DE102004004278A1

DE102004004278A1 - Vorrichtung und Verfahren zur visuellen Überprüfung von Lötverbindungen

Info

Publication number: DE102004004278A1
Application number: DE102004004278A
Authority: DE
Inventors: Johannes Coleta Maria Van Den Broek; Lambertus Petrus Christinus Willemen; Gerardus Johannes Adrianus Maria Diepstraten
Original assignee: Vitronics Soltec BV
Current assignee: Vitronics Soltec BV
Priority date: 2003-01-29
Filing date: 2004-01-28
Publication date: 2004-08-12
Also published as: NL1022517C2; US20040197019A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur visuellen Überprüfung von auf einem gelöteten Gegenstand gemachten Lötverbindungen, welche Vorrichtung umfaßt: eine Kamera zur Aufnahme von wenigstens einem Bild des gelöteten Gegenstands, auf dem sich die zu verlötenden Lötverbindungen befinden, einen mit der Kamera verbundenen Rechner zum Empfang der von der Kamera stammenden, die von der Kamera aufgenommenen Bilder darstellenden Signale, wobei der Rechner dazu ausgelegt ist, diese Signale mit Signalen zu vergleichen, die repräsentativ sind für korrekte Lötverbindungen, und eine Hantiervorrichtung zum in den Sichtbereich der Kamera Verbringen des gelöteten Gegenstands, auf dem die zu prüfenden Lötverbindungen gemacht worden sind.
Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren, das mit der vorstehenden Vorrichtung ausgeführt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur visuellen Überprüfung von auf einem gelöteten Gegenstand gemachten Lötverbindungen.

Bei der heutigen Massenfertigung von Elektronik werden verschiedenartige Lötmaschinen zur Herstellung von Lötverbindungen verwendet. Dabei werden Wellenlötmaschinen verwendet, "reflow"-Lötmaschinen, oder Lötmaschinen zur Herstellung einzelner Lötverbindungen, häufig in Kombination miteinander.

Bedingt durch die zunehmende Miniaturisierung wird die Anzahl der Komponenten und damit die Anzahl der Lötverbindungen auf einem zu verlötenden Gegenstand, wie einer Platine, immer größer. Außerdem rücken, auch als Folge der zunehmenden Miniaturisierung, die Lötverbindungen immer näher aneinander.

Trotz der ständigen Qualitätsverbesserung von Lötmaschinen, gibt es immer nach die Gefahr, daß ein gelöteter Gegenstand schlechte Lötverbindungen aufweist. Obwohl der Großteil der gelöteten Gegenstände einer funktionellen Prüfung unterzogen wird, bevor der gelötete Gegenstand eingebaut wird, ergibt eine solche funktionelle Prüfung, die zum Beispiel auf einem Prüfgerät durchgeführt wird, das überprüft, ob alle Verbindungen tatsächlich hergestellt sind, keinerlei Hinweise auf Lötverbindungen, die zwar zum galvanischen Kontakt führen, die jedoch mechanisch unzureichend fest sind, weil das Lötmittel zum Beispiel an einem der zu verbindenden Metallteile nicht gut gehaftet hat. Eine solche Lötverbindung kann ja zunächst wohl zur galvanischen Verbindung führen, kann jedoch als Folge von mechanischer Belastung, Temperaturunterschieden und dergleichen leicht zerbrochen werden. Die derzeit an viele elektronische Schaltungen gestellten Anforderungen machen dies unzulässig.

Bislang wendet man dazu visuelle Prüfungen mit dem Auge an. Dies erfordert allerdings einen erheblichen menschlichen Arbeitsaufwand, während die Reproduzierbarkeit der Prüfung bei menschlicher Prüfung im allgemeinen gering ist.

Um diese Probleme zu vermeiden, verschafft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur visuellen Überprüfung von auf einem gelöteten Gegenstand gemachten Lötverbindungen, welche Vorrichtung gekennzeichnet wird durch eine Kamera zur Aufnahme von wenigstens einem Bild des gelöteten Gegenstands, auf dem sich die zu verlötenden Lötverbindungen befinden, und einen mit der Kamera verbundenen Rechner zum Empfang der von der Kamera stammenden, die von der Kamera aufgenommenen Bilder darstellenden Signale, wobei der Rechner dazu ausgelegt ist, diese Signale mit Signalen zu vergleichen, die repräsentativ sind für korrekte Lötverbindungen, und eine Hantiervorrichtung zum in den Sichtbereich der Kamera Verbringen des gelöteten Gegenstands, auf dem die zu prüfenden Lötverbindungen gemacht worden sind.

