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Heutige Leiterplatten sind äußerst komplex. Die Leiterbahnen auf Leiterplatten (PCBs) werden immer dünner. Elektronische Bauteile werden deutlich kleiner. Oberflächenmontierte Bauelemente (SMDs) werden von den Mitarbeitern immer enger nebeneinander platziert. Dies bedeutet, dass sich sehr viele Bauteile auf den Leiterplatten befinden. Eine Qualitätsprüfung muss daher äußerst präzise sein.
Der Produktionsbereich benötigt neue Methoden.
Früher wurden Leiterplatten mit dem Auge überprüft. Dies wurde als Sichtprüfung bezeichnet. Allerdings sind winzige Linien für das menschliche Auge nicht erkennbar. Kleinere Fehler werden nur langsam bemerkt. Diese veraltete Methode der Qualitätsbewertung ist nicht mehr effektiv. Sie erfüllt nicht die hohen Qualitätsanforderungen der modernen SMT-Montage. Fehler sind zu wahrscheinlich. Der Prozess ist zu langsam.
Die Branche benötigt einen neuen Ansatz. Diese neue Methode muss schnell und äußerst präzise sein. Zu diesem Zweck wurde die automatisierte optische Inspektionstechnologie (AOI) entwickelt. AOI nutzt Licht und Kameras, um die Funktionalität von Lötstellen zu bewerten und den gesamten Montageprozess zu überprüfen. Heute wird AOI von vielen Unternehmen eingesetzt. Darüber hinaus werden AOI-Systeme immer intelligenter. AOI ist zu einer wichtigen Methode zur Bewertung der Qualität von SMT-Fertigungslinien geworden und trägt dazu bei, dass jedes Produkt einwandfrei funktioniert.
Funktionsweise von AOI-Systemen: Schritte und Methoden
Jedes AOI-System folgt einer Reihe von klar definierten Verfahren. Das System muss zunächst ein Bild des Zielobjekts aufnehmen. Dazu werden optische Komponenten verwendet. Es erstellt eine Aufnahme des zu prüfenden Bereichs. Das Bild wird anschließend vom Computer erfasst. Die Bilddaten werden vom Computer verarbeitet. Der Computer analysiert dann die Informationen und bewertet die Qualität.
Der AOI-Computer analysiert die Bilder mithilfe von zwei primären Techniken. Diese Techniken sind die Verfahren zum Vergleich von CAD-Daten und die Design Rule Check (DRC)-Methode. Beide sind für den Betrieb des Systems von entscheidender Bedeutung.
A. Die Design Rule Check (DRC)-Methode
Dieser DRC-Ansatz nutzt grundlegende Mathematik und einzigartige Algorithmen. Die Gültigkeit des Musters wird durch diese Algorithmen gewährleistet. DRC bietet zahlreiche Vorteile. Erstens ist die Festlegung der Regeln relativ einfach. Zweitens werden die Bilder sehr schnell verarbeitet. Drittens handelt es sich um ein kleines Computerprogramm, das keinen großen Speicherplatz benötigt. Heutzutage wird der DRC-Ansatz in den meisten AOI-Systemen verwendet. Für allgemeine Überprüfungen ist er einfach und schnell.
Der DRC-Ansatz weist jedoch einen erheblichen Mangel auf. Es ist schwierig, genaue Grenzen zu identifizieren. Es ist erforderlich, den Rand einer Linie oder eines Pads genau zu lokalisieren. Um diese Stellen korrekt zu lokalisieren, sind bei DRC zusätzliche Schritte erforderlich. Für die allgemeine Konformität ist dies einer präzisen Messung vorzuziehen.
B. Die CAD-Datenvergleichsmethode
Der Bildvergleich ist die Funktionsweise der CAD-Datenmethode. Ein perfektes Bild wird im Speicher des AOI-Geräts gespeichert. Die Design-Datei der Leiterplatte (CAD-Daten) ist die Quelle dieses digitalen Bildes. Das Gerät nimmt ein Bild auf, wenn es eine Platine überprüft. Es vergleicht das aktuell aufgenommene Foto mit dem gespeicherten Idealbild. Der Vergleich zeigt alle Unterschiede zwischen den Platinen auf.
Dieser Ansatz kann äußerst genaue Ergebnisse liefern. Die Qualität der Kamera bestimmt das Ergebnis. Auch die Besonderheiten des Prüfprogramms spielen eine Rolle. Bei korrekter Anwendung eignet sich diese Technik hervorragend zur Identifizierung kleinerer Mängel.
