Platzierung elektronischer Bauelemente: Beleuchtungsstrategien für Pick-and-Place-Roboter

SMD-Bauteile decken ein riesiges Größenspektrum ab. Sie reichen von passiven 0201-Bauelementen mit 0,6 mm × 0,3 mm bis hin zu großen BGAs und Steckverbindern. Jedes Bauteil, jede Anschlussgeometrie und jede Leiterplattenoberfläche erfordert ein anderes Beleuchtungskonzept. Daher kann eine einzelne Ringbeleuchtung nicht jede Aufgabe abdecken. Das Verständnis der Optik zwischen Beleuchtung, Bauteil und Kamera ist der Ausgangspunkt für jedes zuverlässige Pick-&-Place-Design.

Warum die Beleuchtung die Platzierungsgenauigkeit bestimmt

Ein Bildverarbeitungssystem für Pick & Place erfüllt zwei unterschiedliche Aufgaben. Die erste ist die Bauteilerkennung. Hierbei identifiziert die Kamera den Typ, liest die Ausrichtung und bestätigt die Position in der Zuführertasche. Die zweite ist die Platzierungsprüfung. Nachdem die Düse das Teil abgelegt hat, prüft eine Kamera, ob es korrekt sitzt, auf den Pads zentriert und richtig ausgerichtet ist.

Beide Aufgaben erfordern kontrastreiche Bilder mit scharfen Kanten. Der Kontrast hängt direkt vom Licht ab. Ein Anschluss, der unter einer Geometrie hell erscheint, kann unter einer anderen vor reflektierendem Kupfer verschwinden. Daher ist die falsche Beleuchtung oder Wellenlänge die häufigste Ursache für Fehlausschuss und fehlerhaftes Greifen.

Beleuchtungstechniken für die SMD-Inspektion

Direkte Ringbeleuchtung

LED-Ringbeleuchtungen sind die Standardwahl für die Bildverarbeitung auf Bauteilebene. Koaxial zum Objektiv montiert, beleuchten sie das Teil aus einem definierten Winkelbereich. Dadurch erzeugen sie gleichmäßige Schatten an den Kanten, was den Kontrast für Template Matching und Schwerpunktbestimmung erhöht.

Der Winkel bestimmt dabei das Ergebnis. Steilwinkel-Ringbeleuchtungen bei 45° bis 90° liefern breites, gleichmäßiges Licht über die gesamte Oberseite. Folglich eignen sie sich für das Lesen von Markierungen und Polaritätsprüfungen bei flachen Gehäusen. Flachwinkel-Ringbeleuchtungen hingegen streifen die Leiterplattenoberfläche. Dadurch heben sie die Koplanarität der Anschlüsse, die Lötgeometrie und die Pad-Textur hervor.

Flachwinkel und Dunkelfeld für die Anschlussprüfung

Für die Prüfung der Koplanarität von Anschlüssen müssen geringe Höhenunterschiede sichtbar gemacht werden. Flachwinkel-Dunkelfeldlicht bei 10° bis 20° erzeugt Schatten- und Glanzmuster. Ein um Bruchteile eines Millimeters verbogener oder angehobener Anschluss wirft daher einen klaren Schatten. Der Bildverarbeitungsalgorithmus erkennt dies anschließend zuverlässig.

Dieselbe Technik spürt auch andere Fehler auf. Beispielsweise macht sie fehlende Lotpaste und versetzte Schablonendrucke sichtbar. Zudem zeigt sie angehobene Lötkugeln auf BGA-Gehäusen. Da streifendes Licht den Kontrast maximiert, hebt sich das fehlerhafte Merkmal deutlich vom korrekten ab.

Durchlicht für Silhouetten- und Maßprüfung

Durchlichtbeleuchtungen strahlen diffuses Licht durch eine gleichmäßige Fläche hinter dem Bauteil ab. Die Kamera erfasst daraufhin eine dunkle Silhouette vor hellem Hintergrund. Diese Technik misst somit vor der Platzierung den Anschlussrasterabstand, die Gehäusebreite und die Anschlusslänge. Sie überprüft auch die Düsengreifposition und stellt sicher, dass das Bauteil auf der richtigen Höhe und ohne Neigung sitzt. Dadurch bleibt die Konturmessung unabhängig von der Oberflächenbeschaffenheit.

Koaxiale Beleuchtung für flache, reflektierende Oberflächen

Blankes Kupfer und HASL-Oberflächen sind stark spiegelnd. Eine herkömmliche Ringbeleuchtung erzeugt dann helle Hotspots, die das Pad verdecken. Koaxiales Licht löst dieses Problem. Es verläuft entlang der Kameraachse durch einen Strahlteiler. Dadurch eliminiert es spiegelnde Blendungen und stellt Oberflächenmerkmale gleichmäßig dar. Folglich eignet es sich für die Leiterbahnprüfung, die Pad-Registrierung und die Kontrolle des Lotpastendrucks auf Kupfer- oder ENIG-Leiterplatten.