Zu diesem Zweck verschafft die vorliegende Erfindung ebenfalls ein verfahren zur visuellen Überprüfung von Lötverbindungen, welches Verfahren die nachfolgenden Schritte umfaßt: Die Verbringung des gelöteten Gegenstands in den Aufnahmebereich einer Kamera, auf welchem Gegenstand sich die zu verlötende Lötverbindung befindet; die Erstellung einer Abbildung der zu überprüfenden Lötverbindung; den Vergleich eines die Abbildung darstellenden Signals mit einem ein Beurteilungskriterium darstellenden Referenzsignal; und die auf Grund des Vergleichs erfolgende Ausgabe eines Entscheidungssignals.

Durch eine solche Vorrichtung und ein solches Verfahren werden die Nachteile des durch menschliche Arbeit auszuführenden verfahrens vermieden.

In einer Anzahl von Fällen ergibt ein einzelnes, von der Kamera erstelltes Bild kein ausreichende Information, um die Qualität der Lötverbindung mit ausreichender Genauigkeit überprüfen zu können.

Zu diesem Zweck sieht die Erfindung die Maßnahme vor, daß die Hantiervorrichtung dazu ausgelegt ist, den gelöteten Gegenstand relativ zu der Kamera zu bewegen. Das Verfahren sieht die Maßnahme vor, daß die Position des Gegenstands relativ zu der Kamera abhängig von dem Entscheidungssignal geändert wird.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Hantiervorrichtung dazu ausgelegt, den gelöteten Gegenstand in einer Ebene quer zur optischen Achse der Kamera zu bewegen.

Damit wird es möglich, wenn zum Beispiel die zu überprüfende Lötverbindung im Vergleich zu den Kriterien zu klein dargestellt ist, die zu überprüfende Lötverbindung größer darzustellen.

Eine andere bevorzugte Ausführungsform lehrt, daß die Hantiervorrichtung dazu ausgelegt ist, den gelöteten Gegenstand den gelöteten Gegenstand in einer Ebene quer zur optischen Achse der Kamera zu bewegen.

Damit wird es möglich, bestimmte Defekte von Lötverbindungen besser sichtbar zu machen.

Eine andere bevorzugte Ausführungsform lehrt, daß die Vorrichtung dazu ausgelegt ist, den gelöteten Gegenstand in Reaktion auf einen Vergleich des in einer ersten Position des gelöteten Gegenstands erhaltenen Bilds mit einem im Rechner vorliegenden ersten Kriterium in eine zweite Position zu überführen und daß anschließend das in der zweiten Position erhaltene Bild mit einem zweiten Kriterium verglichen wird.

Mit diesen Maßnahmen sieht die Erfindung Mittel zur Behebung von Zweifeln in bezug auf die Qualität von Lötverbindungen vor, wenn das in einer ersten Position erhaltene Bild einer Lötverbindung unzureichende Information enthält, um sich ein Urteil zu machen über die Qualität der Lötverbindung; in einer solchen Zweifelposition sieht die Erfindung den Erhalt eines zweiten Bilds zum Erhalt weiterer Informationen vor.