Allerdings gibt es bei diesem Ansatz ein Problem. Die Kamera erfasst eine Vielzahl von Bildern und sammelt somit umfangreiche Informationen. All diese Daten müssen vom Computer zügig verarbeitet werden. Für die Überprüfung in Echtzeit ist ein leistungsstarker Computer erforderlich. Aus diesem Grund ist das System komplexer als DRC. In vielen Situationen erzielt die CAD-Datenmethode jedoch bessere Ergebnisse als DRC. Viele Fachleute sind der Ansicht, dass die CAD-Datenvergleichsmethode im Allgemeinen mehr Vorteile bietet.
Umfassende Inspektionsabdeckung in der SMT-Montage
Entlang der gesamten Fertigungslinie überprüft die AOI-Technologie die Leiterplatte mehrfach. Sie untersucht die unbestückte Leiterplatte, den Aufdruck der Paste, die Bauteile und die fertigen Lötstellen.
A. Untersuchung von unbestückten Leiterplatten
Die Überprüfung der unbestückten Platine stellt den ersten Schritt dar. Diese Überprüfung wird durchgeführt, bevor Bauteile auf die Platine gesetzt werden. In dieser Phase wird sichergestellt, dass sich die Platine in einem einwandfreien Zustand befindet, bevor Montage Zeit wird aufgewendet. Für die Inspektion unbestückter Leiterplatten wird häufig ein separates AOI-Gerät verwendet. Auf der Fertigungsstraße erfolgt diese Prüfung nicht unmittelbar.
Bei der Prüfung der blanken Leiterplatten werden zahlreiche Fehler festgestellt. Es wird nach offenen Stromkreisen gesucht, die einen Zeilenumbruch anzeigen. Es wird nach Kratzern und Linienfehlern gesucht. Es wird nach winzigen Löchern im Kupfer gesucht, die als Pinholes bezeichnet werden. Der Zeilenabstand wird überprüft. Es wird festgestellt, ob die Kanten der Linien gezackt sind. Es wird nach größeren Fehlern gesucht. Dies ist ein grundlegender Schritt für die Qualitätssicherung.
B. Überprüfung der Lötpaste und der Bauteile
Komponentenprüfungen und Lötpaste sind von entscheidender Bedeutung. Für diese Prüfungen werden in der Regel AOI-Maschinen eingesetzt, die mit anderen Geräten interagieren. Häufig handelt es sich dabei um Sofortprüfungen, die umgehend Feedback liefern.
Nachdem der Drucker die Paste auf die Platine aufgetragen hat, wird eine Lötpastendruckprüfung durchgeführt. Der Pastendrucker ist mit dem AOI-Gerät kompatibel. Er misst die Dicke des Pastendrucks. Die Pastenkante scheint präzise zu sein. Das Endergebnis Lötstelle ist unzureichend, wenn die Paste entweder zu hoch oder zu niedrig ist. Das System verwendet ein Ringlicht. Die Paste wird diesem Licht in einem bestimmten Winkel ausgesetzt. Das Bild wird von einer Kamera in der oberen Mitte aufgenommen. Diese Konfiguration unterstützt die Messung der Dicke und der Kanten der Paste. Das System trifft Entscheidungen, indem es beobachtet, wie die Form der Paste das Licht verändert.
Nachdem die Bauteile von der Bestückungsmaschine auf die Platine platziert wurden, wird eine Bauteilbestückungskontrolle durchgeführt. Die Bestückungsmaschine arbeitet mit der AOI-Maschine zusammen. Sie stellt fest, ob Teile fehlen. Sie überprüft, ob die Bauteile korrekt positioniert sind. Sie ermittelt die Ausrichtung der Bauteile. Zur Sicherheit zählt sie auch die Anzahl der Bauteile. Der Bediener wird vom System sofort benachrichtigt, wenn ein fehlerhaftes Teil entdeckt wird. Der fehlerhafte Bauteil kann dann vom Bediener ausgetauscht werden. Dadurch wird verhindert, dass sich der Fehler später verschlimmert. So wird ein größeres Problem später vermieden.
C. Überprüfung der endgültigen Lötstelle
Die fertiges Produkt wird überprüft. Diese Überprüfung erfolgt, nachdem die Platine aus dem Lötöfen entnommen wurde. Die AOI-Systeme für Lötstellen verwenden Kameras, um ein dreidimensionales Bild der Lötstelle aufzunehmen. Das Bild zeigt die Höhe und Form der Lötstelle. Der Computer verarbeitet diese Daten. Zum Vergleich wird ein Bild einer fehlerfreien Lötstelle herangezogen. Dieser Vergleich verdeutlicht, um welche Art von Fehler es sich handelt und wo er sich befindet.
Die Lötstellenprüfungen umfassen zahlreiche Aspekte. Es wird nach verbogenen Stiften gesucht. Es wird nach fehlenden Bauteilen gesucht. Es wird auf falsche Bauteilplatzierung geprüft. Die endgültige Qualität der Lötstelle wird untersucht. Diese letzte Inspektion stellt die letzte Gelegenheit dar, noch vorhandene Mängel zu identifizieren und zu beheben.
