AOI-Test. Automatische optische Inspektion in der Fertigung elektronischer Baugruppen

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1 Technologien für die elektronische Baugruppe März Colonia de Sant Jordi, Mallorca AOI-Test Automatische optische Inspektion in der Fertigung elektronischer Baugruppen T. Ahrens, Fraunhofer ISIT, D Itzehoe Fraunhoferstr. 1, Tel , Fax ahrens@isit.fhg.de Certified IPC Class A Instructor

2 Übersicht Inspektion (zerstörungsfrei!) zur Qualitätsüberwachung Beurteilung durch ein AOI-System, Prozessfeedback Strategie der Prüftore Abnahmekriterien erwarte nicht mehr vom Automaten als Du hineinsteckst!

3 Übliche Elemente der Baugruppenfertigung SMD setzen Reflow AOI Inspektion Bedrahtete BE setzen Welle Pasten- Druck ICT Elektrischer Prozess- Test FKT Baugruppen- Funktions- test SYT Integration, Gehäuse AOI = Automatische Optische Inspektion ICT = In-Circuit-Test FKT = Funktionstest SYT = Systemtest

4 Fehlerabdeckung der verschiedenen Prüfverfahren ICT I AOI ICT: elektrische Kennwerte/Funktion, Programm AOI: Anwesenheit kleine passive BE, Tombstone, Billboarding, Polarität ICs, AXI: verdeckte Lötstellen, Poren, Lotmenge II IV III I: Anwesenheit, korrektes Bauteil II: verdeckte Lötstelle offen III: sichtbare Lötstellen, Polarität (Tantal-C), Lage AXI IV: Anwesenheit*, offene Lötstelle*, Brücke, *Einschränkung: kleine passive BE, verdeckte Lötst. ICT = In-Circuit-Test AOI = Automatische Optische Inspektion AXI = Automatische Röntgeninspektion BE = Bauelement R, C = Widerstände, Kondensatoren

5 Prüfverfahren und Fehlerabdeckung Flying Probe Boundary Scan AOI Grauton AOI Farbe RGB- Analyse Röntgen- Transm. Röntgen- Laminog. Laser- Triangul. Prüfverfahren ICT FKT SYT Fehlerart BE-Fehler (BE=Bauelement) passives BE elektrisch defekt aktives BE elektrisch defekt BE mechanisch defekt BE außer Toleranz Frühausfall Bestückfehler BE fehlt BE falsch BE verpolt (Tantalkondensator) BE verpolt (Kondensator) BE verpolt (Halbleiter) mechanische Fehler (Versatz, Verd /++ 0/++ 0/++ 0/ Lötfehler offene Lötstelle (Nichtbenetzung) Lotbrücke Lotrückstände BE-Lage falsch Lotmeniskus/Lotmenge Logistik Programmierdaten beschädigte/falsche mechan. BE Prüfungsmöglichkeit gut ++ möglich + schwierig 0 unmöglich - 0/++ schlecht bei Pixelvergleich, gut bei Konturerkennung ICT = In-Circuit-Test FKT = Funktionstest SYT = Systemtest AOI = Automatische Optische Inspektion Quelle: E. Gailing. Strategien zur wirtschaftlichen Produktion von elektronischen Baugruppen

6 Druckbild: 0603/0201 Prüftor: Post Paste Printing pzs ,5x Schablonen-Design für vermindertes Pastenvolumen bei 0603 zur Minimierung von Beading (Lötperle an der Seite vom Bauelement). Systematisches Problem Lötstoppversatz (50µm, eigentlich noch in der Toleranz) 0201-Outline (0,6x0,3 mm)

7 High-Speed Speed-Bestückung in Lotpaste: Prüftor Post Chip Shooter 2 Prüfziele - Inspektion Lotpastendruck: Padüberdeckung, Verschmierung Inspektion Bauelemente: Anwesenheit, Position, verlorene Bauelemente bzb ,5x.jpg

8 Lötergebnis: Prüftor Post Reflow Anwesenheit, Versatz, Verdrehung, Benetzung, Kurzschluss; Lötperlen werden nicht gesucht Abstand: 150 µm (10 nebeneinander) Abstand: 250 µm (9 nebeneinander)

9 Visuelle Inspektionskriterien, Ansicht von außen und im Schnitt (SO-Bauelement) optimale Höhe minimale Hohe kein Meniscus verlangt 2000-macro_ jpg 2000-macro_ jpg 2000-limi_ jpg Quelle für die Zeichnung: R. J. Klein Wassink, Weichlöten in der Elektronik

