AOI - Automated Optical Inspection

3D-Bilderfassung für die PCB-Inspektion

3D-Bildverarbeitung eröffnet AOI (Automated Optical Inspektion) neue Möglichkeiten

Dienstag, 8. November 2016

Qualitätskontrolle in neuer Dimension

Die Miniaturisierung im Bereich der Halbleitertechnologie schreitet ungebremst voran. Die Entwicklung immer kleinerer Bauelemente und integrierter Schaltkreise erfordert nicht nur hochpräzise Produktionsverfahren, sondern auch neue, innovative Methoden der Qualitätssicherung. Zu diesen zählt der Einsatz hochauflösender 3D-Zeilenkameras.

Die Ausfallsicherheit von integrierten Schaltkreisen in realen Anwendungsumgebungen ist abhängig von der Qualität der verwendeten Bauelemente, Verbindungen und Kontakte. Das gilt in besonderem Maße, wenn Verbindungstechnologien wie das Drahtbonden zum Einsatz kommen. dabei werden die Anschlüsse eines integrierten Schaltkreises oder eines diskreten Halbleiters mittels extrem dünner Drähte mit den elektrischen Anschlüssen des Chipgehäuses verbunden.

Die Überprüfung von Bonddrähten erfolgt üblicherweise in Form einer kombinierten mechanischen, elektrischen und optischen Inspektion. Es gibt eine Reihe von Defekten, die im Rahmen einer mechanischen und elektrischen Inspektion nicht identifiziert werden können. Dazu zählen die Kontrolle der Höhe der Bonddrähte, die Sicherstellung eines genügenden Abstandes zwischen den Drahtverbindungen, die Erkennung von Ablösungen an Kontaktstellen (wire bond lift offs), das Feststellen fehlender Verbindungen oder gefährliche Berührungsstellen aufgrund von sich überkreuzenden Bonddrähten. Zudem beinhaltet der Einsatz kontaktbasierter Methoden bei der Qualitätsinspektion die Gefahr von elektrostatischen und physikalischen Beschädigungen.

3D-Bilderfassung

Deutliche Vorteile gegenüber anderen Verfahren bieten komplett stereoskopische Bilderfassungssysteme der neuesten Generation. Sie kombinieren 2D- und 3D-Darstellungen in einer Kamera. Die von Chromasens entwickelte 3DPIXA-Farbzeilenkamera verfügt über eine optische Auflösung von 5μm bei zweidimensionalen Farbdarstellungen sowie von 1μm bei der dreidimensionalen Bilderfassung. Diese hohe Auflösung ist Grundvoraussetzung für die Kontrolle von Bonddrähten mit einer Dicke von weniger als 1mil (1/1000 inch = 0,0254 Millimeter).

3D-Punktewolke von Drahtbond-Verbindungen

Die Betrachtung von Verbindungsdrähten aus unterschiedlichen Winkeln führt üblicherweise zu Parallaxenfehlern. Von Chromasens entwickelte Hochgeschwindigkeits-3D-Algorithmen ermöglichen es, die Drahtverbindungen in den erzeugten Stereobildern eindeutig zu identifizieren. Die so erhaltenen Daten bilden die Grundlage für eine Korrelation, die für die Errechnung der Höhe der Drahtverbindungen notwendig ist.

Eine weitere Voraussetzung für die exakte Erfassung des Zustandes der Bonddrähte und deren Geometrie ist eine optimale Beleuchtung. Spezielle, von Chromasens entwickelte Beleuchtungsverfahren auf Basis von homogenem LED-Weißlicht tragen dazu bei, hochwertige 3D-Resultate zu erzeugen.

Da es sich bei der 3DPIXA nicht um eine Flächen-, sondern um eine Zeilenkamera mit extrem schneller Bilderfassung handelt, ergeben sich vielfältige Vorteile, die über die Einsatzmöglichkeiten bei der Inline-Inspektion von Bonding-Verbindungen weit hinausgehen.

Auch für PCBs geeignet

Ein Anwendungssegment mit großem Potential ist die automatische Leiterplatteninspektion (AOI, Automated Optical Inspection) von unbestückten und bestückten PCBs. Kontrolliert wird dabei die richtige Montage und der korrekte Anschluss nahezu aller aufgebrachten Elektronikkomponenten wie BGAs, SMDs, IC-Chips, aber auch von Widerständen, Kondensatoren oder LEDs.

Die Farbdarstellung unterstützt die Fehlersuche nicht nur durch eine schnelle Erkennung von Produktionsfehlern, sondern auch durch die farbige Wiedergabe der montierten Komponenten. Darüber hinaus lassen sich mittels 3D-Darstellung Messungen kritischer Komponenten, wie der Leiterbahndicke oder der Integrität von Bonding-Kontakten, durchführen. Ebenfalls automatisch können fehlerhafte Lötaufträge, Fremdpartikel oder eventuelle Falschplatzierungen der Komponenten erkannt werden. Über eine integrierte Dunkelfeldbeleuchtung sind auch Lasermarkierungen identifizierbar.

Die 3DPIXA ist gleichermaßen für PCBs mit hoher und geringer Bestückungsdichte geeignet. Sie ermöglicht eine maximale Scan-Geschwindigkeit von 1360 cm2/s bei einer optischen Auflösung von 30μm, bei einer gleichzeitigen Höhenauflösung von 5μm. Sind höhere Auflösungen notwendig, beispielsweise 5μm optische Auflösung bei 1μm Höhenauflösung, reduziert sich die Scan-Geschwindigkeit auf 35 cm2/s. Der Anwender hat die Wahl zwischen Kamerasystemen mit unterschiedlichen Scan-Breiten von 35 bis 650mm.

Hochauflösende Farbdarstellung eines PCBs (Printed Circuit Boards)

Realisiert wird diese Hochgeschwindigkeitsmessung unter anderem durch die schnelle Bilderfassung über intelligente GPUs (Graphics Processor Units), die eine Echtzeitverarbeitung sicher stellen. Das flexible 3D-API (Application Programming Interface) bietet Anwendern nicht nur eine bequeme Steuerung sämtlicher Kamerafunktionen, sondern auch eine einfache Integration der AOI-Lösung in vorhandene Applikationen. So kann das API beispielsweise problemlos mit Bildverarbeitungsbibliotheken von Halcon, LabView oder Matrox verknüpft werden. Kooperationen mit weiteren Anbietern sind bereits in Vorbereitung.

Eine englischsprachige Application Note zum selben Thema lässt sich hier herunterladen.