DE102009017694B3

DE102009017694B3 - Anordnung einer rotatorischen Bildaufnahmeeinheit für die Abbildung von Objekten auf Leiterplatten unter einem polaren Betrachtungswinkel von 45°

Info

Publication number: DE102009017694B3
Application number: DE102009017694A
Authority: DE
Inventors: André Hacke; Romin Richter
Original assignee: Goepel Electronic GmbH
Current assignee: Goepel Electronic GmbH
Priority date: 2009-04-15
Filing date: 2009-04-15
Publication date: 2010-12-02
Anticipated expiration: 2029-04-16
Also published as: EP2419718A1; CN102395875A; WO2010118741A1; US20120105576A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine rotatorische Bildaufnahmeeinheit für die Abbildung von Objekten auf Leiterplatten unter einem polaren Betrachtungs-Winkel von 45°. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit anzugeben, mit der unter möglichst geringem Aufwand eine Objektprüfung aus unterschiedlichen, fein einstellbaren Betrachtungswinkeln (Azimut-, Polarwinkel) realisiert werden kann. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine rotatorische Bildaufnahmeeinheit für die Abbildung von Objekten auf Leiterplatten vorzugsweise im Winkel von 45° dadurch gelöst, dass eine bildgebende Baugruppe, bestehend aus einer Kabelzuführung, einer Videokamera (1), einem Adapter (3), einem Objektiv (4), einem Spiegel (7), einer Spiegel-Beleuchtungseinheit (8), einer Beleuchtungseinheit (9), einer Steuer- und Regeleinheit (10), einem Abdeckglas (11) und einer Streuscheibe (12), als Ganzes im Winkel zwischen 0° bis 360° drehbar angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine rotatorische Bildaufnahmeeinheit für die Abbildung von Objekten auf Leiterplatten unter einem polaren Betrachtungswinkel von 45°, insbesondere für die Prüfung von Lötstellen an integrierten Schaltkreisen und diskreten Bauelementen. Weitere Anwendungen sind die Inspektion von flächenhaften Objekten, wie zum Beispiel Solarmodule und Wafer in der Halbleiterfertigung.
Elektronische Flachbaugruppen durchlaufen im Fertigungsprozess die technologischen Schritte Pastendruck, Bestücken und Löten. Nach dem Löten werden typischerweise die elektronischen Flachbaugruppen auf Fertigungsfehler mittels eines automatischen optischen Inspektionsgerätes geprüft.
Dabei stellt die Kontrolle der Lötstellen eine besondere Herausforderung dar. Die Zuverlässigkeit der Lötstellenprüfung ist abhängig vom Informationsgehalt des durch eine Videokamera aufgenommen Bildes.
Um die Zuverlässigkeit der Lötstellenkontrolle zu erhöhen, ist eine Verbesserung der Bildaufnahme- und Beleuchtungseinheit notwendig. Dazu gehört, dass neben einer verbesserten Beleuchtung die zu untersuchenden Objekte mit verschiedenen Azimut- und Polarwinkeln betrachtet werden können.
Aus der Patentliteratur sind Lösungsvorschläge für die Inspektion von elektronischen Bauteilen und Lötstellen auf Leiterplatten bekannt, welche Bildaufnahmen aus frei wählbaren Richtungen und Perspektiven ermöglichen. In den Patentschriften US 5,064,291 A und US 5,862,973 A wird die Objektprüfung aus unterschiedlichen Betrachtungswinkeln (Azimut-, Polarwinkel) durch Verwendung mehrerer statisch angeordneter Kameras an unterschiedlichen Positionen beschrieben. Nachteilig bei diesen Anordnungen sind die sehr grobe Aufteilung der Betrachtungswinkelrichtungen, der hohe Materialeinsatz (eine Kamera-Objektiveinheit pro Winkelposition) und die daraus resultierenden hohen Kosten.
Mit der DE 35 40 288 C2 wird eine Lötstelleninspektion auf Basis einer senkrecht zur Leiterplatte angeordneten Kamera und mehren Lichtquellen zur Bestrahlung der Lötstellen aus unterschiedlichen Richtungen vorgeschlagen. Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, dass für bestimmte Fehlerarten definierte Beleuchtungssituationen erzeugt werden müssen, die sequentiell ausgeführt werden und damit zeitaufwendig sind.
