Automatisierte Optische Inspektion (AOI): Was es ist, wie es funktioniert und warum es wichtig ist

Inhaltsverzeichnis: Definition Automatisierte Optische Inspektion | Rolle der AOI | Was eine AOI prüft | AOI-Vergleich mit anderen Inspektionsmethoden | Kontakt Millennium Circuits für gründlich inspizierte PCBs

Wenn Sie Leiterplatten (PCBs) in Ihren Projekten einsetzen, müssen Sie sicher sein, dass sie gut performen und Ihre Kunden zufriedenstellen. Es ist essenziell, einen verlässlichen Weg zu haben, PCBs auf Fehler zu testen und sicherzustellen, dass sie wie vorgesehen funktionieren.

Leiterplatten werden kleiner und komplexer – heutige PCBs können tausende verlötete Verbindungen und eine Vielzahl winziger Komponenten enthalten. Diese erhöhte Komplexität kann die Wahrscheinlichkeit von Fehlern erhöhen. Wenn eine Standard-Visuelle Inspektion nicht ausreicht, um winzige Unvollkommenheiten in einem dicht bestückten Board zu erkennen, helfen Techniken wie Automatisierte Optische Inspektion (AOI), größere Genauigkeit und Einsicht zu bieten.

Definition: Automatisierte Optische Inspektion

Wie definieren wir AOI? Automatisierte optische Inspektion ist eine visuelle Inspektion fertiger Leiterplatten mit einem Maschinenscanner, der Lichtbildgebung nutzt. Sie bewertet die Qualität der Verarbeitung, um sicherzustellen, dass die PCBs für Kauf und Einsatz geeignet sind.

Ein AOI-System enthält typischerweise viele Lichtquellen und mehrere Kameras, manchmal einschließlich Videokameras. Die Lichtquellen beleuchten ein PCB aus verschiedenen Winkeln, und die Kameras nehmen Bilder oder Videos auf, um ein umfassendes Bild für die Bewertung zu erstellen.

Die AOI-Messung nutzt generell einen Maschinenscanner, um das Gerät autonom zu scannen, ohne menschliche visuelle Inspektion. Der Scanner kann Defekte prüfen, die katastrophale Ausfälle verursachen könnten – wie das Fehlen einer kritischen Komponente – und auch kleinere Mängel testen, die die PCB-Qualität und -Leistung mindern würden. Diese kleineren Defekte können Probleme wie leicht fehlausgerichtete Komponenten oder Lötverbindungen umfassen, die falsche Größe oder Form bilden.

AOI ist an vielen verschiedenen Produktionsstufen nützlich. Es funktioniert gut für Bare-Board-Inspektion, Lötpasten-Inspektion, Pre-Reflow und Post-Reflow. Jede dieser Stufen kann Defekte in ein PCB-Board-Design einbringen, und AOI hilft, sie zu erkennen, bevor die Produktion auf einem fehlerhaften Board fortfährt.

Praktisch gesehen findet die meiste AOI jedoch in der Post-Produktion statt. Der Grund: AOI kann ein einzelnes System nutzen, um viele Arten von Defekten gleichzeitig zu inspizieren. Es dauert weniger, eine umfassende Inspektion durchzuführen, als nach jedem Prozessschritt zu inspizieren. Die Nutzung von AOI als finale Prüfung beschleunigt die Produktion und ermöglicht höhere Produktivität und Termineinhaltung. Und wenn AOI in der Post-Produktionsphase Mängel aufdeckt, können defekte Boards zur Nacharbeit zurückgehen, während der Rest der Boards voranschreitet.

Die Rolle der AOI

AOI spielt eine kritische Rolle in der PCB-Produktion. Sie stellt sicher, dass jedes Board die für komplexe elektrische Anwendungen erforderliche hohe Leistung erbringen kann.

Wenn AOI einen Fehler in einem PCB aufdeckt, flaggt es das Board für Reparatur. Dieser Prozess kann auf verschiedene Weisen geschehen. AOIs Ergebnisse können spezifische Einrichtungsanforderungen verfehlen – beispielsweise die Anforderung, dass alle Leiterbahnen auf einem Board über einer bestimmten Größe sein müssen. In diesem Fall können Menschen die Ergebnisse prüfen und bestimmen, welche Boards zur weiteren Arbeit zurückgehen. Oder AOI kann das reale PCB mit einem Computer-Aided-Design (CAD)-Bild eines perfekten PCBs vergleichen. AOI kann automatisch Stellen erkennen, an denen das tatsächliche Board vom idealen Design abweicht, und es für Nacharbeit flaggen.

