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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung des Zustandes einer Verbindung
zwischen zwei Baugruppen, die an mindestens einer Verbindungsstelle,
also einer oder mehreren Verbindungsstellen, miteinander verbunden
sind.
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Unter
einer jeweiligen Baugruppe soll dabei vorliegend sowohl eine aus
nur einem Bauteil bestehende Baugruppe (z.B. eine unbestückte Leiterplatte)
als auch eine aus mehreren Bauteilen zusammengesetzte Baugruppe
(z.B. eine teilweise bestückte Leiterplatte)
verstanden werden.
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Der
Prüfung
der Qualität
von Verbindungsstellen zwischen miteinander verbundenen Baugruppen
kommt große
Bedeutung zu, da der Zustand der Verbindungsstellen entscheidend
für die
Funktionstüchtigkeit
der Baueinheit sein kann, die aus den miteinander verbundenen Baugruppen
gebildet ist. Bei den miteinander verbundenen Baugruppen kann es sich
beispielsweise um eine Leiterplatte einerseits und auf der Leiterplatte
anzuordnende (elektrische, elektronische, magnetische oder optische) Bauelemente
andererseits handeln, wobei die Verbindungsstellen insbesondere
als Lötstellen
oder als Bondverbindungen ausgebildet sind.
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Bei
derartigen stoffschlüssigen
Verbindungsstellen kommt es, ebenso wie bei anderen Verbindungsstellen,
auf Grund von Materialalterung zu Schädigungen, die eine jeweilige
Verbindungsstelle beeinträchtigen.
Beispiele hierfür
sind Degradationseffekte bei stoffschlüssigen Verbindungen, wobei sich
an der Verbindungsstelle Materialien trennen und teilweise zur Oberfläche wandern.
Die Oberflächenveränderung
im Bereich der Verbindungsstelle bildet dann ein Alterungsmerkmal,
anhand dessen der Zustand und die Qualität der Verbindungsstelle prüfbar sind.
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Hervorgerufen
wird die Alterung von Verbindungsstellen einerseits durch Belastungen
beim Gebrauch (Abnutzung) und andererseits durch belastende Umgebungsbedingungen
(Umwelteinflüsse). So
können
insbesondere Temperaturwechsel und Erschütterungen zu irreversiblen
Schäden
an den Materialien einer Verbindungsstelle führen.
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Die
Bedingungen, die zur Beeinträchtigung (Schädigung)
einer Verbindungsstelle führen,
und die Alterungsmerkmale, anhand derer die nachlassende Qualität einer
Verbindungsstelle erkennbar ist, sind bei vielen Verbindungstypen,
insbesondere Lötverbindungen
und Bondverbindungen, bekannt. So weisen beispielsweise bei Lötverbindungen
Veränderungen
des Glanzes sowie der Oberflächenrauhigkeit auf
Alterungsprozesse hin.
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Es
ist auch eine Vielzahl Verfahren bekannt, die für bestimmte Verbindungstypen,
beispielsweise für
die erwähnten
Löt- und
Bondverbindungen, eine Bestimmung von Alterungsmerkmalen ermöglichen. Diese
basieren häufig
auf optischen Verfahren, wie etwa die Interferometrie, mit der sich
die charakteristische Oberflächenstruktur
von Mikrorissen an einer Lötstelle
erkennen und vermessen lässt.
Weiter sei beispielhaft auf die
DE 298 23 250 U1 verwiesen, in der eine Schaltungsanordnung
und ein hiermit durchführbares
Verfahren zur Prüfung
von Lötstellen
beschrieben sind.
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Der
Zustand der Verbindungsstellen zwischen zwei Baugruppen dient dabei
häufig
auch als Zeiger für
den Gesamtzustand einer durch Verbindung von Baugruppen geschaffenen
Baueinheit. Auch aus diesem Grund kommt der Prüfung des Zustandes von Verbindungsstellen
zwischen zwei oder mehr Baugruppen in der Praxis große Bedeutung
zu.
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Allerdings
besteht das Problem, dass aus der Ausprägung bestimmter Alterungsmerkmale nicht
zwingend darauf geschlossen werden kann, ob eine jeweilige Verbindungsstelle
ihre Funktion noch zuverlässig
erfüllt
oder ob bereits eine Funktionsbeeinträchtigung vorliegt, die Servicearbeiten
erforderlich macht. Mit anderen Worten ausgedrückt, gibt es keine eindeutige
Beziehung zwischen der Ausprägung
bestimmter Alterungsmerkmale einer Verbindungsstelle und einem bevorstehenden
Funktionsausfall der Verbindungsstelle.
