Der Qualität auf der Spur

Dreidimensionales Sehen am Beispiel der Elektronikindustrie

  • 3D smartKamera basierend auf Lasertriangulations-Sensor mit bis zu 40 kHz integrierter Auswertesoftware3D smartKamera basierend auf Lasertriangulations-Sensor mit bis zu 40 kHz integrierter Auswertesoftware
  • 3D smartKamera basierend auf Lasertriangulations-Sensor mit bis zu 40 kHz integrierter Auswertesoftware
  • Defekte BGAs werden klar erkannt
  • Kontrolle vom Lötpastenauftrag mit EyeVision 3D
  • 3D smart Kamera 3DEye beim Scannen eines Keramiksubstrates

Gerade in der Elektronikindustrie stellt die zunehmende Verkleinerung der Komponenten bei gleichzeitiger Komplexitätssteigerung immer größere Anforderungen an die Prüftechnikverfahren. Speziell in dieser Industrie kamen die ersten industriellen Bildverarbeitungssysteme zum Einsatz und bis heute werden dort vielfältige Prüfsysteme genutzt. Die schnelle Technologieentwicklung wird dabei den stetig wachsenden Anforderungen an die Prüfaufgaben gerecht. Deshalb wundert es nicht, dass gerade in der Elektronikindustrie die neuartige, dreidimensionale Bildverarbeitung zuerst ihren Einsatz gefunden hat.


Die Verkleinerung der Komponenten bei gleichzeitiger Komplexitätssteigerung haben dazu geführt, dass die Gehäuse zwar immer kleiner jedoch mit immer mehr Anschlüssen versehen wurden. Diese Anschlüsse mit zweidimensionalen Technologien zu prüfen, wurde auch bei den SMD Bausteinen immer schwieriger. Bei den heute immer mehr zum Einsatz kommenden BGA Bausteinen ist die Überprüfung mit normalen 2D Technologien schlicht nicht mehr möglich, da sich die Anschlüsse auf der Unterseite der Bausteine befinden. Auch bei den sehr kleinen SMD Bausteinen ist es nach dem Bestücken nicht mehr möglich zu erkennen, ob die Bausteine richtig verlötet worden sind, da die Dimensionen der Pins entweder zu klein oder einfach nicht einsehbar ist.


Als Lösung bietet sich hier nach dem Verlöten nur noch die mittelbare Prüftechnik über X-Ray an. Hierbei kann jedoch nur noch der Defekt festgestellt werden. Ein mit mehreren hundert Lötkontakten auf der Unterseite versehener BGA kann nicht mehr repariert werden. Damit kann mit dieser Methode nur dafür gesorgt werden, sofern es überhaupt er¬kannt werden kann, dass die Komponente nicht weiterverarbeitet wird.


An dieser Stelle kommt die 3D Bildverarbeitung zum Einsatz, die im Vorfeld überprüfen kann ob das Bauteil in Ordnung ist. Es wird zum einen geprüft, ob alle Balls des BGA's vorhanden sind und zum anderen, ob sie die richtige Größe haben. Zudem kann man feststellen, ob auf der Platine genügend Lötpaste vorhanden ist, sodass beim Lötverfahren ein Kontakt zwischen den Bauteilverbindungen (Ball, Beinchen oder Lötflächen) und der Platine hergestellt werden kann.


Hierbei handelt es sich um ein mittelbares Verfahren, da man nicht direkt die Verbindung zwischen den Kontaktflächen der Bauteile und der Platine sehen kann. Bei korrekter Position und aufgebrachtem Volumen der Lötpaste können mehrere Fehler ausgeschlossen werden. Somit ist nicht nur sichergestellt, dass kein Kurzschluss durch eine fehlerhaft aufgebrachte Paste erzeugt wird, sondern auch dass genügend Paste vorhanden ist, um einen sicheren Kontakt zwischen der Platinenfläche und dem Bauteil herzustellen.


Wenn der Bestückungsautomat richtig arbeitet kann man davon ausgehen, dass das gesamte Modul funktioniert, sofern die Bauteile im Vorfeld geprüft wurden und der Pastendruck in Ordnung ist. Eventuell auftretende Fehler können im Funktionstest detektiert wer¬den. In diesem Fall müssen die Module leider meist komplett entsorgt werden, da es entweder wirtschaftlich uninteressant ist oder aber überhaupt nicht möglich die Module zu reparieren, wenn sich der Fehler auf der Unterseite eines solchen BGA befindet.