10 Warum Automaten für die Inspektion? Inspektion als 100%-Kontrolle : Vergleich der Produktbeschaffenheit mit Vorgaben Überwachung der Prozessqualität: Prozessregelkarte Dokumentation: Nachweis, Fehlerstatistik, KVP Reproduzierbarkeit: Automaten langweilen sich nicht, ermüden nicht*, sind nicht abgelenkt, nicht bequem, stets gleichbleibende Maßstäbe, d. h. Prüfprogramm und Gutmuster so objektiv wie die Einstellung *Automaten ermüden langsam durch Verschmutzung der Optik, Nachlassen der Beleuchtung und andere Verschleißeffekte; diese Degradation ist aber in Monaten zu bemessen

11 Wie findet die Beurteilung statt? Basis des menschlichen Sehens ist die Erfahrung Basis des Computersehens ist die Beleuchtung Schramm, Fraunhofer IIS-A Vorteil Mensch: Auch unbekannte Objekte können inspiziert werden Nachteil: Die Erfahrung ist für Außenstehende kaum überprüfbar Vorteil Computer: Reproduzierbare Entscheidungen Nachteil: aufwändige Einstellung der notwendigen Randbedingungen und Sicherstellung ihrer Konstanz

12 AOI-Systemprinzipien Kamera (CCD = Charge Coupled Device) 1-/Mehrkamerasysteme; Senkrecht-/ Schrägansicht (PLCC geht nur schräg) Scannersysteme (Zeilenkamera/Beleuchtung) Triangulation zur Topographievermessung (Laser) Grauwertsysteme Farbsysteme

13 1200 dpi Grauton Scannerbild*, C0402: Schrägbeleuchtung - Reflexionsmuster auf den Lötstellen hängen von der Orientierung ab ROI = Region of Interest = Prüffenster 20 Pixel 7 Pixel 1 mm 10 Pixel 1 mm 400 dpi RGB *Die Scans wurden mit einem Low-End- Gerät am Desktop-PC aufgenommen; sie sind nicht typisch für kommerzielle AOI-Scannergeräte!

14 Verschiedene Aufnahmesysteme (C0603) 1 1) Scan mit Low-End-Gerät am Desktop-PC: Schrägbeleuchtung - Reflexionen auf den Lötstellen hängen von der Orientierung ab 2) Scan mit AOI-Scannersystem: symmetrische Beleuchtung, aber Lage- abhängig wg. Zeilenkamera/-beleuchtung 3) Kamerasystem: keine Lage-Abhängigkeit 2 3 Inspektionsmikroskop Ringbeleuchtung R0201

15 AOI-Prinzipien Golden Image, Pixelvergleich Kantenerkennung Mustererkennung Vektorisierung, konturbasierte Segmentierung Klarschriftlesen (OCR)

16 Golden Image Erstellung Verschiedene Erscheinungsbilder Mittelwert- Bildung Golden Image

17 Differenzbildung zum Herausheben der Unterschiede Subtraktion ROI Graubild Binarisierung ROI ROI: Region of Interest = Prüffenster

18 Golden-Board Board-Methode, Pixelvergleich Differenzbildung zwischen Gutmuster-Bild ( Ideal ) und dem Bild des Prüfobjekts das Ideal wird durch Überlagerung aus mehreren Gutmustern gebildet und ist deshalb unscharf; daraus ergibt sich eine Toleranz gegenüber zulässigen Abweichungen Eine Differenzierung der Bildinhalte findet nicht statt; es erfolgt keine Zuordnung zu Fehlerarten; das Ergebnis ist anfällig gegen Abweichungen im Hintergrund Verfeinerungen: Anpassung der Prüffenster (ROI = Region of Interest) in Größe und Lage an wesentliche Merkmale

19 Referenzbild links; die Bilder zeigen Variationen der Referenz und den Einfluss auf die Korrelation bei pixelweiser Differenzbildung Quelle: SMT Magazine Supplement, PennWell, March 2001

20 Pegelbasierte Segmentierung zur Kantenerkennung, gefolgt von Vergleich mit Referenzmuster Quelle: SMT Magazine Supplement, PennWell March 2001

21 System Anforderungen: Mustererkennung (Pattern Recognition) z. B. Passermarken square triangle circle cross double square Quadrat Dreieck Kreis Kreuz Doppelquadrat geschlossene Formen: geschlossene Formen A= 1,0mm bis 2,0mm B= 0,2mm A A A A A A/2 A/2 B A/5 Quadrat Dreieck Kreis Karo Doppelkreuz offene Formen: offene Formen B A B A B A A B B A B B B

22 Vektorisierung = Parametrisierung der Bildinhalte: Segmentierung und Extraktion der Merkmale, die für die Bewertung benutzt werden Quelle: SMT Magazine Supplement, PennWell March 2001

23 Intelligente Techniken, neuronale Netze... das wird gefährlich, wenn die Maschine allmählich anders entscheidet als die Bediener (AI = artificial intelligence) Quelle: SMT Magazine Supplement, PennWell March 2001

