Verfahren und Vorrichtung zur Qualitätsprüfung von Leiterplatten
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Qualitätsprüfung von Leiterplatten, gemäß dem jeweiligen Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 10.
Zur Qualitätskontrolle bei der Herstellung und Bestückung von Leiterplatten ist bisher ein mechanisches Verfahren bekannt, welches mit Hunderten von Kontakten, mittels Lochmasken sowie mittels Kontakten aus Speziallegierungen einen Prüfling mechanisch abtastet. Zur Qualitätsprüfung werden einzelne Schaltkreise kontaktiert und deren Funktion von einem elektrischen Prüfadapter getestet.
Die elektrische Prüfung mittels speziell für diesen Zweck produzierten Kontakten und Prüfadaptern ist jedoch aufwendig und störanfällig. Die Positionierung der Kontakte in einem Prüfadapter wird durch die Miniaturisierung der elektronischen Baugruppen immer schwieriger. Da für jeden neuen Leiterplattentyp ein eigenes spezielles Prüfadapter gebaut werden muß, fallen hierfür enorme Kosten an. Der Aufbau eines Prüfadapters mittlerer Größe erfordert beispielsweise die Produktion von etwa 500 Spezialkontakten. Die benötigte Zeit für einen solchen Aufbau ist mit ca. 0,5 Tagen anzusetzen. Die Kosten hierfür betragen im Durchschnitt DM 500,00 und steigen bei SMD-Layouts schnell auf mehr als DM 1.000,00. Bei Kleinstserien von beispielsweise 20 Stück Leiterplatten lohnt es oft nicht, bei einem Produktpreis von DM 20,00 pro Stück zusätzlich DM 25,00 Prüfkosten pro Leiterplatte und einen zusätzlichen Produktionstag zu investieren. Dies gilt insbe- sondere für Vorserien, da hier oft die nächste Testreihe Änderungen am Layout und damit der Anordnung der Prüfkontakte mit sich bringt. Änderungen des Layouts der Leiterplatte bedeuten somit anfallende Kosten für Änderungen am elektrischen Prüfadapter bzw. dessen Neuaufbau. Verzichtet man jedoch aus Kosten-
gründen auf eine Prüfung der Leiterplatte, läuft man Gefahr, die gesparten Kosten bei einer fehlerhaften Fertigung mehrfach zu verlieren.
Bei der elektrischen Prüfung mittels des Prüfadapters wird ein spezieller Prüfalgo- rithmus angewandt. Kommt es beispielsweise zu einer Verengung einer Leiterbahn, wird dies mit dem Prüfergebnis "fehlerfrei" quittiert, d.h. derartige Produktionsfehler werden nicht erkannt. Auch parasitäre Ansätze werden nicht erkannt, was besonders bei Schaltungen für Hochfrequenzanwendungen ggf. zu unbrauchbaren Produkten führen kann. Ebenso werden nichtzentrische Bohrungen nicht als Fehler erkannt.
Ein weiterer Nachteil der bisherigen Prüfmethode liegt darin, daß die elektrische Prüfung erst am Ende des Produktionsprozesses stattfindet, so daß erst eine sehr späte Fehlererkennung möglich ist. Die Gefahr, eine fehlerhafte Serie zu produzie- ren, steigt mit der Anzahl der Lagen (Layer). Die Wahrscheinlichkeit einer fehlerhaften Produktion ist daher bei einer 8-Lagen-Multilayer-Leiterplatte sehr viel höher als bei einer 2-Lagen-Leiterplatte. Bislang muß eine Multilayer-Leiterplatte erst komplett produziert sein, um feststellen zu können, daß die erste Lage fehlerhaft war. Die zuvor beschriebenen Einschränkungen bzgl. der nicht erkennbaren Feh- ler sind dabei ohnehin nicht auszuschließen.
