Die Inspektion von PCBs und Elektronik gehört zu den anspruchsvollsten Anwendungen in der industriellen Bildverarbeitung. Die Abmessungen der Bauteile schrumpfen mit jeder Produktgeneration. Lötstellen sind häufig kleiner als 0,5 mm. Vergoldete Pads, verzinnte Oberflächen und Lötpaste weisen sehr unterschiedliche Reflexionseigenschaften auf. Ein Beleuchtungsansatz, der für eine Prüfaufgabe auf einer Leiterplatte funktioniert, kann für eine andere Aufgabe auf derselben Platine völlig unbrauchbare Bilder liefern.
Der Beleuchtungsingenieur muss die PCB-Inspektion daher als Multitask-Problem behandeln. Unterschiedliche Prüfaufgaben erfordern verschiedene Beleuchtungsgeometrien – oft auf derselben Platine in derselben Fertigungslinie. Das Verständnis der optischen Eigenschaften jedes Prüfobjekts ist der Ausgangspunkt für die Entwicklung einer effektiven Beleuchtungsstrategie.
Die Herausforderung der PCB-Inspektion: Miniaturisierung und reflektierende Oberflächen
Moderne PCBs vereinen zahlreiche Oberflächentypen auf engstem Raum. Unbestücktes FR4-Substrat, Lötlack, Lötpaste, Lötstellen, Kupferleiterbahnen, vergoldete Pads, Bauteilkörper, Bauteilkennzeichnungen und Klebepunkte können sich alle auf wenigen Quadratzentimetern befinden. Jedes Material besitzt eine unterschiedliche Reflexion, Farbe und Oberflächenstruktur und reagiert anders auf direkte, diffuse, koaxiale und Dunkelfeldbeleuchtung.
Der Trend zur Miniaturisierung verschärft das Problem. Während die Gehäuseformen der Bauteile von QFP über BGA bis hin zu CSP schrumpfen, steigt die vom Bildverarbeitungssystem benötigte räumliche Auflösung. Eine höhere Vergrößerung bedeutet ein kleineres Sichtfeld, was wiederum erfordert, dass die Beleuchtung eine konstante Intensität und Gleichmäßigkeit über eine kleinere Fläche liefert und gleichzeitig die richtige Geometrie für die Prüfaufgabe beibehält.
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Lötstelleninspektion: Koaxiale Beleuchtung und Dunkelfeldbeleuchtung
Die Lötstelleninspektion ist die kritischste Aufgabe bei der Qualitätskontrolle der SMT-Bestückung. Das Ziel ist die Erkennung von unzureichendem Lot, Lotüberschuss, Lötbrücken, kalten Lötstellen und Tombstoning. Jeder Fehlertyp weist eine andere dreidimensionale Form und eine eigene optische Signatur auf.
Koaxiale Beleuchtung für flache Lötoberflächen
Gut ausgebildete Lötstellen auf flachen Pads besitzen eine charakteristische spiegelnde, flache Oberseite. Koaxiale Beleuchtung – bei der das Licht entlang der optischen Achse der Kamera verläuft – erzeugt eine helle, gleichmäßige Reflexion an dieser flachen Oberfläche. Defekte Lötstellen mit einer rauen, unregelmäßigen oder geneigten Oberfläche reflektieren weniger Licht entlang der optischen Achse zurück und erscheinen dunkler. Dieser Helligkeitsunterschied bildet die Grundlage für die koaxiale Lötstellenprüfung.
Koaxiale Beleuchtung eignet sich auch hervorragend zur Inspektion vergoldeter Pads vor dem Löten. Die Goldoberfläche ist hochgradig spiegelnd, sodass vergoldete Pads unter koaxialer Beleuchtung uniform hell erscheinen. Verunreinigungen, Oxidation oder Beschädigungen auf der Pad-Oberfläche unterbrechen die gerichtete Reflexion und erscheinen als dunklere Bereiche. Dies ermöglicht sowohl die Pad-Prüfung vor dem Reflow-Löten als auch die Überprüfung der Lötstellenqualität.