In DE 4139189 C2 ist eine kombinierte Prüfvorrichtung, bestehend aus mehren Kameras und einem Laser beschrieben. Die Kameras und der Laser befinden sich in fixen Positionen zum Prüfobjekt, welches mit einem XY-Tisch bewegt werden kann. Die Inspektion von Lötstellen erfolgt ausschließlich aus definierten Richtungen und damit ist der Einsatz durch geometrische Besonderheiten des Leiterplattendesigns wie nicht orthogonal angeordnete Bauteile, kleine Bauteile zwischen hohen Bauteilen nur eingeschränkt möglich.
DE 20 2004 009 366 U1 beschreibt eine Anordnung zur Prüfung von Bauteilen auf Leiterplatten durch ein Spiegelsystem, welches es gestattet den polaren Betrachtungswinkel in einem begrenzten Bereich einzustellen. Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, dass keine Möglichkeit zur Einstellung des azimutalen Betrachtungswinkels besteht. Ferner steht durch die gewählte Kameraanordnung nur ein kleiner aperturabhängiger lateraler Schärfebereich für die Bildaufnahme zur Verfügung was zur Folge hat, dass häufig eine Relativbewegung zwischen Objekt und Bildaufnahmesystem erfolgen muss.
Nach US 6,771,805 B1 erfolgt die Bauteil-/Lötstellenprüfung bzw. die dafür notwendige Bildaufnahme über eine bewegliche Spiegeleinheit (Einfachspiegel) gefolgt von einem Objektiv und einem Detektor (Kamera). Durch eine Manipulation der Spiegelorientierung ist es hierbei möglich, eine Veränderung des polaren Betrachtungswinkels zu realisieren. Um eine Veränderung des azimutalen Betrachtungswinkels zu gewährleisten, ist die Rotation des Prüflings (Leiterplatte) notwendig. Diese Anordnung der Komponenten und das daraus folgende Bildaufnahmeverfahren führen zu einigen großen Nachteilen.
Durch die Variation der Spiegeleinheit kommt es neben der gewünschten Perspektivitätsänderung zu einer lateralen Verschiebung des Betrachtungsfeldes auf dem Prüfobjekt. Bei Prüfung einer ausgewählten Prüfobjektstelle mit gegebenen Koordinaten muss die auftretende Lateralverschiebung entsprechend ausgeglichen werden. Ein weiterer Nachteil besteht in der mit zunehmendem Polarwinkel kleiner werdenden nutzbaren Betrachtungsfeldgröße. Dies ist auf die bei der optischen Abbildung begrenzte Schärfentiefe zurückzuführen. Durch entsprechende Anpassung der Aperturblende der Optik lässt sich der Schärfentiefebereich zwar wieder vergrößern, aber die damit einhergehenden Verluste an Auflösungsvermögen und Intensität schränken diese Herangehensweise stark ein.
Des Weiteren ist das Handling des Prüfobjektes durch Rotation sehr nachteilig, wenn dieses Verfahren in einem System für die automatische Inspektion unter industriellen Bedingungen zum Einsatz kommen soll.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit anzugeben, mit der unter möglichst geringem Aufwand eine Objektprüfung aus unterschiedlichen, fein einstellbaren Betrachtungswinkeln (Azimut-, Polarwinkel) realisiert werden kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Anordnung einer rotatorischen Bildaufnahmeeinheit für die Abbildung von Objekten auf Leiterplatten vorzugsweise im Polarwinkel von 45° dadurch gelöst, dass eine bildgebende Baugruppe bestehend aus einer Kabelzuführung, einer Videokamera 1, einem Adapter 3, einem Objektiv 4, einem Spiegel 7, einer Spiegel-Beleuchtungseinheit 8, einer Beleuchtungseinheit 9, einer Steuer- und Regeleinheit 10, einem Abdeckglas 11 und einer Streuscheibe 12, als Ganzes im Winkel zwischen 0° bis 360° drehbar angeordnet ist, dass die Video kamera 1 durch einen Adapter 3 geneigt zur Betrachtungsebene 2 angeordnet ist, dass zur Rotation der bildgebenden Baugruppe ein elektrischer Antrieb vorhanden ist, dass die Faltung des Strahlengangs über die Anordnung der beiden Spiegel derart erfolgt, dass ein Polarwinkel von 45° eingestellt ist, dass die Beleuchtung senkrecht und/oder in Richtung des Strahlenganges erfolgt und dass die Ansteuerung der Videokamera 1, der Spiegel-Beleuchtungseinheit 8, der Beleuchtungseinheit 9, elektrischen Antrieb durch die in die Baugruppe integrierte Steuer- und Regeleinheit 10 erfolgt. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Patentansprüchen.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:
1 eine Prinzipansicht der erfindungsgemäßen Anordnung und
2 eine schematische Darstellung der Ansteuerung
Vorgestellt wird eine Anordnung für die schräge Bildaufnahme und Beleuchtung eines Objektes auf einer ebenen Fläche aus beliebigen Azimutwinkeln zwischen 0 und 360°.
