DD258658A1

DD258658A1 - METHOD FOR CHECKING LOCATION POINTS OF ELECTRONIC ASSEMBLIES

Info

Publication number: DD258658A1
Application number: DD28651786A
Authority: DD
Inventors: Hans-Juergen Albrecht; Hendrik Boehme; Matthias Nordhausen; Uwe Dolling; Juergen Tanner; Wolfgang Scheel
Original assignee: Univ Berlin Humboldt
Priority date: 1986-01-27
Filing date: 1986-01-27
Publication date: 1988-07-27
Also published as: GB2185813B; GB8700512D0; FR2593605A1; DE3636607A1; GB2185813A

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen, optoelektronischen und objektiven Analyse und Diagnose von Fuegestellen (Loetstellen, Klebstellen etc.) der SMD-Bauformen und steckbarer Bauelemente auf Traegersubstraten, die eine vom Pruefer unabhaengige Qualitaetskontrolle zur Charakterisierung der Verfahrenszuverlaessigkeit der Baugruppenmontage Leiterplatte in der Elektrotechnik/Elektronik ermoeglicht.The invention relates to a method and a device for automatic, optoelectronic and objective analysis and diagnosis of footprints (soldering points, splices, etc.) of the SMD types and pluggable components on carrier substrates, the quality control independent of the tester for characterizing the process reliability of the board assembly of electrical engineering / electronics.

Description

Characteristic of the known technical solutions

Es ist bekannt, die Qualitätskontrolle und Fehlerdiagnose von Lötstellen Bauelement-Lot-Lötanschluß visuell, über das menschliche Auge, unter Verwendung und Zuhilfenahme von optisch-technischen Hilfsmitteln, welche eine optische Ausschnitts-und/oder Totalvergrößerung des Prüfobjektes ermöglichen, zu realisieren.It is known to realize the quality control and fault diagnosis of solder joints component solder solder connection visually, on the human eye, using and with the aid of optical-technical aids, which enable a optical excision and / or total magnification of the test object.

Beispiele hierfür sind solche Hilfsmittel, wie Lupen, Mikroskope, Mattscheiben, Videokameras mit Farbmonitor (eee, Nr. 25/26, 17.12.1985, — Zusammenspiel der Komponenten—) und hochauflösende Projektoren (S.Sommer; Optische, rechnergestützte Lötstellenprüfung an Leiterplatten, Feinwerktechnik & Meßtechnik, 92 [1984] 7, S.373,374). Die Funktionsweise der in vorstehenden Quellen beschriebenen Prüfsätze ist teilweise durch den Einsatz von Mikrorechnern definiert und optimiert. Diesen Prüf- bzw. Gerätesystemen ist gemeinsam, daß die eigentliche Auswertung und Beurteilung der Lötstellenqualität, der Prüfer, d. h. der Mensch, übernimmt und somit das visuelle und/oder teilprojektierte Lötstellenbild, entscheidend durch subjektive Faktoren, wie Sehschärfe, Sehkraft, Kondition, Erfahrung und natürlich dem Betrachtungswinkel, bestimmt wird. Weiterhin ist eine automatische Prüfeinrichtung bekannt (Lea, C; Howie, F. H.; Seah, M. P.: Automated inspection of PCB solder joints — An Assessment of the capability of the Vanzetti LT — 6000 Infrared Laser Inspection Instrument, Brazing & Soldering, WeIa Publications Ltd., England, No. 8, Spring 1985), die selbständig das Prüfobjekt — Lötstelle erfaßt, der Lötverbindung mit einem langwelligen Laserstrahl Wärmeenergie zuführt und über einen hochempfindlichen, tiefgekühlten (77 K) Infrarotsensor, den Erwärmungs-und Abkühlungsverlauf (T = f[ti]) analysiert. Der Vergleich dieser Temperaturverläufe (Thermoprofile) mit solchen, die vorher von einem, wiederum visuell zu beurteilenden, einwandfreien adäquaten Prüfmuster gewonnen wurden, läßt eine Aussage über den Ort defekter oder unzureichender Fügestellen zu. Diese Informationen werden einer Nachlötstation zur zielgerichteten Reparatur zugeführt.Examples include such aids as magnifying glasses, microscopes, video cameras with color monitor (eee, No. 25/26, 17.12.1985, - Interplay of component) and high-resolution projectors (S.Summer; Optical, computer-aided soldering test on printed circuit boards, Feinwerktechnik & Messtechnik, 92 [1984] 7, S.373,374). The operation of the test sets described in the above references is partly defined and optimized by the use of microcomputers. These test and device systems have in common that the actual evaluation and assessment of the solder joint quality, the examiner, d. H. the human being, and thus the visual and / or partially projected solder joint image, decisively by subjective factors, such as visual acuity, eyesight, condition, experience and of course the viewing angle, is determined. Furthermore, an automatic testing device is known (Lea, C; Howie, FH; Seah, MP: Automated inspection of PCB solder joints - An Assessment of the capability of the Vanzetti LT - 6000 Infrared Laser Inspection Instrument, Brazing & Soldering, Weia Publications Ltd.). , England, No. 8, Spring 1985), which independently detects the test object solder joint, which supplies heat energy to the solder joint with a long-wave laser beam and a high-sensitivity, deep-frozen (77 K) infrared sensor, the heating and cooling course (T = f [ti ]). The comparison of these temperature profiles (thermoprofiles) with those that were previously obtained from a correctly visually to be assessed, adequate adequate test pattern, can be a statement about the location of defective or insufficient joints. This information is fed to a post soldering station for targeted repair.