Dunkelfeldbeleuchtung zur Erkennung von Lötfehlern
Dunkelfeldbeleuchtung mit flachem Winkel eignet sich hervorragend zur Erkennung von Lötbrücken, Lötkugeln und Oberflächenverunreinigungen auf PCBs. Bei Beleuchtung mit streifendem Einfall erscheinen der flache Lötlack und die flachen Pad-Oberflächen dunkel. Erhabene Lötmerkmale – Brücken zwischen Pads, Lötkugeln auf der Platine, abgehobene Bauteilanschlüsse – streuen das Licht und erscheinen hell. Dieser Kontrast macht kleine Lötfehler selbst dann sichtbar, wenn sie nur einen Bruchteil eines Millimeters hoch sind.
Verifizierung der Bauteilplatzierung: Durchlicht und Ringbeleuchtung
Die Verifizierung der Bauteilplatzierung prüft, ob die Bauteile vorhanden, korrekt ausgerichtet und innerhalb der Bestückungstoleranz liegen. Verschiedene Bauteiltypen erfordern unterschiedliche Beleuchtungsansätze.
Backlight für die Konturinspektion bedrahteter Bauteile
Für bedrahtete THT-Bauteile und große SMT-Gehäuse mit sichtbaren Anschlusskonturen bietet die Durchlichtbeleuchtung den höchsten Kontrast für die Messung von Anschlussposition und -biegung. Die Bauteilanschlüsse erscheinen als dunkle Silhouetten vor dem hellen Durchlicht. Koplanarität der Anschlüsse, Pin-Abstand sowie das Vorhandensein verbogener oder fehlender Pins lassen sich aus dem Silhouettenbild mit Subpixelgenauigkeit messen.
Ringbeleuchtung für Bauteilanwesenheit und Polarität
Ringbeleuchtungen liefern ein Auflicht, das sich hervorragend zur Erkennung der Bauteilanwesenheit und zum Lesen von Polaritätsmarkierungen eignet. Die Ringgeometrie beleuchtet die Oberseite des Bauteils aus allen Azimuten und erzeugt ein gleichmäßiges Hellfeldbild des Bauteilkörpers. Bauteilkennzeichnungen, Polaritätsindikatoren und Ausrichtungsmerkmale heben sich deutlich vom Hintergrund des Bauteilkörpers ab. Dies ist der Standardansatz zur Bestätigung der korrekten Ausrichtung von Dioden, Elektrolytkondensatoren und polarisierten ICs.
Leiterbahn- und Via-Inspektion auf unbestückten Platinen
Die Unbestückt-Platineninspektion prüft die Kontinuität der Kupferleiterbahnen, die Leiterbahnbreite, den Leiterabstand und das Vorhandensein von Vias vor der Bauteilmontage. Das Prüfobjekt ist das Kupferleiterbahn-Muster auf der Lötlackoberfläche.
Koaxiale oder nahekoaxiale Direktbeleuchtung ist der Standardansatz für die Inspektion unbestückter Leiterplatten. Die Lötlackoberfläche besitzt eine definierte Reflexion, während die Kupferleiterbahnbereiche eine abweichende aufweisen. Der Kontrast zwischen beiden ermöglicht eine klare Abbildung des Leiterbahnrasters. Bei hochdichten Platinen mit sehr feinen Leiterbahnbreiten unter 100 Mikrometern kann eine NIR-Beleuchtung den Kontrast zwischen Kupfer und Lötlack schärfen, indem sie die unterschiedliche Spektralreflexion der beiden Materialien nutzt.
Via-Inspektion
Via-Bohrungen auf einer unbestückten Platine erscheinen unter koaxialer Beleuchtung als dunkle Kreise vor dem hellen umgebenden Kupfer oder Lötlack. Via-Durchmesser, Abstand und Füllstatus lassen sich aus dem Bild messen. Unverfüllte Vias, die hätten durchkontaktiert werden sollen, unterscheiden sich deutlich von ordnungsgemäß gefüllten Vias. Eine Durchlichtbeleuchtung kann ebenfalls für die Via-Prüfung genutzt werden, wenn die Platine dünn genug für die Lichttransmission ist.
