Fortschrittliche Röntgeninspektion für hochpräzise Leiterplatten

In der Leiterplattenindustrie erweisen sich immer mehr Teile und Platinen als schwierig mit automatisierter optischer Inspektion (AOI) zu prüfen, da das Lot unsichtbar ist. Darüber hinaus steigen hochwertige Anforderungen wie die Klebefestigkeit in der Automobilindustrie und die Vollflächeninspektion des Lots. Um diesen Bedürfnissen gerecht zu werden, hat Omron neue Technologie für Inspektionen innerhalb der erforderlichen Inline-Taktzeit (die Rate, mit der ein Produkt fertiggestellt werden muss, um die Kundennachfrage zu decken) eingeführt. Dies war eine der anspruchsvollsten Anforderungen für Computertomografie (CT) Röntgen-Automatinspektionssysteme. Für kontinuierliche Bildgebungstechnologie sind hochpräzise Positioniersteuerung und hochgeschwindige Bilderfassung erforderlich.

Der Fall für eine neue Inspektionsmethode

In den letzten Jahren wurden bemerkenswerte technologische Fortschritte bei Elektrofahrzeugen (EVs), fortschrittlichen Fahrerassistenzsystemen (ADAS) und sogar automatisiertem Fahren erzielt. Für die Welt der Leiterplattenbestückung bedeutet dies einen Schritt hin zu weiterer Verdichtung, während eine zunehmende Anzahl von Teilen und Leiterplatten visuell unzugängliche Lötverbindungen aufweist, die Schwierigkeiten bei der visuellen Inspektion verursachen. Typische Beispiele hierfür sind filletlose Chips und Ball Grid Arrays (BGAs) mit Lötverbindungen auf der Unterseite des Gehäuses.

Die Automobilindustrie stellt besonders strenge Qualitätssicherungsanforderungen zum Schutz der Verbraucher, und Lieferanten werden oft aufgefordert, Inline-Vollflächen-Leiterplatteninspektionen (statt Stichprobeninspektionen) durchzuführen und Lötformen zu messen und bis zur Klebefestigkeit zu prüfen. Dies wird durch das Problem des Fachkräftemangels an der Linie verstärkt, was teilweise für den aktuellen rapiden Anstieg der Nachfrage nach hochpräzisen, hochqualitativen automatisierten Inspektionen verantwortlich ist.

Daher können Ereignisse in der Bestückungsindustrie wie Leiterplattenqualitätsprobleme und Produktionslinienstopps ernsthafte Risiken für Kunden darstellen. Ein Ausfluss defekter Leiterplatten würde sofort zu einer Krise führen, die die Sicherheit von Menschen und Gesellschaft bedrohen könnte. Aus diesem Grund ist es wichtiger denn je, einen Mechanismus bereitzustellen, der jeden Ausfluss defekter Leiterplatten auf den Markt verhindert.

Als Reaktion auf diese Trends entwickelte Omron sein AXI-System (automatisierte Röntgeninspektion), das in SMT-Fertigungslinien (Surface Mount Technology) weit verbreitet ist, dank seiner Fähigkeit, visuell unzugängliche Elemente wie Lötverbindungen auf der Unterseite von Bauteilen zu prüfen. Aufgrund des Taktzeitproblems wurde ein konventionelles Modell jedoch hauptsächlich für Offline-Stichprobeninspektionen oder für Inline-Inspektionen nur von Schlüsselteilen verwendet.

Dieser Artikel stellt einen Überblick über die Technologien vor, die für das VT-X750-Series automatisierte Inline-CT-Röntgeninspektionssystem (Abbildung 1) eingesetzt werden, um dieses Problem zu verbessern und Geschwindigkeiten zu erreichen, die für den Inline-Einsatz in Automobil-Leiterplattenbestückungsprozessen ausreichen, wodurch die Qualitätssicherung von Leiterplatten in großen Mengen ermöglicht wird.

Hohe Bildqualität mit CT-basiertem AXI erreichen

Die Haupttypen röntgenbasierter diagnostischer Bildgebungsverfahren umfassen zweidimensionale (2D) Röntgen, Tomosynthese und Computertomografie. Die 2D-Röntgenmethode wird verwendet, um pro Aufnahme ein Bild mit einer Röntgenquelle, einem Werkstück und einer Röntgenkamera in vertikaler Anordnung zu erhalten (Abbildung 2). Das von dieser Methode projizierte Bild wird als zweidimensionale Daten aufgezeichnet. Obwohl sie in kürzerer Zeit Bilder erfasst, ist diese Methode in Bezug auf Bildqualität den anderen Methoden unterlegen, da sie eine geringere Datenmenge verarbeitet.

