Das ABC der optischen Inspektion


Titelthema a:lot 01 - Winter 2011

Immer höhere Qualitätsanforderungen an elektrische Baugruppen machen immer strengere Kontrollen bei der Herstellung erforderlich. Gleichzeitig machen immer kleinere Bauteile die Kontrolle immer schwieriger. Unter diesen Rahmenbedingungen wird die optische Inspektion in der Elektronikproduktion zunehmend wichtiger. Damit die technische Umsetzung gelingt, müssen Mensch und Maschine optimal aufeinander abgestimmt sein.

Immer wieder spuckt das automatische Kontrollsystem der Fertigungslinie Baugruppen aus, die es als fehlerhaft erkannt hat. „Die meisten Fehler sind gar keine, aber wir haben die Maschine nach den strengsten Kriterien eingestellt“, berichtet Stefan Huber von der Inspektionsabteilung. Sein Unternehmen beliefert die Automobilindustrie. Wenn dort bei der Eingangskontrolle ein Fehler bei einer einzigen Baugruppe entdeckt wird, kommt die gesamte Lieferung zurück. Und das ist noch der günstigste Fall. Tritt der Fehler erst auf, wenn die Autos schon vom Band gerollt sind, entstehen unabsehbare Folgen. „Wie wichtig eine gründliche Inspektion ist, wird vielen Unternehmern erst klar, wenn die Ware wieder auf dem Hof steht“, berichtet ein Insider.

Individuelle Beratung sichert optimale Ausstattung

Die unterschiedliche Handhabung der Inspektion in den Betrieben hängt auch mit dem unübersichtlichen und sich ständig wandelnden Angebot zusammen. Die Investitionsmöglichkeiten liegen zwischen wenigen hundert Euro für eine einfache Lupenleuchte und einem sechsstelligen Betrag für eine Hightech-3D-Kamera. Das Spektrum von Produkten und Systemen dazwischen unterscheidet sich in wesentlich mehr Kriterien als dem Preis. Jeder Neuanschaffung sollte deshalb eine gründliche Recherche vorausgehen. Doch schon die ist gar nicht so einfach. Unabhängige Informationen und umfassende Marktübersichten sind schwer zu finden. Am ehesten empfehlen sich ein Besuch der einschlägigen Messen sowie die Beratung durch einen Fachmann, der die Vor- und Nachteile mehrerer Systeme kennt.
Auch „a:lot“ kann an dieser Stelle keine vollständige Marktübersicht anbieten und naturgemäß auch keine individuelle Beratung leisten. Wir beleuchten hier die wichtigsten Aspekte der optischen Inspektion in alphabetischer Reihenfolge. Auf diese Weise können Sie sich gezielt zu einzelnen Themen informieren oder sich einen Überblick verschaffen. Weiterführende Informationen zum Thema finden Sie auf unserer Internetseite www.alot-magazin.de. Dort stellen wir auch einzelne Hersteller und ihr Angebot ausführlich vor.

Von A bis Z

Arbeitsablauf

Durch die Vor- und Nachteile der verschiedenen Inspektionssysteme sowie durch die komplexen Anforderungen bei der Überprüfung ist es oft nicht möglich, alle Arbeiten an einem einzigen Gerät durchzuführen. Jeder Wechsel des Arbeitsplatzes erhöht jedoch sowohl den Zeitaufwand des Mitarbeiters als auch das Schadensrisiko für den Prüfling. Bei der Installation eines Inspektionssystems sollte deshalb nicht nur auf die Qualität einzelner Geräte geachtet werden. Auch die Kompatibilität zur bereits vorhandenen Ausstattung und den damit verbundenen Arbeitsabläufen spielt eine wichtige Rolle.