Das Aufbewahren von elektrischen Prüfadaptern erfordert bei den Leiterplattenherstellern einen großen logistischen Aufwand. Es ist nicht bekannt, welche Prüfadapter wann, wo oder überhaupt wieder benötigt werden. Gelagerte Prüfadapter müssen wieder auffindbar sein. Nach längerer Lagerzeit sind ggf. die Kontakte wartungsbedürftig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der o.g. Art zur Verfügung zu stellen, welche hinsichtlich Zuverlässigkeit und Flexibili- tat der Qualitätsprüfung bei gleichzeitig reduzierten Kosten verbessert sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren der o.g. Art mit den in Anspruch 1 angegebenen Verfahrensschritten und mit einer Vorrichtung der o.g.
Art mit den in Anspruch 10 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß sind bei einem Verfahren der o.g. Art folgende Schritte vorge- sehen:
(a) Erfassen einer von einer Oberfläche der Leiterplatte ausgehenden Strahlung,
(b) Umsetzen der erfaßten Strahlung in Daten, welche eine Oberflächenstruk- tur und/oder Tiefenstruktur der Leiterplatte repräsentieren,
(c) Vergleichen der Daten der Oberflächenstruktur und/oder der Tiefenstruktur mit gespeicherten Daten eines Sollzustandes der Oberflächenstruktur und/oder Tiefenstruktur und
(d) Bestimmen von Abweichungen zwischen den Daten der erfaßten Oberflä- chenstruktur und/oder Tiefenstruktur und den Daten des Sollzustandes der
Oberflächenstruktur und/oder Tiefenstruktur.
Dies hat den Vorteil, daß bei einer automatisierten, maschinellen Leiterplattenherstellung und -bestückung mit hoher Effektivität und Qualität Bestückungsfehler wie auch Fehler in Struktur und Maß der Leiterplatten selbst erkannt werden können. Durch die berührungslose Funktionalität werden erhebliche Kostenreduzierungen erzielt. Qualitätskontrollen lassen sich schnell und zuverlässig durchführen. Es ergeben sich Kosten- und Zeitersparnis im Vergleich mit herkömmlichen Prüfmethoden, wobei durch eine zusätzlich hohe Flexibilität die Erfindung auch bei einer Kleinserienproduktion wirtschaftlich anwendbar ist. Es entfällt die Positionierung einzelner Meßabnehmer. Eine zum Anpassen an die Strukturen der zu prüfenden Leiterplatten erforderliche Miniaturisierung ist jederzeit möglich. Ein mechanischer Aufbau für einzelne Prüflinge entfällt. Die Prüfeinrichtung ist in wenigen Minuten einsatzbereit, wodurch sich Prüfkosten drastisch senken. Bei Änderungen des Layouts der zu prüfenden Leiterplatten sind lediglich neue Daten einzulesen, um das Prüfgerät zu aktualisieren. Dadurch werden selbst bei kleinen Stückzahlen preiswert geprüfte Leiterplatten erzielt. Das Prüfergebnis garantiert eine praktisch 100%-ige Fehlerfreiheit und stellt einen bisher nicht erreichten Qualitätsstand zur Verfügung. Unsauber geätzte Leiterbahnen sowie unsaubere Lötstellen bei be-
stückten Leiterplatten werden ebenso erkannt wie nicht zentrische Bohrungen oder falsch gefräste Abmessungen der Leiterplatte. Da das erfindungsgemäße Prüfverfahren zwischen allen Produktionsschritten schnell, einfach und kostengünstig einsetzbar ist, können Serienfehlerproduktionen ausgeschlossen werden. Dies erzielt einen deutlichen Produktionsvorteil bei den teuren Mehrlagen- Leiterplatten. Durch die leichte Verwaltbarkeit von Daten können große Mengen von verschiedenen Prüfobjekten bei geringem Platzbedarf aufbewahrt werden. Darüber hinaus ist es möglich, die qualitätsbedingten Anforderungen beispielsweise in der Luft- und Raumfahrttechnik zu erfüllen. Zudem lassen sich für jedes ein- zelne Produkt Qualitätsnachweise über alle Fertigungsprozesse erbringen.
Die erfaßten Daten wie auch die Daten des Sollzustandes sind bevorzugt Daten in digitaler Form.
