DE10214817A1

DE10214817A1 - Anordnung zur Höhenmessung des Lotpastenauftrages

Info

Publication number: DE10214817A1
Application number: DE2002114817
Authority: DE
Inventors: Stephan Rabich; Romin Richter
Original assignee: Goepel Electronic GmbH
Current assignee: Goepel Electronic GmbH
Priority date: 2002-03-28
Filing date: 2002-03-28
Publication date: 2003-10-16
Anticipated expiration: 2022-03-29
Also published as: DE10214817B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Höhenmessung des Lotpastenauftrages. Sie ist insbesondere zum Vermessen des Lotpastenauftrages geeignet, bietet jedoch auch vielfältige Anwendungsmöglichkeiten bei der Vermessung von Oberflächenprofilen mit flächenhaft unterschiedlichen Reflexionseigenschaften. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zum Ausmessen der Lotpastenhöhe zu finden, die die Vermessung der Leiterplatte auf Durchbiegung vor der eigentlichen Lotpastenhöhenmessung nicht bedarf und damit zur Verkürzung der Gesamtprüfzeit des Lotpastenauftrages führt. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Anordnung zur Höhenmessung des Lotpastenauftrages mittels Triangulationsverfahrens mit einer Kamera, einem unter einem vorbestimmten Winkel zur Kamera angeordneten Projektor zur Erzeugung einer Linie auf der zu vermessenden Oberfläche und einem Auswertesystem dadurch gelöst, dass ein im gleichen Winkel angeordneter weiterer Projektor zur Erzeugung eines Lichtpunktes vorhanden ist und ein vertikal gegenüber der zu vermessenden Oberfläche verfahrbares Hubelement vorhanden ist, mit dem die Kamera und die Projektoren fest verbunden sind. Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, die Höhenmessung des Lotpastenauftrages in einem Messgang zu realisieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Höhenmessung des Lotpastenauftrages. Sie ist insbesondere zum Vermessen des Lotpastenauftrages geeignet, bietet jedoch auch vielfältige Anwendungsmöglichkeiten bei der Vermessung von Oberflächenprofilen mit flächenhaft unterschiedlichen Reflexionseigenschaften.
Die Produktion elektronischer Flachbaugruppen ist durch eine kontinuierliche Miniaturisierung der eingesetzten Bauelemente gekennzeichnet. Die Packungsdichte auf den Leiterplatten erhöht sich durch den Einsatz von kleinen passiven Bauelementen und hochintegrierten Schaltkreisen.
Die Fehlerwahrscheinlichkeit beim Löten steigt, je kleiner der Pinabstand der eingesetzten Bauelemente ist. Es ist bekannt, dass Lötfehler an SMT-Bauelementen hauptsächlich ihre Ursache in einem fehlerhaften Lötpastendruck haben. Zu dünn auf das Pad aufgetragene Lotpaste führt zu mangelnden elektrischen und mechanischen Verbindungen, zu dick aufgetragene Lotpaste kann Kurzschlüsse zwischen benachbarten Pins hervorrufen.

Auf dem Markt werden zahlreiche optoelektronische Geräte angeboten, mit denen eine Kontrolle des Lotpastendrucks möglich ist. Diese Geräte erlauben eine zwei- oder dreidimensionale Prüfung des Lotpastendruckes.

Das dreidimensionale Messverfahren liefert einen quantitativen Wert der Höhe und des Volumens der Lotpaste auf den einzelnen Pads einer Leiterplatte. Für den Anwender hat der Einsatz dreidimensionaler Messtechnik nur Sinn, wenn die Messgenauigkeit gut ist.

Der Lotpastendruck wird mit einer Höhe von 140 bis 180 µm ausgeführt, wobei die Tendenz zu noch geringeren Lotpastenhöhen geht. Die Anforderungen an die Genauigkeiten der Messverfahren steigt, je kleiner die Lotpastenaufträge ausgeführt werden. Damit der relative Messfehler so gering wie möglich ist, müssen alle topographischen Gegebenheiten der Leiterplatte berücksichtigt werden.