24 Feldbeispiel: Fehler mittels AOI ausgesondert AOI-Bilder mit Prüffenster Ausgabe Inspektionsmikroskop Gehäusekante, Pinaustritt Padvorsprung Seitenmeniskus Diffuslicht Pinaustritt Gehäusekante Auflicht Pinende (Stanzkante)

25 Prüftor (nach dem Reflowprozess) Bildschirmausgabe AOI-System Reparaturplatz

26 Ergonomische Maßnahmen am Inspektions-/Reparaturplatz Beleuchtung Arbeitsposition

27 Handlungen mit Hintergrund keine Inspektion ohne Aufzeichnung keine Aufzeichnung ohne Analyse keine Analyse ohne folgende Aktion...und das alles automatisiert! Einbindung in KVP (kontinuierlicher Verbesserungsprozess) Quelle: Klein Wassink, Verguld, 1995

28 Das Prozessergebnis wird besser Pasten -Druck SMD setzen z. B. Reflow Inspektion mit: Analyse Rückmeldung Aktion Bedrahtete z. B. Schablonenreinigung Welle BE setzen z. B. Offsetkorrektur z. B. Feederkontrolle Elektrischer Prozess- Test Baugruppen- Funktions- test Integration Gehäuse

29 Prüftore: Traum des Systemherstellers" Quelle: Klein Wassink, Verguld, 1995

30 Strategie der Prüftore: AOI+Rework - Aufstellung im Linienprozess Nach dem Lotpastendruck - einfachste Korrekturmöglichkeit; zeitweise zum Einfahren des Druckers; notwendig bei BGA Nach der Platzierung (Post Chip Shooter / Pre Reflow) - erkennt Druckverschmierung, Bauelement- Schäden, -Fehlen und -Versatz Nach Reflow - breiteste Fehlerabdeckung, Anzeige des Prozesserfolgs Source: Eskridge, SMT Aug 2000

31 Prüftor-Eignung zur Erkennung und Behebung von Baugruppenfehlern Fehler/ Post- Post- Pre- Post- Post- Post- Prüftor Pastendruck Chipshooter Reflow Reflow Nachbestückung Wellenlöten zu wenig Lot ideal möglich möglich gut gut ideal 7 zu viel Lot ideal möglich möglich gut gut ideal 7 Lotpastenversatz ideal möglich 1 möglich 1 möglich 1 möglich 1 möglich 1 Bauteil fehlt N/A gut 2 ideal 5 gut gut/ideal gut/ideal verlorenes Bauteil N/A ideal gut/schlecht 3 schlecht schlecht schlecht Bauteil verpolt N/A gut 2 ideal 5 gut gut/ideal gut/ideal Bauteil versetzt/verdreht N/A gut 2 ideal 4,5 ideal 6 ideal 6 ideal 6 Anschlüsse verbogen/fehlen N/A N/A ideal gut gut gut Lotbrücke N/A N/A N/A ideal ideal ideal 7 fehlerhafte Lötstelle N/A N/A N/A ideal ideal ideal 7 Grabsteineffekt N/A N/A N/A ideal ideal 8 ideal 9 Billboard N/A gut 2 ideal 5 gut gut 8 gut 9 1 wenn möglich, würde es sich als zu wenig Lot zeigen 2 dieses Prüftor zeigt nur die kleinen Bauelemente, die mit Hochgeschwindigkeitsbestücker vor dem fine pitch gesetzt werden 3 verlorene Bauteile können von fine-pitch-/bga-bauelementen verdeckt werden, wenn sie an deren Bestückplätzen landen 4 Versatz-Information kann zur Offset-Korrektur am Bestückautomaten verwendet werden 5 ideal deutet hier eher auf die Möglichkeit der Fehlerkorrektur als auf die Fehlerdetektion hin 6 an diesem Prüftor kann der Versatz nicht mehr als Indikator für Ungenauigkeiten des Bestücksystems verwendet werden 7 ideal für Inspektion der Lötstellen an bedrahteten Bauelementen (Inspektion der Sekundärseite/Lötseite) 8 ideal unter der Voraussetzung, dass gleichzeitig Post-Reflow Inspection durchgeführt wird 9 vorausgesetzt dass Post-Reflow auf der Primär-, und bedrahtete Anschlüsse auf der Sekundärseite durchgeführt werden in Anlehnung an: Eskridge, SMT Magazine Aug 2000

32 Reflow an SOT ohne/mit Versatz

33 Reflow an C0201 Quelle: Bob Willis

34 Tombstoning: Layout, Pastendruck,, Bauelement Tombstoning häufiger bei den Kondensatoren (C) als bei den Widerständen (R)