IC-Beschriftungs- und Serialisierungslesung
Die Verifizierung der IC-Beschriftung sowie die Datamatrix- oder Barcode-Lesung auf Bauteilgehäusen sind häufige Aufgaben in der Elektronikinspektion. Die Kennzeichnung ist in der Regel per Laser graviert oder mit Tinte auf einem Kunststoff- oder Keramikgehäuse aufgedruckt. Der Kontrast zwischen der Beschriftung und der Gehäuseoberfläche hängt vom Kennzeichnungstyp, der Gehäusefarbe und den Beleuchtungsbedingungen ab.
Bei lasergravierten Beschriftungen auf dunklen IC-Gehäusen hebt die direkte Beleuchtung im flachen Winkel den Höhenunterschied zwischen der gravierten und der ungravierten Oberfläche hervor und bietet einen besseren Kontrast als eine senkrechte Frontbeleuchtung. Bei tintengedruckten Beschriftungen auf Kunststoffgehäusen reicht eine direkte Frontbeleuchtung in einem moderaten Winkel gewöhnlich aus. Für Datamatrix-Codes, die bei hoher Geschwindigkeit zuverlässig gelesen werden müssen, sind eine ausreichende Intensität und der richtige Winkel wichtiger als die spezifische Beleuchtungsgeometrie.
Beherrschung reflektierender Gold- und Zinnoberflächen ohne Blendung
Vergoldete Steckverbinder, verzinnte Anschlüsse und benetzte Lötflächen gehören aufgrund ihrer sehr hohen spiegelnden Reflexion zu den anspruchsvollsten Materialien bei der PCB-Inspektion. Unter direkter Frontbeleuchtung erzeugen diese Oberflächen intensive spiegelnde Hotspots, die den Kamerasensor überstrahlen und die relevanten Merkmale verdecken.
Drei Ansätze werden genutzt, um spiegelnde Reflexionen von Gold- und Zinnoberflächen zu beherrschen.
Der erste ist die koaxiale Beleuchtung, die die spiegelnde Reflexion konstruktiv nutzt, indem sie die Reflexion auf die Kameraachse ausrichtet. Merkmale, die flach und senkrecht zur optischen Achse liegen, erscheinen uniform hell; geneigte oder unregelmäßige Merkmale erscheinen dunkler.
Der zweite ist die Dome- oder Flachkuppelbeleuchtung, die die Hemisphäre der Beleuchtungswinkel ausfüllt, sodass sich spiegelnde Reflexionen über den gesamten Innenraum des Doms verteilen, anstatt sich auf einen einzelnen Winkel zu konzentrieren. Dies beseitigt helle Hotspots auf Kosten einer gewissen Reduzierung des Merkmalskontrasts.
Der dritte ist die Polarisation. Ein Polarisationsfilter an der Beleuchtung und ein kreuzpolarisierter Analysator am Kameraobjektiv eliminieren spiegelnde Reflexionen von metallischen Oberflächen. Nur der diffus gestreute Anteil des reflektierten Lichts passiert den kreuzpolarisierten Analysator. Dadurch wird die Blendung von Gold- und Zinnoberflächen vollständig entfernt und Oberflächenmerkmale werden sichtbar, die bei unpolarisierter Beleuchtung durch spiegelnde Reflexionen verdeckt werden.
Produkte und Technologien
RODER Vision Beleuchtungsfamilien für die PCB- und Elektronikinspektion
Die folgenden RODER Vision Produktfamilien decken die häufigsten Beleuchtungsanforderungen bei der PCB-Bestückungsinspektion und der elektronischen Qualitätskontrolle ab.
DC6 — LED-Ringbeleuchtung mit hoher Dichte
Ringbeleuchtung für Bauteilanwesenheit, Polaritätsmarkierung, Lötstelleninspektion. Nahekoaxiale Geometrie für reflektierende Pad-Oberflächen. Mehrere Wellenlängen.