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Der
Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein verbessertes Verfahren
zur Prüfung
des Zustandes von Verbindungsstellen, insbesondere von stoffschlüssigen Verbindungsstellen
(z.B. Lötstellen
und Bondverbindungen), zu schaffen, das mit möglichst einfachen Mitteln zuverlässige Aussagen über die Funktionstüchtigkeit
einer zu untersuchenden Verbindungsstelle ermöglicht.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch
die Schaffung eines Verfahrens mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Danach
wird zu einem ersten Zeitpunkt mindestens ein Alterungsmerkmal einer
zu untersuchenden Verbindungsstelle ermittelt und es werden erste Daten
erzeugt, die das Ergebnis der Merkmalsermittlung repräsentieren
und die in einem Datenspeicher gespeichert werden. Zu einem oder
mehreren weiteren, von dem ersten Zeitpunkt verschiedenen (späteren) Zeitpunkten
wird das jeweilige Alterungsmerkmal der entsprechenden Verbindungsstelle
dann erneut ermittelt und es werden dementsprechend weitere Daten
erzeugt, die das Ergebnis der jeweiligen weiteren Merkmalsermittlung
repräsentieren
und die bevorzugt ebenfalls in einem Datenspeicher, insbesondere
in demselben Datenspeicher wie die ersten Daten, gespeichert werden.
Zur Prüfung
des Zustandes und der Qualität
der zu untersuchenden Verbindungsstelle wird dann der Unterschied
zwischen zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommenen Alterungsmerkmalen
bestimmt und ausgewertet.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
beruht auf der Erkenntnis, dass die Veränderung von Alterungsmerkmalen
mit der Zeit, also das Fortschreiten der Alterung (Beeinträchtigung
bzw. Schädigung)
einer Verbindungsstelle einen wichtigen Hinweis darauf geben kann,
ob bei einer Verbindungsstelle ein Alterungszustand vorliegt, der
eine bevorstehende Funktionsuntüchtigkeit
der Verbindungsstelle erwarten lässt
und daher entsprechende Servicearbeiten erforderlich macht.
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So
sind Servicearbeiten, insbesondere in Form von Reparatur- oder Austauscharbeiten,
dann erforderlich, wenn bei mindestens einem bereits eine substantielle
Beeinträchtigung
bzw. Schädigung
einer Lötstelle
anzeigenden Alterungsmerkmal durch die zeitabhängigen Messungen eine fortschreitende Ausprägung des
Alterungsmerkmales in Abhängigkeit
von der Zeit erkannt wird.
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Die
Ermittlung der Alterungsmerkmale, die zur Prüfung des Zustandes einer jeweiligen
Verbindungsstelle herangezogen werden, erfolgt bevorzugt durch Abtastung
der Verbindungsstelle ohne mechanische Einwirkung, also insbesondere
berührungslos.
Hierbei können
die bekannten Verfahren zum Abtasten von Verbindungsstellen, insbesondere
stoffschlüssiger
Verbindungsstellen, wie Lötstellen
oder Bondverbindungen, herangezogen werden. So kann einerseits eine
Abtastung der zu prüfenden
Verbindungsstelle mittels geeigneter Wellen erfolgen, z.B. mittels
Ultraschall oder mittels elektromagnetischer Strahlung. Im letztgenannten
Fall ist sowohl eine optische Abtastung als auch eine Abtastung
mittels Röntgenstrahlung
möglich.
Zur optischen Abtastung eignet sich eine Kamera, die zumindest in
einer Ebene oder ggf. in allen drei Raumrichtungen beweglich gelagert
ist und so jeweils in eine Position verfahren werden kann, von der
aus ein optimales Bild der zu untersuchenden Verbindungsstelle erzeugbar
ist. Nach einer anderen Variante der Erfindung kann die Abtastung
der zu prüfenden
Verbindungsstelle elektronisch erfolgen.
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Bei
den durch Abtastung der zu untersuchenden Verbindungsstelle erzeugten
Daten kann es sich um elektronische Daten in Form digitalisierter Daten
handeln, die vor der Speicherung komprimiert werden, um möglichst
große
Datenmengen mit möglichst
geringem Speicherbedarf für
eine zeitabhängige
Auswertung bereithalten zu können.
Insbesondere bei einer optischen Abtastung der zu untersuchenden
Verbindungsstellen liegen die bei der Merkmalsermittlung gewonnenen
Daten als Bilddaten vor, die einen entsprechend großen Speicherplatz
benötigen.
Hier ist eine Kompression der Daten vor der Speicherung von großem Vorteil.
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Der
Begriff „Merkmalsermittlung" wird hier als kurze
Bezeichnung für
die „Ermittlung
der Ausprägung
eines jeweiligen Alterungsmerkmales" verwendet, also für die Ermittlung, in welcher
Ausprägung ein
bestimmtes Alterungsmerkmal (z.B. Glanz oder Oberflächenrauhigkeit
an einer Lötstelle)
zu einem bestimmten Zeitpunkt vorhanden ist.
