Kleinst-Prüfung: 3D-Stereomesstechnik auf neuer Qualitätsstufe

Nicht nur im Bereich der Halbleitertechnologie schreitet die Miniaturisierung mit hoher Geschwindigkeit voran. Die Entwicklung immer kleinerer Bauelemente erfordert neben hochpräzisen Produktionsverfahren auch neuartige Methoden zur automatischen Qualitätskontrolle. Dabei spielen 3D-Kameras eine immer größere Rolle.

Die Nutzung optischer Inspektionsverfahren bei der Qualitätskontrolle von sehr kleinen Bauelementen ist nicht neu, war jedoch in der Vergangenheit durch Begrenzungen in Auflösung und Geschwindigkeit mit vergleichsweise hohem technologischem Aufwand verbunden. Traditionelle 2D-Darstellungen liefern ausschließlich eine Aufsicht des zu prüfenden Werkstücks und reichen nicht aus für die Extraktion von 3D-Daten. Zum Einsatz kamen deshalb nicht selten visuelle Mikroskope für die 3D-Überprüfung oder Kombinationen von 2D-Bildaufnahmen und Streifenlicht- oder Lasertriangulationssensoren  für die zusätzliche dreidimensionale Bilderfassung. Deutliche Vorteile bieten demgegenüber komplett stereoskopische Bilderfassungssysteme der neuesten Generation, die auf Farbzeilentechnologie basieren und 2D- und 3D-Darstellungen in einer Kamera kombinieren.

Homogener Kontrast erhöht die Bildschärfe

Mit einer neuen Generation von High-Resolution- (HR-) 3D-Zeilenkameras ermöglicht Chromasens die Entwicklung von optischen Inspektionslösungen in 3D mit bislang nicht gekannter Auflösung und Bildqualität. Die Kameras 3DPIXA HR 5 µm und 3DPIXA HR 2 µm basieren auf einer Kombination aus Zeilenkameratechnologie und Stereomesstechnik. Mittels mathematischer Algorithmen können über leistungsstarke Grafikkarten 3D-Messungen von Oberflächen in bislang unerreichter Geschwindigkeit und Präzision durchgeführt werden.
Das speziell für hohe Auflösungen konzipierte optomechanische Design nutzt Qualitätsobjektive mit geringer Verzeichnung und optimierter Modulationsübertragungsfunktion (MTF). Daraus resultiert ein hoher und homogener Kontrast über das gesamte Bildfeld. Ein wesentliches Ergebnis ist die exzellente Bildschärfe über das gesamte Bildfeld, inklusive der Ränder. Das hat direkte Auswirkung auf die Qualität und Stabilität der 3D-Daten. Einerseits wird durch den höheren Kontrast typischerweise eine größere Genauigkeit erreicht, andererseits steigt die Anzahl der berechneten 3D-Messpunkte.

Insbesondere bei der Inspektion von miniaturisierten Bauelementen mit beispielsweise metallischen und teilweise spiegelnden Oberflächen können dadurch deutlich bessere Messresultate erzielt werden.
Die große Erfassungsbreite von 35 mm und die hohe Abtastfrequenz von bis zu 30 kHz sorgen bei der 3DPIXA HR 5 µm für sehr kurze Prüfzeiten bei Auflösungen von 5 µm. Die 3DPIXA HR 2 µm ist für Anwendungen mit noch höheren Auflösungs- und Genauigkeitsanforderungen konzipiert und erreicht eine Abtastbreite von 16 mm. Die maximalen Abtastgeschwindigkeiten der beiden Modellvarianten liegen bei 100 beziehungsweise 50 mm/s.

Hochleistungsgrafikkarten für die Echtzeitverarbeitung

Typische Anwendungsgebiete der Kameras sind die Elektronik, die Halbleitertechnologie oder der Automobilsektor. Ein Anwendungssegment mit großem Potenzial ist die automatische Leiterplatteninspektion (AOI, Automated Optical Inspection) von unbestückten und bestückten Printed Circuit Boards (PCB). Kontrolliert werden dabei die richtige Montage und der korrekte Anschluss nahezu aller aufgebrachten Elektronikkomponenten wie Ball Grid Array (BGA), Surface Mounted Device (SMD) und IC-Chips, aber auch der von Widerständen, Kondensatoren oder LED. Bei der so genannten Flip-Chip-Montage werden miniaturisierte Bauelemente nicht mehr verlötet, sondern verpresst. Dazu müssen diese auf µm-Ebene genau ausgerichtet sein. Für diese Aufgabe sind Inspektionssysteme mit einer sehr hohen optischen Auflösung unverzichtbar.
Neben der Prüfung kleinster Strukturen im Bereich der Mikroelektronik und der Halbleiterindustrie wird die 3D-Stereomesstechnik auch bei der Erkennung und Vermessung von Mikrodefekten auf bearbeiteten Oberflächen, beispielsweise Dichtflächen in der Automobilindustrie, eingesetzt.
Realisiert werden diese Hochgeschwindigkeitsüberprüfung durch die schnelle Bilderfassung mit Zeilenkameratechnologie in Kombination mit Hochleistungsgrafikkarten (GPUs, Graphics Processor Units), die eine Echtzeitverarbeitung der enormen Menge an Messdaten sicherstellen. Ein flexibles 3D-API (Application Programming Interface) ermöglicht Anwendern die einfache Integration ihrer Inspektions-Lösung in vorhandene Applikationen. Dazu gehören eine Reihe von Bildverarbeitungsbibliotheken wie HALCON (MVTec), MIL (Matrox), LabVIEW (National Instruments) und Coake (SAC).

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