Zweckmäßigerweise werden nach Schritt (d) die Abweichungen mit entsprechenden Toleranzbändern verglichen, und es wird in Abhängigkeit von diesem Vergleich für die Leiterplatte ein Prüfergebnis "fehlerfrei" erzeugt, wenn sich die Abweichungen innerhalb der Toleranzbänder befinden, oder "fehlerbehaftet" erzeugt, wenn sich die Abweichungen wenigstens teilweise außerhalb der Toleranzbänder befinden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird in Schritt (a) die Oberflächenstruktur und/oder Tiefenstruktur mittels von der Oberfläche reflektierten und/oder durch diese transmittierten elektromagnetischen Wellen, insbesondere im Frequenz- spektrum von sichtbarem Licht, Röntgenstrahlen, Radarstrahlen, Mikrowellenstrahlen und/oder Infrarotstrahlung, erfaßt.
Aus entsprechenden Änderungen der Temperatur über die Zeit kann man dadurch auf die strukturellen Gegebenheiten an der Oberfläche und in der Tiefe schließen, daß in Schritt (a) von der Oberfläche abgestrahlte Wärmestrahlung erfaßt wird und in Schritt (b) aus einer Änderung der Wärmeabstrahlung über die Zeit die Oberflächenstruktur und/oder Tiefenstruktur analysiert wird.
Zum Ausführen einer dynamischen Messung wird die Leiterplatte während der Messung in Schritt (a) erwärmt oder gekühlt.
Beispielsweise wird die Erfassung in Schritt (a) mittels einer thermo-optischen Differenzmessung durchgeführt.
Für eine entsprechende leiterplattenindividuelle Dokumentation werden die Abweichungen von Schritt (b) auf einem Massenspeicher abgespeichert.
Eine besonders schnell zu realisierende Prüfung erzielt man dadurch, daß die Daten des Sollzustandes der Oberflächenstruktur ein bei der Planung entworfenes Layout der Leiterplatte sind.
Eine Vorrichtung der o.g. Art ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch einen Sensor zum Erfassen einer von einer Oberfläche der Leiterplatte ausgehenden Strahlung, eine Einrichtung zum Umsetzen der erfaßten Strahlung in Daten, welche eine Oberflächenstruktur und/oder Tiefenstruktur der Leiterplatte repräsentieren, eine Einrichtung zum Vergleichen der Daten der Oberflächenstruktur und/oder der Tiefenstruktur mit gespeicherten Daten eines Sollzustandes der Oberflächen- Struktur und/oder Tiefenstruktur und eine Einrichtung zum Bestimmen von Abweichungen zwischen den Daten der erfaßten Oberflächenstruktur und/oder Tiefenstruktur und den Daten des Sollzustandes der Oberflächenstruktur und/oder Tiefenstruktur.
Dies hat den Vorteil, daß bei einer automatisierten, maschinellen Leiterplattenherstellung und -bestückung mit hoher Effektivität und Qualität Bestückungsfehler wie auch Fehler in Struktur und Maß der Leiterplatten selbst erkannt werden können. Durch die berührungslose Funktionalität werden erhebliche Kostenreduzierungen erzielt. Qualitätskontrollen lassen sich schnell und zuverlässig durchführen. Es ergeben sich Kosten- und Zeitersparnis im Vergleich mit herkömmlichen Prüfmethoden, wobei durch eine zusätzlich hohe Flexibilität die Erfindung auch bei einer Kleinserienproduktion wirtschaftlich anwendbar ist. Es entfällt die Positionierung einzelner Meßabnehmer. Eine zum Anpassen an die Strukturen der zu prüfenden Leiterplatten erforderliche Miniaturisierung ist jederzeit möglich. Ein mechanischer