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Neben
den Daten, die das Ergebnis der Merkmalsermittlung bezogen auf eine
jeweilige Verbindungsstelle repräsentieren,
können
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
weiterhin Daten erzeugt werden, die zur Identifizierung der über die
zu prüfende
Verbindungsstelle miteinander verbundenen Baugruppen sowie zur Identifizierung
einer jeweiligen Verbindungsstelle selbst (unter einer Mehrzahl
Verbindungsstellen) dienen. Hierzu kann beispielsweise an einem
Baugruppenpaar ein Identifizierungsmittel, insbesondere in Form
eines Strich-Codes, vorgesehen sein, anhand dessen ein jeweiliger,
zur Merkmalsermittlung erzeugter Datensatz einer bestimmten Baugruppenverbindung
zuordenbar ist. In entsprechender Weise können wiederum die einzelnen Verbindungsstellen
anhand ihrer jeweiligen Lage auf einer Baugruppenverbindung identifiziert
werden.
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Weiterhin
können
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
Daten erzeugt und gespeichert werden, die die Bedingungen, unter
denen eine jeweilige Merkmalsermittlung erfolgte, repräsentieren,
etwa im Fall einer optischen Abtastung die Position und Einstellung
der Kamera, die Position und Einstellung eventueller Beleuchtungsmittel
usw.
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Weiterhin
können
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
zusätzlich
Daten zur Auswertung gespeichert und bereitgehalten werden, aus
denen Informationen ableitbar sind, welchen Einflüssen und Prozessen
eine jeweilige Verbindungsstelle ausgesetzt war. Ein Beispiel hierfür ist ein
elektronischer Lebensdatenschreiber, der in Kraftfahrzeugen in Form
eines Tachometers realisiert ist und aus dem sich entnehmen lässt, unter
welchen Bedingungen die miteinander verbundenen Baugruppen betrieben wurden,
etwa im Fall einer in einem Kraftfahrzeug betriebenen Baueinheit
(gebildet durch die miteinander verbundenen Baugruppen) die Anzahl
der gefahrenen Kilometer, typische Fahrtgeschwindigkeiten usw.
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Darüber hinaus
ist es vorteilhaft, die Daten, die das Ergebnis der Merkmalsermittlung
in Bezug auf eine bestimmte Verbindungsstelle repräsentieren,
aufzubereiten, bevor die Unterschiede zwischen diesen Daten zu unterschiedlichen
Zeitpunkten ermittelt werden. Diese Aufbereitung der Daten kann vor
und/oder nach der Speicherung in einem Speicher erfolgen. Ziel der
Aufbereitung kann insbesondere eine so genannte Normalisierung der
Daten sein, um den Einfluss unterschiedlicher Bedingungen (Temperaturen,
Beleuchtungsverhältnisse
usw.), unter denen die verschiedenen Zeitpunkten (jedoch derselben
Verbindungsstelle) zugeordneten Daten gewonnen wurden, möglichst
zu eliminieren.
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Ferner
kann im Rahmen der Aufbereitung der Daten erreicht werden, solche
Daten, die unmittelbar die Ausprägung
bestimmter Alterungsmerkmale repräsentieren, von Daten zu trennen,
die auf andere Einflüsse
im Bereich der jeweils untersuchten Verbindungsstelle zurückgehen.
Hierfür
kann beispielsweise eine Filterung der Daten vorgesehen sein.
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Zur
Ermittlung des Unterschiedes zwischen Daten, die ein bestimmtes
Alterungsmerkmal in Bezug auf eine bestimmte Verbindungsstelle repräsentieren,
zu unterschiedlichen Zeitpunkten werden die entsprechenden Daten
bevorzugt in Datenwerte umgesetzt, die mathematischen Operationen,
wie z.B. der Addition und Subtraktion, unterworfen werden können. Hierdurch
lässt sich
der Unterschied zwischen Daten, die die Ausprägung eines bestimmten Alterungsmerkmales
an einer bestimmten Verbindungsstelle zu unterschiedlichen Zeiten
repräsentieren,
durch Subtraktion der zugeordneten Datenwerte bestimmen. Die Änderung
der Ausprägung
eines bestimmten Alterungsmerkmales wird dann also konkret durch
Differenzwerte solcher Datenwerte ermittelt, die das entsprechende
Alterungsmerkmal in Bezug auf eine bestimmte Verbindungsstelle zu
unterschiedlichen Zeitpunkten repräsentieren.
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Erfolgt
eine Merkmalsermittlung zu mehr als zwei unterschiedlichen (aufeinander
folgenden) Zeitpunkten, so werden bevorzugt jeweils zumindest die Differenzen
zwischen solchen Datenwerten gebildet, die zu benachbarten Zeitpunkten
erzeugt wurden. Wurde etwa ein bestimmtes Alterungsmerkmal an einer
bestimmten Verbindungsstelle zu fünf unterschiedlichen, aufeinander
folgenden Zeitpunkten ermittelt, so wird zumindest die Differenz
zwischen den Datenwerten der ersten und zweiten Merkmalsermittlung,
zwischen den Datenwerten der zweiten und drittem Merkmalsermittlung,
zwischen den Datenwerten der dritten und vierten Merkmalsermittlung sowie
zwischen den Datenwerten der vierten und fünften Merkmalsermittlung gebildet.
Darüber
hinaus können
aber auch noch weitere Differenzen gebildet werden, etwa zwischen
der fünften
und dritten und der dritten und ersten Merkmalsermittlung usw.
