Baugruppentest kompakt: LED-Baugruppen reproduzierbar und vollautomatisch testen

Autor / Redakteur: Ronald Block * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Mit LED bestückte Leiterplatten lassen sich mit einer speziellen Maschine inspizieren: Sie kombiniert AOI-, Qualitäts-, Funktions- und Lichtprüfung. Damit wird der Baugruppentest vereinfacht und beschleunigt.

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Testverfahren parallelisieren: Mit der LaserVision LED bietet Schneider & Koch seit 2015 ein Prüfsystem, mit dem sowohl LED-Leuchtenhersteller als auch Kunden aus dem Automobilbau ihre LED-bestückten Leiterplatten prüfen können.
Testverfahren parallelisieren: Mit der LaserVision LED bietet Schneider & Koch seit 2015 ein Prüfsystem, mit dem sowohl LED-Leuchtenhersteller als auch Kunden aus dem Automobilbau ihre LED-bestückten Leiterplatten prüfen können.
(Bild: S&K Prüftechnik)

Bis vor einigen Jahren mussten Testingenieure Leuchtdioden teilweise manuell testen. Ein wesentlicher Nachteil: die Reproduzierbarkeit von Testergebnissen als auch die Dokumentationspflicht waren durch diese Testprozesse nicht sichergestellt. Zudem ist die manuelle Prüfung sehr fehleranfällig und insbesondere die Parameter wie Farbtemperatur und Helligkeit konnten nur sehr subjektiv beurteilt werden.

Parallel mussten die Baugruppen immer stichprobenweise in einem zusätzlichen Lichtlabor vermessen werden. Insbesondere der hohe manuelle Anteil am Prüfprozess, wie beispielsweise das Baugruppenhandling und die Einschätzungen eines Prüfexperten mit den daraus resultierenden Entscheidungen bezüglich der optischen Eigenschaften, wiesen erhebliche Nachteile für die Serienfertigung auf.

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Die Entwickler bei Schneider & Koch überlegten sich aus den genannten Gründen, wie sich der Testprozess vereinfachen und automatisieren ließ, um schnell zu reproduzierbaren Ergebnissen zu kommen. Dabei half es, den Markt auf unterschiedlichen Messen und mit Hilfe des direkten Kundengesprächs vor Ort zu analysieren. Es stellte sich schnell heraus, dass es einen Bedarf an automatisierten Prüfsystemen dieser Art gibt.

Leuchtenentwickler und Automobil-Hersteller

Zunächst umfasste die Zielgruppe nur Hersteller von Leuchten. Doch auch schnell interessierten sich Hersteller und Lieferanten aus dem Automotive-Umfeld für die Testentwicklungen von Schneider & Koch. Für beide Kundengruppen lagen die Anforderungsschwerpunkte darin, die LED-Baugruppen im Serientakt zu überprüfen. Dafür waren Prüfgeschwindigkeiten notwendig, die bisher nicht möglich waren, da die Prüfungen Messzeiten aufwiesen, die länger waren als die Serientaktung.

Damit die Serientaktung umgesetzt werden konnte, war die Parallelisierung von unterschiedlichen Testverfahren notwendig. Allerdings zog das einen erheblichen Handling-Aufwand nach sich.„Aus diesen Anforderungen heraus wurde Anfang 2015 die LED-Tester-Linie entwickelt und ab Ende 2015 erste Systeme, wie das LaserVision LED. Ein Jahr später wurde das System weiter optimiert und entsprechend der unterschiedlichen Branchen angepasst und weiter in seiner Konfiguration verfeinert. Damit lassen sich jetzt alle Anforderungen im Basisgrundsystem von vornherein abdecken.

In den nachfolgenden Jahren wurde das Testsystem LaserVision LED kontinuierlich weiterentwickelt. In der Vergangenheit wurden die AOI-Prüfung, der Funktionstest und die photometrische Messung getrennt voneinander betrachtet. Das führte zu einem erheblichen Zeitverlust, da jede Baugruppe mindestens zweimal angefasst werden musste. Des Weiteren stiegen die Kosten mit jedem zusätzlichen Prüfungsschritt. Oftmals wurden aber auch Lichtwellenleitersysteme und Sensoriken eingesetzt, die als Ergänzung in den elektrischen Testverfahren wie ICT oder FKT in den Adaptern integriert wurden.