Aufbau für einzelne Prüflinge entfällt. Die Prüfeinrichtung ist in wenigen Minuten einsatzbereit, wodurch sich Prüfkosten drastisch senken. Bei Änderungen des Layouts der zu prüfenden Leiterplatten sind lediglich neue Daten einzulesen, um das Prüfgerät zu aktualisieren. Dadurch werden selbst bei kleinen Stückzahlen preiswert geprüfte Leiterplatten erzielt. Das Prüfergebnis garantiert eine praktisch 100%-ige Fehlerfreiheit und stellt einen bisher nicht erreichten Qualitätsstand zur Verfügung. Unsauber geätzte Leiterbahnen sowie unsaubere Lötstellen bei bestückten Leiterplatten werden ebenso erkannt wie nicht zentrische Bohrungen oder falsch gefräste Abmessungen der Leiterplatte. Da das erfindungsgemäße Prüfverfahren zwischen allen Produktionsschritten schnell, einfach und kostengünstig einsetzbar ist, können Serienfehlerproduktionen ausgeschlossen werden. Dies erzielt einen deutlichen Produktionsvorteil bei den teuren Mehrlagen- Leiterplatten. Durch die leichte Verwaltbarkeit von Daten können große Mengen von verschiedenen Prüfobjekten bei geringem Platzbedarf aufbewahrt werden. Darüber hinaus ist es möglich, die qualitätsbedingten Anforderungen beispielsweise in der Luft- und Raumfahrttechnik zu erfüllen. Zudem lassen sich für jedes einzelne Produkt Qualitätsnachweise über alle Fertigungsprozesse erbringen.
Die erfaßten Daten wie auch die Daten des Sollzustandes sind bevorzugt Daten in digitaler Form.
Zweckmäßigerweise ist eine Einrichtung zum Vergleichen der Abweichungen mit entsprechenden Toleranzbändern vorgesehen, welche in Abhängigkeit von diesem Vergleich für die Leiterplatte ein Prüfergebnis "fehlerfrei" erzeugt, wenn sich die Abweichungen innerhalb der Toleranzbänder befinden, oder "fehlerbehaftet" erzeugt, wenn sich die Abweichungen wenigstens teilweise außerhalb der Toleranzbänder befinden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Sensor zum Detektieren von elek- tromagnetischen Wellen, insbesondere im Frequenzspektrum von sichtbarem Licht, Röntgenstrahlen, Radarstrahlen, Mikrowellenstrahlen oder Infrarotstrahlung, ausgebildet und derart angeordnet, daß er von der Leiterplatte reflektierte und/oder durch diese transmittierte elektromagnetische Wellen erfaßt.
Beispielsweise ist der Sensor zum Erfassen von Wärmeabstrahlung von der Oberfläche der Leiterplatte ausgebildet und ist die Einrichtung zum Umsetzen der erfaßten Strahlung in Daten, welche eine Oberflächenstruktur und/oder Tiefenstruktur der Leiterplatte repräsentieren, derart ausgebildet, daß diese Einrichtung aus einer Änderung der Wärmeabstrahlung über die Zeit an einem bestimmten Ort der Leiterplatte und/oder über die Oberfläche der Leiterplatte die Oberflächenstruktur und/oder Tiefenstruktur analysiert.
Zum Ausführen einer dynamischen Messung ist eine Einrichtung zum Kühlen oder Erwärmen der Leiterplatte während der Messung, insbesondere ein Laser, vorgesehen.
Beispielsweise ist die Vorrichtung zum Ausführen einer thermo-optischen Differenzmessung ausgebildet.
Zur leiterplattenindividuellen Dokumentation der Prüfergebnisse weist die Vorrichtung zusätzlichen einen Massenspeicher zum Abspeichern der Abweichungen auf.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Sensor wenigstens ein Pyrosensor oder eine Wärmebildkamera. Alternativ umfaßt der Sensor einen Laser.