Wellenlängenauswahl für die Leiterplatten- und Bauteilprüfung

Die Wellenlänge hat einen starken Einfluss auf den Kontrast. Verschiedene Farben interagieren unterschiedlich mit Substraten, Lot und Aufdrucken. Daher sollte die Auswahl auf das zu prüfende Merkmal abgestimmt sein.

Rote und Nahinfrarot-LEDs

Rote LEDs bei 620 bis 660 nm und NIR bei 780 bis 940 nm durchdringen das grüne Leiterplattensubstrat. Dadurch reduzieren sie Störungen durch die Glasfaserstruktur. Rotes Licht verbessert zudem den Kontrast zwischen Lot und Kupfer auf HASL-Platinen. Darüber hinaus liest NIR bei 850 nm durch Schutzlackierungen (Conformal Coating) hindurch und auf dunklen Bauteilkörpern.

Blaue und UV-LEDs

Blaue LEDs bei 450 bis 470 nm heben feine Strukturen auf grünen Substraten hervor. UV-LEDs bei 365 bis 385 nm regen die Fluoreszenz in Flussmittelrückständen und Beschichtungen an. Dadurch wird deren Verteilung klar sichtbar. Infolgedessen eignet sich UV-Licht für die Überprüfung von Schutzlackierungen und Flussmittelrückständen nach dem Löten.

Stroboskopbeleuchtung für Hochgeschwindigkeits-SMT-Linien

Moderne Pick-&-Place-Maschinen schaffen über 100.000 Bauteile pro Stunde. Daher müssen die Kamerabelichtungszeiten unter 1 Millisekunde bleiben, um Bewegungsunschärfe zu vermeiden. Dauerlicht bei dieser Helligkeit würde die thermischen Grenzen der LEDs überschreiten und folglich die Betriebslebensdauer verkürzen.

Ein Stroboskop-Controller löst dieses Problem. Er steuert die LED mit einem kurzen Impuls an, typischerweise 50 bis 500 Mikrosekunden, synchronisiert mit dem Kameratrigger. Während des Impulses kann der Strom auf das Zwei- bis Fünffache des Dauerwerts ansteigen. Daher ist die Spitzenhelligkeit bei kurzen Belichtungszeiten hoch. Beleuchtungen von RODER Vision sind vollständig stroboskopkompatibel, mit stabiler Spitzenleistung und Triggerlatenz im Mikrosekundenbereich.

Überlegungen zur Integration

Der Arbeitsabstand ist in SMT-Systemen oft gering. Die Geometrie von Düse und Zuführung schränkt den Raum ein. Daher muss die Beleuchtung um das Objektiv passen, ohne den Bestückkopf zu blockieren. Bevorzugt werden an den Objektivtubus angepasste Ringbeleuchtungen. Für Abstände unter 30 mm bieten hochdichte Ringe oder Miniatur-Spotbeleuchtungen die passende Geometrie.

Gleichmäßigkeit und Stabilität sind ebenfalls entscheidend für die Genauigkeit. Nicht gleichmäßiges Licht verschiebt die scheinbare Kantenposition und führt zu Fehlern. Deshalb sind RODER-Beleuchtungen auf hohe räumliche Gleichmäßigkeit ausgelegt, was in der Produktion verifiziert wird. Zudem halten Konstantstromtreiber die Lichtleistung trotz Schwankungen der Versorgungsspannung stabil. Die HTTM©-Wärmetechnologie hält die Sperrschicht kühl, was die Lebensdauer verlängert und die Lichtleistung stabilisiert.

RODER Vision Beleuchtungsfamilien für SMT und Pick & Place

Die folgenden Produktfamilien eignen sich für die SMD-Inspektion, Platzierung und Leiterplattenkontrolle. Jede bietet hohe Gleichmäßigkeit, Stroboskopunterstützung und eine stabile Lichtleistung. Daher richtet sich die richtige Wahl nach der jeweiligen Aufgabe und Geometrie.

Die richtige Wahl hängt von der Aufgabe und dem Platzangebot ab. Für Erkennung und Markierung ist die Steilwinkel-Ringbeleuchtung DC4 führend. Für die Anschlusskoplanarität eignet sich hingegen die Flachwinkel-Ringbeleuchtung DC2. Für Maßsilhouetten ist die Durchlichtbeleuchtung BL2 ideal. Sehr beengte Platzverhältnisse sprechen für die Miniatur-Spotbeleuchtung DL3M, die sich leicht integrieren lässt. In jedem Fall bietet RODER Vision technischen Support für Arbeitsabstand und Wellenlänge. Definieren Sie daher zuerst das Bauteil, den Fehler und den Bauraum und wählen Sie erst dann die passende Beleuchtung.

Häufig gestellte Fragen