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Die
so gewonnenen Differenzwerte werden dann zur Ermittlung des Zustandes
einer bestimmten Verbindungsstelle ausgewertet, wobei sich aus den Differenzwerten
insbesondere Aussagen über
die Kinematik und Dynamik der Änderung
eines jeweiligen Alterungsmerkmales an einer bestimmten Verbindungsstelle
gewinnen lassen und somit auch weitere, zukünftige Änderungen zumindest abgeschätzt werden
können.
Dies ermöglicht
eine erheblich verbesserte Beurteilung, wann bei einer bestimmten
Baueinheit wegen der Alterung einer oder mehrerer Verbindungsstellen
entsprechende Maßnahmen
getroffen werden müssen.
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Dabei
ist es selbstverständlich
vorteilhaft, neben den Unterschieden zwischen den zu unterschiedlichen
Zeitpunkten in Bezug auf ein bestimmtes Alterungsmerkmal an einer
bestimmten Verbindungsstelle gewonnenen Daten zusätzlich auch
die ein bestimmtes Alterungsmerkmal an einer bestimmten Schnittstelle
zu einem bestimmten Zeitpunkt repräsentierenden Daten selbst zu
berücksichtigen. Aus
dem durch diese Daten repräsentierten
aktuellen Zustand einer Verbindungsstelle zusammen mit der durch
die Unterschiede zeitlich benachbarter Daten bzw. an den entsprechenden
Differenzwerten gewonnenen Informationen lässt sich eine besonders zuverlässige Prognose
treffen, ob bei einer bestimmten Verbindungsstelle Schädigungen,
die deren Funktion als Bauteilverbindung ernsthaft beeinträchtigen,
unmittelbar bevorstehen, so dass entsprechende Maßnahmen
ergriffen werden müssen.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Verbindungsstelle in Form einer Lötstelle, über die ein
Bauelement an einer Leiterplatte befestigt ist, sowie einer Übersichtskamera,
mittels der die Lage der Lötstelle
an der Leiterplatte ermittelbar ist;
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2 eine
in einer Ebene verfahrbare Kamera, mittels der die zu untersuchende
Lötstelle
an der Leiterplatte optisch abtastbar ist;
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3 eine
Darstellung der Zeitabhängigkeit eines
Alterungsmerkmales der zu untersuchenden Lötstelle.
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In 1 ist
eine Baugruppe in Form einer Leiterplatte P dargestellt, mit der
mittels einer Verbindungsstelle in Form einer Lötstelle L, ausgebildet als so
genannter Lotball, eine weitere Baugruppe in Form eines elektrischen
Bauelementes B (z.B. eines Kondensators oder einer Spule) stoffschlüssig verbunden
ist. Dabei ist von dem Bauelement in 1 lediglich
ein als Stift ausgebildetes Durchsteckelement gezeigt, das nach
der „Through
Hole Technology" (THT)
durch eine Öffnung
der Leiterplatte gesteckt und mit dieser über die Lötstelle L verbunden ist und
an das die weiteren Bestandteile des elektrischen Bauelementes angeschlossen
sind.
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Ferner
ist auf der Leiterplatte P ein Identifizierungsmittel I in Form
eines mit einem Strich-Code versehenen
Labels angebracht, das eine eindeutige Identifizierung der zu untersuchenden
Leiterplatte P ermöglicht,
indem der Strich-Code des Identifizierungsmittels I mit einem hierfür vorgesehenen
Lesegerät
eingelesen und die hierbei generierten, der Identifizierung der
Leiterplatte P dienenden Daten in einem Speicher gespeichert werden.
Hierdurch können
alle nachfolgend bei der Untersuchung der Leiterplatte P, und insbesondere
bei der Prüfung
der Lötstelle
L ermittelten Daten einer bestimmten Leiterplatte P zugeordnet werden,
nämlich
derjenigen Leiterplatte P, die ein Identifizierungsmittel I mit
einem bestimmten Strich-Code trägt.
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In
dem in 1 gezeigten Zustand befindet sich die zu untersuchende
Leiterplatte P unter einer der optischen Datenerfassung dienenden Übersichtskamera 1,
mit der die zu untersuchende Leiterplatte P in einer Voruntersuchung
optisch abgetastet wird, um die Lage auf der Leiterplatte P befindlicher, zu
prüfender
Lötstellen
L zu erfassen. Hierzu wird die Leiterplatte P mittels Lichtquellen 11a, 12a aufweisender
Beleuchtungseinheiten 11, 12 ausgeleuchtet und
das an einer Empfangseinheit 10 (Objektiv) der Übersichtskamera 1 empfangene,
reflektierte Licht auf charakteristische Glanzeffekte einer Lötstelle
L untersucht. Hierdurch lässt
sich gezielt erfassen, an welchen Stellen der Leiterplatte P jeweils
eine Lötstelle
L vorgesehen ist, deren Zustand nachfolgend geprüft werden soll.