Nachstehend wird die vorliegende Erfindung an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert, worin zeigen:
1: eine perspektivische schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2: eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
3: eine schematische Schnittansicht einer korrekten Lötverbindung; und
4-6: 3 entsprechende Ansichten defekter Lötverbindungen.
In 1 ist eine Platine 1 dargestellt, an deren Unterseite Lötverbindungen gemacht worden sind. Zur Überprüfung der Lötverbindungen auf der Platine 1 ist die Platine 1 in eine insgesamt mit 2 bezeichneten Hantiervorrichtung aufgenommen. Die Hantiervorrichtung umfaßt zwei Klemmen 3 zum Einklemmen der Platine 2 welche Klemmen 3 rotierbar um eine Achse 4 befestigt sind in einem Bügel 5. Der Bügel 5 ist seinerseits rotierbar um eine Achse 6 befestigt in einer Halterung 7, die an einem Träger 8 befestigt ist. Der Träger 8 ist in Richtung des Pfeils 9 in im wesentlichen senkrechter Richtung bewegbar.
Zum Rotierenlassen der Platine 1 und dar Klemmen 3 um die Achse 4 wird ein an dem Bügel 5 befestigter Motor 10 eingesetzt. Während für die Drehung des Bügels 5 um die Achse 6 ein Motor 11 eingesetzt wird. Statt der dargestellten Motoren ist es möglich, andere Antriebselemente zu verwenden, wie Luftzylinder und dergleichen. Die Hantiervorrichtung 2 kann übrigens Bestandteil von zum Beispiel einem Roboter sein, wobei zahllose Ausführungsformen möglich sind. Außerdem kann die Hantiervorrichtung nicht nur zum Hantieren der Platine zur visuellen Darstellung derselben verwendet werden, sondern auch zur Vornahme anderer Handlungen mit der Platine, zum Beispiel das Anheben und Abstellen, oder die Bewegung über eine Lötvorrichtung, einen Fluxer oder eine andere Bearbeitungsvorrichtung.
In 1 ist unter der Hantiervorrichtung 2 eine Kamera 12 dargestellt, die ein Kameragehäuse 13 und eine Linse 14 umfaßt. Die Linse ist so ausgerichtet, daß die Platine 1 in ihren Aufnahmebereich gebracht werden kann, der von der Linie 15 definiert wird.
Obwohl bei dieser Ausführungsform eine Hantiervorrichtung vorliegt, die dazu ausgelegt ist, die Platine 1 relativ zu der Kamera zu hantieren, ist es ebenfalls möglich, die Platine an einer festen Stelle zu halten und die Kamera bewegen zu lassen relativ zu der Platine 1. Dies ist zum Beispiel möglich, indem die Kamera in einem Roboter oder einer anderen Hantiervorrichtung untergebracht wird. Dabei ist es ebenfalls möglich, die Platinen zum Beispiel "on the fly" zu überprüfen, indem man die Kamera mit einer zum Beispiel sich auf einem Förderband bewegenden Platine mitbewegen läßt.
Auch ist es möglich, zum Beispiel Spiegel zur Darstellung der Lötverbindungen zu der Kamera hin zu benutzen.
Bei der in 2 dargestellten Hantiervorrichtung 16 wird die Platins in einem Greifelement 17 eingeklemmt. Das Greifelement ist befestigt an einem Träger 18, der um eine senkrechte Achse 19 drehbar ist mittels eines Motors 20. Der Motor 20 ist auf einer Kippplatte 21 befestigt, wobei der Motor 20 für das Drehen des Trägers 18 und damit der Greifvorrichtung 17 um die Achse 19 dreht. Die Kippplatte 20 ist gegenüber der Trägerkonstruktion 22 rotierbar um eine waagerechte Achse 23. Dabei wird ein Antrieb mittels eines Luftzylinders 24 verwendet. Auch diese Konstruktion kann Bestandteil eines Roboters oder einer anderen Hantiervorrichtung sein.
3 zeigt in schematischer Weise eine korrekte Lötverbindung. In 3 ist eine Platine 1 dargestellt, in der ein Loch 26 gebohrt ist. Auf der Platine 1 ist eine Komponente, zum Beispiel ein Kondensator 27, von dem ein Anschlußdraht 28 durch das Loch 26 hindurchsteckt. Die Platine ist an seiner Unterseite mit einer Metallschicht 29 versehen, die im allgemeinen auf Kupfer hergestellt ist. Es wird klar sein, daß sich diese Metallschicht nur einem Leitermuster entsprechend erstreckt.
Die betreffende Platine 1 unterliegt einem Lötvorgang, wodurch eine korrekte Lötverbindung 30 gebildet ist. Diese besteht aus einer sowohl an der Metallschicht 29 als auch am Anschlußdraht 28 gehefteten Menge Lötmittel.
Weiter zeigt 3 an der Unterseite eine senkrechte Projektionsebene 31, die zur Repräsentation einer Darstellung auf zum Beispiel dem CCD Aufnahmeteil der Kamera bestimmt ist. Dabei sind die Linsen und etwaigen anderen optischen Hilfsmittel unberücksichtigt gelassen. Mit unterbrochener Linie 32 ist die Projektion der Lötverbindung auf die Projektionsebene 3i dargestellt. Mit 33 ist eine schräge Projektionsebene dargestellt, zum Vergleich der Situation, in der die Platine 1 gegenüber der ursprünglichen waagerechten Position gekippt ist. Auch dabei werden Projektionslinien 34 zum Erhalt eines Bilds verwendet.
Es wird klar sein, daß das projizierte Bild von dem auf die Projektionsebene 31 projizierten Bild abweicht.
In den 4,5 und 6 sind jeweils andersartige fehlerhafte Lötverbindungen dargestellt. Dabei wird nachgewiesen, daß durch die Projektion auf eine andere, schräg angeordnete Ebene, in bestimmten Situationen ein besseres Bild von der Lötverbindung erhalten werden kann, so daß in der dargestellten Situation ein besseres Kriterium zur Verfügung steht für die Beurteilung der Qualität der Lötverbindung.