Arbeitsfläche

Viele Inspektionssysteme werden nicht nur installiert, um Fehler aufzuspüren und den Ausschuss zu ermitteln, sondern auch, um von Hand Reparaturen vornehmen zu können. Dazu muss sowohl in der Horizontalen als auch in der Vertikalen ein ausreichend großer Raum zum Arbeiten vorhanden sein. In der Horizontalen ist vor allem die Größe der PCBs ausschlaggebend. Bei der Anschaffung eines Inspektionssystems ist darauf zu achten, dass auch große Leiterplatten an jedem Punkt von dem optischen System erfasst werden können. Die Statik und die Stativsäule einiger Tischgeräte sind speziell für die Kontrolle großer PCBs konstruiert. Für besonders große Leiterplatten gibt es spezielle Inspektionsgeräte.
Wichtiger ist in vielen Fällen der vertikale Arbeitsraum. Nach den Gesetzen der Optik kann der Abstand zwischen Linse und Objekt für eine bestimmte Vergrößerung und eine bestimmte Bildschärfe nicht beliebig sein. Bei den meisten Mikroskopen mit der 44fachen Standardvergrößerung beträgt er nur etwa 80 mm. Das ist deutlich zu wenig, um darunter noch mit einem Handlötkolben arbeiten zu können. Durch eine Vorsatzlinse kann dieses Problem häufig umgangen werden. Auch bei Lupenleuchten kann bei einer bestimmten Fokussierung der Arbeitsabstand zu gering werden. Hier wird das Problem durch eine zweite vorgeschobene Linse gelöst.

Beleuchtung

Jedes Inspektionssystem ist nur so gut wie seine Beleuchtung. Bei der Installation sollte deshalb von vorneherein darauf geachtet werden, dass eine ausreichende und angemessene Ausleuchtung der zu untersuchenden Fläche vorgesehen und möglich ist. Welche das im Einzelfall ist, lässt sich oft nur im individuellen Arbeitsumfeld in Abhängigkeit vom Prüfer und dem zu prüfenden Werkstück ermitteln. Wichtige Auswahlkriterien sind die Lichtstärke, die Farbtemperatur sowie der Arbeitsabstand der Leuchte.
Eine wichtige Rolle spielt auch der Einfallswinkel des Lichts. Viele Systeme arbeiten mit Auflicht. Es kann aber von Vorteil sein, Schräglicht zu verwenden, weil die Schlagschatten den 3D-Effekt verstärken und so zu einem deutlicheren Ergebnis führen. Außerdem werden neben einer dauerhaften Flächenbeleuchtung auch Lösungen mit umlaufendem Licht, mit Segmentbeleuchtung oder anderen Effekten angeboten. Im Trend liegen LED-Beleuchtungen wegen ihrer vielfältigen Vorteile gegenüber anderen Beleuchtungsarten, wie zum Beispiel Halogen- oder Fluoreszenzbeleuchtungen:

- geringer Stromverbrauch
- hohe Lebensdauer
- geringer Platzbedarf
- nahe am Tageslicht
- keine Geräusche und Vibrationen

Wird das Inspektionssystem von mehreren Anwendern benutzt, sollte die Beleuchtung individuell einstellbar sein.

Budget

Wie eingangs erwähnt, ist die Bandbreite der möglichen Investitionen für ein Inspektionssystem groß. Welche Anschaffung angemessen und richtig ist, lässt sich nur im Einzelfall entscheiden. Vorsicht ist allerdings bei Billigangeboten angeraten. Gute Linsen sind aufwendig in der Herstellung und deshalb nie zum Ramschpreis zu haben. Das gilt bei Lupenleuchten, Mikroskopen und Kamerasystemen gleichermaßen. Ein gutes Mikroskop oder Kamerasystem für die optische Inspektion ist etwa ab 3.500 Euro zu haben.

Dimensionalität

Die beiden entscheidenden Fragen bei der optischen Inspektion lauten:

- Wie detailgenau muss das Bild vom Prüfling sein?
- Was soll mit dem Prüfling nach der Feststellung eines Fehlers geschehen?

Handelt es sich zum Beispiel um sehr kleine Bauteile, um Platinen für einen sensiblen Einsatzbereich oder sollen manuelle Korrekturen vorgenommen werden, ist ein dreidimensionales Bild unerlässlich. Ein solches lässt sich zurzeit nur mit einem Mikroskop erzeugen.
Auch hochwertige und hochauflösende Kamerasysteme liefern lediglich zweidimensionale Bilder. Zwar gibt es erste Kameras, die 3D-Bilder erzeugen, allerdings sind diese Geräte noch sehr teuer. Nicht zuletzt aufgrund des Trends zu 3D-Filmen im privaten Unterhaltungsbereich ist zu erwarten, dass diese Technik in absehbarer Zeit einfacher zu handhaben, selbstverständlicher in der Anwendung und preisgünstiger in der Anschaffung sein wird.

