Automatische optische Inspektion von Elektronikkomponenten in der Automobilindustrie

Author(s):
Dr. Jörg Schambach - GÖPEL electronic GmbH

Industry:
ATE/Instrumentation, Imaging Equipment, Automotive

Products:
Compact Vision Systems

The Challenge:
Intergration eines automatischen optischen Inspektionssystems in eine bereits vorhandene Prüfanlage für elektrische Tests unter besonderer Berücksichtigung räumicher Gegebenheiten.

The Solution:
Einsatz einer LED-Beleuchtungs-Kombination zur herkömmlichen 2d-Bilderfassung und einer Laserlinienenprojektion zur Anwendung des Triangulationsverfahrens brachte die Lösung.

Diese Anwenderlösung ist ein Beitrag zum jährlichen VIP-Kongress von National Instruments. Der vollständige Beitrag ist ferner im kongressbegleitenden Tagungsband VIP 2006, S. 114-118, veröffentlicht.

Kurzfassung

Eine häufig wiederkehrende Aufgabenstellung der industriellen Praxis ist die Erweiterung bzw. Ergänzung bereits bestehender Prüfsysteme. Mit dem Ausbau des vorhandenen Prüfsystems wird das Ziel verfolgt, zusätzliche Eigenschaften des Produktes zu erfassen und zu bewerten, so dass dessen Qualität in einem erweiterten Umfang sichergestellt werden kann.

Die in diesem Beitrag beschriebene Lösung resultiert aus der Anforderung eines Kunden, ein automatisches optisches Inspektionssystem (AOI) in eine bereits vorhandene Prüfanlage für elektrische Tests zu integrieren. Die Realisierung der zusätzlichen Prüfstation wurde dabei maßgeblich durch die räumlichen Gegebenheiten erschwert und erforderte besondere Sorgfalt beim Design aller Komponenten des AOI-Sytems. Nur durch den kombinierten Einsatz einer LED-Beleuchtung zur herkömmlichen 2d-Bilderfassung und einer Laserlinienenprojektion zur Anwendung des Triangulationsverfahrens konnte die Aufgabe gelöst werden. Als leistungsfähiger Bildverarbeitungs- und Steuercomputer wurde das für den industriellen Einsatz insbesondere auch bei eingeschränkten Platzverhältnissen optimal geeignete „NI Compact Vision System“ eingesetzt.

 

Einleitung 

Das Kerngeschäft der GÖPEL electronic GmbH ist die Entwicklung und Fertigung innovativer Lösungen für die Qualitätssicherung in den verschiedensten Bereichen der Elektronik- und Automobilindustrie. Alle Testsysteme zeichnen sich dabei durch eine hohe Flexibilität der Hard- und Software gegenüber wechselnden Prüfaufgaben aus. Das hier beschriebene automatische optische Inspektionssystem für Elektronikkomponenten resultierte aus der Kundenanforderung, ein zuvor von GÖPEL electronic realisiertes Testsystem um die Funktionalität der optischen Prüfung zu erweitern. Bisher deckte das Prüfsystem eine Reihe von elektrischen Tests, die von Bauelementeprüfungen über Lastsimulationen bis zu Über- und Unterspannungstests reichen, ab.

 

Anforderungen 

Im Zuge der Erweiterung des Testsystems auf die Möglichkeit zur Prüfung eines weiteren Baugruppentyps sollte die Qualität der ausgelieferten Elektroniken durch die optische Erfassung und Bewertung von Produktmerkmalen gesteigert werden. Im Einzelnen wurden folgende Aufgaben formuliert:

1.  optische Kontrolle elektronischer Kontakte auf Verbiegung,

2.  optische Kontrolle des Vorhandenseins einer Kontakteinhausung,

3.  optische Kontrolle des ausgewählten Baugruppentyps,

4.  Lesen eines Data Matrix Codes.

Neben der schon erwähnten Verbesserung der Qualität, sollte durch die zusätzliche Kontrolle des tatsächlich ausgewählten Elektroniktyps und das Lesen des Data Matrix Codes die Prozessstabilität gesteigert werden.

