Detailvermessen

Lasersensoren - Bei der Herstellung von Leiterplatten sind Präzision und hohe Fertigungsgeschwindigkeit gefragt. In Bestückungsautomaten kommen Wegsensoren von Micro-Epsilon zum Einsatz, die eine zuverlässige Qualitätsüberwachung im Mikrometerbereich durchführen.

19. November 2019
Detailvermessen
Die Ritzgräben von Leiterplattennutzen müssen exakt vermessen werden. Hier kommt der Lasersensor optoNCDT 1420 zum Einsatz, der dank seiner Kombination aus Geschwindigkeit und Präzision bei gleichzeitig kompakter Bauform für diese Anwendung prädestiniert ist. (Bild: Micro-Epsilon)

Ob Smartphone, medizinische Geräte oder Werkzeugmaschinen – kaum ein elektronisches Gerät kommt ohne Leiterplatten aus. Die Geräte aber werden immer kleiner, leistungsfähiger und schneller, die Entwicklungszyklen kürzer. Daher müssen auch die Platinen deutlich leistungsfähiger werden, etwa durch hochintegrierte Bauteile. Ein wesentlicher Baustein ist die Miniaturisierung der Schaltungen wie auch der einzelnen Bauteile. Dazu kommt eine immer höher werdende Packungsdichte, um die Leistungsvorgaben erfüllen zu können. Um sicherzustellen, dass Strom als elektrische Energie oder als Informationssignal problemlos durch die Bauteile fließt, ist eine exakte Positionierung der elektronischen Bauteile maßgeblich. Bei der Leiterplattenfertigung müssen diese nicht nur an der vorgesehenen Stelle platziert, sondern auch in der Ebene korrekt verbaut sein, um sie korrekt anschließen zu können. Damit das Endprodukt später reibungslos funktioniert, dürfen die Bauteile daher nicht verkippen.

Sensoren, die die Lage der hochintegrierten Bauteile inline prüfen, müssen eine ganze Reihe an Herausforderungen meistern. Primär sind dies Schnelligkeit wegen der hohen Dynamik des Fertigungsprozesses, kleine Fokusdurchmesser wegen der sehr kleinen Bauteile und eine hohe Ortsauflösung wegen der minimalen Wegänderungen, die erfasst werden müssen.

Direkt in der Produktionslinie

Die smarten Laser-Triangulationssensoren der Reihe optoNCDT 1420 von Micro-Epsilon sind für Hightech-Anwendungen konzipiert. Die Lasersensoren messen berührungslos und wirken nicht auf die Platine und die hochempfindlichen Bauteile ein. Aufgrund des berührungslosen Messverfahrens können die Lasersensoren zudem Messwerte sehr schnell aufnehmen und verarbeiten.

Die Sensoren werden bei der Qualitätskontrolle in der Platinenfertigung so platziert, dass sie von oben auf die Leiterplatten messen. Über eine Verfahranlage werden sie über die PCBs und die hochintegrierten Bauteile geführt. Mit einer Messrate von bis zu vier Kilohertz erfassen sie dynamische Prozesse direkt in der Produktionslinie. Die Kompaktheit der Sensoren mit gerade einmal 46 x 30 Millimetern und der integrierte Controller ermöglichen die Einbindung des Sensors auch bei geringem Platz. Der kleinste Durchmesser des Lichtflecks liegt bei nur 45 x 40 Mikrometern. Dieser ermöglicht hochgenaue Messungen auf die feinen Pins, da der Lichtpunkt dort scharf abgebildet werden kann.

Auto Target Compensation

Eine weitere wesentliche Voraussetzung für zuverlässige Messungen auf Leiterplatten ist ein Messprinzip, das auf unterschiedliche Materialien von Kunststoff bis Metall messen kann, weshalb die Laser-Triangulation die richtige Wahl ist. Dafür bieten die Lasersensoren von Micro-Epsilon die innovative Auto Target Compensation (ATC). Denn gerade bei einer Platine misst der Sensor auf permanent wechselnde Oberflächen, von mattschwarz bis hin zu glänzend und teils spiegelnd, von hell zu dunkel.

Die ATC sorgt dafür, dass sich die Belichtungszeit an die Bedingungen anpasst, die das jeweilige Messobjekt bietet. Zur Ermittlung der Messwerte bildet der Lasersensor einen roten Laserpunkt mit einer Wellenlänge von 670 Nanometern auf dem Target ab. Das Laserlicht wird in einem bestimmten Reflexionswinkel zurückgeworfen und trifft im Sensor auf die Optik einer CMOS-Zeile. Beim schnellen Wechsel von einem hellen auf ein dunkles Objekt käme ohne die Auto Target Compensation zunächst zu wenig Licht auf der Empfangs-Matrix an.