Die Lotpastenhöhen und Volumenangaben beziehen sich auf die Oberkante des Pads. In der Regel ist allerdings das Pad vollständig mit Lotpaste bedeckt. Das Pad ist umgeben von Lötstoplack und eventuell von Siebdruckaufschriften. Weiterhin ist zu beachten, dass die zu prüfende Leiterplatte meistens nicht plan ist, sondern eine Durchbiegung aufweist. Diese Durchbiegung kann im ungünstigsten Fall bis zu einigen Millimetern betragen. In der WO 9964882 wird deshalb eine Anordnung und ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem im Vorfeld der eigentlichen Lotpastenhöhenmessung die Durchbiegung der Leiterplatte bestimmt wird. Das System besteht aus einer senkrecht montierten Videokamera und einem Linienlaser, der im definierten Winkel zur Senkrechten angeordnet ist. Dabei wird eine Kalibrierplatte im System arretiert und ausgemessen. Die ermittelten Höhenwerte werden als Sollwerte gespeichert. Jede zu prüfende Leiterplatte wird vor der eigentlichen Lotpastenhöhenmessung im gleichen Raster wie die Kalibrierplatte ausgemessen. Die ermittelten Höhenwerte werden mit den abgespeicherten Sollwerten verglichen und als Korrekturwerte für die Lotpastenhöhenmessung verwendet. Ein weiteres Handicap ist darin zu sehen, dass Lotpaste und Lötstoplack sehr unterschiedliche Reflexions- und Streuungseigenschaften aufweisen können. Auch aus diesem Grund ist ein zweimaliges Vermessen der Leiterplatte notwendig. Zweimaliges Vermessen bedeutet aber automatisch die Erhöhung der Gesamtprüfzeiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zum Ausmessen der Lotpastenhöhe zu finden, die ein zweimaliges Vermessen der Leiterplatte nicht bedarf und damit zur Verkürzung der Gesamtprüfzeit des Lotpastenauftrags führt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Anordnung zur Höhenmessung des Lotpastenauftrages mittels Triangulationsverfahrens mit einer Kamera, einem unter einem vorbestimmten Winkel zur Kamera angeordneten Projektor zur Erzeugung einer Linie auf der zu vermessenden Oberfläche und einem Auswertesystem, dadurch gelöst, dass ein im gleichen Winkel angeordneter weitere Projektor zur Erzeugung eines Lichtpunktes vorhanden ist und ein vertikal gegenüber der zu vermessenden Oberfläche verfahrbares Hubelement vorhanden ist, mit dem die Kamera und die Projektoren fest verbunden sind. Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, die Höhenmessung des Lotpastenauftrages in einem Messgang zu realisieren. Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipansicht der erfindungsgemäßen Anordnung und

Fig. 2 Scanbild einer ebenen Fläche mittels Videokamera

Ausgangspunkt bildet das an sich bekannte Triangulationsverfahren, bei dem eine Videokamera 1, hier senkrecht über das zu vermessende Objekt und ein modulierbarer Linienlaser 2, der in einem vorbestimmte festen Winkel seitlich dazu angeordnet ist, vorhanden sind. Der Linienlaser 2 erzeugt bei ebener Oberfläche dabei eine Laserlinie, die vorzugsweise entlang der Bildzeilen oder Bildspalten der Videokamera 1 verläuft. Der modulierbare Punktlaser 3 ist ebenfalls wie die Videokamera 1 und der Linienlaser 2 an der Halterung 4 fest angebracht, wobei der selbe vorbestimmte feste Winkel realisiert ist. Der Strahl des Punktlasers 3 ist ferner derart justiert, dass sein Auftreffpunkt - Referenzpunkt 5 - mit einem Ende der projizierten Laserlinie 6 zusammenfällt (siehe Fig. 2). Wie in Fig. 1 ferner schematisch dargestellt, ist die Halterung 4 mit einem Hubelement 7 verbunden, so dass der Abstand zur Oberfläche der Leiterplatte 8 immer konstant gehalten werden kann. Vor Beginn der eigentlichen Vermessung der Leiterplatte 8 werden durch den Operator manuell in das Auswertesystem folgende notwendige Ausgangsdaten eingegeben:

1. Farbe des Lötstoplacks
2. Höhe des Lötstoplacks
3. Höhe des Kupferauftrags

Diese Daten sind im allgemeinen nur bei unterschiedlichen Chargen neu einzugeben. Das Auswertesystem generiert nun aus diesen Daten mittels einer zuvor abgespeicherte Look-Up-Tabelle die Ausgangsleistungen der Laser. Die Look-Up- Tabelle enthält die Beziehungen zwischen Absorption und Streuung der Laserlinie auf dem entsprechenden Lötstoplack und der abgegebenen Leistung des Linien- und Punktlasers 2, 3. Denkbar ist auch eine Berücksichtigung in der Look-Up-Tabelle von unterschiedlichen Lötpasten, die dann bei der Einstellung der Ausgangsleistung des Linienlaser 2 berücksichtigt werden könnten. Als weitere Vorbereitung der Messung ist die Unterteilung der Leiterplatte 8 in Scanbereiche, deren Breite die Länge der Laserlinie 6 entspricht. Die Länge der Scanbereiche kann variieren und entsprechend der zu prüfenden Lotpastenaufträge gebildet werden.

