Tiefe Einblicke: 3D-Montagekontrolle von Einpresskontakten

Autoren: Thomas Hoheisel, Coriant GmbH, Senior Lead Engineer Operations, und Jens Kokott, GÖPEL electronic GmbH, Produktmanager Automatische Optische Inspektion

Nachdem die Umstellung von bleihaltiger auf bleifreie Lötung elektronischer Baugruppen vor einigen Jahren für viel Wind in der Verbindungstechnik gesorgt hat, steht nun – zumindest bei einigen Bauteilen – ein nicht weniger spektakulärer Wandel bevor: Bei einer zunehmenden Anzahl von Steckverbindern wird seit einiger Zeit vollständig auf die Lötung verzichtet. Die Herstellung des elektrischen Kontaktes erfolgt dabei durch eine kraftschlüssige Verbindung der Anschlüsse mit der Durchkontaktierung in der Leiterplatte. Um eine sichere Funktionsweise zu garantieren, stehen damit jedoch auch neue Anforderungen an die Qualitätsprüfung an, welche ihrerseits neue Verfahren der Messtechnik erfordern. Das nachfolgende Beispiel zeigt, wie bei der Firma Coriant diese neue Aufgabe durch Einsatz innovativer Technologien gelöst wird.

Produkte von Coriant: Netzwerklösungen für die Zukunft

Coriant ist einer der weltweit führenden Anbieter von innovativen und dynamischen Datenübertragungssystemen im Bereich Packet Optical und für Verbindungen von Datenzentren untereinander. Mit seinen Lösungen, Produkten und Dienstleistungen unterstützt Coriant Telekommunikationsanbieter weltweit dabei, die Komplexität ihrer Netze zu reduzieren, eine Grundlage für die neue Generation von Services im Bereich Mobile, Video und Cloud zu schaffen und somit den größtmöglichen Wert aus bestehender Netzinfrastruktur zu ziehen.

Typische Telekommunikations-Baugruppe mit Einpress-Steckverbindern

Dabei stützt sich das Unternehmen auf mehr als 1.800 Patente und über 35 Jahre Erfahrung im Aufbau hochleistungsfähiger optischer Telekommunikationsnetze. Coriant betreut über 500 Kunden in mehr als 100 Ländern – Betreiber von Mobilfunknetzen, Festnetzen, Cloud und Data Center Netze, oder Anbieter von Web 2.0 oder Großunternehmen – und kann 9 der Top 10 Netzbetreibern der Welt zu seinen Kunden zählen. In seinem Berliner Delivery Operations Center stellt Coriant schwerpunktmäßig Systeme für die Langstreckenübertragung her.

Die Herausforderung: Tiefenmessung in Bohrungen

Baugruppen wie die in der Abbildung dargestellte werden in Schaltschränken, sogenannten Racks, verbaut und sind Bestandteile einer Übertragungsstrecke. Auf Baugruppen der neuesten Generation werden zunehmend Einpressstecker eingesetzt, die zur Erfüllung der hochfrequenztechnischen Anforderungen sehr kurze Pins besitzen. Bei komplexen Multilayerboards mit mehr als 20 Lagen sind die Pins kürzer als die Leiterplattendicke und können von der Gegenseite her nicht mit herkömmlichen Mitteln auf korrekten Einbau überprüft werden. Erschwerend kommt hinzu, dass der Durchmesser der Bohrungen bei diesen Steckern weit unterhalb von einem Millimeter liegt. Neben der einfachen Existenz des Pins in der Bohrung spielt auch die realisierte Einpresstiefe eine Rolle für die Qualität der Signalübertragung. Sollte der Pin sich beim Einpressen so verbogen haben, dass ein Kurzschluss hergestellt wird, kann dies zu elektrischen Beschädigungen an weiteren Baugruppen führen.

AOI-System Advanced Line·3D in der Fertigung bei Coriant

Die Suche nach einem Inspektionssystem, das die beschriebenen Einpressstecker sicher und mit ausreichender Geschwindigkeit testen kann, gestaltete sich schwierig. Im Gespräch mit der Firma GÖPEL electronic ergab sich schließlich die Möglichkeit, ein System der bereits etablierten „AdvancedLine“-Reihe mit einer innovativen 3D-Messtechnologie auszustatten, so dass es den dargestellten Kriterien entspricht.

3D-Messungen auf Basis der TMSA-Technologie

Unter dem Namen Telecentric Multi Spot Array, kurz TMSA, stellt GÖPEL electronic eine Technologie bereit, welche eine 3D-Vermessung selbst in tiefe Bohrungen mit kleinsten Durchmessern hinein gestattet.

In ein eigens für diesen Zweck entwickeltes telezentrisches Messobjektiv wird bei diesem Verfahren eine Lichtquelle eingekoppelt. Dadurch erreicht man, dass im Gegensatz zu Triangulationstechnologien, kein Winkel zwischen Lichtquelle und Sensorik besteht und somit Beleuchtungs- und Signalstrahlengang identisch sind. Vorteil dieser Anordnung ist, dass zum einen keine Schattenbildung an hohen Bauelementen entsteht und zum anderen auch in tiefe Bauteilschluchten oder Bohrungen sicher gemessen werden kann.