Die Anordnung gemäß 1 besteht aus einer Videokamera 1, die in einem definierten Winkel gegenüber der Betrachtungsebene 2 geneigt ist. Über einen mechanischen Adapter 3 ist ein Objektiv 4 an der Kamera 1 befestigt. Das Objektiv 4 steht senkrecht zur Betrachtungsebene 2. Die Baugruppen Spiegel 7 und die kombinierte Spiegel-Beleuchtungseinheit 8 falten den Strahlengang und führen ihn im Winkel von 45° auf die Betrachtungsebene 2. Die Beleuchtungseinheit 9 und die kombinierte Spiegel-Beleuchtungseinheit 8 erzeugen das für die Betrachtung notwendige Licht. Dank dieser Anordnung kann die Betrachtungsebene 2 senkrecht und/oder aus der Betrachtungsrichtung beleuchtet werden.
Die Ansteuerung der Videokamera 1, der Beleuchtungseinheit 9 und der kombinierten Spiegel-Beleuchtungseinheit 8 erfolgt durch eine Steuer- und Regeleinheit 10. Das komplette Bildaufnahmemodul (wie in 1 dargestellt) wird durch eine nicht dargestellte Schutzhaube vollständig umschlossen. In Verbindung mit dem Abdeckglas 11) wird dadurch ein 100%-iger Staubschutz realisiert. Es ist somit ein hermetisch geschlossenes System aufgebaut. Zur Verbesserung der Beleuchtungseigenschaften ist im Abdeckglas 11 eine Streuscheibe 12 eingebaut.
Die gesamte Anordnung, bestehend aus Videokamera 1, Adapter 3, Objektiv 4, Spiegel 7, Spiegel-Beleuchtungseinheit 8, Beleuchtungseinheit 9, Steuer- und Regeleinheit 10, Abdeckglas 11 und Streuscheibe 12 ist am Rotor eines Hohlwellenmotors 6 befestigt. Infolge der Drehung des Rotors des Hohlwellenmotors 6 kann die Betrachtungsrichtung zwischen 0° und 360° (Azimutwinkel) gewählt werden.
Für die Kabelzuführung zu den sich drehenden elektrischen Baugruppen Videokamera 1, Spiegel-Beleuchtungseinheit 8, Beleuchtungseinheit 9, Steuer- und Regeleinheit 10 befindet sich oberhalb des Hohlwellenmotors 6 eine rotatorische Kabelschleppgruppe 5. Die Kabelschleppgruppe 5 besteht aus sieben drehbar gelagerten und miteinander verbundener Ebenen. Bei einer Rotation des Systems um einen definierten Azimut-Winkel wird dieser Drehwinkel auf die einzelnen Ebenen aufgeteilt. Die Relativbewegung von einer Ebene zur darüber liegenden beträgt bei einer vollständiger Rotation ca. 52°. Somit ist es möglich auf kleinstem Bauraum eine solche Kabelführung zu realisieren und die Beanspruchung der geführten Leitungen auf ein Minimum zu reduzieren.
In einem automatisch optischen Inspektionssystem wird die Anordnung gemäß 1 an einem X-Y Positioniersystem befestigt. Damit ist es möglich, die komplette Anordnung gemäß 1 an einen beliebigen Ort der zu inspizierenden, Leiterplatte zu bewegen und nach Drehung der Einheiten Videokamera 1, Adapter 3, Objektiv 4, Spiegel 7, Spiegel-Beleuchtungseinheit 8, Beleuchtungseinheit 9, Steuer- und Regeleinheit 10, Abdeckglas 11 und Streuscheibe 12 an diesem Ort Bilder des zu untersuchenden Objektes aus beliebigen Azimutwinkeln zwischen 0° und 360° aufzunehmen, an eine Auswerte- und Steuereinheit 13 zu übertragen und dort auszuwerten.
Die Ansteuerung der Anordnung gemäß 1 wird, wie in 2 dargestellt, wie folgt realisiert:
Eine zentrale Auswerte- und Steuereinheit 13 übermittelt an die Steuer- und Regeleinheit 10 einen Befehl der beinhaltet: Sollazimutwinkel, unter dem ein Bild aufgenommen werden soll (Wertebereich 0°–360°) und Art der Beleuchtung. Die Steuer- und Regeleinheit 10 sendet einen Verfahrbefehl an den Hohlwellenmotor 6. Nach Erreichen des Positionswinkels wird durch die Steuer- und Regeleinheit 10 gleichzeitig die gewünschte Beleuchtung eingeschaltet und die Bildaufnahme der Videokamera 1 gestartet. Nach Beendigung der Bildaufnahme durch die Videokamera 1 wird das Bild an die zentrale Auswerte- und Steuereinheit 13 übermittelt.