Ergonomie

Eine wichtige Herausforderung bei der Gestaltung eines Inspektionsarbeitsplatzes ist die Ergonomie. Viele Mikroskope liefern hervorragende Ergebnisse, erlauben aber nur eine einzige Körperhaltung während der Arbeit. Das führt im Dauereinsatz bei den Mitarbeitern zu hohen Belastungen und deshalb oftmals zu schneller Ermüdung und langfristig sogar zu Erkrankungen. Hochwertige Mikroskope verfügen deshalb über individuelle Einstellmöglichkeiten.
Der Trend geht aber deutlich zu okularlosen Techniken. Diese gibt es in verschiedenen Ausführungen, zum Beispiel als Großfeldlinse bei Mikroskopen. Bei diesen Geräten kann der Prüfer seinen Kopf frei bewegen, allerdings erleben einige Anwender die projizierten Bilder als schwimmend und deshalb Übelkeit erregend. Beliebter sind Lösungen, bei denen das Bild mithilfe einer Digitalkamera auf einen Monitor projiziert wird.

Fehler

…sind der einzige Grund, warum eine optische Inspektion überhaupt durchgeführt wird. Die Art des oder der Fehler entscheidet darüber, welches Verfahren sinnvoll ist.
Die Aufgabe der Inspektion besteht jedoch nicht nur darin, Fehler aufzufinden. Vor allem soll sie dabei helfen, Fehler zukünftig zu vermeiden. Dafür müssen das Bewusstsein der Prüfer geschärft und die entsprechenden Kommunikationswege im Unternehmen geschaffen werden. Nur dann können anhand der Fehleranalyse Produktionsprozesse so verändert werden, dass die Fehlerquote minimiert wird.

Flexibilität

In vielen Betrieben der Elektronikfertigung muss das Inspektionssystem hohen Anforderungen gewachsen sein, weil sowohl die prüfenden Mitarbeiter als auch die Werkstücke ständig wechseln. Um dennoch optimale Ergebnisse zu erzielen, sollte das installierte Inspektionssystem eine hohe Flexibilität aufweisen und über viele Einstellmöglichkeiten verfügen. Allerdings ist zu beachten, dass dadurch hohe Rüstzeiten entstehen und die Nutzungsakzeptanz der Mitarbeiter sinkt.

Handhabung

Wenn das Inspektionssystem von mehreren Mitarbeitern gleichzeitig genutzt werden soll, empfiehlt sich eine einfache und intuitive Handhabung. Die individuelle Einstellung des Geräts sollte leichtgängig und schnell möglich sein. Das senkt nicht nur die Rüstzeiten, sondern erhöht auch Akzeptanz und Nutzungshäufigkeit.
Viele moderne Geräte arbeiten computerunterstützt, oftmals mit eigener Software. Dadurch ergeben sich zahlreiche zusätzliche Möglichkeiten (s. PC-Anbindung). Andererseits bedarf die Handhabung meistens einer gründlichen Einarbeitung und einiger Übung, sodass fortan nur ausgebildete Fachleute an den Geräten arbeiten können.

Inspektionstisch

Durch die Miniaturisierung der Bauteile wird es immer schwieriger, einzelne Objekte in den Fokus und ins rechte Licht zu rücken. Eine lückenlose Überprüfung wird dadurch ebenso erschwert wie das Wiederauffinden bestimmter Stellen. Mit Hilfe eines Inspektionstischs wird dieses Problem gelöst. Auf diesem Hilfsmittel wird der Prüfling fixiert, anschließend kann er je nach Gerät in sehr kleinen Schritten sowohl in der Längs- als auch in der Querachse bewegt werden. Einige Inspektionstische ermöglichen auch das Abkippen des Prüflings bis zu einem gewissen Winkel.
Einige digitalisierte Inspektionssysteme messen automatisch die Position des Prüflings aus und zeigen die jeweiligen Koordinaten an. Auf diese Weise kann jeder Ort auf der Baugruppe problemlos wiedergefunden und angesteuert werden.