Die Aufgabenstellungen für dieses Aufgabengebiet sind klar definiert. Es muss sichergestellt werden, dass sich entweder die Anschlusspins auf einer Ebene befinden (koplanar sind) oder aber dass alle Balls des BGA's vorhanden sind und den Mindestanforderungen genügen. Gerade diese Aufgabenstellungen sind für 3D Systeme problemlos zu lösen, da diese Aussagen direkt als Ergebnis des Bildaufnahmesystems entstehen.


Ein Schwachpunkt der bisherigen Systeme war die schwierige und aufwendige Programmierung. Der Laser und die dazugehörige Kamera mussten getrennt eingerichtet werden. Wollte man präzise messen, war zudem eine Kalibrierung des Systems durch den Anwender notwendig. Diese Aufgabe ist selbst für einen Fachmann mit entsprechender Ausrüs¬tung sehr aufwendig. Wird eine Komponente verstellt, z.B. durch den Transport oder den Umbau der Anlage, so war es notwendig, den gesamten Kalibrierungsprozess neu durch¬zuführen. Dies ist zwar möglich, aber gerade bei weltweit zum Einsatz kommenden Systemen keine optimale Lösung.


Deshalb lag der Gedanke nahe die gesamte Bildaufnahmeeinheit in einem Gehäuse un¬terzubringen. Mit dieser Lösung wurden gleich mehrere Probleme auf einmal gelöst. Der Anwender bekommt einen 3D Sensor, den er wie eine normale Kamera in seine Anlage integrieren kann. Dieser Sensor kann schon bei der Herstellung auf einen Arbeitsbereich ka¬libriert werden und ist folglich nach dem Einbau in die Anlage sofort einsatzbereit. Sollte es notwendig sein das Bildaufnahmesystem zu tauschen, kann der Sensor einfach abge¬schraubt werden und ein neuer Sensor aus der gleichen Baureihe angeschraubt werden. Die gesamte Anlage ist sofort wieder betriebsbereit.


Dem Trend der letzten Jahre folgend wurde nicht nur die Sensorelektronik in das Gehäuse eingebaut, sondern auch die komplette Auswerteelektronik mit der dazugehörigen Softwa¬re. Damit ist eine neue 3D smart Kamera entstanden, die gerade mal die Maße von ca. 110 x 80 x 60 mm hat. Die integrierte EyeVision 3D Software ermöglichte es dem Anwen¬der die unterschiedlichen 3D Aufgabenstellungen einfach per Drag-and-Drop zu programmieren.


Mit diesem Ansatz wurde aus der anspruchsvollen 3D Technologie ein Produkt, das einfach in den Produktionsprozess eingesetzt werden kann. Neben einer sehr robusten Hardware, die einfach in Maschinen ein- und umgebaut werden kann, ist die leistungsfähige Software bei der 3D Auswertung der Schlüssel zum Erfolg.
Die konsequente Weiterentwicklung der Software, die aus der 2D Bildverarbeitung stammt, ermöglicht es nun auch komplexe Anwendungen mit der gleichen Einfachheit zu lösen.


Interessant wird es immer an der Schnittstelle von zweidimensionalen und dreidimensionalen Anwendungen. Da das 3D Bildaufnahmesystem auch Grauwerte mit aufnimmt, ist es in einem Arbeitsgang möglich die unterschiedlichsten Bilder auszuwerten. Mit den 3D Daten können Höhe, Volumen, Fläche und Form bestimmt werden, mit den vorhandenen Grauwerten können z.B. aufgedruckte Codes gelesen werden.


Auch eine Mischung aus den Sensordaten ist möglich. So ist es für manche Aufgabenstellungen nicht zwingend notwendig die 3D Punktewolke auszuwerten, um das Ergebnis zu ermitteln. Wenn z.B. in die Platinenoberfläche mit einem Laser ein DMC-Code eingraviert wird oder auf einem Reifen eine als Erhebung vorhandene Schrift gelesen werden soll, dann sind die 2D Auswertungen meist zu kontrastarm oder die Auswertung wird zu unsicher. Hier lässt sich aus der Punktewolke ein einfaches 2D Höhenbild erzeugen, bei welchem die Höheninformation als Kontrastwert berechnet wird. Schon wird aus grünen Punkten auf einem grünen Hintergrund (Platine) oder aber aus einer schwarzen Schrift auf schwarzem Hintergrund (Reifen) ein kontrastreiches Grauwertbild, das dann einfach mit den Lesealgorithmen bearbeitet werden kann. Der Code kann mit dem DMC Codelesetool gelesen werden und die Klarschrift mithilfe des OCR Tools.


Die Anwendungsfälle für diese einfachen Transformationen sind sehr vielfältig und basieren auf den schon über die Jahre erprobten Graubildauswertungen.


