DE3636607A1 - Verfahren zum pruefen von loetstellen elektronischer baugruppen - Google Patents
Verfahren zum pruefen von loetstellen elektronischer baugruppenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine automatische, optoelektronische,
zerstörungsfreie und berührungslose Prüfvorrichtung zur Erfassung
und Beurteilung beliebig gekrümmter Oberflächen,
insbesondere der fügetechnischen Oberflächen von sichtbaren
Lötstellen elektronischer Bauelemente auf den verschiedenartigsten
Flachbaugruppen. Die Erfindung ist zur Fehlerdiagnose
von sichtbaren Fügeverbindungen, wie z. B. Löt- und
Klebverbindungen, auf bestückten und gefügten Leiterplatten
oder anderen Substratträgern geeignet.
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.
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 Prüfplätze ist teilweise
durch den Einsatz von Mikrorechnern definiert und optimiert.
Diesen Prüf- bzw. Gerätesystemen ist gemeinsam, daß die eigentliche
Auswertung und Beurteilung der Löststellenqualität, 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,
Wela 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 (t 1))
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.
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.
Weiterhin ist ein opto-elektronisches Verfahren zur berührungslosen
Unterscheidung verschiedener Strukturen auf
Oberflächen bekannt (DE-OS 32 12 190). Dabei handelt es sich
um eine zweidimensionale 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.
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.
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
der Topologie 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 (Löt- und/oder Klebverbindungen) mit orthogonal
und winkeldefiniert zugeordneten Lichtquellen alternierend
beleuchtet werden, deren Abbild an Sensoren mit Ortsauflösung
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 (exponentielle 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.
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.
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-Baugruppe auf PCB
anschließen lassen.
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,
exponentielle 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.
Vorstehender Prüfplatz arbeitet vollautomatisch, liefert
objektive Prüfergebnisse, ist für miniaturisierte Baugruppen
vorteilhaft und ermöglicht die Rechnerkopplung zur
x-y-Koordinatensteuerung von evtl. notwendigen technologischen
Nacharbeitsplätzen der SMD-Technik.
- Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen
1 Lötstelle
2 Beleuchtungsquelle
3 Beleuchtungsquelle
4 Sensor
5 AD-Wandlung
6 Digitalrechner
7 Mikroskop
Claims (1)
- Verfahren zum automatischen Prüfen und Beurteilen von Fügestellen elektronischer Baugruppen, insbesondere von miniaturisierten SMD-Bauformen und steckbaren Bauelementen auf PCB′s oder anderen Trägersubstraten, über optoelektronische Hilfsmittel, dadurch gekennzeichnet, daß die Fügestellen mit orthogonal und winkeldefiniert zugeordneten Lichtquellen alternierend oder gleichzeitig beleuchtet werden, deren Abbild an Sensoren mit Ortsauflösung 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 bzw. Approximation miteinander zu einem dreidimensionalen Abbild verknüpft werden, das mit dem Abbild bzw. der mathematisch aufbereiteten Information einer Standardlötstelle rechnerintern verglichen und daraus eine Steuergröße für eine automatische Nachbearbeitung abgeleitet wird.
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