35 AOI-Markt 2000 (Neu-Installationen) nach Pastendruck 20% nach Reflow 60% nach Bestückung 20% Quelle: K. Robinson, Frost & Sullivan. SMT magazine, July 2001

36 Inspektionsziele und Aufstellungsort Produktqualität (Null-Stunden-Qualität): AOI am Ende der Fertigungsstrecke, liefert breite Information für die Prozesskontrolle Prozessüberwachung: AOI flexibel oder an verschiedenen Orten, um Abweichungen vom Sollwert frühzeitig zu entdecken; Anwendung bei Massenfertigung von Produkten mit hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit (High Volume / Low Mix) ICT Ausbeute/FPY (in-circuit test first pass yield): AOI + Rework hinter dem Lötsystem erhöht ICT Ausbeute, liefert Aussagen zur Prozessfähigkeit und zu allen Problemen, die evtl. am ICT auftreten Charakterisierung: AOI eingestellt, um alle Anomalien zu entdecken; für zuverlässigkeitskritische Anwendungen wie z. B. Medizin, Militär Quelle: Eskridge, SMT Aug 2000

37 Prüfung des Inspektionssystems Maschinenfähigkeit, Qualität der Anlagenausführung Auslegung des Systems für Messung (Pastenüberdeckung, Position) oder Prüfung (gut/schlecht Entscheidung, z. B. Lötstellenqualität) AOI Systembausteine: 1) Transportsystem, Justage von Kamera/Beleuchtung --> Mechanik 2) Beleuchtung/Kamera/Bildverarbeitungskarte --> Computer/Optik 3) Bildspeicher/-verarbeitung/Analyse hardware/software --> Informatik Fähigkeit von Test- und Analyse-Algorithmen; Prüfprogrammerstellung (!) Bauteilbibliothek, gut/schlecht-beispiele, Golden Board-Handhabung K.O.-Kriterien: Vereinbarte Werte für Taktzeit, Schlupf, Falschmeldungen

38 Zuordnung zu Fehlerklassen: Inspekteure am Reparaturplatz bleiben die höchste Instanz Wesentliche Fehler = unzulässige Abweichungen: Reparatur und Prozessüberprüfung/-eingriff veranlassen Prozessindikator: Prozessüberprüfung und -korrektur veranlassen zulässige Abweichungen = unkritisch: Prüfalgorithmen anpassen, Bild einlernen, um künftig Meldung zu vermeiden Pseudofehler = Fehlbeurteilung (z. B. wg. Kante nicht erkannt): Beleuchtung, Prüfalgorithmen/Gewichtung,... überprüfen, anpassen

39 Automatisierte Inspektion bietet automatisierte Eingangskontrolle... erhöht die Produktivität am Sichtarbeitsplatz... ermöglicht die Einsparung elektrischer Prüfpunkte (Substitution von ICT = In-Circuit-Test)...s-Systeme liefern Fehlerstatistik und Aussagen zur Prozessstabilität (für SPC = Statistische Prozesskontrolle)... verringert den Reparaturaufwand nach dem Funktionstest durch frühzeitige Fehlerdetektion

40 Quellenangaben 1. VDI/VDE 3694 Lastenheft/Pflichtenheft für den Einsatz von Automatisierungssystemen (VDI/VDE-Richtlinie). 2. Leitfaden zur industriellen Bildverarbeitung (IBV) der Fraunhofer Allianz Vision 3. IPC-AI-641 User s Guidelines for Automated Solder Joint Inspection Systems 4. ZVEI Rahmenpflichtenheft für ein Prüfsystem zur automatisierten Sichtprüfung von Leiterplatten-Baugruppen (Visionsystem) 5. Klein Wassink, R. J., Verguld, M. M. F.: Manufacturing Techniques for Surface Mounted Assemblies, Electrochemical Publications Ltd., Port Erin, Isle of Man (1995). 6. Klein Wassink, R. J.: Weichlöten in der Elektronik Eugen G. Leuze Verlag, Saulgau, 2. Aufl. (1992). 7. Wolter, K.-J.: "Zerstörungsfreie Prüfverfahren", Kap. 5.2 in Scheel, W. (Ed.) "Baugruppentechnologie der Elektronik - Montage" Verlag Technik, Berlin (1997). 8. E. Gailing, Ed.: Strategien zur wirtschaftlichen Produktion von elektronischen Baugruppen. Eugen G. Leuze Verlag, Saulgau, (1999). 9. ISIT-Forum und Minimesse Inspektion in der Baugruppenfertigung, Februar FED Anwenderübergreifendes Lastenheft für automatische optische Inspektion. Anforderungen und Randbedingungen an AOI-Systeme (FED-Dokument) 11. SMT Magazine, Penn Well, div. Ausgaben