PCB-Prüfung. Automatische optische Inspektionen (AOI)

Die Hauptaufgabe der elektrischen Prüfung besteht darin, die Konformität des im Entwurf festgelegten Schaltungsmosaiks zu überprüfen, das in einer realen, hergestellten Schaltung abgebildet ist. Dadurch wird es möglich, kritische Schäden an Schaltungsmosaiken in Form von Kurzschlüssen und Unterbrechungen zu erkennen, die die Struktur des Netzwerks verändern. Bei der optischen Prüfung ist Gegenstand der Verifizierung das Bild der Schaltungsmosaik einer tatsächlichen Schaltung, das mit einem anhand der Projektunterlagen erstellten Referenzbild verglichen wird. Dieser Ansatz ermöglicht nicht nur die grafische Erkennung kritischer Fehler der Schaltungsmosaik (Kurzschlüsse und Unterbrechungen), sondern auch einer Reihe von Qualitätsmängeln bei deren Ausführung in mehreren Prozessschritten:

• Bohren und Fräsen vor dem Ätzen,
• Fotochemie,
• galvanische Verkupferung,
• Ätzen von Schaltungsmosaiken.

Mithilfe der optischen Prüfung können unter anderem festgestellt werden: Verschiebung des Bohrlochs, Vorhandensein von Verengungen und Verdickungen der Leiterbahnen, zu dicke Metallisierungen, Überätzung und Unterätzung, Kratzer auf der Oberfläche. Um eine gute Sichtbarkeit der Schaltungsmosaiken zu gewährleisten, werden automatische optische Inspektionen an Schaltungen durchgeführt, die noch nicht mit einer Lötstoppmaske bedeckt sind.

Das optische Prüfgerät dient auch der Qualitätskontrolle der Abbildung von Schaltungsmosaiken für große Produktionsserien, bei denen einzelne Zuschnitte einer Testreihe geprüft werden, die nach der Belichtung mit Nutzung von Filmen mit ungehärtetem Photopolymer bedeckt sind. Das Ziel der Prüfung besteht darin, kritische Serienfehler der Filme zu erkennen. Wenn sie diagnostiziert werden, wird die Photopolymerschicht abgespült und der Vorgang der Filmherstellung, Belichtung und automatischen optischen Inspektionen wird wiederholt.

Am Beispiel des Argos 8008-Prüfgeräts (Abb. 1) von Mania werden Kenngrößen, Ablauf und Möglichkeiten der optischen Inspektion besprochen. Dieses Prüfgerät ermöglicht dank dem Bildscannen mit einer Auflösung von 5000 DPI (im Englischen: dots per inch, Punkte pro Zoll) eine optische Inspektion der Leiterplattenoberfläche mit einer Genauigkeit von 2 mils. Die für das Scannen eines einzelnen Produktionszuschnitts benötigte Zeit beträgt je nach gewählter Prüfgenauigkeit mehrere Sekunden.

Abb. 1. Optisches Prüfgerät Argos 8008.

Automatisches optisches Inspektionsverfahren (AOI-Prüfung)

Der erste Schritt bei einer AOI-Prüfung ist die Vorbereitung des Prüfprogramms. Seine Erstellung umfasst das Kennzeichnen auf dem Bild des Produktionszuschnitts der von der Inspektion ausgeschlossenen Bereiche und das Anbringen von drei Referenzpunkten für jede der Lagen, die als Grundlage für den Nullabgleich der mechanischen Teile des Prüfgeräts gedacht sind. Aufgrund der geringen Anzahl von Vorgängen dauert dieser Schritt höchstens 2-3 Minuten, bei einfacheren Projekten sogar kürzer, und damit am kürzesten unter den bisher besprochenen Prüfverfahren.

Der Ablauf einer optischen Inspektion stellt sich dar wie folgt: Laden eines Produktionszuschnitts, Nullabgleich des Prüfgeräts, Scannen der obersten Mosaikschicht, Erkennen von Unregelmäßigkeiten und deren Darstellung auf einem angeschlossenen Bildschirm.

Um die Anzahl der erkannten Abweichungen des Abbildes einer wirklichen Leiterplatte vom virtuellen Muster zu reduzieren, werden bei der Fehlerklassifizierung Toleranzbereiche berücksichtigt, die leichte Versetzungen der Bestandteile des gescannten Bildes der Schaltungsmosaiken im Verhältnis zum Muster zulassen. Das Laminat wird nach der Prüfung einer Seite gewendet und die oben erwähnten Vorgänge werden wiederholt. Eine Ansicht beispielhafter Unterbrechungs- und Kurzschlussfehler ist in Abb. 2 dargestellt, wo die fehlenden Bestandteile von Schaltungsmosaiken (Unterbrechungen) rot und die überschüssigen (Kurzschlüsse) grün gekennzeichnet sind.

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Abb. 2. Beispielhafte Bildschirmfotos vom Argos-Prüfgerät beim Erkennen einer Unterbrechung (a) und eines Kurzschlusses (b).

Automatische optische Inspektionen zeichnen sich durch eine hohe Effizienz aus, die die Leistung elektrischer Prüfgeräte übertrifft. Das besprochene Prüfgerätmodell hat eine Tagesleistung von bis zu 200 m2 der zu prüfenden Leiterplattenfläche. Ein weiterer Vorteil der AOI-Prüfung ist die Ortung von Qualitätsfehlern der Schaltungsmosaiken und dadurch von Unregelmäßigkeiten an einigen Etappen der Leiterplattenherstellung, die nicht durch elektrische Prüfverfahren erkannt werden können. Die Haupteinschränkung der optischen Inspektion besteht in der mangelnden Möglichkeit, unsichtbare Lagen, beispielsweise Innenlagen in gepressten mehrlagigen Leiterplatten, zu inspizieren sowie die Plattierung von Vias auf Korrektheit zu prüfen. Aus diesen Gründen nutzen namhafte Leiterplattenhersteller, darunter auch TS PCB, AOI-Prüfverfahren zur umfassenden Prüfung der herzustellenden Leiterplatten als einen zwischengeschalteten Kontrollschritt in der Fertigungskette. Es geht der letzten elektrischen Prüfung voraus.