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Röntgeninspektion von Baugruppen Prozesskontrolle und -optimierung, Lotevaluierung sowie Fehleranalyse mit AXI

| Autor / Redakteur: Dr. Dirk Neuber* / Claudia Mallok

Manuelle und automatische Prozesskontrolle und Fehleranalyse, einfache Programmierung, Auflösung bis in den Submikrometerbereich sowie nachgewiesene höchste Präzision von Hardware und Software – die Anforderungen von Phoenix Contact Electronics an das zukünftige Röntgeninspektionssystem (AXI-System) waren sehr anspruchsvoll und vielseitig. Die Entscheidung fiel auf das microme|x alpha von phoenix|x-ray, für das im Rahmen der Abnahme eine Maschinenfähigkeitsuntersuchung durchgeführt wurde.

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Georg Reuter nutzt die automatischen und manuellen Inspektionsmöglichkeiten vorwiegend zur Prozesskontrolle
Georg Reuter nutzt die automatischen und manuellen Inspektionsmöglichkeiten vorwiegend zur Prozesskontrolle
( Archiv: Vogel Business Media )

Mit rund 8400 Mitarbeitern gehört die Phoenix-Contact-Gruppe weltweit zu den Marktführern der elektrischen Verbindungstechnik und elektronischer Interface-Systeme. Die hochintegrierten elektronischen Baugruppen für die industrielle Kommunikationstechnik werden für die gesamte Unternehmensgruppe von den 660 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern der Phoenix Contact Electronics im ostwestfälischen Bad Pyrmont gefertigt. Große Baugruppenserien werden auf drei durchsatzstarken SMD-Linien produziert; Neben dem Reflow-Löten wird auch auf Wellen- und Stempellöten sowie auf Selektivlöten unter Schutzgasatmosphäre gesetzt.

Georg Reuter, der bei Phoenix Contact Electronics für die Verfahrenstechnik verantwortlich ist, betont die Bedeutung stabiler Lötprozesse: „Wer Qualität ohne hohe Ausschuss- und Reparaturkosten produzieren will, muss die Bestückungs- und Lötprozesse perfektionieren. Dann braucht man keine Röntgenausrüstung, um die gesamte Produktion zu kontrollieren – es genügen Stichprobenuntersuchungen, um rechtzeitig gegensteuern zu können, lange bevor ein Prozess komplett aus dem Ruder läuft.“

Diskussion von Inspektionsergebnissen: Die Experten nutzen das AXI-System schon vor der Serienfertigung z.B. zur Lot-Evaluierung (Archiv: Vogel Business Media)

Dabei fängt die Prozessoptimierung mittels Röntgeninspektion für ihn lange vor der Serienfertigung an: Georg Reuter nutzt den microme|x alpha bereits im Vorfeld bei der Lot-Evaluierung, um die Porenbildung unterschiedlicher Lotpasten miteinander zu vergleichen. „So können durch gezielte Auswahl aller Verfahrensparameter Fehlerquellen im Vorfeld vermieden werden, anstatt hinterher Fehlteile aussortieren zu müssen.“ Voraussetzung hierfür ist die Vergleichbarkeit der unterschiedlichen Versuchsserien.

Maschinenfähigkeitsuntersuchung bestätigt höchste Präzision

Um zweifelsfrei nachzuweisen, dass der microme|x alpha in jeder Beziehung verlässliche und reproduzierbare Untersuchungsergebnisse generiert, vereinbarten Hersteller und Kunde bereits bei der Bestellung, die Präzision der Anlage durch das unabhängige Messinstitut CeTaQ verifizieren zu lassen.

Getestet wurde zunächst die Wiederholgenauigkeit des CNC-Achssystems inklusive der Positionserkennung und Auswertung. Dann wurde anhand von bestückten Leiterplatten aus der Serienfertigung ein Inspektionsprogramm programmiert, um den Porengehalt eines BGAs an unterschiedlichen Stellen mit unterschiedlichen Boards und aus unterschiedlichen Rotationswinkeln zu messen.