Der Startpunkt der Messung, also der erste abzuarbeitende Scanbereich, sollte so nah wie möglich an der mechanischen Klemmung der Leiterplatte 8 liegen, um auszugleichende Toleranz so klein wie möglich zu halten.

Für den aller ersten Scanschritt sollte ferner für den Laserpunkt folgende Bedingung möglichst eingehalten sein:

1. er ist nur von Lötstoplack abgedeckt
2. er ist frei von Kupferauftrag
3. sein Ort ist deckungsgleich mit dem Ende der Laserlinie 6

Der Laserpunkt sollte dabei vorzugsweise in der Videokamera 1 so abgebildet werden, dass er die Bildzeilen in zwei Hälften teilt (siehe Fig. 2).

Die Messung erfolgt durch kontinuierliches Verfahren der Messanordnung entlang der Scanbereiche. In festgelegten Abständen, beispielsweise aller 20 µm, wird der Verlauf der Laserlinie 6 aufgezeichnet. In jeder aufgezeichneten Laserlinie 6 wird die Lage des Laserpunktes ausgewertet und als Basis für die Höhenmessung verwendet. Liegt eine Durchbiegung der Leiterplatte 8 vor, so verschiebt sich der Laserpunkt kontinuierlich in eine Richtung im Videobild. Aus dem bekannten Abbildungsmaßstab der Videokamera 1 kann eine Korrektur mittels des Hubelementes 7 vorgenommen werden. Es ist damit gewährleistet, dass der Laserpunkt wieder symmetrisch im Bild der Videokamera 1 liegt. Erscheint eine sprunghafte große Änderung der Lage des Laserpunktes, so liegt der Laserpunkt nicht mehr auf der Oberfläche der Leiterplatte 1 sondern auf einem Kupferauftrag oder einem Siebdruck 9. In diesem Fall wird die Lage des Laserpunktes nicht als Referenz herangezogen, sondern der als zuletzt gespeicherte Wert als Referenz verwendet. Bei einem erneutem Sprung zurück in die Mittellage, kann angenommen werden, dass er sich wieder auf der Oberfläche der Leiterplatte 8 befindet. Zwischen den Sprüngen könnte eine stetige weitere Auswanderung des Laserpunktes zur Korrektur der Referenzebene herangezogen werden, da auch hier eine Deformation der Leiterplatte 1 vorliegt. Eine Korrektur mittels des Hubelementes 7 kann man auch erst dann vornehmen, wenn die Auswanderung des Referenzpunktes 5 einen vorher festgelegten Betrag überschreitet. Im Ergebnis der gesamten Aufzeichnungen kann aus dem jeweiligen lateralen Versatz der Laserlinie 6 und unter Berücksichtigung der Aufzeichnungen des jeweils dazugehörigen Referenzpunktes 5das gesamte Profil der Leiterplatte 8 mit Lotpastenauftrag ausgegeben werden. Die Höhe des Lötpastenauftrags berechnet sich dabei wie folgt:

H_LPk = H_aktk - H_LL - H_Ku

wobei
H_LPk Höhe Lotpastenauftrag in der Bildzeile k (oder Bildspalte k)
H_aktk aktuell gemessene Höhe bezogen auf Referenzpunkt in der Bildzeile k (oder Bildspalte k)
H_LL Höhe Lötstoplack
H_Ku Höhe Kupferauftrag Bezugszeichenliste 1 Videokamera
2 Linienlaser
3 Punktlaser
4 Halterung
5 Referenzpunkt
6 Laserlinie
7 Hubelement
8 Leiterplatte
9 Kupferauftrag oder Siebdruck

Claims

1. Anordnung zur Höhenmessung des Lotpastenauftrages mittels Triangulationsverfahrens mit einer Kamera, einem unter einem vorbestimmten Winkel zur Kamera angeordneten Projektor zur Erzeugung einer Linie auf der zu vermessenden Oberfläche und einem Auswertesystem, dadurch gekennzeichnet, dass
ein im gleichen Winkel angeordneter weitere Projektor zur Erzeugung eines Lichtpunktes vorhanden ist und
ein vertikal gegenüber der zu vermessenden Oberfläche verfahrbares Hubelement vorhanden ist, mit dem die Kamera und die Projektoren fest verbunden sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Projektor ein Linienlaser und der weitere Projektor ein Punktlaser ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hubelement eine Steuereinheit aufweist, die mit dem Auswertesystem in Verbindung steht.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die abgegebene Leistung des Linienlasers als auch des Punktlasers einstellbar ist.

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Auftreffpunkt des Punktlasers mit einem Ende der projizierten Laserlinie deckungsgleich ist.