Layoutempfehlungen für die AOI/AXI Inspizierbarkeit

Transkript

1 Layoutempfehlungen für die AOI/AXI Inspizierbarkeit Referent: Michael Mügge, Vertrieb Europa Viscom AG 1

2 Gliederung Kurze Info über Viscom Layoutempfehlungen AOI Layoutempfehlungen AXI Zusammenfassung 2

3 Viscom im Überblick Entwicklung, Konstruktion und weltweiter Vertrieb von automatischen optischen Inspektionssystemen und Röntgeninspektionslösungen Europäischer Marktführer in der Baugruppen-Inspektion, Schwerpunkt Automobilelektronik Gründung: 1984 in Hannover Gründer: Dr.-Ing. Martin Heuser, Dipl.-Ing. Volker Pape 5 Tochterunternehmen: Viscom France S.A.R.L., Viscom Tunisie S.A.R.L, Viscom Inc. (USA, Mexiko), Viscom Machine Vision Pte Ltd. (Singapur), Viscom Machine Vision Trading Co. Ltd. (China) Konzern-Umsatz 2017: 88,5 Mio. Prognose 2018: Umsatz: Mio. Mitarbeiter per : 415

4 Standort Hannover Produkte Made in Germany Produktionsgebäude F2 (1999) n CNC Fertigung (Mechanik) Vormontage Maschinenverpackung n Nutzfläche 600 m² Zentrale (2001) n Verwaltung, Vertrieb n Projektmanagement n Nutzfläche m² Viscom Parkplatz (seit 05/2018) Produktionsgebäude F1 (1998) n Inbetriebnahme n Testabläufe n Nutzfläche 800 m² Benachbarte Unernehmen Neubau (2016) Büros, Demo- und Schulungscenter n Nutzfläche ~ m² (nicht Viscom) Entwicklungszentrum (1992) n F&E n Software n Nutzfläche m² Baubeginn 06/2016 Produktionsgebäude F3/F4 (2002/2005) n Lager, Produktion n Produktionsleitung n Nutzfläche m²

5 Viscom Erstklassig und verlässlich Erstklassig: Erfahrung und Innovationskraft seit 34 Jahren Viscom AG Vorstand Viscom AG Aufsichtsrat Frau Prof. Dr. Michèle Morner Aufsichtsratsvorsitzende Herr Dipl.-Ing. Volker Pape stellv. Aufsichtsratsvorsitzender und Viscom Gründer (gemeinsam mit. Dr. Martin Heuser) Herr Prof. Dr.-Ing. Ludger Overmeyer Aufsichtsrat Dr. Martin Heuser, Peter Krippner, Carsten Salewski, Dirk Schwingel Unternehmensprofil 5

6 Inspektionslösungen für die Elektronikindustrie Röntgeninspektion AXI/MXI Computertomografie CT Schutzlackinspektion CCI Bauteil- und Lötstelleninspektion AOI/AXI Lotpasteninspektion SPI Drahtbondinspektion AOI 6

7 Gliederung Kurze Info über Viscom Layoutempfehlungen AOI Layoutempfehlungen AXI Zusammenfassung 7

8 Warum Design for Inspectability? Es ist möglich, alle Leiterplatten zu überprüfen, aber: Die Berücksichtigung der Layout-Empfehlungen macht die Benutzung des AOI-/AXISystems einfacher Fehlerfindung wird einfacher oder dadurch erst möglich Minimiert die Pseudofehlerrate Minimiert die Programmierzeit (Programmieraufwand) Es werden weniger Programmierkenntnisse benötigt 8

9 Leiterplatten Farbe, Lötstopplack Es ist möglich, Baugruppen aller Leiterplattenfarben zu überprüfen Die Prüfvorgehensweise ist von der allgemeinen Leiterplattenfarbe abhängig (grün, weiß, gelb) Verschiedene Varianten können programmiert werden Empfehlung zur Minimierung von Progammierzeiten und der Pseudofehlerrate: Verwenden von mattem Lötstopplack Der Bereich zwischen den Pads sollte mit Lötstopplack bedeckt sein, z.b. um Reflektionen des Ausgangsmaterials zwischen den QFP-Pins auszuschließen. 9