Einen schnell, einfach und kostengünstig aufzubauenden Prüfplatz erzielt man dadurch, daß die Einrichtung zum Umsetzen, die Einrichtung zum Vergleichen und die Einrichtung zum Bestimmen von Abweichungen in einem Computer ausgebildet sind. Hierdurch ist lediglich Software und eine Datenbasis an die konkret zu prüfende Leiterplatte anzupassen. Hardwareanpassung der Prüfvorrichtung an das Layout der Leiterplatte entfallen vollständig.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in der einzigen Figur ein schematisches Blockschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die aus der Fig. ersichtliche beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zum Prüfen von Leiterplatten 12 mit einer Oberflächenstruktur 14 umfaßt eine Einrichtung 16 zum Erfassen der Oberflächenstruktur 14 der Leiterplatte 12 mittels eines Sensors 18, eine Einrichtung 20 zum Umsetzen der erfaßten Oberflächenstruktur 14 in digitale Daten, eine Einrichtung 22 zum Vergleichen der digitalen Daten der Oberflächenstruktur 14 mit in einem Speicher 24 gespeicherten digitalen Daten eines Sollzustandes der Oberflächenstruktur und zum Bestimmen von Abweichungen zwischen den digitalen Daten der erfaßten Oberflächenstruktur 14 und den digitalen Daten des Sollzustandes der Oberflächenstruktur aus dem Speicher 24. Diese Abweichungen werden auf einem Massenspeicher 26 abgespeichert und einer Einrichtung 28 zum Vergleichen der Abweichungen mit entsprechenden Toleranzbändern zugeführt, welche in einem Speicher 30 abgelegt sind. In Abhängigkeit von diesem Vergleich erzeugt die Ein- richtung 28 für die Leiterplatte 14 das Prüfergebnis "fehlerfrei", wenn sich die Abweichungen innerhalb der Toleranzbänder befinden, oder "fehlerbehaftet", wenn sich die Abweichungen wenigstens teilweise außerhalb der Toleranzbänder befinden.
Dieses Prüfergebnis wird auf dem Massenspeicher 26 abgespeichert, auf einer Anzeigeeinrichtung 32 dargestellt, einem Drucker 34 zugeführt, welcher ein Protokoll online ausdruckt, sowie an eine Prozeßsteuerung 36 weitergeben. Die Prozeßsteuerung 36 sortiert die Leiterplatte 12 ggf. automatisch aus der Produktionslinie aus, wenn sie von der Einrichtung 28 das Prüfergebnis "fehlerbehaftet" erhält.
Der Sensor 18 ist beispielsweise ein optischer Sensor, welcher elektromagnetische Wellen 38 aus dem sichtbaren Spektrum, Infrarotbereich, Röntgenstrahlen, Radarstrahlen nach der Reflexion an der Oberflächenstruktur 14 der Leiterplatte 12 aufnimmt und einer in der Einrichtung 16 ausgebildeten Bildverarbeitung bzw. Bilderkennung zuleitet.
Wegen des einfachen und kostengünstigen Aufbaus der Prüfeinrichtung 10 ist diese ggf. an mehreren Stellen im Produktionsablauf für die Leiterplatte 12 vorgesehen. Beispielsweise kann so bei der Herstellung von Leiterplatten 12 mit mehre-
ren Schichten nach jeder Schichtherstellung die Oberflächenstruktur 14 geprüft werden.
Die Vergleichsdaten in dem Speicher 24 sind die Daten des Layouts aus dem Entwurf der Leiterplatte 12. Dieser Entwurf wird heute ausschließlich computergestützt angefertigt, so daß diese Layout-Daten unmittelbar als digitale Daten vorliegen und ggf. lediglich für den Vergleich in der Einrichtung 22 entsprechend konvertiert werden müssen. Mit anderen Worten wird also mittels des Sensors 18 eine Materialstruktur 14 der Leiterplatte 12 berührungslos als Istwert abgefragt und mit einem Sollwert, nämlich den Layout-Daten der CAD-Entwurfs der Leiterplatte verglichen. Die Toleranzbänder in Speicher 30 geben dann zulässige Abweichungen der Istwerte gemäß erfaßter Oberflächenstruktur von den Sollwerten gemäß Datenspeicher 24 vor. Fallen Werte aus den Toleranzbändern heraus, so wird die Leiterplatte 12 von der Einrichtung 28 als fehlerhaft klassifiziert und kann sofort aus dem laufenden Prozeß herausgezogen werden. Ggf. sorgt die Prozeßsteuerung 36 für eine Korrektur von Prozeßparametern, um einem systematischen Fehler auf den Leiterplatten 12 entgegen zu wirken. Sofern ein Eingreifen von Servicepersonal in den Produktionsablauf notwendig ist, stoppt die Prozeßsteuerung 36 die Produktion und gibt einen entsprechenden Hinweis. Hierdurch ist eine unerwünschte und ggf. kostenintensive Produktion von Ausschuß wirksam vermieden.