Abschließend wurde ein Prüfprogramm zur Durchmesserbestimmung von Zinnkugeln mit bekanntem Durchmesser generiert. Um die Linearität des Abbildungsmaßstabes bei unterschiedlichen Vergrößerungen zu überprüfen, wurden mehrere Messreihen zwischen der kleinsten und der größten Vergrößerung gefahren. Georg Reuter zeigt sich von den Ergebnissen begeistert: „Uns hätten 2% Abweichung entsprechend 15 Mikrometern vom mittleren Durchmesser genügt, tatsächlich war sie mit rund 5 Mikrometern absolut unkritisch.“

Auch die Wiederholgenauigkeit des Achssystems war deutlich besser als die geforderten Standards. Ebenso wurde der Reproduzierbarkeit des gemessenen Porengehalts mit einer GRR-Prozesstoleranz deutlich unter 10% die uneingeschränkte Tauglichkeit bescheinigt.

microme|x ist ein hochauflösendes submicron-Röntgensystem für die Inspektion von Lötstellen und elektronischen Baugruppen (Archiv: Vogel Business Media)

Bei der Auswahl des Gerätes war die automatische Inspektion von BGA-, QFP-, und THT-Lötstellen mit bis zu 70° Schrägdurchstrahlung ein Grundkriterium. Um auch größere Stückzahlen von bis zu 360 mm × 460 mm großen Leiterplatten ohne manuelles Handling prüfen zu können, entschied man sich bei Phoenix Contact Electronics für den microme|x alpha, der über ein automatisches internes Leiterplattenhandling verfügt, um Leiterplatten selbstständig aus einem Magazin zu laden und nach der Inspektion wieder zu entladen.

„Wichtig ist die einfache Bedienbarkeit und Programmierung des Systems. Denn was nützt ein automatisches Inspektionsgerät, wenn die Einrichtung und Programmierung unflexibel und kompliziert sind und viele Stunden in Anspruch nehmen?“, merkt Georg Reuter an. Hier ermöglicht die intuitiv zu bedienende phoenix|x-ray Bildverarbeitungs- und Programmierungssoftware quality|assurance beispielsweise den einfachen CAD-Daten-Import für eine schnellere Programmierung ganzer Boards.

Einfache Fehleranalyse statt aufwändige Schliffbilder

Bedienerfehler statt Fertigungsfehler und kein Grund für Reklamationen: die Baugruppe wurde unter Spannung eingesteckt. Die Überspannung ließ die Leiterbahn regelrecht verdampfen, wie das Röntgenbild zeigt. (Archiv: Vogel Business Media)

Der microme|x mit seiner mehr als 11.000-fachen Vergrößerung wird bei der Phoenix Contact Electronics längst nicht nur zur Prozesskontrolle genutzt, sondern auch zur Schadensanalyse: Die Aufnahme zeigt eine Detailvergrößerung einer als defekt reklamierten Baugruppe. An der Oberfläche der Leiterplatte war lediglich eine Wölbung sichtbar, die der Kunde als Delaminierung und damit als Herstellungsfehler interpretierte. Ein kurzer Blick mit dem microme|x dagegen bewies, dass die Baugruppe unter Spannung eingesteckt worden war – es kam zur Überspannung, welche die Leiterbahn regelrecht verdampfen ließ.

„Dadurch, dass der microme|x nicht in die Produktionslinie integriert ist, sondern ausschließlich der Prozesskontrolle dient, können alle Abteilungen unseres Hauses auf ihn zugreifen“, erläutert Georg Reuter und fährt fort: „es hat sich schnell herumgesprochen, dass nun viele Untersuchungen möglich sind, die früher nicht oder nur mit aufwändigen Schliffen möglich gewesen wären. So kann man beispielsweise wunderbar selbst komplett abgeschirmte Bauteile durchstrahlen, um dann in ihrem Innern gebrochene Kabel oder andere Defekte zu entdecken.“

Nur selten kommt es vor, dass Untersuchungsobjekte eine derart komplexe Struktur haben, dass sich ihre Objektmerkmale im 2-D-Durchstrahlungsbild völlig überlappen. In solchen Fällen ist dann eine Computertomographie erforderlich. Auch hier braucht Phoenix Contact Electronics nicht auf externe Dienstleistungen zugreifen, denn das Stammhaus im nahen ostwestfälischen Blomberg verfügt seit Kurzem über einen hochauflösenden Computertomographen: einen v|tome|x s ebenfalls von phoenix|x-ray.

*Dr. Dirk Neuber ist Business Development Manager bei der phoenix|x-ray Systems + Services GmbH in Wunstorf.

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