DE4234121C2 - Verfahren zum Prüfen von Lötverbindungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen von Lötverbindungen an elektronischen Baugruppen. Die zu betrachtenden Lötstellen sind im wesentlichen die zwischen den Anschlüssen bzw. den Anschlußbeinchen von elektroni­ schen Bauelementen und den auf einem Träger bzw. auf einer Leiterplatte vorhandenen Anschlußflecken.

Die Ausgestaltung von elektronischen Baugruppen ist bei der heutigen technischen Entwicklung einem starken Wandel unterlegen. Neben dem zunehmenden Bestückungsgrad mit elektronischen Bauelementen geht die Entwicklung hin zur Verwendung von vielpoligen Bauelementen. Derart auf­ wendige elektronische Baugruppen müssen zerstörungsfrei, d. h. ohne Schädigung geprüft werden. Hierbei ist eine bestimmte Entwicklung zu verzeichnen, die eine 100% Kontrolle der Produkte nach der Fertigung vorsieht.

Bekannte Verfahren zur Prüfung einer elektronischen Bau­ gruppe sind beispielsweise die elektronische Funktions­ prüfung oder die äußere optische Inspektion. Das erstge­ nannte Verfahren prüft die elektronische Funktion der Bau­ gruppe, wobei eine "kalte Lötstelle" d. h. eine nicht verlötete Verbindung, unter Umständen nicht erkennbar ist. Das zweite Verfahren ist extrem zeitintensiv. Ein weiter­ hin bekanntes Verfahren untersucht den Wärmeübergang an einer Lötverbindung bzw. die Abkühlzeit nach einer Lötung. Dieses Verfahren erwies sich jedoch als relativ unzuver­ lässig.

Es ist bekannt, bei der nichtzerstörenden Werkstoffprüfung Ultraschallsignale zu verwenden bzw. zu detektieren. Die Auswertung der Ultraschallsignale ermöglicht es Bauteile auf Risse oder Einschlüsse hin zu prüfen und diese zu lokalisieren. Anders ausgedrückt können Inhomogenitäten in einem Körper durch Schall festgestellt werden, da eine In­ homogenität für den Schall einen Widerstand darstellt.

Dieses Verfahren wird beispielsweise im folgenden Artikel beschrieben: R. B. Thompson, Ultrasonics in Nondestrucitive Evaluation; Proc. of IEEE: Vol. 73, No. 12, Dec. 1985, S. 1716-1755. In diesem Artikel wird die Ultraschalltechnik in zwei Gebiete eingeteilt. Das eine betrifft Ultraschallsysteme in die ein Ultraschallsignal aktiv in ein Werkstück eingekoppelt wird. Das an einer Inhomogenität im Körper reflektierte Ultraschallsignal wird über einen entsprechenden Empfänger detektiert und ausgewertet.

Das zweite ebenfalls zur Ultraschallinspektion verwendbare Verfahren beruht auf der akustischen Emission. In diesem Fall werden lediglich über Empfänger Ultraschallsignale aufgenommen, die während einer Deformation, entsprechend einer kurzzeitigen Freisetzung von Energie in einem Fest­ körper, entstehen. So können beispielsweise Risse in einem Metall bzw. der Rißfortschritt anhand dieses Verfahrens beurteilt werden.

Die japanischen Patentanmeldungen - Patent Abstracts of Japan; Vol. 15; Nr. 220; 5. Juni 1991, - Patent Abstracts of Japan; Vol. 16; Nr. 167; 22. April 1992 beschreiben ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Inspektion von Defekten an gelöteten Teilen. Darin wird die Qualität einer Lötstelle durch Erwärmung derselben und ihrer Umgebung dadurch geprüft, daß der Phasenwinkel von akustischen Schwingungen durch thermische Reaktionen aufgenommen und ausgewertet wird. Die Wärme wird ins­ besondere durch hochkonzentrierte Strahlungsenergie mit einer vorgeschriebenen Frequenz eingebracht.