AOI bietet folgende Vorteile für die PCB-Produktion:

• Qualitätssicherung: AOI ermöglicht es Ihnen, sicher zu sein, dass Ihre PCB-Produkte wie vorgesehen funktionieren. Die Sicherung der Produktqualität hilft, Kundenzufriedenheit zu steigern, Ihren Ruf im Geschäft zu verbessern und Seelenfrieden über den Wert Ihres Services für Kunden zu geben.
• Bewertung komplexer Boards: Bei Millennium Circuits durchläuft ein Board mit mehr als 100 Komponenten automatisch AOI. AOI kann komplexe Board-Designs mit einer Genauigkeit inspizieren, die das menschliche Auge nicht erreichen kann.
• Prozesse verbessern: Wenn Fehler aus fehlerhaften Prozessen resultieren, kann das sofortige Erkennen via AOI helfen, Muster von Defekten zu identifizieren und Ihre Prozesse anzupassen, bevor Sie Tausende Boards mit denselben Fehlern produzieren. Eine kürzlich im International Journal of Engineering and Advanced Technology veröffentlichte Studie berichtet, dass das Erkennen eines Fehlers in einem kürzlich bestückten Board nur 10-mal teurer ist als das Erkennen eines Defekts in einem Bare Board, aber das Finden eines Fehlers in einem Board, das bereits im Feldeinsatz ist, 1.000-mal teurer ist. Frühes Erkennen minimiert die Wahrscheinlichkeit zukünftiger Nacharbeit und macht Ihre Produktionsabläufe effizienter.
• Anpassbarkeit: AOI ist ein automatisierter Prozess, aber der Bediener kann Parameter setzen, um dem Scanner zu sagen, wonach er inspizieren soll. Wenn sich Ihre Designspezifikationen ändern, ist es einfach, Ihre Einstellungen anzupassen, um die benötigten Fehler zu erkennen.

Was eine AOI prüft

Im Folgenden sind einige der Faktoren aufgeführt, die während einer AOI geprüft werden:

Lötfehler (Soldering Defects)

Löten nutzt eine niedrigschmelzende Legierung, üblicherweise Zinn und Blei oder eine bleifreie Legierung, um die Metallkomponenten eines PCBs zu verbinden. Der Prozess ähnelt Schweißen, schmilzt aber die Metallkomponenten nicht. Lötfehler treten auf, wenn die Verbindungen zwischen zwei Metallkomponenten nicht wie vorgesehen gebildet werden.

Im Folgenden sind einige häufige Lötfehler aufgeführt, die AOI prüfen kann:

1. Offene Stromkreise (Open Circuits)

Offene Stromkreise in einem PCB sind relativ häufige Fehler und problematisch, weil ein unvollständiger Stromkreis den elektrischen Strom am Fließen hindert. Wenn ein Stromkreis offen ist, funktioniert das Board nicht korrekt.

Offene Stromkreise können durch unsachgemäß geformte Vias und Leiterbahnen oder durch Lötverbindungen entstehen, die ihre Ziele nicht erreichen. Eine visuelle Inspektion oder Röntgenbildgebung kann manchmal einen offensichtlichen offenen Stromkreis erkennen, aber AOI kann sogar leicht offene Stromkreise identifizieren und das Board für korrektes Schließen des Stromkreises zurückflaggen.

2. Lötbrücken oder Löt-Kurzschlüsse (Solder Bridges / Solder Shorts)

Lötbrücken entstehen, wenn Lötzinn zwei Komponenten auf einem PCB verbindet, die elektrisch nicht verbunden sein sollten. Diese Brücken können entstehen, wenn die Board-Produktion zu viel Lötzinn verwendet oder wenn Lötzinn in einen Bereich des Boards sickert, der lötzinnfrei bleiben sollte.

Lötbrücken treten oft auf, wenn sich das Lötzinn nicht von seinen Leads trennt, bevor es erstarrt. Die Leads sind die Metallpads, die zwei Stellen auf dem Board verbinden. Das Lötzinn trennt sich möglicherweise nicht, weil die Leads so groß sind, oder weil sie zu viel Paste haben, die sie am Board klebt, oder weil der Pitch des Boards extrem flach ist.