Kamerasystem

Schon seit einigen Jahren gewinnen Kameras bei der optischen Inspektion einen immer höheren Stellenwert. Das hat zum einen damit zu tun, dass solche Lösungen eine wesentlich bessere Ergonomie am Arbeitsplatz gewährleisten. Weil das Bild auf einen Monitor projiziert wird, kann der Anwender eine entspannte Köperhaltung einnehmen und diese nach Bedarf wechseln. Zum anderen lassen sich Kameras an Computer anschließen. Das erschließt eine Reihe weiterer Funktionen und Vorteile (s. PC-Anbindung). Die Bilder, die moderne Kameras dank hoher Auflösungswerte liefern, sind brillant. Allerdings sind sie immer nur zweidimensional, was für verschiedene Anwendungen ein entscheidender Nachteil sein kann.
Die Integration einer Kamera in die optische Inspektion kann auf mehrere Arten erfolgen. Mitunter wird sie modular ergänzt (s. Mikroskop), zunehmend ist sie integraler Bestandteil eines eigenen Systems. Da die Einbindung eines digitalen Kamerasystems in eine bestehende IT-Landschaft zurzeit noch problematisch sein kann oder mitunter nicht gewünscht wird, gibt es auch solche, bei denen das Bild lediglich auf einen Bildschirm projiziert wird. Diese Systeme haben allerdings den Nachteil, dass sie stets Momentaufnahmen liefern, die nicht archiviert oder auf andere Weise weiterverarbeitet werden können.
Wegen der immer besseren Darstellungsqualität und der zahlreichen zusätzlichen Möglichkeiten, wie zum Beispiel Messungen durchzuführen sowie die Inspektionsergebnisse zu dokumentieren und zu protokollieren, sehen viele Experten die Zukunft der optischen Inspektion in modernen digitalen Kamerasystemen. Insbesondere dort, wo 3D-Bilder nötig sind, werden zurzeit aber noch kombinierte oder ergänzende Lösungen mit Mikroskopen umgesetzt. Welche Kamera oder welches Kamerasystem für den Einzelfall am besten geeignet ist, lässt sich nur unter Berücksichtigung der jeweiligen Bedingungen und Anforderungen entscheiden. Auch hier gilt jedoch, dass eine Billiglösung oftmals am Ende die teurere ist. Kamerasysteme mit guten Inspektionsergebnissen sind ab etwa 3.500 Euro zu haben (s. Budget).

Kugeltisch

Hierbei handelt es sich meistens um runde Platten, die auf einer nach unten gewölbten Halbkugel montiert sind. Befestigt man darauf eine Platine kann man diese in alle Richtung drehen und damit geschickt einen interessanten Effekt erzeugen: Das menschliche Gehirn setzt die vielen Perspektiven zu einem 3D-Bild zusammen, sodass eventuelle Fehler gut erkannt werden können. Außerdem können durch die verschiedenen Neigungswinkel Lichtreflektionen vermieden werden. Üblicherweise werden Kugeltische in Verbindung mit Lupenleuchten zur Inspektion und Reparatur verwendet.
Kugeltische gibt es in einfachen, aber auch hochwertigen Ausstattungen beispielsweise mit einer Fußarretierung für beliebige Positionen. Obwohl es sich um ein vergleichsweise einfaches und effektives Hilfsmittel handelt, erfreuen sich Kugeltische in der Praxis keiner großen Beliebtheit.

Lupenleuchte

Vermutlich war eine Lupe das erste technische Hilfsmittel bei der optischen Inspektion. Die inzwischen entwickelten Lupen mit eingebautem Licht sind auch heute noch in vielen Betrieben der Elektronikfertigung zu finden. Allerdings verlieren sie zunehmend an Bedeutung. Durch die fortschreitende Miniaturisierung der Bauteile reicht die übliche Vergrößerung einer Lupe von 1,75- bis 2-fach nicht mehr aus, um das Fehlen von Bauteilen oder gar Lötfehler sicher zu erkennen. Hinzu kommt, dass die Linse kein stereoskopisches Bild liefert, sodass die Augen bei einer Dauerbenutzung schnell ermüden. Da eine Lupenleuchte aber beinahe keine Rüstzeit beansprucht, ist sie für rasche Inspektionen zwischendurch nach wie vor das Hilfsmittel der Wahl.