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Die
hierbei gewonnenen Positionsinformationen hinsichtlich der einzelnen
Lötstellen
L werden ebenfalls als Daten in einem zugeordneten Datenspeicher
gespeichert, so dass jede auf der Leiterplatte P vorgesehene, zu
prüfende
Lötstelle
L einerseits anhand ihrer Zuordnung zu einer bestimmten, durch das
Identifizierungsmittel I identifizierbaren Leiterplatte P und andererseits
anhand ihrer Position auf der Leiterplatte P charakterisierbar bzw.
Identifizierbar ist. Durch geeignete Anordnung und Ausrichtung der
Beleuchtungseinheiten 11, 12 und deren Lichtquellen 11a, 12a kann
dabei sichergestellt werden, dass die zu untersuchenden Lötstellen
L tatsächlich von
der optischen Empfangseinheit 10 – unter Ausnutzung der Glanzeffekte
des Lotes – erfasst
werden.
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In
einem zweiten Arbeitsschritt werden sodann mittels einer in einer
Ebene (xy-Ebene) verschiebbaren Untersuchungskamera 2,
also mittels eines positionierbaren Kamerasystems, die einzelnen zu
untersuchenden Lötstellen
L optisch abgetastet, um die Ausprägung bestimmter Alterungsmerkmale ermitteln
zu können – nachfolgend
auch einfach als Merkmalsermittlung bezeichnet.
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Gemäß 2 weist
ein hierfür
verwendbares Kamerasystem ein Gestell G auf, das eine erste, entlang
einer ersten Raumrichtung x erstreckte Längsführung 21 trägt, an der
ein Gleiter 23 in Erstreckungsrichtung x der Längsführung 21 verschiebbar geführt ist.
Dieser erste Gleiter 23 trägt wiederum eine zweite Längsführung 22,
die entlang einer zur ersten Raumrichtung x senkrechten zweiten
Raumrichtung y erstreckt ist. An dieser zweiten, entlang der zweiten
Raumrichtung y erstreckten Längsführung 22 ist
ein zweiter Gleiter 24 längsverschieblich angeordnet,
der die mit einem telezentrischen Objektiv 20 versehene Überwachungskamera 2 trägt.
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Diese
Untersuchungskamera 2 bzw. deren telezentrisches Objektiv 20 verfügt über einen
eingeschränkten
Sichtbereich, um gezielt einzelne Lötstellen L der zu untersuchenden
Leiterplatte P, vergleiche 1, abtasten
und hochauflösende
Bilder hiervon erzeugen zu können.
Dadurch, dass die Positionsinformationen bezüglich der Lage der einzelnen zu
untersuchenden Lötstellen
L auf der Leiterplatte P in einem Speicher abgespeichert sind, können von der
Untersuchungskamera 2 mittels der Gleiter 23, 24 gezielt
diejenigen Positionen in der Verfahrebene (xy-Ebene) angefahren
werden, die eine optimale Abtastung einer jeweiligen zu untersuchenden
Lötstelle
L ermöglichen.
Hiermit lassen sich gezielt Informationen über die Ausprägung bestimmter
Alterungsmerkmale einer Lötstelle,
wie z.B. Glanzeffekte oder die Oberflächenrauhigkeit der Lötstelle,
bestimmen. Derartige und andere Verfahren zur Ermittlung der Ausprägung von
Alterungsmerkmalen einer Lötstelle
sind bekannt, so dass hierauf nicht näher eingegangen wird.
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Von
Bedeutung ist vorliegend nämlich
nicht die verwendete Methode zur Ermittlung der Ausprägung bestimmter
Alterungsmerkmale einer Lötstelle, sondern
vielmehr die Anwendung einer solchen Methode zur zeitabhängigen Erfassung
bzw. Ermittlung der Ausprägung
bestimmter Alterungsmerkmale einer Lötstelle.
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Hierbei
wird davon ausgegangen, dass für den
Zustand einer zu untersuchenden Lötstelle charakteristische Alterungsmerkmale
A, die die Alterung einer Lötstelle
L als Folge von Abnutzung und äußerer Umwelteinflüsse widerspiegeln,
eine bestimmte Zeitabhängigkeit
aufweisen, also sich die Ausprägung
eines jeweiligen Alterungsmerkmales A mit der Zeit t ändert. Betrachtet
man also ein konkretes Alterungsmerkmal A, wie z.B. an einer Lötstelle
auftretende Glanzeffekte oder die Oberflächenrauhigkeit einer Lötstelle,
so stellt man fest, dass sich diese Merkmale mit der Zeit verändern, etwa
wie schematisch anhand der Kurve K in 3 dargestellt.