Lötbrücken sind problematisch, weil sie den beabsichtigten Stromfluss durch das Board stören. Sie können Kurzschlüsse verursachen oder kritische Komponenten oder Spuren auf dem Board verbrennen. Sie sind auch notorisch schwer mit bloßem Auge zu erkennen – sogar mikroskopisches Lötzinn-Sickern kann zur Bildung einer Lötbrücke führen. Glücklicherweise kann AOI-Scanning selbst winzige Lötbrücken erkennen und fehlerhafte Boards zur Reparatur zurücksenden.

3. Unzureichendes Lötzinn (Insufficient Solder)

Ein unzureichendes Lötgelenk entsteht, wenn der Produktionsprozess zu wenig Lötzinn verwendet, um verschiedene Komponenten mit dem Board zu verbinden. Manchmal schafft das Lötzinn gar keine Verbindung zu den Komponenten – diese Situationen nennt man Lötaussetzer (Solder Skips).

Wenn die unzureichend verlöteten Komponentenverbindungen instabil sind, bilden sie möglicherweise keine stabilen elektrischen Verbindungen, sodass die Board-Leistung schlecht ist. Und wenn die Lötzinnmenge so gering ist, dass sie die Komponenten nicht auf dem Board halten kann, endet das Board mit fehlenden Teilen, was höchstwahrscheinlich zu katastrophalem Ausfall führt. Ein AOI kann den Lötzinnbetrag an jeder Komponente scannen und notieren oder das Board mit einem korrekten Bild vergleichen, um zu bestimmen, ob das Board nachgelötet werden muss.

4. Übermäßiges Lötzinn (Excess Solder)

Übermäßiges Lötzinn tritt auf, wenn das Gegenteil passiert – der Produktionsprozess bringt zu viel Lötzinn auf das Board. Es tritt manchmal auf, weil die verwendeten Lötspitzen zu breit sind, oder es kann durch Überauftrag resultieren.

Übermäßiges Lötzinn kann viele Schwierigkeiten verursachen, einschließlich Missbildungen wie Lötbrücken. Wenn Produktion zu viel Lötzinn auf einen Pin des Boards aufträgt, kann es auch eine große runde Lötkugel erzeugen, die es schwierig macht zu erkennen, ob der Pin ausreichend benetzt ist, um am Board zu haften.

Lötkugeln sind aufgrund ihrer Größe relativ leicht zu erkennen, aber ein menschlicher Inspektor könnte eine nach Dutzenden fast identischer Boards übersehen. Ein guter AOI-Scanner kann übermäßiges Lötzinn leicht erkennen und das Board zur Nacharbeit mit Lötzinnsauger oder Lötwick zurücksenden.

Bauteilfehler (Component Defects)

Bauteilfehler sind Fehler in den kleinen funktionalen Teilen, die an einem Board befestigt sind. Im Folgenden sind einige häufige Bauteilfehler auf PCBs aufgeführt:

1. Abgehobener Lead (Lifted Lead)

Ein abgehobener Lead tritt auf, wenn eines der winzigen Metallpads auf einem PCB nicht richtig haftet. Manchmal entsteht ein abgehobener Lead durch übermäßige Hitze oder Handhabung während der Produktion oder durch Flexion im Board. Andere Male resultiert es, wenn Leads zu lang sind und sich heben, wenn sie mit Lötzinn in Kontakt kommen.

Abgehobene Leads sind problematisch, weil sie instabil sind. Die Pads auf Ihrem Board erlauben Pins, sich mit der darunterliegenden Kupferplatte zu verbinden, aber wenn der Lead sich hebt, können die Pins die korrekten Verbindungen nicht herstellen. Verpasste Verbindungen können Komponentenausfall verursachen und die Board-Leistung beeinträchtigen.

2. Fehlende Komponenten (Missing Components)

Ein PCB kann aus einigen Gründen eine Komponente vermissen. Unzureichendes Löten kann zu fehlenden Komponenten führen, oder der Produktionsprozess überspringt ein notwendiges Teil.

Eine fehlende Komponente ist ein schwerwiegender Fehler auf einem PCB – sie wird wahrscheinlich katastrophalen Ausfall verursachen. Das menschliche Auge mag fehlende Teile bemerken, aber da dies ein so konsequenter Fehler ist, ist ein verlässlicher AOI-Scanner kritisch, um PCBs mit fehlenden Komponenten abzufangen, bevor sie zu Verbrauchern gelangen.