Claims

Vorrichtung zur visuellen Überprüfung von auf einem gelöteten Gegenstand gemachten Lötverbindungen, gekennzeichnet durch: – eine Kamera zur Aufnahme von wenigstens einem Bild des gelöteten Gegenstands, auf dem sich die zu überprüfenden Lötverbindungen befinden] – einen mit der Kamera verbundenen Rechner zum Empfang der von der Kamera stammenden, die von der Kamera aufgenommenen Bilder darstellenden Signale, wobei der Rechner dazu ausgelegt ist, diese Signale mit Signalen zu vergleichen, die für korrekte Lötverbindungen 15 repräsentativ sind; und – eine Hantiervorrichtung, um den gelöteten Gegenstand, auf dem die zu überprüfenden Lötverbindungen gemacht sind, in den Sichtbereich der Kamera zu bringen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hantiervorrichtung dazu ausgelegt ist, daß der gelötete Gegenstand gegenüber der Kamera gestellt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hantiervorrichtung dazu ausgelegt ist, daß der gelötete Gegenstand in der Ebene quer zu der optischen Achse der Kamera bewegt werden kann.
Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hantiervorrichtung dazu ausgelegt ist, den gelöteten Gegenstand in Richtung der optischen Achse zu bewegen.
Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hantiervorrichtung dazu ausgelegt ist, den gelötete Gegenstand um eine erste, sich senkrecht zu der optischen Achse der Kamera erstreckende Achse zu kippen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hantiervorrichtung dazu ausgelegt ist, den gelöteten Gegenstand um eine zweite, sich senkrecht zu der optischen Achse der Kamera und senkrecht zu der ersten Achse zu kippen.
Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung dazu ausgelegt ist, den gelöteten Gegenstand in Reaktion auf einen Vergleich des in einer ersten Position des gelöteten Gegenstands erhaltenen Bilds mit einem im Rechner vorliegenden ersten Kriterium in eine zweite Position zu überführen und daß anschließend das in der zweiten Position erhaltene Bild mit einem zweiten Kriterium verglichen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung dazu ausgelegt ist, den Abstand zwischen der Kamera und dem gelöteten Gegenstand zu verringern, wenn das erste Kriterium nicht erfüllt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung dazu ausgelegt ist, den gelöteten Gegenstand bei Nichterfüllung des ersten Kriteriums um eine sich senkrecht zu der optischen Achse erstreckende Achse zu kippen.
Verfahren zur visuellen Überprüfung von Lötverbindungen, welches Verfahren die nachfolgenden Schritte umfaßt: – Die Verbringung des gelöteten Gegenstands in den Aufnahmebereich einer Kamera, auf welchem Gegenstand sich die zu verlötende Lötverbindung befindet; – die Erstellung einer Abbildung der zu überprüfenden Lötverbindung; – den Vergleich eines die Abbildung darstellenden Signals mit einem ein Beurteilungskriterium darstellenden Referenzsignal; und – die auf Grund des Vergleichs erfolgende Ausgabe eines Entscheidungssignals.
verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Position des Gegenstands gegenüber der Kamera abhängig von dem Entscheidungssignal geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen der Kamera und dem gelöteten Gegenstand abhängig von dem Entscheidungssignal geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Kamera und dem gelöteten Gegenstand abhängig von dem Entscheidungssignal geändert wird.