Alles im Lot bei Stecker und Pins – 3D-Vermessung von Taumelkreis und Setztiefe

Betrachtet man die Produktion elektronischer Flachbaugruppen, sehen sich Fertiger mit stetig zunehmender Miniaturisierung und höherer Packungsdichte konfrontiert. Damit einhergehend steigen die Anforderungen an die Fertigungs- und Prüftechnologien. Gleiches gilt für die Hersteller von Verbindungstechnik wie Steckverbinder und Einzelpins – auch hier müssen auf immer kleiner werdenden Raum eine steigende Anzahl von Kontakte untergebracht werden.

Ausgangssituation auf Flachbaugruppen

Gerade hohe Packungsdichten sorgen wiederholt für Herausforderungen im Bereich der Prüfbarkeit, insbesondere dann, wenn hohe Bauteile wie z.B. Steckverbinder in unmittelbarer Nachbarschaft zu anderen Bauelementen bestückt werden.

Auch Steckverbinder sind Bestandteil des Prüfumfangs und besitzen aufgrund ihres Aufbaues ganz andere Anforderungen an Handling und Prüfung. Neben der klassischen Lötstellenprüfung soll ebenfalls die mechanische Unversehrtheit der Pins geprüft werden. Hier interessieren zwei Parameter: Zum einen die laterale Lage der Pinspitze und zum anderen deren Höhe.

Sowohl die horizontale als auch die vertikale Lage jedes einzelnen Pins ist dann zu prüfen, wenn im Nachfolgeprozess automatisiert über diese Steckverbinder eine elektrische Verbindung zu anderen Baugruppen hergestellt werden soll oder aber die Montage passgenau in ein Gehäuse erfolgt. Kam es im Vorfeld durch mechanische Einflüsse auf die Pins zu Verbiegungen ist eine automatische Montage nicht mehr möglich.

Werden die Auslenkung der Pins auf lateraler Ebene begutachtet, spricht man von Taumelkreisprüfung. Die Taumelkreisprüfung kann mittels orthogonaler Betrachtung ausgeführt werden, was in der Regel bereits durch herkömmliche 2D-AOI-Systeme gewährleistet werden kann. Allerdings ist hier zu bedenken dass Pins, deren Durchmesser oftmals kleiner als ein Millimeter sind, eine Spitze haben, welche nur noch wenige Zehntelmillimeter groß ist. Eine sichere Erkennung des Merkmals ist dabei maßgeblich von der Ausleuchtung des Prüfobjektes abhängig. Die AOI-Systeme der Firma GÖPEL electronic GmbH werden dank ihrer multispektralen und multidirektionalen Beleuchtung schon seit vielen Jahren mit Erfolg für diese Prüfaufgabe eingesetzt.

Messung der Setztiefe – eine besondere Herausforderung

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Mögliche Fehler am Pin eines Steckverbinders

Die Anforderung steigt jedoch massiv, wenn die Höhe der Pinspitze ermittelt werden muss. Diese Prüfaufgabe ist unter dem Begriff Setztiefe bzw. Einpresstiefe bekannt. Wie sich unschwer an der Bezeichnung der Prüfaufgabe erkennen lässt, wird diese Herausforderung mittels herkömmlicher zweidimensionaler Mess- und Prüftechnik schwerlich meistern, da durch orthogonale Betrachtung keine Höheninformation gewonnen werden kann. Selbst die Prüfung durch geneigte Kameras kann diese Problematik nicht lösen, da im Vorfeld die Verbiegung des Pins und der Leiterplatte unbekannt ist und oftmals die Erkennung der Pin-Spitze Schwierigkeiten darstellt. Der Umkehrschluss daraus ist: Eine weitere Prüf-Dimension wird benötigt.

Versuche, diese Aufgabe mittels Streifenprojektion zu lösen, scheiterten oftmals an unkooperativen Oberflächen, welche dank starker Spiegelung keine zuverlässigen Messsignale liefern. Des Weiteren ist es ausgeschlossen, mit einem Triangulationsverfahren in Steckverbindergehäuse hineinzumessen, da deren Wandung das Innenleben förmlich in den Schatten stellt. Teilweise kann dies zwar durch den Einsatz mehrerer Projektoren oder Kameras ausgeglichen werden, aber spätestens bei der Ermittlung der Einpresstiefe eines Pin in eine Leiterplatte (z.B. Pressfit-Technologie) oder in andere Objekte (z.B. Steckverbinder-Gehäuse) wird deutlich, dass man hiermit nicht in Bohrungen hineinmessen kann.

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 (< 0,5 mm) hinein gestattet.

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

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 und zurück reflektiert wird. Das reflektierte Licht bzw. das Messsignal wird auf Basis einer Auswertung der jeweiligen Intensität mit einem Höhenwert in Verbindung gebracht. Da diese Optik einzelne Messpunkte auf die Leiterplattentopografie projiziert, ist für eine flächige Messwertaufnahme ein Verfahren des Spot-Arrays notwendig. Je nach Schrittweite lassen sich dadurch beim Scannen unterschiedliche laterale Auflösungen realisieren, sodass diese gemäß Anforderung der Messaufgabe frei konfigurierbar sind.

goepel_fa_2016_Abb2_tmsa-technologie

TMSA-Technologie

Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens ist, dass unabhängig vom Reflexionsverhalten der jeweiligen Oberflächen Messwerte generiert werden können und somit die Prüfung der Merkmale layout-unabhängig erfolgt.

Bei Steckverbindern oder einzelnen Pins kann nun der eingangs erwähnte Fehler auftreten, dass die Verbindungskontakte verbogen sind, zu tief im Gehäuse stecken oder zu weit herausstehen. Im Folgeprozess kann das Gegenstück nicht wie gewünscht gesteckt werden. Die Baugruppe kann somit im schlimmsten Falle nicht verwendet werden.

Die mit der AOI-Software PILOT 6 bereitgestellten 3D-Messalgorithmen befähigen den Anwender, sowohl Taumelkreis (also die Abweichung in x- und y- Richtung) als auch Höhe und Setztiefe der Pins zu messen und gemäß definierter Toleranzen zu bewerten.

Die eingangs beschriebene TMSA-Technologie ist im Messmodul „3D•EyeZ“ integriert, welches im stand-alone AOI-System BasicLine und im neuen in-line System VarioLine verfügbar ist. Dank anpassungsfähiger lateraler Auflösung können jederzeit ausreichend viele Messpunkte auf Pins oder in die Bohrungen projiziert und Messwerte aufgenommen werden.

Zusammenfassung

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Stand-alone und Inline AOI-Systeme von GÖPEL electronic mit Messsystem 3D●EyeZ (Quelle Bilder: GÖPEL electronic)

Taumelkreisprüfung und Setztiefenmessung von Steckverbindern oder einzelnen Pins stellen hohe Anforderungen an die eingesetzte Messtechnik. Die alleinige Verwendung von orthogonaler bzw. Schrägblick-Inspektion ist für diese dreidimensionale Messaufgabe nicht geeignet. Ebenso gelangt die Streifenprojektion auf Basis der Triangulation dabei an ihre Grenzen, da zum einen Abschattungen auftreten und zum anderen die Detektion der Pinspitzen nicht nimmer sicher möglich ist. Eine Tiefenmessung in Bohren ist zudem damit vollkommen ausgeschlossen.

Das Messmodul „3D•EyeZ“ beseitig durch die verwendete TMSA-Technologie die geschilderten Nachteile und steht sowohl für in-line als auch für stand-alone AOI-Systeme zur Verfügung.

goepel.com

 

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