Aus der DE 29 53 286 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung für die thermoakustische oder thermische Wellenmikroskopie bekannt, wobei eine in einem erhitzten Material erzeugte thermische Welle bzw. ein daraus resultierendes thermoakustisches Signal zur Auswertung von beispielsweise Materialzusammensetzungen, Struktur oder ähnlichem herangezogen wird.

Der Verfahrensschritt einer Kalibrierung eines Meßauf­ nehmers, der beispielsweise nacheinander an verschiede­ nen zu prüfenden Leiterplatten angesetzt wird, geht aus dem Stand der Technik nicht hervor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein zerstörungs­ freies Verfahren zur Prüfung von Lötverbindungen bereitzu­ stellen, das eine 100%ige Kontrolle innerhalb kurzer Zeit ermöglicht und Einflüsse der Ankopplung von Meßwertauf­ nehmern an dem jeweiligen Prüfling ausschaltet.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmale des Anspruches.

Der Erfindung liegt das Prinzip zugrunde, daß sich das Verfahren von akustischen Emissionen auch auf Lötver­ bindungen anwenden läßt. Der zu prüfende Anschluß eines elektronischen Bauelementes bzw. das Anschlußbeinchen wird mit einem gütegeschalteten Laser erwärmt. Dies geschieht so, daß auf der Oberfläche keinerlei sichtbare Spuren entstehen. Dazu ist die Energieeinbringung so gewählt, daß die Oberflächenpartien nicht wesentlich aufschmelzen. Der gütegeschaltete Laser liefert gepulstes Laserlicht und sorgt über die oberflächliche Erwärmung des Materials für interne Spannungen. Diese Spannungen sind mit der Aus­ sendung von Ultraschallsignalen verknüpft. Ein Aufschmel­ zen ist mit dem Zusammenbrechen der Amplitude eines der­ artigen Ultraschallsignales verknüpft, da die Ver­ flüssigung des Materials das Auftreten von Spannungen nicht zuläßt bzw. sofort abbaut.

Zur Prüfung von Lötstellen zwischen Leiterplatten und Bau­ elementen wird in einem ersten Verfahrensschritt ein An­ schlußbeinchen eines Bauelementes mit dem gütegeschalteten Laser erwärmt. Die dabei entstehenden Ultraschallsignale werden über die zu prüfende Lötstelle zur Leiterplatte weitergeleitet. An der Leiterplatte wird ein Sensor zur Detektion des Ultraschallsignales akustisch angekoppelt.

Wird nun zu Anfang des Verfahrens eine Leiterplatte mit korrekten Lötstellen geprüft, so erhält man eine Art Soll­ wert für Ultraschallsignale, wie sie am Sensor detektier­ bar sein sollen. Durch Vergleich von Signalen die bei der aktuellen Prüfung einer Leiterplatte anfallen mit diesen idealen Ultraschallsignalen kann auf die Qualität der Löt­ verbindungen zurückgeschlossen werden. Liegt eine Schwä­ chung des Ultraschallsignales bei der Prüfung einer be­ stimmten Lötstelle vor, so ist die Lötverbindung entweder nicht korrekt zustande gekommen oder zeigt andere Abwei­ chungen von ihrer idealen Form.

Nachdem die charakteristische Ausgestaltung bzw. die Amplitude eines Ultraschallsignales von verschiedenen Faktoren wie beispielsweise der Größe des elektronischen Bauelementes, der Lotmenge, der relativen Lage von An­ schlußbeinchen zu Anschlußflecken oder der Entfernung der Lötstelle von dem Sensor abhängen kann, ist für jede Än­ derung in der Charakteristik einer Baugruppe eine erneute Kalibrierung in dieser Richtung vorzunehmen.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht eine zusätzliche Kalibrierung des Sensors nach der jeweiligen Ankopplung an eine Leiterplatte vor. Hierdurch werden unterschiedliche Qualitäten bei der Ankopplung aus­ geschaltet. Mittels des gütegeschalteten Lasers wird ein Anschlußflecken auf der Leiterplatte erhitzt, wodurch Ultraschallsignale entstehen, die vom Sensor detektiert werden. Die Dämpfung von Ultraschallsignalen durch eine relativ schlechte Ankopplung des Sensors an eine Leiter­ platte kann somit entsprechend berücksichtigt werden.

Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schaubildliche Darstellung einer Lötvorrich­ tung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Leiterplatte,

Fig. 3 ein elektrisches Schema einer Schaltung zur Durch­ führung des Verfahrens.

Die Fig. 1 zeigt eine Lötvorrichtung 30 gemäß der Erfindung, die vier Stützen 22 eines Leiterplattenträgers mit vier Sensoren 4a bis 4d enthält, ein Laser 8 und eine Strahl­ ablenkeinheit 9. Die Sensoren sind vorzugsweise piezo­ elektrische Sensoren. Die elektrischen Zuleitungen sind hier nicht dargestellt worden. Eine Leiterplatte 3 die auf die Sensoren 4a-4d aufgelegt worden ist, besitzt zumindest an der Oberseite eine elektrische Schaltung bildende Leiterbahnen mit Kontaktstellen. Auf diese Kontaktstellen werden Anschlußbeinchen 2 eines elektronischen Bauele­ mentes 1 aufgesetzt und verlötet. Das Leiterbild ist in den Figuren nicht erkennbar. Mittels Lötverbindungen an Lötstellen 7 wird ein elektronisches Bauelement 1 mit der Leiterbahn der Leiterplatte 3 mechanisch und elektrisch verbunden.

Die Charakteristik der Strahlung des Lasers 8 ist durch die Güteschaltung des Lasers 8 bedingt. Eine bekannte Methode ist die Q-Schaltung, die auch Gütemodulation oder Q-Switch genannt wird. Die Laserstrahlung 5 wird mittels der Strahlablenkeinheit 9 auf das Anschlußbeinchen gerichtet. Die Energie des Laserbündels 5 wird bezüglich der Leistung so eingestellt, daß die Oberfläche des An­ schlußbeinchens 2 nicht sichtbar verändert wird. Dies be­ deutet, daß die Energie der einzelnen Pulse des Laser­ bündels 5 so groß ist, daß kein dauerhaftes Aufschmelzen des Materials auftritt. Etwa der Auftreffpunkt 6 des Laserbündels 5 ist als Quelle der Schallwellen zu be­ trachten. Wie in Fig. 2 schematisch dargestellt ist, wird das vom Punkt 6 ausgehende Ultraschallsignal 20 über die Lötstelle 7 zur Leiterplatte 3 geleitet und von den Sensoren 4a-4d detektiert.

Die Fig. 3 zeigt schematisch ein elektrisches Schema 21 einer Schaltung der in Fig. 1 dargestellten Lötvorrich­ tung 30. Das Ultraschallsignal wird in den vier Sensoren 4a-4d in vier elektrische Signale V_4a-V_4d umge­ setzt. Die unterschiedlichen Weglängen zu den Sensoren 4a-4d führen zu Phasenunterschieden zwischen den elektrischen Signalen. Um ein phasenunabhängiges Signal zu bekommen, wird jedes Signal V_4a bis V_4d wie folgt bearbeitet. Zuerst wird das Signal V_4a einmal mit sin(2πft) und einmal mit cos(2πft) multipliziert, wobei f die Frequenz der Modulation des Lasers ist. Die multiplizierten Signale werden durch Tiefpaßfilter 10 geleitet. Aus den Tiefpaß­ filter kommen Signale 1/2A_{4a *}sinΦ_4a und 1/2 A_{4a *}cosΦ_4a, je nachdem, ob das Signal V_4a mit sin(2πft) oder mit cos(2πft) multipliziert worden ist, wobei A_4a die Amplitude des Signals V_4a und Φ_4a die Phase des Signals V_4a ist.