Die Tomosynthese-Methode wird verwendet, um eine bestimmte Anzahl von Bildern eines Werkstücks in einer relativen Position zu einer Röntgenquelle oder Röntgenkamera innerhalb eines begrenzten Winkelbereichs zu erhalten. Diese Methode ermöglicht die Erfassung von tomografischen Bildern mit den gewünschten hervorgehobenen Höhen (Abbildung 3). Obwohl sie zeitaufwändiger ist als die 2D-Röntgenmethode, ermöglicht Tomosynthese schnellere Bildaufnahme als die CT-Methode und ist in Bezug auf Bildqualität der 2D-Röntgenmethode überlegen. Es muss beachtet werden, dass tomografische Bilder, die in ausreichender Entfernung von der Fokusposition der Röntgenquelle oder Kamera aufgenommen werden, tendenziell unschärfer sind als CT-Bilder.

Die CT-Methode wird verwendet, um eine Anzahl von Bildern eines Werkstücks in einer relativen Position zu einer Röntgenquelle oder Kamera während einer 360-Grad-Drehung zu erhalten und diese in dreidimensionale (3D) Daten zu rekonstruieren. Diese Methode verarbeitet ein größeres Datenvolumen als die anderen Methoden und bietet daher die beste Bildqualität. Ihre Stärke liegt darin, dass sie die Extraktion und Nutzung nicht nur horizontaler planarer Richtungsdaten, sondern auch Höhendaten aus den restrukturierten 3D-Daten ermöglicht. Selbst wenn sie weit von der Fokusposition der Röntgenquelle oder der Röntgenkamera aufgenommen werden, haben tomografische Bilder mit dieser Methode eine klare, gering-verrauschte Bildqualität. Andererseits benötigt diese Methode mehr Zeit für die Bildaufnahme und liefert normalerweise eine höhere Dosis an das Werkstück.

Die AXI-Lösung

Omron übernahm eine neue Inspektionsmethode, die die gewünschten Punkte in 3D-Daten identifizieren und eine bildbasierte Diagnose durchführen kann, um die Form jeder Lötverbindungsoberfläche präzise zu prüfen. Die Omron AXI-Lösung nutzt die CT-Methode und ermöglicht hochpräzise Inspektionen, die frei von Leiterplattenunterseitenbeschränkungen sind. Ihre wichtigsten technischen Komponenten bestehen aus Hardware, die sichere, hochpräzise Erfassung ermöglicht, sowie Software, die hochgeschwindige Steuerung mit hervorragender Reaktionsfähigkeit erlaubt.

Die Hardware besteht weitgehend aus mechanischen, elektrischen und bildgebenden Komponenten. Daher spielen Designparameter wie elektromechanische Sicherheit, Abschirmung, Achsenbewegungsgenauigkeit, Steuerungsreaktionsfähigkeit, Bildqualität und Bildrate eine wichtige Rolle für die Systemleistung. Der Softwareteil des Systems besteht aus einem Assembly-Optimierer für Maschinendifferenzkorrekturen, einer Hauptanwendung für die Inspektionsprogrammentwicklung, einem Rekonstruktionsprozess zur Umwandlung erfasster Bilder in 3D-Daten und einem Algorithmus zur Durchführung der Inspektionen der erhaltenen 3D-Daten. Diese technischen Komponenten stehen in komplexer Weise zueinander in Beziehung und müssen nahtlos innerhalb jedes Funktionsmoduls für hochpräzise, hochgeschwindige Inspektionen zusammenarbeiten. Dies ist besonders wichtig für die hochqualitative CT-Bildaufnahme, die der Kern dieser Technologie ist und die Grundleistung der Bildgebungsgeräte, hochpräzises geometrisches Design und Steuerung sowie robuste Korrekturverarbeitung und Inspektionsalgorithmen bereitstellt.

Die folgenden Abschnitte betrachten jede dieser Fähigkeiten.

1. Grundlegende Leistung der Bildgebungsgeräte (FPD und Röntgen .