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In
der Regel lässt
sich zu einem jeweiligen Alterungsmerkmal A ein Schwellwert S definieren, dessen
Erreichen bzw. Überschreiten
in Folge von Alterung der untersuchten Lötstelle darauf hinweist, dass
die Lötstelle
L ihre Funktion als Verbindungsstelle zwischen zwei Baugruppen,
z.B. zwischen einer Leiterplatte P und einem hiermit verbundenen Bauelement
B, nicht mehr hinreichend erfüllt,
so dass die entsprechende Verbindungs- bzw. Lötstelle L als nicht mehr funktionstüchtig anzusehen
ist. In diesem Fall müssen
entsprechende Service-Arbeiten durchgeführt werden, da die Funktionsuntüchtigkeit
einzelner Lötstellen
L die Funktion der durch die Lötstelle
L verbundenen Baugruppen (Leiterplatte P und Bauelemente B) gebildeten
Baueinheit B, L insgesamt beeinträchtigen kann.
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Hierbei
besteht allerdings das Problem, dass allein aus dem Abstand eines
bestimmten Alterungsmerkmales A von dem Schwellwert S zu einem bestimmten
Zeitpunkt t in der Regel keine sichere Prognose dahingehend getroffen
werden kann, wann mit dem Eintreten einer nicht mehr tolerierbaren
Schädigung
der untersuchten Lötstelle
zu rechnen ist.
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Aus
diesem Grunde wird vorliegend vorgeschlagen, bestimmte charakteristische
Alterungsmerkmale A der untersuchten Lötstelle L zu unterschiedlichen
Zeitpunkten t1, t2 (z.B. mittels optischer Abtastung) zu messen
und die zu diesen Zeitpunkten t1, t2 gemessenen Werte A1, A2 des
Alterungsmerkmales A (die definierten Punkten K1, K2 auf der Alterungskurve
K entsprechen) zu nutzen, um die Differenz A2 – A1 zwischen den zu unterschiedlichen
Zeitpunkten t1, t2 gemessenen Werten A1, A2 des entsprechenden Alterungsmerkmales
A zu bilden.
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Wird
vor diesem Hintergrund der Wert A2 eines Alterungsmerkmales A zu
einem bestimmten Zeitpunkt t2 betrachtet, der nahe dem Schwellwert
S liegt, bei dem eine Aufallsicherheit (Funktionstüchtigkeit)
der entsprechenden Lötverbindung
nicht mehr gewährleistet
ist, so lässt
sich wegen der zusätzlich bekannten
zeitlichen Änderung
der Werte jenes Alterungsmerkmales A, nämlich anhand der Differenz
A2 – A1
bezogen auf die zwischen den beiden Messungen verstrichene Zeit
t2 – t1
eine zuverlässigere
Prognose dahingehend erstellen, wann mit dem Erreichen des Schwellwertes
S zu rechnen ist. Diese Prognose wird selbstverständlich in
erheblichem Maße davon
abhängen,
ob sich die gemessenen Werte des entsprechenden Alterungsmerkmales
A im zurückliegenden
Zeitraum t2 – t1
nur wenig oder doch sehr deutlich geändert haben.
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Es
ist dabei nicht entscheidend, dass tatsächlich die Differenz A2 – A1 der
gemessenen Werte des entsprechenden Alterungsmerkmales A gebildet
wird. Von Bedeutung ist allein, dass die zeitliche Änderung
des Alterungsmerkmales A betrachtet wird, also der Unterschied zwischen
einem gemessenen Wert des Alterungsmerkmales zu unterschiedlichen
Zeitpunkten.
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Im
Ausführungsbeispiel
gemäß 3 wurde dabei
der Einfachheit halber davon ausgegangen, dass zwei Messwerte A2,
A1 des Alterungsmerkmales A vorliegen. Selbstverständlich können für eine höhere Prognosegenauigkeit
Werte des Alterungsmerkmales A auch in kleineren Abständen aufgenommen
werden, so dass dann entsprechend mehr Messwerte A1, A2,... des
Alterungsmerkmales A zur Verfügung
stünden.
Wichtig ist, dass bei der hierauf basierenden Auswertung dann jeweils
die zeitliche Veränderung
der Messwerte des Alterungsmerkmales A berücksichtigt wird, ergänzend zu
dem aktuellen Wert des Alterungsmerkmales A und dessen Abstand vom
Schwellwert S, bei dessen Überschreiten die
Funktionstüchtigkeit
bzw. Ausfallsicherheit der entsprechenden Lötverbindung nicht mehr gewährleistet
ist.
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Konkret
kann bei einem Verfahren zur Prüfung
des Zustandes einer stoffschlüssigen
Verbindungsstelle in Form einer Lötstelle, einer Bondverbindung
oder dergleichen unter Verwendung eines Kamerasystems der in 2 gezeigten
Art und wie nachfolgend beschrieben vorgegangen werden, um in diese
Prüfung
die Zeitabhängigkeit
der Änderung eines
jeweils betrachteten Alterungsmerkmales einfließen zu lassen, wobei auch mehrere
unterschiedliche Alterungsmerkmale (gleichzeitig oder separat ermittelt)
betrachtet werden können.
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Zunächst ist
zu berücksichtigen,
dass sich die Umgebungsbedingungen bei der optischen Abtastung einer
Verbindungsstelle in Form einer Lötstelle L zu unterschiedlichen
Zeitpunkten t1, t2 usw. ändern
können,
so dass die vom Kamerasystem erzeugten Bilddaten in Form elektronischer/digitalisierter
Daten vor der Speicherung, spätestens
aber vor der Auswertung, zu Zwecken der Normalisierung der Einzelaufnahmen
bearbeitet werden müssen.