In den Quadratierelementen 11 werden die aus den Tiefpaß­ filtern kommenden Signalen quadratiert und weiter in Addierelement 12 addiert. Dann wird das Signal in Radizier­ element 13 radiziert, wodurch ein Signal mit der Größe 1/2A_4a erhalten wird, das von der Phase Φ_4a des Signals V_4a unabhängig ist. Die anderen Signale V_4b, V_4c, V_4d werden auf vergleichbare Weise bearbeitet. Die Amplitude 1/2A_4a, 1/2A_4b, 1/2A_4c und 1/2A_4d werden dann im Addier­ element 14 addiert. In einem Verstärker 16 wird das aus dem Addierelement 14 kommende Signal mit einer von einem Mikroprozessor 15 gelieferten Normgröße verglichen. In dem Fall, daß das Signal 17 negativ ist, ist die Verbindung zwischen dem Anschlußbeinchen 2 und der Leiterplatte 3 nicht zuverlässig oder sogar nicht anwesend. Man hat dann die Wahl die Verbindung herzustellen oder ein neues Bau­ element auf die Leiterplatte zu montieren. Verschiedene Formen von Bauelementen 1 oder verschiedene Größen der Lötstellen 7 oder verschiedene Entfernungen der Lötstellen 7 von den Sensoren 4a-4d können durch entsprechende Normierung bzw. Kalibrierung der Messung berücksichtigt werden. Dabei wird jeweils am Anfang der Prüfung eine Art Masterbaugruppe mit insgesamt korrekten Lötstellen ver­ messen. Spätere Messungen bei aktuellen Prüfungen werden dann damit verglichen. Zur Ausschaltung von unterschied­ licher Qualität der Ankopplung des Sensors 4a-4d an die Leiterplatte 3 kann eine Kalibrierung der Sensoren durch Aufheizen einer Kontaktstelle auf der Leiterplatte 3 ge­ schehen. Dies kann unter Umständen auch bei Vorliegen einer korrekten Lötstelle 7 durch das Aufheizen eines Anschlußbeinchens 2 erfolgen.

Die bei diesem Verfahren zu detektierenden und auszu­ wertenden Frequenzen des Ultraschallsignales liegen im Be­ reich von 100 kHz bis 1 MHz. Diese Bandbreite ist insofern zweckmäßig, als Maschinengeräusche, die in der Regel unterhalb von 100 kHz liegen, keinen störenden Einfluß zeigen. Oberhalb von 1 MHz ist die Dämpfung des Signales zu groß, so daß nach einer längeren Übertragungsstrecke kein auswertbares Signal mehr zur Verfügung steht.

Durch die vier Sensoren ist die Vorrichtung nicht so em­ pfindlich für die Weglänge zwischen dem Punkt 6 und den Sensoren. Statt vier Sensoren kann das Ultraschallsignal aber auch mit nur einem Sensor gemessen werden. Die Vor­ richtung wird daher billiger.

Für den Fall, daß die Koordinaten der elektronischen Bau­ elemente 1 auf der Leiterplatte 3 bekannt sind, kann der gesamte Prüfaufbau und -ablauf automatisch erfolgen.

Claims (1)

1. Verfahren zum Prüfen von Lötverbindungen zwischen den Anschlüssen von elektronischen Bauelementen (1), die auf einem Träger befestigt sind, und einem auf dem Träger vorhandenen Leiterbild, insbesondere zum Prüfen von Lötstellen (7), die Anschlußflecken auf Leiter­ platten (3) mit Anschlußbeinchen (2) von elektronischen Bauelementen (1) verbinden, wobei

   • - ein verlöteter Anschluß durch einen Laserstrahl (5) eines gütegeschalteten Lasers ohne sichtbare Ver­ änderungen an dessen Oberfläche erwärmt wird,
   • - das bei der kurzzeitigen Erwärmung im Anschluß auf­ tretende und über die Lötstelle (7) zur Leiterplatte (3) übertragene Ultraschallsignal mittels mindestens einem an die Leiterplatte (3) angekoppelten Sensor (4) detektiert wird,
   • - aus dem Vergleich zwischen einem aktuell vom Sensor (4) detektierten mit einem vorher mit einer korrek­ ten Lötstelle ermittelten Ultraschallsignal die Qualität der Lötstelle (7) ermittelt wird, und
   • - der Sensor (4) durch die Aufnahme von einem oder mehreren Ultraschallsignalen, die durch die Auf­ heizung von Teilen des Leiterbildes ohne vorhandene Lötstelle erzeugt wurden, kalibriert wird, um Unter­ schiede bei der Ankopplung des Sensors (4) an eine Leiterplatte (3) auszuschalten.