3. Fehlausgerichtete oder falsch platzierte Komponente (Misaligned or Misplaced Component)

Fehlausrichtung oder Fehlplatzierung kann auftreten, wenn der Produktionsprozess Komponenten falsch platziert oder wenn Komponenten nach Platzierung verschieben. Komponentenverschiebung ist während Reflow häufig, da es einfach ist, dass Teile auf geschmolzenem Lötzinn gleiten – die Oberflächenspannung des Lötzinns bedeutet, dass Komponenten leicht rutschen können.

Bei einer fehlausgerichteten oder falsch platzierten Komponente funktioniert das PCB möglicherweise noch, aber es kann träge performen. Oder es könnte ganz ausfallen. Fehlausrichtungen können zu geringfügig sein, um mit bloßem Auge gesehen zu werden, daher ist ein verlässlicher AOI-Scanner essenziell, um diese Defekte zu erfassen.

AOI-Vergleich mit anderen Inspektionsmethoden

Im Vergleich zu anderen Prozessen bietet AOI mehrere Vorteile für die Fehlererkennung in PCBs. Nachfolgend eine Aufschlüsselung, wie AOI im Vergleich zu anderen Inspektionsmethoden abschneidet:

1. Automatisierte Röntgeninspektion (AXI)

AXI nutzt Röntgenstrahlen statt Lichtbildgebung zur PCB-Inspektion. Unternehmen nutzen AXI oft für besonders komplexe oder dicht bestückte Boards. Der Grund: Röntgenstrahlen durchdringen Materialien, um sie zu bildgeben. Da das für AOI verwendete Licht an Oberflächen reflektiert, kann eine Komponente eine andere blockieren. Ein Röntgenstrahl durchdringt verschiedene Materiallagen und bildet sie alle präzise ab.

AXI ist eine neue, raffinierte Technologie, und ihr Hauptnachteil ist der Preis. Da AXI so kostspielig ist, lohnt es sich oft nur bei besonders komplizierten oder hochgeclusterten Boards.

2. Automatische Laser-Test-Messung (ALT)

ALT-Messung nutzt Laser statt traditioneller Lichtbildgebung zum Scannen und Messen von PCBs. Da das Licht der Laser an PCB-Komponenten reflektiert, nutzt das ALT-System die Laserpositionen, um Positionierung und Höhe verschiedener Komponenten zu bestimmen und ihre Reflektivität zu bewerten. Wie bei AOI kann das ALT-System die empirischen Messungen mit einem Schaltplan oder Spezifikationssatz vergleichen, um Fehler zu erkennen.

ALT-Messung ist besonders nützlich bei der Bewertung von Position und Menge der Lötpaste, obwohl Interferenzen die Messungen manchmal ungenau machen können.

3. In-Circuit Testing (ICT)

In-Circuit Testing nutzt eine elektrische Sonde, um zu bewerten, wie ein bestücktes PCB funktionieren wird. Es verwendet elektrischen Strom, um zu prüfen, ob jede Komponente an Ort und Stelle ist und korrekt funktioniert. Es testet auf Kurzschlüsse und offene Stromkreise und bewertet wesentliche elektrische Eigenschaften wie Kapazität und Widerstand.

Da es elektrischen Strom statt Bildgebung nutzt, gibt ICT tendenziell begrenztere Lötinformationen als AOI. Es kann die Qualität elektrischer Komponenten bewerten und Informationen über Lötfehler liefern, die die Schaltung betreffen, aber es kann nicht viel Detail über unzureichendes oder übermäßiges Lötzinn bieten.

AOI ist generell zuverlässiger als In-Circuit Testing, besonders für die heute entwickelten kleineren PCBs.

4. Manuelle Visuelle Inspektion (MVI)

Die meisten PCB-Unternehmen bevorzugen AOI gegenüber manueller visueller Inspektion, weil AOI das Anfassen der Boards nicht erfordert. Ein menschlicher Inspektor muss die Boards handhaben, und Handhabung könnte Defekte in ein ansonsten perfektes Board einbringen. AOI kann PCBs scannen, ohne ihre empfindlichen Komponenten zu stören und ihre strukturelle Integrität zu bewahren.

AOI ist auch zuverlässiger als menschliche visuelle Inspektion. Ein Mensch kann leicht einen kleinen Fehler im PCB übersehen. Aber AOI kann sogar die winzigsten Fehler erfassen. Seine strenge Schärfe nimmt nie ab, es kann das Board in feinerem Detail scannen als das menschliche Auge erlaubt, und es ist konsistent zuverlässig über alle Produktionsphasen hinweg.

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