10 Bestückungsdruck Es ist möglich, alle Leiterplatten mit Bestückungsdruck zu überprüfen Eine manuelle Anpassung des Programms ist bei Bedarf notwendig (Bauteilrahmen und Texte stören z.b. die Kurzschlussprüfung) Empfehlung zur Minimierung von Progammierzeiten und der Pseudofehlerrate: Möglichst den Bestückungsdruck reduzieren Keinen stark reflektierenden Druck benutzen (besser schwarz oder ein dunkles gelb) Zur Unterstützung des Prüfprogramms den Bestückungsdruck nutzen: Helle Flächen unter dunklen Bauteilen erleichtern z.b die Anwesenheitsprüfung und die Bauteil-Positionsbestimmung mittels 2D AOI 10

11 Referenzmarken Es ist möglich alle bekannten Referenzmarken zu prüfen Es kann jede beliebige Struktur als Referenzmarke definiert werden Es müssen mind. 2 Referenzmarken je Baugruppe verwendet werden Bei Verwendung von 3 Referenzmarken kann auch die Verzerrung (Shrink, Stretch) einer Leiterplatte bestimmt und bei der Berechnung des Koordinatenversatzes der Bauteilpositionen (Component-Offset) berücksichtigt werden. Ref-Marken sollten mind. 5 mm vom Leiterplattenrand entfernt liegen Ref-Marken können beliebige Formen haben (Kreuz, Raute, Stern, Rechteck, Kreis, Kreisring etc.). Konstant gleichwertigen dunklen Hintergrund benutzen. Wir empfehlen Kreuze als Referenzmarken: Das Kreuz ist optisch leicht und zuverlässig zu analysieren. Es gibt selten ähnlich aussehende Strukturen in der Nachbarschaft. 11

12 Kennzeichnung für Schlecht-Einzelleiterplatten Es ist möglich, alle bekannten Arten von Schlechtmarken (Bad-Board Sensor) zu verwenden. Es kann jede beliebige Struktur als Schlechtmarke definiert werden. Die Empfehlungen sind dieselben wie bei Referenzmarken Unser Ansatz zur Minimierung der Taktzeit: Falls eine globale Schlechtmarke auf einem Nutzen definiert ist, werden alle Einzelschlechtmarken nur dann überprüft, wenn die globale Schlechtmarke nicht ausfällt, d.h. wenn ihr Aussehen dem erwarteten Aussehen entspricht. Die Aktivierung der Schlechtmarke geschieht durch deren Verunreinigung z.b. mittels Permanentmarker oder Aufkleber. Die globale Schlechtmarke des Nutzens sollte am Leiterplattenrand liegen 12

13 Generelles Leiterplattenlayout Abstand der Leiterplattenkante zum Bauteil sollte mind. 3 mm betragen. Bei der automatischen Inspektion haben Chip-Bauteile im Vergleich zu zylinderförmigen Bauteilen Vorteile. Layout-Empfehlungen für ein gutes Prüfergebnis hängen mit dem Aufbau der Sensorik (Kamera und Beleuchtung) zusammen. Vermeidung von Abschattungen für Beleuchtung und Kamera-Blickwinkel Verwendung von Nicht-Lötstopplack definierten Pads für die Röntgeninspektion 13

14 Vermeidung von Lötstellenreflexionen Verantwortlich für die Reflexion ist die Form und der Winkel der Lötstelle Die Form der Lötstelle ist abhängig von der Padgeometrie, der Bauteilhöhe, der Lotmenge, den Eigenschaften der Materialoberflächen, dem Flussmittel und den Prozessparametern des Lötofens Die Vermeidung symmetrischer Bauteilanordnungen reduziert das Risiko der Lichtreflexion bei orthogonaler Beleuchtung und daraus resultierender Fehlerbilder