Beim schnellen Wechsel von dunkler Oberfläche zu glänzenden Objekten wäre die Intensität dagegen anfangs viel zu hoch. In beiden Fällen ist das Ergebnis ungenau oder sogar unbrauchbar. Daher regelt der Micro-Epsilon-Sensor über die Auto Target Compensation die Belichtungszeit und damit die Intensität des gesendeten Lichts während der Messaufgabe so aus, dass die Reflexion auf der CMOS-Zeile im Idealbereich liegt. Anschließend berechnet der Sensor die mikrometergenauen Abstandswerte über die Dreiecksbeziehung zwischen der Laserdiode, dem Messpunkt auf dem Objekt und dem Abbild auf der CMOS-Zeile. Die ermittelten Werte können als analoge oder digitale Ausgangssignale in die Anlagen- und Maschinensteuerung eingespeist werden.

Messung der Ritzgräben von Leiterplattennutzen

Eine weitere Anwendung in der Leiterplattenfertigung ist das Ritzen von Sollbruchstellen in sogenannte Nutzen. Nutzen sind mehrere Leiterplatten, die die Produktion als eine einzelne, große Leiterplatte durchlaufen. Diese Bündelung ist aus produktionstechnischen Gründen notwendig, weil sich die Platten dadurch einfacher bestücken lassen. Die Ritzgräben entstehen in der Regel durch zwei gegenüberliegende Sägeblätter, die eine V-Nut in die Platinen schneiden, um die Platten gegen Ende des Produktionsprozesses wieder einfach und sauber voneinander trennen zu können. Der Ritzsteg hat dabei eine Breite von rund 400 µm.

Die Ritzgräben von Leiterplattennutzen müssen exakt vermessen werden. Hier kommt ebenfalls der Lasersensor optoNCDT 1420 zum Einsatz, der dank seiner einzigartigen Kombination aus Geschwindigkeit und Präzision bei gleichzeitig äußerst kompakter Bauform für diese Anwendung prädestiniert ist. Der Sensor detektiert inline, ob die Keilnuten exakt in die Platten eingefräst wurden. Ist der Ritzsteg zu dünn, würden die Platten während des Produktionsprozesses von selbst brechen, was Ressourcen verbraucht und Maschinenschäden verursachen kann. Sind die Nuten nicht weit genug eingefräst, würden die Platten beim Trennverfahren ausfransen und ungleichmäßig brechen, wodurch sie die Qualitätsvorgaben nicht mehr erfüllen und ein hohes Maß an Ausschuss entsteht.

Der Einsatz von modernen Sensoren, wie den Laser-Triangulationssensoren der Reihe optoNCDT 1420 von Micro-Epsilon, führt zu Qualitätssteigerungen und in Folge zu Ausschussverringerung und Kosteneinsparung. Der smarte Lasersensor misst Weg, Abstand und Position mit einer Reproduzierbarkeit ab 0,5 Mikrometer sicher und zuverlässig. Sein äußerst kleiner Messfleck erfasst auch kleinste Bauteile wie Pins auf Leiterplatten hochgenau. Mit bis zu 4.000 Messwerten pro Sekunde wurde dieser Sensor für hochdynamische Prozesse, wie den Einsatz in der Elektronikindustrie oder in der additiven Fertigungstechnik, entwickelt. Die kleine Bauform und der integrierte Controller ermöglichen eine einfache Einbindung in Maschinen und Anlagen, auch bei geringem Bauraum.

Die intelligente Oberflächenregelung gleicht Intensitätsschwankungen des zurückreflektierten Lichts bei schnellen Farb- oder Helligkeitswechseln während des Messvorgangs aus. Gerade bei Platinen, wenn matte und glänzende, helle und dunkle Objekte direkt nebeneinander liegen, ist dies ein großer Vorteil, um durch die schnelle Anpassung stabile, mikrometergenaue Ergebnisse des Sensors zu erreichen.

Über das Webinterface kann der Anwender den Sensor bedienen und vordefinierte Presets für verschiedene Messaufgaben wählen. Außerdem lassen sich bis zu acht benutzerspezifische Einstellungen speichern sowie exportieren. Eine Optimierung der Messaufgabe ist durch die Anzeige des Videosignals, die Auswahl des Signalpeaks und eine frei einstellbare Signalmittelung ebenso möglich. Störsignale werden über die Funktion »Region of Interest« ausgeblendet.

SPS: Halle 7A, Stand 130

Erschienen in Ausgabe: 08/2019
Seite: 40 bis 41