Auf der Suche nach raumsparenden Kontaktierungsmöglichkeiten in elektronischen Schaltungen entstehen ständig neue Bauelement-Typen mit verdeckten Kontaktflächen. Ebenso sind der Schaltungsträger wie auch die Fertigungstechnologien kontinuierlichen Veränderungen unterworfen. So wächst zum Beispiel die doppelseitige Schaltung mittels der 3D-MID-Technologie in die dritte Dimension und ermöglicht eine effiziente Realisierung komplexer elektromechanischer Systeme. Fertigungstechnologisch ermöglicht das so genannte Pin-in-Paste- Verfahren eine kosteneffiziente Integration von THR-Bauformen (Through Hole Reflow) in den SMT-Prozess. Umfassende Kontrollmechanismen, die diesem stetigen Wandel gerecht werden, sind unerlässlich.

Eine elementare Bedeutung haben hierbei die Sicherung der Qualität des Einzel-Erzeugnisses sowie die Sicherung der Stabilität des Fertigungsprozesses. Ein Ansatz hierfür ist die Röntgentechnologie, da sie gleichermaßen den Blick auf verdeckte Kontaktstellen und ins Innere der Lötstellen ermöglicht. Die direkte Sichtbarkeit des Lotes und die Möglichkeit, seine Menge und Verteilung im Röntgenbild zu bestimmen, sind entscheidende Vorteile gegenüber herkömmlichen optischen Verfahren, um die Lötstellenqualität stabil und automatisch bewerten zu können.

Inline-Prüfung statt Stichproben

Röntgenblick mit einem einfachen 2D-Durchstrahlungsbild auf ein Ball Grid Array (BGA): Gut zu erkennen sind die Ball-Anschlüsse. Eine vollständige Inspektion im 2D-Bild wird allerdings oft durch Überlagerungen, Durchkontaktierungen, Bonddrähte und Leiterzüge verhindert.

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Die Röntgeninspektion von Stichproben ermöglicht zwar die Kontrolle des Fertigungsprozesses, trifft aber nur tendenzielle Aussagen über die Qualität des einzelnen Erzeugnisses - was insbesondere aufgrund des weltweiten Bezugs von Leiterplatten, Bauelementen und Loten heikel sein kann, führt dieser doch oft zu Variationen im Prozess und begünstigt die zufällige Ausbildung von Fehlern. Bei der herkömmlichen Röntgeninspektion wird der Röntgenstrahl durch eine Microfocus-Strahlquelle erzeugt und breitet sich dann kegelförmig aus. Er durchdringt eine Region der Leiterplatte, und wird - in Abhängigkeit vom durchdrungenen Material und dessen Dicke - auf seinem Weg geschwächt und anschließend von einem Detektor erfasst.

Oft befinden sich jedoch Bauelemente auf beiden Seiten der Leiterplatte. Deren gegenseitige Überlagerung sowie die Überlagerung mit Durchkontaktierungen, Bonddrähten und Leiterzügen verhindern eine vollständige Inspektion in einem 2D-Bild. Erst die Kontrolle aller Lötverbindungen ermöglicht eine verlässliche Qualitätsaussage. Das Problem dabei: Die Entwicklungstrends in der Fertigung reduzieren die Inspektionsabdeckung von 2D-Röntgeninspektionssystemen kontinuierlich. Erschwerend kommt hinzu, dass viele Fehlermerkmale erst mittels einer Schrägdurchstrahlung deutlich sichtbar werden.

Aus N mal 2D wird 3D

Ähnlich dem medizinischen CT-Verfahren kann bei der Röntgeninspektion von Flachbaugruppen auf Basis mehrerer 2DRöntgenaufnahmen, die aus unterschiedlichen Richtungen aufgenommen wurden, eine 3D-Rekonstruktion durchgeführt werden. Allerdings limitieren Winkel und Bildanzahl sowie der erforderliche Rechenaufwand die Möglichkeiten im Vergleich zum CT. Nur wenige Automatische Röntgen-Inspektionssysteme (AXI-Systeme) sind schnell genug, um im heutigen Linientakt eine vollständige 2D-Inspektion zu ermöglichen. Werden Schrägdurchstrahlungen benötigt oder müssen - wie für eine 3D-Rekonstruktion erforderlich - viele Schrägdurchstrahlungen aufgenommen werden, bricht die mögliche Inspektionsgeschwindigkeit in der Regel dramatisch ein.