1: Videokamera
2: Betrachtungsebene
3: Adapter
4: Objektiv
5: rotatorische Kabelschleppgruppe
6: Hohlwellenmotor
7: Spiegel
8: Spiegel-Beleuchtungseinheit
9: Beleuchtungseinheit
10: Steuer- und Regeleinheit
11: Abdeckglas
12: Streuscheibe
13: zentrale Auswerte- und Steuereinheit

Claims

Anordnung einer rotatorischen Bildaufnahmeeinheit für die Abbildung von Objekten auf Leiterplatten unter einem polaren Betrachtungswinkel von 45°, dadurch gekennzeichnet, dass a) eine bildgebende Baugruppe bestehend aus einer Kabelzuführung, einer Videokamera (1), einem Adapter (3), einem Objektiv (4), einem Spiegel (7), einer Spiegel-Beleuchtungseinheit (8), einer Beleuchtungseinheit (9), einer Steuer- und Regeleinheit (10), einem Abdeckglas (11) und einer Streuscheibe (12), als Ganzes im Winkel zwischen 0° bis 360° drehbar angeordnet ist, b) die Videokamera (1) durch einen Adapter (3) geneigt zur Betrachtungsebene (2) angeordnet ist, c) zur Rotation der bildgebenden Baugruppe ein elektrischer Antrieb vorhanden ist, d) die Faltung des Strahlengangs über die Anordnung der beiden Spiegel derart erfolgt, dass ein Polarwinkel von 45° eingestellt ist, e) die Beleuchtung senkrecht und/oder in Richtung des Strahlenganges erfolgt, f) die Ansteuerung der Videokamera (1), der Spiegel-Beleuchtungseinheit (8), der Beleuchtungseinheit (9), elektrischen Antrieb durch die in die Baugruppe integrierte Steuer- und Regeleinheit (10) erfolgt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein beliebiger Drehbereich zwischen 0° und 360° einstellbar ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Antrieb als ein Hohlwellenmotor (6) mit oder ohne Wegbegrenzung ausgeführt ist.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlwellenmotor (6) mit einem Wegmesssystem zur Lageerkennung und Lageregelung ausgeführt ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlwellenmotor (6) als ein elektrischer Schrittmotor ausgeführt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlwellenmotor (6) als ein elektrischer AC- oder DC-Servomotor ausgeführt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlwellenmotor (6) als ein rotatorischer Motor oder als Linearmotor ausgeführt ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Antrieb als ein Motor ohne Hohlwelle ausgeführt ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotation durch einen pneumatischen Antrieb erfolgt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung des Antriebes, der Beleuchtung und der Videokamera (1) von außerhalb der Baugruppe erfolgt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Polarwinkel durch die Anordnung des Spiegels (7) und der Spiegel-Beleuchtungseinheit (8) und der veränderten Schrägstellung der Videokamera (1) einstellbar ist.
Anordnung nach Anspruch 1 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Polarwinkel jeden Wert zwischen 0° und 90° annehmen kann.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Faltung des Strahlenganges ein Prisma oder eine Spiegel-Prisma-Baugruppe verwendet wird.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (4) ein telezentrisches Objektiv ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (4) ein Zoom-Objektiv ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (4) ein entozentrisches Objektiv ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Videokamera (1) eine Matrixkamera ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Videokamera (1) eine Zeilenkamera ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Beleuchtung LEDs mit Farben in verschiedenen Wellenlängenbereichen verwendet werden.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Beleuchtung LEDs mit Farben in nur einem Wellenlängenbereich verwendet werden.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtung im Dauerlicht erfolgt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtung als Lichtblitz synchron zur Bildaufnahme der Videokamera (1) erfolgt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kabelzuführung über eine Kabelschleppbaugruppe (5) erfolgt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kabelzuführung über ein Schleifkontaktsystem erfolgt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung der Energie und der Signale über ein Wirelessystem erfolgt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung der Energie und der Signale über ein kombiniertes Wireless-Schleifkontakt- und Kabelschleppsystem erfolgt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlung der Baugruppe Lüfter oder Peltierelemente verwendet werden.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtung aus verschiedenen Richtungen erfolgt.