DE3636607A1

DE3636607A1 - Verfahren zum pruefen von loetstellen elektronischer baugruppen

Info

Publication number: DE3636607A1
Application number: DE19863636607
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Dr Ing Albrecht; Hendrik Dipl Ing Boehme; Matthias Nordhausen; Uwe Dolling; Juergen Dipl Ing Tanner; Wolfgang Prof Dr Sc Tec Scheel
Original assignee: Elektro Apparate Werke VEB
Current assignee: Elektro-Apparate-Werke Berlin O-1193 Berlin GmbH
Priority date: 1986-01-27
Filing date: 1986-10-28
Publication date: 1987-07-30
Also published as: GB2185813B; GB8700512D0; GB2185813A; FR2593605A1; DD258658A1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

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.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

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

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.

Darstellung des Wesens der Erfindung

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.

Ausführungsbeispiel

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

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.