Nachteil dieses Verfahrens ist die Tatsache, daß zur eindeutigen Diagnose nur eine selektive Abrasterung jeder Fügestelle möglich ist und ein außerordentlich hoher apparativer Aufwand die Prüfökonomie nachteilig beeinflußt. Weiterhin sind „Eichnormale" einwandfreier Fügestellen für jede nur denkbare Anschlußkonfiguration und damit der gesamten zu prüfenden Baugruppe notwendig, um den Soll-Ist-Vergleich der Thermoprofile aufzeichnen zu können.Disadvantage of this method is the fact that only a selective scanning of each joint is possible for unambiguous diagnosis and an extremely high expenditure on equipment affects the testing economy adversely. Furthermore, "calibration standards" flawless joints for each conceivable connection configuration and thus the entire module to be tested necessary to record the target-actual comparison of the thermal profiles can.

Weiterhin ist ein optoelektronisches Verfahren zur berührungslosen Unterscheidung verschiedener Strukturen auf Oberflächen bekannt (DE OS 3212190). Dabei handelt es sich um einezweidimensionäle Oberflächenanalyse von beliebigen Strukturen auf Oberflächen, die in Bezug auf die Beurteilung von Fügestellen nur eine Information über die zweidimensionale Ausdehnung bringt, ohne daß eine Aussage über die Qualität einer Fügestelle möglich ist.Furthermore, an optoelectronic method for contactless differentiation of different structures on surfaces is known (DE OS 3212190). This is a two-dimensional surface analysis of arbitrary structures on surfaces, which only brings information about the two-dimensional extent with respect to the assessment of joints, without any statement about the quality of a joint is possible.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist es, mit möglichst einfachen technischen Hilfsmitteln, eine automatische, optoelektronische Darstellung und Charakterisierung der reflektierenden Oberflächengeometrie von sichtbaren Fügestellen mikro- und/oder optoelektronischer Bauelemente, insbesondere SMD-Bauformen (SMD — Surface Moanted Derices), auf beliebigen Flachbaugruppen, wie z. B. PCB's (Printed Circuit Board) oder Keramiksubstraten, ohne Einbeziehung subjektiver Faktoren und ohne Mustervergleiche zu realisieren, um aus der Bewertung der Oberflächentopologie der Fügestelle auf die Qualität der Fügestelle schließen zu können.The aim of the invention is to use as simple as possible technical aids, an automatic, optoelectronic representation and characterization of the reflective surface geometry of visible joints of micro and / or optoelectronic devices, in particular SMD (Surface Moated Derices) on any printed circuit boards, such z. As PCBs (Printed Circuit Board) or ceramic substrates, without inclusion of subjective factors and without pattern comparisons to realize in order to conclude from the assessment of the surface topology of the joint on the quality of the joint can.