Photometrische Messung für eine breite Zielgruppe

Aber gerade solche Verfahren wurden sehr teuer, wenn eine Vielzahl an LEDs geprüft werden musste. Die Kosten für die LED-Prüfung erreichten daher schnell ein Vielfaches der eigentlichen Adaptionskosten. Da die Messtechnik möglichst dicht an die zu prüfenden LEDs angeordnet werden muss, und idealerweise nicht über Schnittstellen geführt werden sollte, würden diese Kosten daher in jedem eingesetzten Adapter anfallen.

Aktuelle LED-Entwicklungen werden in der Regel in der sogenannten Surface Mount Technology (SMT) verarbeitet. Dabei wird jede LED auf ein definiertes Lot-Pad abgelegt und fixiert. Die Prüfung von SMD-Baugruppen war bei Schneider & Koch nicht unbekannt, da man bereits mit AOI-Systeme testete. Daher lag die Schlussfolgerung nahe, dass die bisherigen Prüfungsprozesse mit denen der LED-Prüfung in einer Maschine kombinieren. Ziel war es, den Prüfungsaufwand zu reduzieren, den Durchsatz zu erhöhen und dabei alle relevanten Prüfparameter reproduzierbar zu erfassen und abzuspeichern. Das bedeutete, dass Baugruppen auf Bestückung, Lötstellen, Kurzschlüsse und Polaritäten geprüft werden sollten, in Kombination mit der Baugruppenfunktion sowie den photometrischen Messungen, um die neue Maschine einer möglichst breiten Zielgruppe anbieten zu können.

Doch die Zielgruppe ist vielfältig. Der Trend zum Einsatz von LED-Technik ist ungebrochen und wird sich weiter fortsetzen. Insbesondere in der Automobilindustrie sowie in der Beleuchtungs- und Displaytechnik sind die Qualitätsanforderungen an LEDs besonders hoch. Wenn in der Beleuchtungsindustrie der Schwerpunkt häufig in der sehr schnellen Serienfertigung liegt, sind es im Automobilbau, insbesondere in Europa, eher die Genauigkeit und die Prüfung der einzelnen LEDs auf einer Platine untereinander. Unterschiedliche Versorgungsspannungen für die Leiterplatten, auch über Wechselspannungen mit 230 V und Gleichspannungen mit 200 V sowie die Prüfung von sogenannten Longboards sind Anforderungen, die ein aktuelles, universelles Testsystem abdecken muss.

Komplette Prüfung der Leiterplatten bis 1500 mm

Das entwickelte System umfasst die AOI-Prüfung, den Funktionstest als auch die Prüfung der LEDs bezüglich der Lichtparameter. Dabei ist die komplette Prüfung der Leiterplatten bis zu einer Länge von bis zu 1500 mm möglich. Somit lässt sich eine 100-prozentige Prüfung im Inline-Prozess erreichen. Das System LaserVision LED kann auch Stand-Alone eingesetzt werden, sowie als Tischsystem für den Prototypen- und Kleinserienbau. Wird es als reines AOI-System verwendet, kann ein noch schnellerer Return-of-Investement erreicht werden. Die LED-Messtechnik kann universell über die gesamte Baugruppengröße genutzt werden und wird nur einmalig im System benötigt. Gleiches gilt für den Adapter für die Kontaktierung im Inline-Prozess.

Für die LED-Tests gibt es zwei unterschiedliche Prüfungsansätze: Im taktzeitoptimierten Ansatz wird die im AOI eingesetzte Kamera zur Prüfung verwendet. Die Prüfung kann allerdings auch über ein integriertes Spektrometer erfolgen. Allerdings ist das Spektrometer grundsätzlich nicht notwendig, da die Kamera häufig ausreichende Ergebnisse liefert. Für genauere Messungen kann das Spektrometer hinzugezogen werden. Da es sich dabei um ein sehr langsames Messsystem handelt, ist es aber für den Großserieneinsatz eher ungeeignet.

