Auf der Suche nach raumsparenden Kontaktierungsarten in elektronischen Schaltungen entstehen ständig neue Bauelementtypen mit verdeckten Kontaktflächen. In Kombination mit einer doppelseitigen Bestückung können auf diese Weise kompakte, leistungsstarke Flachbaugruppen gefertigt werden. Dieser Trend stellt jedoch auch die Prüftechnologie vor neue Herausforderungen.
2D-Röntgensysteme erlauben keine prozesssichere Auswertung
Verdeckte Lötstellen (z.B. an BGA-Bauform) kann man nur mit einem Blick durch die Leiterplatte hindurch bewerten. Die Rönt-gentechnologie setzt hierbei genau da an, wo konventionelle AOI-Systeme an ihre Grenzen stossen. Prinzipbedingt sind 2D-Röntgensysteme für die Prüfung doppelseitig bestückter Leiterplatten ungeeignet. Die Bilder dieser Systeme zeigen Lötstellen beider Leiterplattenseiten als Überlagerung (Bild 1). Eine prozesssichere Auswertung ist so nicht machbar.
Besser, aber dennoch nicht optimal, eignen sich Geräte mit 2,5D-Inspektionstechnologie. Hierbei wird mittels Schrägdurchstrahlung der Baugruppe, in Abhängigkeit vom Durchstrahlungswinkel und der Leiterplattendicke, eine Trennung der Lötstellen von Leiterplattenober- und -unterseite erreicht. Ist die Bestückdichte der Bauelemente auf der Leiterplatte jedoch sehr hoch, ist eine einfache Schrägdurchstrahlung nicht mehr ausreichend. Es entstehen analog der 2D-Technik Überlagerungen, die eine sichere Auswertung der Lötstellen schwer möglich machen.
Trennung mit digitaler Tomosynthese
Das 3D-Röntgensystem X-Line 3D der Göpel electronic GmbH arbeitet auf Basis der digitalen Tomosynthese. Sie erlaubt permanente Aufnahmen der Leiterplatte aus mehreren unterschiedlichen Winkeln. Die dabei entstehenden 2D-Bildaufnahmen werden über eine algorithmische Rekonstruktion in 3D-Daten überführt. Auf diese Weise ist eine Trennung der Lötstellen von Leiterplattenoberseite und Leiterplattenunterseite auch bei dichter Bestückung, frei von Überlagerungen, möglich (Bilder 2 und 3). Gleichermassen lassen sich auch aufeinander aufgesetzte, elektrisch miteinander kontaktierte Baugruppen in sogenannter Package-on-Package-(PoP-)Bauweise prüfen.
Die schichtweise 3D-Rekonstruktion gestattet die Trennung von Top- und Bottom-Package und die anschliessende bildverarbeitungstechnische Bewertung. Bild 4 gibt eine Übersicht über die Einsatzarten der verschiedenen Röntgeninspektionsverfahren, bezogen auf eine spezifische Prüfaufgabe, sowie der verwendeten Fertigungstechnologie. Es wird deutlich, dass bei einer Inline-Fertigung doppelseitig bestückter Flachbaugruppen die 3D-Röntgenprüfung unumgänglich ist.
Schnelle Prüfprogrammerstellung mittels Bauteilbibliothek
In der Serienfertigung bewährt, liefert das Hard- und Softwarekonzept des OptiCon X-Line 3D alle Bilder grauwert- und geometriekalibriert. Die geometriegetreue Rekonstruktion der Leiterplattenschichten erlaubt den Einsatz einer einheitlichen Bauteilbibliothek, was zu einer entscheidenden Verringerung des Aufwands für die Erstellung von Prüfprogrammen führt. Der Bediener ist so in der Lage, mithilfe von CAD-Daten und den Bauteileinträgen aus der Bibliothek innerhalb kürzester Zeit ein Prüfprogramm zu erstellen.
Kompensation der Leiterplattendurchbiegung
Voraussetzung für eine zuverlässige Analyse der Schnittbilder ist eine höhengenaue Rekonstruktion der einzelnen Leiterplattenschichten (sog. Z-Schichten). Ist die Leiterplatte wellig, hängt durch oder liegen Bauteile schief auf, muss das 3D-Röntgensystem dies erkennen und kompensieren. Wird beispielsweise der Durchhang einer Leiterplatte nicht flächig kompensiert, prüfen die Algorithmen in den falschen Lotebenen der Bauelemente, was zu Pseudofehlern oder im schlimmsten Fall zu Schlupf führen kann.
Dabei kommt ein eigens entwickeltes Verfahren zum Einsatz, welches während des Prüfprozesses die Durchbiegung der Leiterplatte erkennt und ausgleicht. Das Ergebnis ist eine Z-genaue Rekonstruktion der Lotebenen für eine qualitativ hochwertige Bewertung der Lötstellen. Je nach Leiterplattenzustand kann gewählt werden, ob die Gesamtleiterplatte, jede Teilschaltung eines Nutzens oder grössere Bauelemente ausgeglichen werden sollen.
Fazit
In den drei Fachartikeln zum Thema «Qualitätskontrolle elektronischer Baugruppen mittels AXI» – siehe Polyscope-Ausgaben 05/14 (Teil 1) und 09/14 (Teil 2) – wurde aufgezeigt, dass es prinzipiell zwei Röntgensystemvarianten zu unterscheiden gibt. Zum einen gibt es die Analysesysteme und zum anderen Systeme für die Inline-Fertigung. Analysesysteme bestechen durch ihre Bildqualität – man setzt sie für Stichprobenprüfungen ein – man muss sie manuell beladen und auch die Leiterplattenbewertung ist manuell oder halbautomatisch. Prinzipbedingt erlaubt die lange Prüfzeit dieser Maschinen keinen Einsatz innerhalb von Fertigungslinien.
Für kurze Taktzeiten und eine vollautomatische 100-Prozent-Kontrolle der produzierten Leiterplatten braucht man Röntgensysteme für die Inlinefertigung. Diese haben im Vergleich zu einem Analysesystem eine reduzierte Bildqualität, die dennoch ausreichend ist, um eine Gut- von einer Schlechtlötung zu unterscheiden.
Hinsichtlich der eingesetzten Inspektionstechnologien müssen bei diesem Systemtyp drei Grundprinzipien unterschieden werden: die 2D-, 2,5D- und 3D-Röntgentechnik. Im Vergleich wurde deutlich, dass die 3D-Röntgentechnik das Maximum an Fehlererkennung bietet. Grund dafür ist die prozesssichere Bewertung von BGA-Balls in mehreren Lotschichten und die Chance, auch bei dichter Bauteilbestückung die Lötseiten beidseitig bestückter Leiterplatten trennen zu können.
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