15 Bauteilgröße IPC-Richtlinien 735x beinhalten die Bauteilgröße und einen Vorschlag für die Größe der Land Pattern FED Bibliothek Band des Wissens 18 Quelle: Das Neue Proportionale Anschlussflächen Dimensionierungskonzept Bauteile unterscheiden sich sehr in Länge und Pinbreite 15

16 Chip- und MELF-Bauteile XC 0.3 mm YC 0 mm XC XI 1.0 Es ist wichtig, dass der Meniskus richtig erkannt wird. Deswegen sollte der Pad-Abstand XC nicht unterschritten werden. Eine Bauteilveränderung oder Variation mindert den Bauteil-Pad-Abstand zusätzlich. Der Wert YC muss nicht beachtet werden. 16

17 C-Leads XC 0.6 mm YC 0 mm XC XI 1.5 Es ist wichtig, dass der Meniskus richtig erkannt wird. Deswegen sollte der Pad-Abstand XC nicht unterschritten werden. Eine Bauteilveränderung oder Variation mindert den Bauteil-Pad-Abstand zusätzlich. Der Wert YC muss nicht beachtet werden. 17

18 Orthogonale Ansicht SO, TO, QFP, TSOP Bedingung a): X > 0.8 mm; Y1,Y2 = 0 mm, pitch 0.8 mm Einhaltung eines Abstandes zwischen Pin-Ende und Pad-Ende. Der Kapillar-Effekt kann zusätzlich zur Prüfung des vorderen Meniskus benutzt werden. Bedingung b): x > 0.5 mm; Y1,Y2 > 0.2 mm, pitch 0.8 mm Zusätzlich zur Prüfung des vorderen Meniskus, werden die seitlichen Menisken analysiert. 18

19 Geneigte Ansicht SO, TO, QFP, TSOP Bedingung c): x > 0.4 mm; Y1,Y2 > 0.1 mm, pitch 0.5 mm Für dieses Pad-Design wird die geneigte Prüfung empfohlen, um eine vollständige Fehlerabdeckung zu garantieren. 19

20 AOI: Verschiedene Beleuchtungsarten zur Fehlerfindung Relevante Qualitätsmerkmale werden betont Störende Effekte werden eliminiert Auflicht direkte Beleuchtung Indirekte diffuse Beleuchtung Engwinkelige diffuse Beleuchtung Röntgen 20

21 Geneigte Ansicht für höhere Prüfabdeckung Einsatz von 4 oder 8 Kameras, die über Spiegel umgelenkte Ansichten von der Lötstelle aufnehmen. 4 Kameras betrachten das Objekt aus Winkeln in 90 Schritten 8 Kameras erlauben den Blick aus Winkeln in 45 Schritten Für davon abweichende Bauteil-Drehlagen gibt es entsprechende Bildverarbeitungsalgorithmen. orthogonale Ansicht geneigte Ansicht Röntgen 21

22 Beispiel für die verschiedenen AOI Ansichten July 25, 2018 Design for Inspectability 22

23 Freiraum für geneigte Ansicht Bevorzugte Ansicht Eingeschränkte Ansichten 23

24 Freiraum für geneigte Ansicht Bedingung: d> h2 + 1 mm tan α (8M: α = 40 ; XM: α = 50 ) Bezugsgröße: Mitte des vorderen Meniskus X > 0.4 mm Der Abstand d ist der Abstand zwischen dem max. Bauteil-Offset und der äußeren Pad-Kante Um einen guten vorderen Meniskus zu erhalten muss der Abstand zwischen dem Bauteil und dem Pad-Ende geprüft werden. 24

25 Freiflächenanforderungen bei Höhenmessung mit XM Modul projiziertes Streifenmuster Blickwinkel der geneigten XM Kamera Lötstopplack QFP oder ähnliches July 25, 2018 Kupfer Lötfläche Hohes Bauteil wie Tantal Kondensator oder Steckerleiste Design for Inspectability 25