Als besonders vorteilhaft erweist sich, daß das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung die Prüfung berührungslos durchführt. Da kei- nerlei mechanische Kontakte zwischen der Prüfeinrichtung 10 und dem Prüfling, nämlich der Leiterplatte 12, notwendig sind, muß seitens der Prüfvorrichtung 10 keine Hardwareanpassung an das Layout der Leiterplatte 12 vorgenommen werden. Die einzige Anpassung erfolgt auf Softwareebene, insbesondere bei den Daten in den Speichern 24 und 30. Die Prüfvorrichtung 10 kann an Änderungen des Layouts durch einfache Mausklicks angepaßt werden.
Der Ausdruck aus dem Drucker 34 und die Daten in dem Speicher 26 dienen der Dokumentation, wobei es hierbei auf einfache Weise möglich ist, alle Prüfergebnisse auch von verschiedenen Stellen im Produktionsablauf auch noch nachträg-
lieh einer bestimmten Leiterplatte zuzuordnen. Hierdurch kann der fertigen Leiterplatte ein komplettes Prüfprotokoll mit dem Nachweis einer korrekten Produktion beigefügt werden. Die Daten im Massenspeicher 26 können unbegrenzt ohne besondere Lagerhaltungskosten aufbewahrt und ggf. über Internet weltweit verfügbar gemacht werden.
Eine Schnittstelle zwischen Sensor und Computer muß nur einmal erstellt werden und ist unabhängig von Art und Layout der Leiterplatte.
Besonders bevorzugt ist eine thermo-optische Differenzmessung. Hierzu wird eine von der Oberfläche der Leiterplatte 12 ausgehende Wärmeabstrahlung vom Sensor 18 erfaßt und in der Einrichtung 16 ausgewertet. Hierbei können Rückschlüsse sowohl auf die Oberflächenstruktur als auch auf die Tiefenstruktur der Leiterplatte 12 gezogen werden. Es erfolgt beispielsweise eine Analyse der Änderung der Wärmeabstrahlung über die Oberfläche der Leiterplatte, d.h. der unterschiedlichen Wärmeabstrahlung an unterschiedlichen Orten auf der Leiterplatte, woraus sofort eine Oberflächenstruktur entnehmbar ist. Alternativ oder zusätzlich wird die Leiterplatte 12 erwärmt und an bestimmten Orten die Änderung der Wärmeabstrahlung bestimmt, d.h. mit anderen Worten ein Erwärmungsgradient. Beispielsweise kön- nen auf diese Weise Durchkontaktierungen in der Leiterplatte, d.h. allgemein im weitesten Sinne die Tiefenstruktur innerhalb der Leiterplatte, überprüft werden. Eine vollständig ausgebildete Durchkontaktierung wird sich infolge der größeren, wärme aufnehmenden Masse langsamer erwärmen, als eine unvollständige Durchkontaktierung, so daß letztere auf diese Weise berührungslos, einfach und schnell identifizierbar ist. Statt der Messung der Änderung der Wärmeabstrahlung über die Zeit bei der Erwärmung, kann auch nach der Erwärmung der Leiterplatte die Änderung der Wärmeabstrahlung über die Zeit bei der Abkühlung aufgenommen werden. Hierbei wird sich beispielsweise eine vollständige Durchkontaktierung wegen der größeren Masse, die eine größere Wärmemenge enthält, langsa- mer abkühlen, als eine unvollständige Durchkontaktierung, so daß letztgenannte Fehler auf der Leiterplatte 12 einfach, schnell, berührungslos und zerstörungsfrei auch nach Vollendung der Leiterplatte 12 feststellbar sind.