FD2 – Flat Dome LED-Beleuchtungseinheiten
Diffuse Beleuchtung für bestückte PCBs mit gemischten reflektierenden und matten Oberflächen. Beseitigt spiegelnde Hotspots. Ideal für die Anwesenheits- und Sichtprüfung der gesamten Platine.
DL6 – LED-Matrix mit hoher Packungsdichte
Direkte Matrixbeleuchtung für Leiterbahnprüfung unbestückter Platinen, IC-Beschriftungslesung und Datamatrix-Verifizierung. Thermische Stabilität durch HTTM. NIR- und UV-Optionen.
BL3 — LED Durchlicht-Serie
Durchlicht zur Silhouetteninspektion bedrahteter Bauteile: Pin-Koplanarität, Abstand und Erkennung von Verbiegungen. Hohe Gleichmäßigkeit. Verschiedene Größen und Wellenlängen.
Häufig gestellte Fragen
Koaxiale Beleuchtung ist die effektivste Technik zur Inspektion flacher Lötpad-Oberflächen und vergoldeter Pads. Sie erzeugt eine helle, gleichmäßige Reflexion von flachen Oberflächen und stellt Defekte als dunklere Bereiche dar. Dunkelfeldbeleuchtung mit flachem Winkel eignet sich gut zur Erkennung erhabener Lötfehler wie Brücken, Lötkugeln und abgehobener Anschlüsse, die sich hell vom dunklen Hintergrund abheben.
Drei Ansätze werden verwendet: koaxiale Beleuchtung, die die spiegelnde Reflexion konstruktiv nutzt; Dome- oder Flachkuppelbeleuchtung, die Reflexionen über die gesamte Hemisphäre verteilt, um Hotspots zu beseitigen; und kreuzpolarisierte Beleuchtung, die spiegelnde Reflexionen mit einem Polarisationsfilter an der Beleuchtung und einem kreuzpolarisierten Analysator am Kameraobjektiv vollständig entfernt. Kreuzpolarisation ist der umfassendste Weg, um Blendung von Gold- und Zinnoberflächen zu beseitigen.
NIR-Wellenlängen (850 nm oder 940 nm) können den Kontrast zwischen Kupferleiterbahnen und Lötlack auf unbestückten Platinen schärfen, indem sie die unterschiedliche Spektralreflexion der beiden Materialien nutzen. UV-Beleuchtung kann den Kontrast bestimmter Lötlackfarben erhöhen und Verunreinigungen auf Pad-Oberflächen sichtbar machen. Für die allgemeine PCB-Inspektion ist rote (617 nm) oder weiße Beleuchtung ein guter Ausgangspunkt, wobei NIR oder UV in Betracht gezogen werden, wenn Standardwellenlängen des sichtbaren Lichts nicht genügend Kontrast liefern.
In den meisten Fällen erfordern unterschiedliche Prüfaufgaben auf derselben Leiterplatte verschiedene Beleuchtungsgeometrien. Eine einzelne Kamerastation kann eine Ringbeleuchtung für die Bauteilanwesenheit und eine Flat-Dome-Beleuchtung für die optische Prüfung der bestückten Platine verwenden, die für jede Aufgabe separat getriggert werden. Für Inline-AOI-Systeme mit hohem Durchsatz werden mehrere Beleuchtungsmodi nacheinander getriggert, um bei voller Produktionsgeschwindigkeit separate Bilder für jede Aufgabe zu erfassen.
Bei lasergravierten Datamatrix-Codes auf dunklen IC-Gehäusen hebt die direkte Beleuchtung im flachen Winkel den Höhenunterschied zwischen gravierten und ungravierten Bereichen hervor und verbessert so den Kontrast. Bei tintengedruckten Codes reicht eine direkte Frontbeleuchtung in einem moderaten Winkel gewöhnlich aus. Eine ausreichende Intensität und der richtige Winkel sind wichtiger als die spezifische Beleuchtungsgeometrie. Der Blitzmodus liefert genügend Intensität ohne thermische Beeinträchtigung der Beleuchtung.
Kontakte & Informationen
Kontakt für allgemeine Informationen : info@roder.it
Partner für System- und Sensorintegration : www.roder.it
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