Der Test von ultrahellen LEDs rückt in den Fokus

Um einheitliche Wellenlängen und Intensitäten gewährleisten zu können, muss während der Fertigung regelmäßig getestet werden. Gerade für kleinere EMS-Dienstleister und Elektronikhersteller war das schwierig. Wurden trotzdem Fehler erkannt, war es für die Kunden schwieriger, mit ihren LED-Herstellern in eine Verhandlung einzutreten. Geringere Abnahmemengen und fehlende Zahlen und Fakten zu Fehllieferungen verschlechterten die Verhandlungsposition. Um eine professionelle Prüfung zu gewährleisten, kann mit dem Spektrometer eine Baugruppe ausgemessen und dann mit dem Kamerasystem in Übereinklang gebracht werden.

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Die Prüfung erfolgt auf Einzel-LED-Ebene. LED-Leuchten können komplett als Endprodukte und auch in unterschiedlichen Fertigungsständen geprüft werden, inklusive der LED-Streifen mit einer Länge von 1500 mm. Um auch dieser Anforderung gerecht zu werden, wurde das System um das Handling dieser Baugruppen erweitert. Das Besondere dabei ist, dass der Kunde im Nachlaufband eine Markierung der Pass-Baugruppen vornehmen kann.

Ultrahelle und Hochstrom-LEDs untersuchen

In den vergangenen Monaten rückten die ultrahellen LEDs auf die Wunschliste der Kunden. Allerdings ist ihre Prüfung wegen der Helligkeit anspruchsvoll. Lösen lässt sich das über die Integration einer optischen Dämpfung und mit einer zusätzlichen Kamera. Da die Farbeigenschaften der LEDs nicht verändert werden, kann die Einheit entsprechend der zu prüfenden maximalen Helligkeit der LEDs definiert werden. Das Dämpfungsglied ist so ausgelegt, dass auch zukünftige LED-Entwicklungen mit dieser Option geprüft werden können.

Lässt sich der Strom bei Baugruppen nicht beeinflussen, wird der Test ultraheller LEDs schwierig. Der Grund ist, dass Kameras in der Regel die LEDs ohne Filter oder Regulierung der Helligkeit nicht vermessen können. Es sind vor allem die auf der Baugruppe verbauten Netzteile, die verhindern, dass die Helligkeit eingestellt werden kann. Für möglichst stabile Werte und einen definierten Messzeitpunkt besteht die Möglichkeit, die LEDs vorab mit Strom zu versorgen. Dadurch wird das sogenannte vorglühen erzeugt, dass zu maximaler Helligkeit der LEDs führt. Das Temperaturmanagement im Testlauf muss ebenfalls beachtet werden, insbesondere bei LED-Baugruppen mit leistungsstarken LEDs.

Es zeigte sich, dass kleine Elektronikfertiger ebenfalls den Bedarf haben, ihre Prüfung automatisiert und dokumentiert aufzusetzen. Aus diesem Grund wurde ein weiteres Tischsystem entwickelt, welches im zweiten Schritt auch auf größere Baugruppen bis 600 mm x 400 mm ausgerichtet wurde. Aber auch Peripheriesysteme erweiterten das Produktportfolio. 2017 wurde ein sogenannter Hochspannungs-Tester vorgestellt. Der Hochspannungstest erfolgt mit Gleich- sowie Wechselspannung und ist beispielsweise bei LED-bestückten Leiterplatten notwendig, deren Unterseite aus Metall besteht. Bei der Prüfung entsteht ein Ableitstrom, der zwischen den spannungsführenden Bauteilen und der Metallunterseite der Leiterplatte fließt. Sollte dabei kein Überschlag entstehen, kann davon ausgegangen werden, dass es einen Mindestabstand zwischen den spannungsführenden Bauteilen und der Metallunterseite des Prüflings gibt.

Beim HV-Tester erfolgt die Kontaktierung über Nadelkontakte an der Oberseite der Leiterplatte. Mit einer Flächenkontaktierung wird die Leiterplatte an der Unterseite kontaktiert. Der HV-Tester ist in zwei Größen erhältlich. Die Standardausführung testet Boards bis 1000 mm. Optional kann das System auch auf die Longboard-Länge ausgebaut werden. In diesem Fall beträgt die Gesamtmaschinenlänge 2000 mm.

* Ronald Block ist geschäftsführender Gesellschafter bei Schneider & Koch.

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