 

Herausforderung

Die zunächst einfach erscheinenden Prüfaufgaben stellten sich bei der konkreten Konzeption des Inspektionssystems als zum Teil schwierig zu lösende Anforderungen dar. Die Nachrüstung eines optischen Inspektionssystems mit Kamera, Beleuchtung und Bildverarbeitungs-Computer in den bereits bestehenden Funktionstester wurde maßgeblich durch die räumlichen Gegebenheiten erschwert. Voraussetzung für die Realisierung der zusätzlichen AOI-Station war, die Außenmaße des Testers nicht zu verändern. Diese Bedingung ließ nur die Installation einer einzigen Kamera direkt über dem Prüfling zu (Bild 1). Der relevante Ausschnitt der entsprechenden Kamera-Ansicht ist in Bild 2 (a) zu sehen. Während für die Prüfaufgaben 2 bis 4 diese Kameraansicht optimale Auswertemöglichkeiten bietet, ist die Verbiegung der Kontakte in z-Richtung (in die Ebene hinein) nicht unmittelbar zu bestimmen. Um die Messung der Kontakthöhen dennoch zu realisieren, wurde das sogenannte Triangulationsverfahren (Bild 2 (b)) eingesetzt. Eine Laserdiode projiziert dazu eine Linie unter einem definierten Winkel auf die Prüflinge. Die Laserlinie ist dabei so ausgerichtet, dass sowohl die zu untersuchenden Kontakte als auch die Platine der Elektronik angestrahlt werden. Die auf den Oberflächen des Kontaktes und der Platine hervorgerufenen Streureflexe werden von der CCD-Kamera erfasst (Bild 2 (c)) und ausgewertet. Ist der Einfallswinkel des Laserlichtes bekannt, lässt sich aus dem seitlichen Abstand der Streureflexe auf die Höhe der Kontakte schließen.

Zur Justierung und Kalibrierung der Höhenmessung wurde ein spezielles Referenznormal entworfen und gefertigt. Das Normal lässt sich an den für den Prüfling vorgesehenen Fixierpunkten in den Werkstückträger einlegen. Durch das Starten eines entsprechenden Eichvorganges ist es auf einfache Weise möglich, die Eichfaktoren zu bestimmen bzw. zu kontrollieren.

 

Bildverarbeitungs- Hard- und Software

Nicht nur im Bereich der optischen Komponenten der Prüfstation, sondern im gesamten Funktionstester musste die realisierte Lösung den eingeschränkten Platzverhältnissen Rechnung tragen. Als leistungsfähiger Bildverarbeitungs-Computer wurde daher ein „NI Compact Vision System“ eingesetzt. Dieses System zeichnet sich neben dem kompakten und robusten Aufbau durch eine Vielzahl von Schnittstellen, die vom IEEE 1394 Interface zur Bildererfassung über verschiedene digitale Ein- und Ausgänge bis zu Ports für die Kommunikation über Ethernet und RS232 reichen, aus. Auf Grund der genannten Eigenschaften bietet das „NI Compact Vision System“ beste Voraussetzungen, flexible und der jeweiligen Aufgabe angepasste Lösungen insbesondere im industriellen Umfeld zu realisieren. In Bild 3 ist die prinzipielle Konfiguration des hier beschriebenen Systems dargestellt.

Zur Erstellung der Prüfsequenzen wurde auf die konfigurierbare Vision-Software “NI Vision Builder for Automated Inspection“ zurückgegriffen (Bild 4). Der Vision Builder for Automated Inspection ist eine interaktive, konfigurierbare Bildverarbeitungs-Software, die eine weite Palette vorgefertigter, parametrierbarer Bildanalyse-Algorithmen enthält. Über das Konfigurations-Interface lassen sich effizient Prüfabläufe erstellen. Neben der Auswertung der beiden Bildaufnahmen mit LED-Beleuchtung sowie mit Laserlinienprojektion und der Abarbeitung der oben genannten Prüfpunkte beinhaltet das erstellte Prüfskript die Steuerung der LED Beleuchtung und der Laserdiode sowie die Kommunikation mit dem Steuer-PC des Funktionstesters.

 

Zusammenfassung

Die installierte optische Prüfstation ist in der Lage, die vom Auftraggeber spezifizierten Anforderungen zuverlässig zu erfüllen. Dadurch wird einerseits die Qualität der ausgelieferten Elektronikkomponenten in einem erweiterten Umfang sichergestellt und andererseits die Prozessstabilität gesteigert. Mit Hilfe des realisierten Inspektionssystems ist es daher gelungen, die Produktionskosten bei steigender Qualität zu optimieren. Voraussetzung für die effiziente Bearbeitung des Auftrages insbesondere bei Berücksichtigung der vorgegebenen räumlichen Bedingungen stellte dabei ein sorgfältig ausgearbeitetes Konzept der gesamten Bildverarbeitungslösung dar. Mit der kombinierten Auswertung einer Bildaufnahme mit LED-Auflichtbeleuchtung und einer weiteren Bildaufnahme mit projizierter Laserlinie können die zur Abarbeitung der vorgegebenen Prüfpunkte notwendigen Informationen gewonnen werden. Durch den effektiven Einsatz von NI Machine Vision Hard- und Softwarekomponenten konnte in kurzer Zeit ein optimal angepasstes System realisiert werden.

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