Herausforderungen für AOI und zukünftige Technologien
AOI ist eine hervorragende Technologie. Allerdings bestehen weiterhin Herausforderungen in der Fertigung. Diese Herausforderungen müssen bewältigt werden, um eine höhere Qualität zu erreichen.
A. Hohe Fehlalarmquote
Das Hauptproblem besteht darin, dass AOI häufig einen Fehler meldet, obwohl keiner vorliegt. Dies wird als Fehlalarm oder falsch positives Ergebnis bezeichnet. Dies kommt häufig vor. Das Problem ist das Licht. Lötflächen reflektieren Licht auf unterschiedliche Weise. Das Gerät kann durch geringfügige Abweichungen in der Farbe der Bauteile oder im Lichteinfall verwirrt werden. Nach dem AOI-System ist die Platine fehlerhaft. Die Mitarbeiter müssen ihre Arbeit unterbrechen. Sie müssen jeden Fehlalarm visuell überprüfen. Dies ist ein erheblicher Zeitverlust und verlangsamt die Produktion. Eines der Hauptziele neuer AOI-Systeme ist es, diese Fehlalarme zu reduzieren.
B. Schwachstellen und Einschränkungen von 2D
Ein weiteres Problem besteht darin, dass AOI nicht überall sehen kann. AOI verwendet Licht. Licht kann keine Teile durchdringen. Einige moderne Komponenten haben Lötstellen, die unter dem Gehäuse verborgen sind. Dabei handelt es sich um Ball Grid Arrays (BGA) oder Quad Flat No-leads (QFN). AOI kann diese versteckten Verbindungen nicht überprüfen. Für diese Teile muss das Werk ein Röntgengerät verwenden. Dieses Röntgengerät überprüft das Innere der Platine. Es arbeitet mit AOI zusammen. Die Grenzen von 2D-AOI-Systemen waren erheblich. Sie konnten die Höhe oder das Volumen der Lötstelle nicht korrekt überprüfen. Dies führte zur Entwicklung von 3D-AOI. 3D-AOI verwendet spezielles Licht, um die Höhe jedes Bauteils zu messen. Es liefert reale Volumendaten. Diese 3D-Daten helfen bei der Überprüfung von Fehlern, die mit 2D nicht erkennbar waren, wie z. B. unzureichendes Lötvolumen oder angehobene Pins.
C. Die Herausforderung der Programmierung
Die Einrichtung der AOI für ein neues Produkt ist mit einem erheblichen Arbeitsaufwand verbunden. Täglich werden neue PCB-Designs veröffentlicht. Jede neue Platine erfordert ein neues Programm für das AOI-System. Das Schreiben dieser Programme ist zeitaufwendig und komplex. Dies führt zu Verzögerungen bei der Einführung neuer Produkte. Das System muss schnell angepasst werden können. Es muss das neue Platinenlayout zügig erfassen. Eine zu langsame Programmierung führt zu Zeit- und Geldverlusten für das Werk.
D. Anwendung von KI in der AOI
Künstliche Intelligenz (KI) ist die Zukunft der AOI. KI bezeichnet die Lernfähigkeit eines Computersystems. KI wird nun in neuen AOI-Maschinen eingesetzt. Zahlreiche Bilder von Fehlern werden verwendet, um KI-Algorithmen zu trainieren. Die KI erlangt ein Verständnis dafür, was ein einwandfreies Teil ausmacht. Sie lernt auch, wie ein fehlerhaftes Teil aussieht. Das Ziel besteht darin, der KI beizubringen, harmlose Abweichungen zu ignorieren. Diese KI-Anwendung wird das Problem der Fehlalarme erheblich reduzieren. Sie wird die Zuverlässigkeit der Inspektion erhöhen. Neue Teile werden vom System schneller geprüft.
Schlussfolgerungen
Hochwertige Qualitätskontrollen werden zunehmend wichtiger. Die Größe von Leiterplatten wird abnehmen. Sie werden immer komplexer werden. Ein wichtiges Instrument zur Aufrechterhaltung einer hohen Qualität ist die AOI-Technologie. Sie hat sich von einfachen Kamerasystemen zu intelligenten KI-Systemen weiterentwickelt. Sie löst Probleme, die das menschliche Auge nicht lösen kann. Um sicherzustellen, dass jedes elektronische Produkt ordnungsgemäß funktioniert, ist AOI unverzichtbar. Es spart Zeit und Geld und verbessert den gesamten Montageprozess. Ein wichtiger Bestandteil der Zukunft der intelligenten Fertigung ist die AOI.