Mikroskop

Die dreidimensionale Darstellung eines Prüflings lässt sich zurzeit nur mit einem Mikroskop zu angemessenen Kosten erreichen. Da bei vielen Inspektionsanwendungen das räumliche Bild unabdingbar notwendig ist, um gründliche und eindeutige Ergebnisse zu erhalten, ist das Mikroskop in vielen Betrieben unverzichtbar. Insbesondere bei der Reparatur benötigt man die dritte Ebene, damit der Lötkolben sicher und punktgenau geführt werden kann ohne Bauteile zu zerstören. Mikroskope gibt es in sehr vielen Varianten. Bei der Auswahl ist jedoch Vorsicht geboten: Gute Linsen sind teuer, sodass Billig-Produkte immer eine schlechtere Bildqualität abliefern (s. Budget).
Ein wichtiger Nachteil von Mikroskopen ist ihr fixer Blickpunkt, der eine starre Körperhaltung des Anwenders nach sich zieht (s. Ergonomie). Außerdem ist die dreidimensionale Darstellung nicht ganz ohne Tücken: Nutzt man den Autofokus, verstellt sich ständig der Scharfpunkt, was für die Augen sehr anstrengend ist. Fokussiert man das Bild manuell, sind viel Fingerspitzengefühl und Geduld gefragt. Darüber hinaus lassen sich die Einstellungen eines Anwenders nur selten von einem anderen übernehmen, sodass bei wechselnder Nutzung hohe Rüstzeiten entstehen.
Seit einigen Jahren liegen trinokulare Mikroskope im Trend, die über die Möglichkeit verfügen, zusätzlich eine Kamera anzuschließen. Der Kameraanschluss hat entweder einen eigenen Kanal oder ist in den Strahlengang des Mikroskops integriert. Das Bild der Kamera wird auf einen Monitor projiziert, ist also nur zweidimensional und damit weniger aussagefähig als das des Mikroskops. Geräte dieser Art bilden bei vielen Anwendungen den bestmöglichen Kompromiss: Über den Monitor kann der Anwender alle gängigen Inspektionen bei freier Beweglichkeit durchführen. Für Detailansichten und Reparaturen kann er das Mikroskop nutzen.

Modularität

Moderne Inspektionssysteme sind modular aufgebaut und bieten damit einen Spielraum für zeitgemäße Anpassungen und Aufrüstungen. Das ermöglicht es, das Investitionsvolumen auf mehrere Jahre zu verteilen und gleichzeitig mit modernen Geräten zu arbeiten. Beispielsweise lassen sich hochwertige trinokulare Mikroskope nachträglich mit Kamerasystemen ausstatten.

PC-Anbindung

Nach Ansicht vieler Experten gehört die Zukunft der optischen Inspektion in der Elektronikfertigung den rein digitalen Systemen. Eine solche Anbindung hat viele Vorteile. Beispielsweise können Messungen vorgenommen und genau wie Bilder und Filme abgespeichert werden. Dadurch ist eine einfache und lückenlose Dokumentation möglich. Die Ergebnisse einer Inspektion können durch Datenübertragung an jedem beliebigen Ort auch von mehreren Personen gleichzeitig angeschaut und diskutiert werden.
Zurzeit steckt die computergestützte Inspektion jedoch noch in den Kinderschuhen. Da es noch keine Plug & Play-Lösungen gibt, machen technische Probleme auf verschiedenen Ebenen eine Umsetzung einerseits teuer, andererseits störungsanfällig. Zum Beispiel stehen in vielen Betrieben vergleichsweise alte Rechner, die der Software und den riesigen Datenmengen der modernen Systeme nicht gewachsen sind. Überdies verfügen sie häufig über keine Anschlussmöglichkeiten mit einem ausreichend hohen Datendurchsatz.
Ein weiteres Problemfeld ist die Sicherheit. Extern eingebrachte Computersysteme können erhebliche Schwierigkeiten innerhalb eines Firmennetzwerks verursachen und im schlimmsten Fall zu dessen Zusammenbruch führen. Die probeweise Vorführung oder endgültige Installation solcher Geräte darf deshalb oftmals nur von den firmeneigenen IT-Spezialisten durchgeführt werden. Um die Übertragung schädlicher Software auszuschließen, verlangen einige Firmen umfangreiche Dokumentationen und Zertifikate zu dem betreffenden Inspektionssystem.
Um allen diesen Problemen aus dem Weg zu gehen, gibt es einige in sich geschlossene Inspektionssysteme mit reiner Monitordarstellung oder integriertem PC. Diese haben allerdings den Nachteil, dass die vielen Vorteile einer eingebundenen digitalen Lösung nur lokal beziehungsweise gar nicht genutzt werden können.