26 Freiflächenanforderungen bei Höhenmessung mit XM Modul Streifenprojektionsfläche auf dem Lötstopplack (ohne Hindernisse wie z.b. Vias) Streifenprojektionsfläche auf der Bauteiloberfläche Blickwinkel der geneigten XM Kamera 50 h d=f(h) min 870 µm Bedingung: d> h tan(50 ) min 870 µm 1/tan(50 ) 84% mindestens! (Winkel der nach unten geneigten XM Ansicht ) July 25, 2018 wobei <d> der Abstand zwischen der Kante der Streifenprojektionsfläche auf dem Lötstopplack und der Kante des hohen Bauteils ist. Das Mindestmaß für die Referenzfläche auf Leiterplattenebene beträgt 870x870µm = 0,76mm² Design for Inspectability 26

27 Bauteil-Polung Polungsmarke auf der Seitenfläche des Bauteils LEDs gehören genauso wie andere Dioden zu der Gruppe der gepolten Bauteile. Da die Oberseite der SMD-LEDs meistens die Licht emittierende Seite ist, kann auf dieser Fläche keine gut sichtbare Polungsmarke aufgebracht werden. AOI-Systeme mit schräg blickenden Kameras bzw. geneigten Ansichten können allerdings auch auf den Seitenflächen gepolter Bauteile aufgedruckte Polungsmarken zuverlässig erkennen und die Korrektheit der Polarität überprüfen. a.) orthogonale Ansicht einer weißen LED July 25, 2018 b.) geneigte Ansicht einer weißen LED Design for Inspectability 27

28 Wellen-Lötstelle Layout-Empfehlungen Der Wellen-Lötstellen-Prozess variiert wesentlich stärker. Die häufigsten Fehlerursachen sind Kurzschlüsse und Lotkugeln. Die Empfehlungen lauten: Kreuzförmige Ref-Marken verwenden Minimierung des Bestückungsdruck bzw. nicht reflektierenden Druck verwenden z. B. schwarz oder dunkelgelb Vermeidung von symmetrischen Bauteilanordnungen Verwenden von mattem Lötstopplack 28

29 Gliederung Kurze Info über Viscom Layoutempfehlungen AOI Layoutempfehlungen AXI Zusammenfassung 29

30 Allgemeines X-ray PCB-Layout NSMD = Not Solder Mask Defined (nicht Lötstoppmaskendefiniert) SMD = Solder Mask Defined (lötstoppmaskendefiniert) 30

31 2D X-Ray Empfehlungen: Keine Bauteile auf der Unterseite Teardrop-Design für BGAs verwenden Spezielle QFN-Pad-Designs verwenden Keine lötstoppmaskendefinierten Pads (keine Solder Mask Defined Pads) 31

32 Herausforderung Miniaturisierung Quelle: 32

33 QFN-Paddesign Lotpaste Bauteilkörper Bauteilanschluss Die Kupferfläche und der Pastendruck sind gleich groß wie der Bauteilanschluss Der Bauteilanschluss sitzt versetzt auf dem Pad Lötstopplack Leiterplatte (FR4) Cu-Anschlussfläche 33

34 QFN-Paddesign Gut gelötet Lötmeniskus seitlich vorhanden seitlich nicht vorhanden 34

35 QFN-Paddesign Schlecht gelötet Grauwertverlauf schlecht gelötet 35

36 QFN-Paddesign Mögliche Kombinationen der Analyse-Ergebnisse Homogen = eindeutig schlecht Grauwertverlauf schlecht gelötet Inhomogen = eindeutig gut gut Inhomogen = eindeutig gut gut 36

37 QFN-Paddesign im Detail Hinterer Meniskus unter dem Bauteilkörper Gleichmäßig benetzte Padfläche unter dem Bauteilkörper Äußerer Meniskus (sofern vorhanden) 37