Das Objektiv differenziert nun die einzelnen Wellenlängen des Lichts, so dass in Abhängigkeit des Abstandes zwischen Messobjektiv und zu messender Oberfläche jeweils nur ein kleiner Wellenlängenbereich fokussiert wird. Das reflektierte Licht, bzw. das Messsignal, wird anschließend durch Auswertung der jeweiligen Intensität in einen Höhenwert umgerechnet. Da diese Optik einzelne Messpunkte auf die Leiterplattentopografie projiziert, ist für eine flächige Messwertaufnahme eine Bewegung des Spot-Arrays notwendig. Je nach Schrittweite lassen sich dadurch beim Scannen unterschiedliche laterale Auflösungen erzielen, so dass diese gemäß Anforderung der Messaufgabe frei konfigurierbar sind.

3D-Messung auf Basis TMSA-Technologie

Die TMSA-Technologie ist als Sensorsystem 3D•EyeZ verfügbar und kann in den stand-alone und inline AOI-Systemen von GÖPEL electronic integriert werden. Neben der konventionellen optischen Inspektion elektronischer Baugruppen ist die Messung der Einpresstiefe von Pressfits ein entscheidendes Alleinstellungsmerkmal der Systeme. Dabei kann direkt in die Bohrung der Leiterplatte „hineingemessen“ und die Position der Pinspitze innerhalb des Leiterplattenmaterials in allen 3 Dimensionen bestimmt werden. Selbst bei Löchern mit einem Durchmesser von bis zu 200µm ist die Messung der exakten Höhenlage in der Bohrung mit einer Genauigkeit von bis zu 5µm möglich.

Effizienter Einsatz des Systems im Fertigungsprozess

Entscheidendes Kriterium für den Einsatz ist der Nachweis der Prozessfähigkeit, d.h. die Genauigkeit der Tiefenmessung und die Streuung der Messwerte bei Wiederholungsmessungen. Die Messgenauigkeit wurde mit einem 3D-Messnormal überprüft, Wiederholungsmessungen wurden anhand einer Serienbaugruppe vorgenommen. Sowohl die theoretische als auch die praktische Tauglichkeit, auch unter Einfluss von Umgebungsbedingungen, konnte dadurch nachgewiesen werden.

3D-Visualisierung eines eingepressten Pins in der Leiterplatte

Das System ist direkt nach dem Prozessschritt „Einpressen“ installiert. Damit kann jede Leiterplatte unmittelbar nach Abschluss des Vorgangs vom gleichen Bediener überprüft werden. Fehler können korrigiert werden bevor die Baugruppe fertiggestellt, montiert und getestet wird. Der komplette Prüfablauf ist auch bei komplexen Prüfaufgaben mit vielen zu testenden Steckern schneller als der Einpressvorgang, so dass sich durch den zusätzlichen Prüfschritt keinerlei Verzögerung im Betriebsablauf ergibt. Die Prüfergebnisse werden in einer SQL-Datenbank gespeichert und stehen für Analysen der Prozessqualität zur Verfügung.

Die große Produktvielfalt bei Coriant Berlin bringt es mit sich, dass kontinuierlich neue Prüfprogramme für Musterbauten, Piloten und Serienprodukte zu erstellen sind. Ein Inspektionssystem muss also die einfache und schnelle Erzeugung von Programmen ermöglichen. Durch das vorgestellte System können Programme einfach aus den vorliegenden Leiterplattendaten heraus erzeugt werden. Einmal erzeugte Steckermodelle können für alle folgenden Programme wiederverwendet werden.

Die bisherigen Erfahrungen im regulären Einsatz zeigen, dass durch den Einsatz des beschriebenen Systems der Fehlerschlupf minimiert werden konnte. Fehlerhaft eingepresste Stecker werden sicher erkannt und können repariert werden. Für die Zukunft ist die Einbindung der Testresultate in die existierende Datenerfassungslandschaft geplant, um so ein komplettes Bild der Fertigungshistorie jeder Baugruppe zu erhalten.

Ein weiterer, großer Vorteil besteht in der deutlichen Reduzierung der nachgelagerten Test-Engineering-Aktivitäten. Diese können nun aufgrund der extrem hohen Prüfgenauigkeit des AOI auf ein Minimum reduziert werden. Ebenso gehören aufwendige Nacharbeiten aufgrund fehlerhafter Steckverbindungen der Vergangenheit an. Dadurch können nicht nur Ressourcen gezielter eingesetzt, sondern auch Kunden mit einer noch besseren Produktionsqualität beliefert werden.

3D/2D AOI-Systeme von GÖPEL electronic für den Stand-Alone und Inline-Einsatz (Quelle Bilder: GÖPEL electronic)

Ergänzend zur Prüfung von Einpress-Kontakten und Steckverbindern bietet GÖPEL electronic für die 3D-Vermessung von Bauteilen und Lötstellen im SMD-Bereich zusätzlich das Messmodul 3D•ViewZ an. Es kombiniert 3D-Messtechnologie auf Basis Triangulation mit 2D-Bildaufnahmeverfahren bei identischem Betrachtungsfeld und ermöglicht somit auch den Einsatz Fertigungslinien mit kürzesten Zykluszeiten.

Die Implementierung der 3D-Montagekontrolle zeigt auf, wie schnell und flexibel Coriant zusammen mit GÖPEL electronic eine bestehende Herausforderung angenommen und eine passende Lösung „Made in Germany“ entwickelt hat.

goepel.com/aoi