Leiterplatten vor dem Erkennungsprozess reduzieren.

Obwohl sich die meisten AOI-Anwender in der Elektronikindustrie immer noch nur auf die Inspektion nach dem Löten konzentrieren, erfordert der zukünftige Trend der Miniaturisierung von Bauelementen und Leiterplatten eine effektivere Closed-Loop-Prozesskontrolle. AOI-Systeme, die effektive Erkennungs- und Messlösungen bieten können, werden immer mehr Anwender anziehen, und Ingenieure werden die Investition in solche Systeme auch als lohnender betrachten. Für alle Kunden wird AOI weiterhin eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der Produktproduktionslinien und der Erhöhung der Ausbeute an Fertigprodukten spielen.