Hierfür ist
es von Bedeutung, die bei einer optischen Abtastung (Aufnahme) einer
zu untersuchenden Lötstelle jeweils
herrschenden Bedingungen zu erfassen und zu speichern. Hierzu kann
ferner vorgesehen sein, die bei der optischen Abtastung (Aufnahme)
einer zu untersuchenden Lötstelle
erzeugten Bilddaten in Form von Ausgangssignalen des verwendeten
Kamerasystems so unter Verwendung geeigneter Filter und Algorithmen
zu filtern und zu verstärken,
dass gezielt solche Bilddaten hervorgehoben werden, die tatsächlich auf
die zu untersuchenden Alterungsmerkmale zurückzuführen sind und nicht auf sonstigen
Einflüssen
beruhen. Für
geeignete Methoden der Vor- und Nachbearbeitung von Bilddaten sei
verwiesen auf das Fachbuch „Digital
Image Processing", von
Bernd Jähne,
Berlin (2005).
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Um
die zu einem jeweiligen Zeitpunkt erfassten optischen Messdaten
(Bilddaten), die eine jeweils untersuchte Lötstelle bzw. bestimmte dieser
Lötstelle zugeordnete
Alterungsmerkmale charakterisieren, für eine weitere Nutzung über längere Zeiträume hinweg
speichern zu können,
werden Kompressionsverfahren herangezogen, die den erforderlichen
Speicherplatz reduzieren. Die verwendeten Verfahren müssen auf
der Basis einer möglichst
verlustfreien oder zumindest möglichst
verlustarmen Kompression (z.B. Entropiecodierung) arbeiten, um die
in den Daten enthaltenen, auswertungsrelevanten Informationen zu
erhalten. Geeignete Verfahren hierfür sind z.B. die Huffman-Codierung,
die Runlength-Codierung oder die Discrete Cosine Transformation
(DCT). Diese Verfahren nutzen auch die Tatsache, dass sich die relevanten
Bilddaten von Lötstelle
zu Lötstelle
in der Regel nur wenig unterscheiden, so dass redundante Bilddaten
eliminiert werden können.
Für geeignete
Verfahren zur Bildkompression und zur Codierung wird verwiesen auf
die Fachbücher „Digitale Bildcodierung", von Jens-Rainer
Ohm, Berlin (1995) und „Datenreduzierende
Bildcodierung",
von Kurt Riedel, Franzis-Ingenieur-Elektronik, München (1986).
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Die
Zuordnung mittels des Kamerasystems durch Abtastung einer zu untersuchenden
Lötstelle gewonnener
und in komprimierter Form gespeicherter Aufnahmedaten (Bilddaten)
zu einer bestimmten Leiterplatte und einer bestimmten Lötstelle
auf der Leiterplatte erfolgt über
einen separaten Algorithmus.
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Zur
Identifizierung der jeweils im Hinblick auf den Zustand ihrer Lötstellen
untersuchten Leiterplatte dienen die bereits erläuterten Informationsmittel
I, die einen geeigneten Strich-Code oder eine Punkt-Matrix aufweisen.
Die einzelnen zu untersuchenden Lötstellen L selbst werden wiederum
anhand ihrer Position auf der jeweiligen Leiterplatte P identifiziert.
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Zusätzlich zu
diesen Daten zur Identifizierung der einzelnen Lötstellen L werden darüber hinaus,
wie bereits erwähnt,
bei jeder Abtastung einer zu untersuchenden Lötstelle Daten erzeugt und gespeichert,
die die Bedingungen bei der jeweiligen optischen Abtastung (Aufnahme)
charakterisieren, also etwa die Belichtungsverhältnisse, die Belichtungsart, den
verwendeten Kameratyp, die Kameraauflösung, der Zeitpunkt der Aufnahme
und die Reihenfolge der erzeugten Bilder.
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Stehen
die Ergebnisse (in Form von Bilddaten) mehrerer, zu unterschiedlichen
Zeitpunkten vorgenommener optischer Abtastungen (Aufnahmen) einer
bestimmten Lötstelle
zur Verfügung,
so lassen sich einerseits anhand der letzten, aktuellen Aufnahme
der Lötstelle
die aktuellen Werte der jeweils ermittelten Alterungsmerkmale und
andererseits durch Differenzbildung das zurückliegende Alterungsverhalten
bestimmen. Hierzu werden bei der Auswertung der gespeicherten Bilddaten
solche Daten extrahiert, die die Ausprägung der relevanten Alterungsmerkmale
charakterisieren, vergleiche „Schnelle Merkmalsextraktion
auf der Basis pyramidaler Bilddatenstrukturen für die Oberflächeninspektion", von Bernd Schneider,
Berlin (1995).