Speziallösungen

Für die meisten optischen Inspektionen reichen Lupenlampe, Mikroskop oder eine hochauflösende Kamera aus. Darüber hinaus gibt es aber auch Prüfsituationen bei denen mit diesen Hilfsmitteln kein befriedigendes Ergebnis erzielt werden kann. Hierfür wurde eine Reihe von Speziallösungen entwickelt, die hier nicht alle einzeln aufgeführt werden können. Wegen ihrer besonderen Bedeutung seien aber die flexiblen Endoskopie-Systeme genannt. Bei ihnen handelt es sich um Stäbe aus Fiberglas, die einen Durchmesser von weniger als einem Drittelmillimeter aufweisen können. In ihnen sind dennoch eine Kamera und eine Lichtquelle integriert, sodass man auch unter bereits verlöteten Bauteilen Fehler auffinden kann.

Spiegelung

Ein tückisches Hindernis bei allen Systemen sind Lichtspiegelungen auf den silbernen Oberflächen der Lötstellen und Leiterbahnen. Geübte Prüfer kennen dieses Phänomen und wissen damit umzugehen. Um Fehlbeurteilungen durch Spiegelung auszuschließen, gibt es verschiedene Möglichkeiten: Beleuchtung, Kugeltisch, Inspektionstisch.

Systeme

Im Wesentlichen werden drei Wege zur optischen Inspektion in der Elektronikfertigung unterschieden: Lupenleuchten, Mikroskope und Kamerasysteme. Sie werden jeweils in eigenen Unterpunkten erklärt.

Vorsatzlinse

Das Herzstück einer jeden optischen Inspektion sind die Linsen. Ihre Qualität entscheidet über die Qualität der Inspektion. Nicht zuletzt deshalb gilt dem Schutz und der Pflege der Linsen ein besonderes Augenmerk. Qualitativ hochwertige Systeme verfügen über eine Schutzlinse, die die optische Qualität nicht beeinflusst, aber leichte Berührungen und zum Beispiel den Lötrauch von Reparaturarbeiten abfängt. Diese Linse sollte regelmäßig gereinigt oder ausgetauscht werden, um ein optimales Inspektionsergebnis zu gewährleisten.
Darüber hinaus gibt es Vorsatzlinsen insbesondere für Mikroskope, um den Arbeitsabstand zwischen Linse und Prüfling zu erhöhen. Beträgt dieser beispielsweise bei einer 44fachen Vergrößerung nur 80 mm, reicht dieser Platz für Arbeiten mit einem Handlötkolben nicht aus. Durch eine Vorsatzlinse mit dem Faktor 0,5 kann der Abstand auf 160 mm verdoppelt werden. Dieser zusätzliche Raum wird allerdings durch den Nachteil erkauft, dass sich die Vergrößerung um den entsprechenden Faktor verringert. Vorsatzlinsen sind mit verschiedenen Vergrößerungs- und Verkleinerungsfaktoren erhältlich.

Zukunft

Die fortschreitende Miniaturisierung der Bauteile wird immer höhere Vergrößerungsfaktoren bei den Inspektionssystemen notwendig machen. Gleichzeitig wird die Digitalisierung des Verfahrens weiter voranschreiten und deutlich einfacher in der Installation und Anwendung werden. Die 3D-Technik für Kameras wird nicht nur die Bildqualität nachhaltig verbessern, sondern auch die Ergonomie am Arbeitsplatz.

Text: Volker Neumann


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