Presentation of the essence of the invention

Aufgabe der Erfindung ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Analyse und Diagnose der Oberflächentopologie von Fügestellen, insbesondere von reflektierenden, sichtbaren Lötstellen zwischen aufsetzbaren und/oder steckbaren elektronischen Bauelementen und Flachbaugruppen auf Substratträgern (PCB, Keramik, etc.), ohne Einbeziehung subjektiver Faktoren und ohne Mustervergleiche, um aus der Bewertung derTopologie der Fügestelle auf die Qualität z. B. der Lötverbindung zu schließen und wenn notwendig, die computergestützte Ansteuerung von Nacharbeitsplätzen koordinatenkompatibel zu gewährleisten. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Fügestellen (Lot- und/oder Klebverbindungen) mit orthogonal und winkeldefiniert zugeordneten Lichtquellen alternierend beleuchtet werden, deren Abbild an Sensoren mit Ortsauf lösung als ein Reflexionsbild entsteht, daß die Meßsignale der lichtempfindlichen Sensoren, dessen Intensitätscharakteristik mathematisch auf die dreidimensionale Topologie der Fügestelle rückschließt, über einen Rechner ortsabhängig und/oder fügestellenabhängig zugeordnet und einer Auswerteeinheit zugeführt wird und über eine mathematische Funktion (exponentiell Approximation, Young-Laplace-sche-Regression etc.) miteinander zu einem dreidimensionalen Abbild verknüpft werden, das mit dem Abbild bzw. der mathematisch aufbereiteten Information einer Standardfügestelle rechnerintern verglichen und daraus eine Steuergröße für eine automatische Nachbearbeitung abgeleitet wird.The object of the invention is the development of a method for analyzing and diagnosing the surface topology of joints, in particular of reflective, visible solder joints between attachable and / or pluggable electronic components and printed circuit boards on substrate carriers (PCB, ceramic, etc.), without including subjective factors and without Pattern comparisons in order to evaluate the topology of the topology for the quality of e.g. As the solder joint and, if necessary, to ensure the computer-aided control of Nacharbeitsplätzen coordinate compatible. According to the invention, this object is achieved in that the joints (solder and / or glued joints) are alternately illuminated with orthogonal and angle defined light sources, the image of sensors with Ortsauf solution as a reflection image that the measurement signals of the photosensitive sensors whose intensity characteristics mathematically refers to the three-dimensional topology of the joint, is assigned via a computer location-dependent and / or joint-dependent and an evaluation is supplied and a mathematical function (exponential approximation, Young-Laplace-sche-regression, etc.) are linked together to form a three-dimensional image, the compared with the image or the mathematically processed information of a standard frame computer-internal and from this a control variable for automatic post-processing is derived.

Das Ausgangssignal dieses Sensors wird schaltungstechnisch so aufbereitet, daß es durch einen Mikrorechner auswertbar ist. Das Verfahren zur Auswertung des optischen Reflexionsprofils der Fügestelle basiert auf der Grundlage, daß der optische Strahlengang des unter bekanntem Winkel und mit bekannter Intensitätsverteilung auf die Oberfläche der Lötstelle treffenden Lichtes, in Abhängigkeit von der Lotmeniskusfunktion in der Grenzfläche — Bauelement-Lot-Leiterzuganschluß und damit eines eindeutigen Lötbarkeitskriteriums verändert wird und zur Diagnose die Grundlage bildet.The output signal of this sensor is processed in terms of circuitry so that it can be evaluated by a microcomputer. The method for evaluating the optical reflection profile of the joint is based on the assumption that the optical beam path of the light impinging on the surface of the solder joint at a known angle and with known intensity distribution, as a function of the solder meniscus function in the interface component-solder conductor connection and thus a unique solderability criterion is changed and forms the basis for diagnosis.