Die Anwendungsfälle einer solchen kompakten und leicht aufzubauenden smart Kamera sind noch bei weitem nicht ausgeschöpft. Mit den leistungsfähigen 3D Algorithmen kann sich der Anwender in die 3D Punktewolke Grundformen (Kugel, Zylinder, Würfel) einpassen lassen. Damit stehen die Ergebniswerte direkt für eine Robot Vision Lösung zur Verfü¬gung. Ein Anwendungsbeispiel ist es aus einer Kiste Kurbelwellen zu greifen. Diese Bauteile haben mehrere Zylinder an der Stelle, wo später die Pleuel befestigt werden. Die Position der Zylinder der obersten Kurbelwelle stehen nach dem Scannen sofort zur Verfügung und können verwendet werden, um dort mit dem Roboter zu greifen.
Der Anwender bestimmt welche der obigen Grundformen gesucht werden sollen, sowie den Toolpoint, der an den Roboter übermittelt werden soll.


Gerade robuste und leicht einsetzbare Lösungen für die 3D Bildauswertung lassen die Anwendungsfälle sehr schnell anwachsen. Mit solchen kompakten Systemen ist es auch dort möglich 3D einzusetzen, wo die Umweltbedingungen dies bisher nicht zuließen. Die Einheit ist so kompakt, dass sie einfach am Roboterarm befestigt werden kann. Es wird kein weiterer Rechner benötigt. Mit dem „3D Auge" werden dem Roboter nun die Daten zum sicheren Greifen übermittelt.


Für viele Aufgabenstellungen bietet sich dieses kompakte System schon deshalb an, weil ohne großes Vorwissen und stundenlanges Einrichten mit 3D experimentiert werden kann.
Die Miniaturisierung des gesamten Sensorsystems führt natürlich auch zu einer Verringerung der Gesamtkosten, sowie einer Erschließung zahlreicher neuer Aufgabenstellungen, die zuvor aus Kostengründen nicht realisiert wurden.
Die 3D smart Kamera liefert, wie zuvor die smart Kamera im 2D Bereich, auch bei preis-sensitiven Prüfaufgaben eine optimale Lösung. Natürlich sind die von einem 3D System generierten Prüfergebnisse besser als die zuvor aus Kostengründen oftmals verwendete 2 ½D Lösung.


Wie bereits am Anfang berichtet, zählt die Koplanaritätsprüfung der Bauteilanschlüsse schon seit langem zu einer wichtigen Aufgabenstellung, die jedoch mit verschiedenen Hilfsmitteln mit 2D Kameras realisiert wurde und immer noch wird, soweit dies vom Bausteinaufbau möglich ist.
Die optimale und schnellere Lösung wäre von Anfang an die 3D Bildaufnahme gewesen, die jedoch nur dort verwendet wurde, wo es durch die Bausteinform nicht anders möglich war, da die Kosten einer 3D Kamera um ein Vielfaches höher waren als die einer 2D Kamera. Mit der voll integrierten 3D smart Kamera sind jetzt die Kosten auf das Niveau einer 2D Kamera gesunken und auch die Robustheit und Baugröße hält problemlos mit der 2D Lösung mit. Somit kann immer die beste Lösung für die jeweilige Aufgabenstellung gewählt werden. Viele weitere Aufgabenstellungen aus diesem Umfeld erschließen sich mit der kompakten 3D smart Kamera.


Für den Anwender des Systems liegt der Vorteil darin, dass die konsequent weiterentwickelte Hard- und Software nun auch im 3D Sensor zur Verfügung steht. Das bedeutet, dass der Anwender nicht umzulernen braucht, sondern einfach die zusätzlichen Werte aus dem erweiterten Sensorspektrum nutzen kann.


Natürlich stehen auch die weitreichenden Möglichkeiten der EyeVision Software in dieser intelligenten 3D Kamera zur Verfügung. Hier ist unter anderem die direkte Einbindung der Ergebnisdaten in die Unternehmenssoftware von SAP, Oracle, Peoplesoft oder einfach eine SQL Datenbank zu nennen. Damit stehen die Ergebnisdaten dann mit allen anderen Sensordaten im gesamten Unternehmen zur Verfügung und stehen auch noch nach Jahren zum Abruf bereit. Denn heute genügt es nicht mehr einfach nur die Produkte zu prüfen. Es wird in immer größerem Umfang notwendig die dabei generierten Daten auch zu archivieren, sei es um jederzeit einen Produktionsüberblick zu bekommen oder aber um den Dokumentationspflichten in den verschiedenen Brachen gerecht zu werden.


 

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