38 BGA-Pad-Design 40

39 Empfehlung für das Größenverhältnis der BGA-Pads Die Pads sind auf Bauteil und Leiterplattenseite gleich groß Das Pad auf Bauteilseite ist größer Nicht zu empfehlen!!! Empfohlen! Die Erkennbarkeit unrunder Ball-Strukturen ist eingeschränkt! Das Pad auf Bauteilseite ist kleiner als das auf der Leiterplatte Akzeptabel, aber die Zuverlässigkeit ist geringer als bei gleich großen Pads 41

40 Layout-Vergleich verschiedener BGA-Pads Runde (normale) Pad Geometrie Pad Form Lötstelle Nicht runde Pad Geometrie 2D Röntgenprojektion Der Pastendruck bleibt rund! Pad Form Lötstelle 2D Röntgenprojektion (Uni Erlangen) 42

41 Design-Möglichkeiten bei BGA-Bauformen Teardrop mit exzentrischer Ausrichtung 43

42 Design-Möglichkeiten bei BGA-Bauformen Teardrop mit zufälliger Ausrichtung 44

43 2.5D X-ray Empfehlungen: Keine Bauteile auf der Unterseite an Positionen platzieren, wo sich auf der Oberseite bereits welche befinden. Spezielles QFN-Paddesign verwenden (Lot zum Fließen durch Benetzung zwingen) Freie Schrägsicht auf die THT-Lötstellen ermöglichen. 45

44 2.5D X-ray Einfluss der Leiterplattendicke auf die Testbarkeit Die 2,5DRöntgenanalyse liefert mit hoher Wahrscheinlichkeit eine Ansicht, die eine isolierte Lötverbindung darstellt

45 2.5D X-ray Einfluss der Leiterplattendicke auf die Testbarkeit 0,8 mm Je kleiner die Leiterplattendicke, desto schwieriger ist es, 2,5DAnsichten von isolierten Lötverbindungen zu generieren. 47

46 2.5D X-ray Einfluss der Leiterplattendicke auf die Testbarkeit Die Streckenlänge, auf der ein Schattenobjekt in einem 2,5DRöntgenbild aus dem Wege geschafft wird, kann aus der Formel s=d x tan φ errechnet werden. Dabei steht d für die Leiterplattendicke und φ für den Strahlungswinkel. φ d x tan φ φ = 40 48

47 Zusammenfassung: Layout-Empfehlungen Es ist möglich, alle Leiterplatten zu inspizieren (optisch und mit Röntgen), aber: Die Berücksichtigung der Layout-Empfehlungen macht die Benutzung des AOI-/AXISystems einfacher. Fehlerfindung ist einfacher oder dadurch erst möglich Minimiert die Pseudofehlerrate Minimiert die Programmierzeit Es werden weniger Programmierkenntnisse benötigt 49

48 Noch Fragen? Bitte zögern Sie nicht, sich frühzeitig in der Design-Phase Ihres Produktes mit Viscom Applikationsexperten in Verbindung zu setzen, um sich bezüglich Design for Testability qualifiziert beraten zu lassen. 50

49 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Zentrale: Viscom AG Carl-Buderus-Str Hannover Tel.: Fax: Unsere internationalen Niederlassungen und Repräsentanten in Europa, USA und Asien finden Sie unter: 51

50 Michael Mügge Dipl.-Ing.(FH) 1984 Allgemeine Hochschulreife (Abitur) Ausbildung zum Funkelektroniker bei Fuba Hans Kolbe & Co in Bad Salzdetfurth Bundeswehr Studium Prozessinformatik/Automatisierungstechnik im Fachbereich Elektrotechnik der FH Hannover, Abschluss Dipl.Ing.(FH) Fertigungsplaner bei Fuba Hans Kolbe & Co., ab 1995 Fuba Automotive GmbH (Delphi-Konzern), Bad Salzdetfurth Fertigungsplaner bei Bosch Blaupunkt, Hildesheim Fertigungsplaner bei Bosch Elektronik GmbH, Salzgitter Vertriebsingenieur bei Viscom AG stellv. Leiter der Regionalgruppe Hannover Kontaktinformation: Michael Mügge Carl Buderus-Str Hannover Tel