Über mathematische Approximationsverfahren und/oder Intensitätsverteilungen der Reflexionsebene sind durch Rechnerauswertung eindeutige Analysen der Fügestellen gegeben, deren koordinatenabhängige Auswertung z. B. computerunterstützende Nacharbeitsplätze für SMD-Baugruppen auf PCB anschließen lassen.By mathematical Approximationsverfahren and / or intensity distributions of the reflection level are given by computer analysis unambiguous analyzes of the joints whose coordinate-dependent evaluation z. For example, have computer-assisted rework stations for SMD modules connected to PCB.

embodiment

Vorstehende Erfindungsbeschreibung wurde gerätetechnisch an ein Auflichtmikroskop angepaßt mit dem Ziel, der Objektivierung und Automatisierung optoelektronischer Lötstellendiagnose und -analyse von SMD-Bauformen und/oder steckbaren Bauelementen auf universellen Trägersubstraten, wie PCB, Keramik- und Glassubstrate etc. Dabei wird eine Fügestelle (Lötstelle) (1) von zwei Beleuchtungsquellen'(2,3) beleuchtet und ihr optisches Reflexionsprofil von einem CCD-Sensor (4) (CCD-Zeile und/oder CCD-Matrix) über ein Mikroskop (7) erfaßt. Eine anschließende AD-Wandlung (5) des Sensorausgangssignals gestattet eine mathematisch modellierte oder Intensitäts-Auswertung des Reflexionsprofils durch einen schnellen Digitalrechner (6). Die Auswertung'erfolgt über schnelle Fourier-Transformation, exponentiell Approximation, numerische Approximation, Young-Laplace-sche-Regression oder Analyse von Grenzflächenspannungen schmelzflüssiger Lote an Festkörpern. Die Widerspiegelung des Lotmeniskusverlaufes an der betrachteten Lötstelle im Reflexionsprofil von Reflexionsmaxima charakteristischer Formen an charakteristischen Stellen läßt einen objektiven, eineindeutigen und reproduzierbaren Rückschluß auf die Qualität der Lötstelle und damit die Verfahrenszuverlässigkeit zu.The above description of the invention has been adapted to a reflected light microscope with the aim of objectifying and automating optoelectronic soldering point diagnosis and analysis of SMD designs and / or pluggable components on universal carrier substrates, such as PCB, ceramic and glass substrates, etc. In this case, a joint (solder joint) (1) illuminated by two illumination sources' (2,3) and their optical reflection profile from a CCD sensor (4) (CCD line and / or CCD matrix) via a microscope (7) detected. A subsequent AD conversion (5) of the sensor output signal allows a mathematically modeled or intensity evaluation of the reflection profile by a fast digital computer (6). The evaluation takes place via fast Fourier transformation, exponential approximation, numerical approximation, Young-Laplace-sche regression or analysis of interfacial tensions of molten solders on solids. The reflection of the Lotmeniskusverlaufes at the considered solder joint in the reflection profile of reflection maxima characteristic shapes at characteristic points allows an objective, unambiguous and reproducible conclusion on the quality of the solder joint and thus the process reliability.

Vorstehender Prüf platz arbeitet vollautomatisch, liefert objektive Prüfergebnisse, ist für miniaturisierte Baugruppen vorteilhaft und ermöglicht die Rechnerkopplung zur x-y-Koordinatensteuerung von evtl. notwendigen technologischen Nacharbeitsplätzen derSMD-Technik.The above-mentioned testing station operates fully automatically, provides objective test results, is advantageous for miniaturized modules and enables the computer linkage for x-y coordinate control of possibly necessary rework stations of the SMD technology.

Claims

Method for the automatic testing and evaluation of joints of electronic assemblies, in particular of miniaturized SMD designs and pluggable components on PCBs or other carrier substrates, via opto-electronic aids, characterized in that the joints are illuminated with orthogonal and angle-defined light sources alternately or simultaneously, their image arises on sensors with spatial resolution as a reflection image that the measurement signals of the photosensitive sensors whose intensity characteristic mathematically refers to the three-dimensional topology of the joint, assigned via a computer location-dependent and / or joint-dependent and fed to an evaluation and a mathematical function or approximation with each other be linked to a three-dimensional image, the computer with the image or the mathematically processed information of a standard soldering ve and derived therefrom a control variable for automatic post-processing.

Field of application of the invention

The invention relates to an automatic, optoelectronic, non-destructive and non-contact testing device for detecting and evaluating arbitrarily curved surfaces, in particular the technical joining surfaces of visible solder joints of electronic components on a variety of printed circuit boards. The invention is for fault diagnosis of visible joints, such. As soldering and gluing, on populated and assembled circuit boards or other substrate carriers suitable.