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Sollen
zur Bewertung des Alterungszustandes der zu prüfenden Lötstelle mehrere Alterungsmerkmale
herangezogen werden, so sind gegebenenfalls mehrere Durchläufe zum
Extrahieren der für die
Alterungsmerkmale relevanten Daten aus den gespeicherten Bilddaten
erforderlich, sofern kein paralleles, gleichzeitiges Extrahieren
aller relevanten Daten möglich
ist.
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Anschließend werden
die gespeicherten Bilddaten in Datenwerte umgesetzt, die eine Differenzbildung
ermöglichen,
so dass Datenwerte, die einem bestimmten Alterungsmerkmal ein und
derselben Lötstelle
zu unterschiedlichen Zeitpunkten zugeordnet sind, voneinander subtrahiert
werden können.
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Durch
die Subtraktion von Datenwerten, die die Ausprägung eines bestimmten Alterungsmerkmales
einer Lötstelle
zu unterschiedlichen Zeiten repräsentieren,
lässt sich
die zeitliche Entwicklung des entsprechenden Alterungsmerkmales
analysieren, insbesondere eine fortschreitende Ausprägung eines Alterungsmerkmales
erkennen. Beim Vorliegen einer Mehrzahl von Aufnahmen einer bestimmten
Lötstelle zu
mehreren aufeinander folgenden Zeitpunkten wird für eine Analyse
der zeitlichen Entwicklung der Ausprägung des entsprechenden Alterungsmerkmales bevorzugt
zumindest die Differenz zwischen solchen Datenwerten gebildet, die
zeitlich benachbarte (aufeinander folgende) Aufnahmen der entsprechenden Lötstelle
repräsentieren.
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Alternativ
oder ergänzend
zu der Differenzbildung können
für eine
Auswertung der unterschiedlichen Ausprägungen eines bestimmten Alterungsmerkmales
einer Lötstelle
zu unterschiedlichen Zeitpunkten die einem Alterungsmerkmal A zugeordneten
Datenwerte A1, A2,... auch in einem Diagramm in Abhängigkeit
von der Zeit t aufgetragen werden, wie in 3 dargestellt.
Von Bedeutung ist, dass die zu unterschiedlichen Zeitpunkten gewonnenen
Datenwerte eines Alterungsmerkmales so (durch Subtraktion, grafische
Darstellung oder in sonstiger Weise) miteinander verknüpft bzw.
in Beziehung zueinander gesetzt werden, dass eine Aussage über die Änderung
der Ausprägung
eines bestimmten Alterungsmerkmales in Abhängigkeit von der Zeit getroffen werden
kann.
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Lässt der
aktuelle Alterungszustand (also die auf Grund der letzten Aufnahme
ermittelte Ausprägung
eines oder mehrerer Alterungsmerkmale) in Verbindung mit dem zurückliegenden
Alterungsverhalten (also der Änderung
der entsprechenden Alterungsmerkmale mit der Zeit) darauf schließen, dass die
Funktion einer Lötstelle
als Verbindungsstelle nicht mehr zuverlässig gewährleistet ist und daher Ausfallgefahr
besteht, so erzeugt die Auswerteeinrichtung ein entsprechendes Signal,
das auf einen Servicebedarf hinweist. Dabei können auf Grund der gespeicherten
Daten, mit denen die einzelnen Lötstellen
L anhand der zugeordneten Leiterplatte P sowie anhand der Position
der Lötstelle
L auf der Leiterplatte P identifizierbar ist, auch Informationen
erzeugt werden, anhand derer die betroffene Lötstelle erkannt werden kann.
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Geeignete
Schwellwerte S, vgl. 3, bilden dabei einen Bezugspunkt
für die
Werte A1, A2,... eines jeweiligen Alterungsmerkmals A, so dass durch Vergleich
des aktuellen Wertes eines Alterungsmerkmales A mit dem Schwellwert
S sowie durch Berücksichtigung
des Alterungsverhaltens in der Vergangenheit, wie durch Differenzbildung
oder grafische Darstellung ermittelt, eine zuverlässige Aussage
darüber
getroffen werden kann, wann mit dem Erreichen bzw. Überschreiten
des Schwellwertes S zu rechnen ist, so dass rechtzeitig entsprechende
Maßnahmen eingeleitet
werden können.
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Im
Ergebnis ermöglicht
also die gekoppelte Auswertung des aktuellen Alterungszustandes
einer Lötstelle
einerseits und des bisherigen Alterungsverhaltens andererseits eine
aussagekräftige
Interpretation der relevanten Alterungsmerkmale im Hinblick auf
eine zukünftige
(gegebenenfalls unmittelbar bevorstehende) nicht mehr tolerierbare
Schädigung
einer Lötstelle.
Somit bietet das beschriebene Verfahren eine Möglichkeit, eine Baueinheit
einem Service- bzw. Wartungsprozess genau dann zuzuführen, wenn
diese auf Grund einer unmittelbar bevorstehenden nicht mehr tolerierbaren
Schädigung
einer Verbindungsstelle der Baueinheit tatsächlich erforderlich ist.