Jede Projektion nimmt zum gleichen Zeitpunkt eine andere Region der Baugruppe auf. Erst mehrere, zeitlich versetzte Aufnahmen, liefern alle notwendigen Bilddaten.

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Im Gegensatz dazu ermöglicht das Röntgeninspektionssystem „OptiCon XLine3D" von Göpel eine vollständige 3D-Röntgeninspektion auf der gesamten Baugruppe im Linientakt. Dabei beeinflusste eine systematische Analyse des gesamten System-Zeitverhaltens die Konzeption des Systems. Drei wesentliche Punkte galt es zu realisieren: eine parallele und dabei möglichst schnelle Bildaufnahme aus verschiedenen Winkeln, die Eliminierung von Totzeiten und die Entwicklung einer skalierbaren Software-Plattform für Bildverarbeitung und Analyse. Das Kernstück des Bildaufnahmesystems bildet ein selbst entwickeltes Detektormodul.

Verfügbare Detektoren waren bezüglich ihrer Geschwindigkeit und Sensitivität stark limitiert und konnten die Forderungen nach Geschwindigkeit und Sensitivität bei simultaner Erfassung aus verschiedenen Richtungen nicht erfüllen. Der so entstandene, parallel arbeitende 3D-Röntgendetektor arbeitet auf Basis eines Röntgenbildverstärkers und ermöglicht die simultane Erfassung von Bildern aus neun verschiedenen Richtungen bei 12 Bit Grauwert-Umfang und einer Objektauflösung von maximal 10 μm pro Pixel. Die Detektor-Hardware erreicht dabei eine kontinuierliche Datenrate von bis zu 40 Gigapixeln pro Sekunde. Nach der hardwarebasierenden Bildintegration und Vorverarbeitung stehen verteilt auf neun Betrachtungsrichtungen 360 Mega-Pixel pro Sekunde zur weiteren Verarbeitung im PC zur Verfügung. Diese Bilddaten werden in einem Rekonstruktionsverfahren in eine 3D-Flächenleistung von bis zu 48 Megapixeln pro Sekunde überführt. Diese Werte definieren das theoretische Maximum und werden in der Praxis nur mit Einschränkungen erreicht. Realistische Werte liegen bei etwa 50 %.

Das Funktionsprinzip im Detail

Jede Projektion nimmt eine andere Region der Baugruppe zum gleichen Zeitpunkt auf. Als Bildbasis für die Rekonstruktion ist jedoch die gleiche Region in unterschiedlichen Betrachtungswinkeln nötig. Erst eine zeitlich versetzte Aufnahme liefert daher die notwendigen Bilddaten. Das System bewegt die zu prüfende Baugruppe so, dass nacheinander alle erforderlichen Betrachtungsrichtungen abgedeckt werden. Die Bilddaten der verschiedenen Projektionen werden in einem PC-System rekonstruiert, für die eine 64-Bit-PC-Plattform die Basis bildet. Elementar für das Rechnersystem ist das reibungslose Zusammenspiel der einzelnen Bildverarbeitungs-Komponenten, bestehend aus Hardware, Treibern und Software. Um dies zu gewährleisten, arbeiteten Göpel und Stemmer Imaging bei der Zusammenstellung und Abstimmung der Komponenten aufeinander eng zusammen - beispielsweise bei der Harmonisierung der verwendeten Framegrabber.

Autor:
Jan Rimbach ist verantwortlich für die Entwicklung der Automatischen Röntgen-Inspektionssysteme bei Göpel Electronic in Jena.