Image Processing System Employed for the Detection of Geometrical Lead-Parameters of SMDs

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein Meßprinzip zur Erfassung der geometrische Parameter von Anschlüssen mehrpoliger SMT-Bauelemente entwickelt, umgesetzt und charakterisiert. Die Simulation der realisierten Abbildung und die Erarbeitung von Auswertungsstrategien zur Extraktion der gewünschten Parameter aus den aufgenommenen Datensätzen stellten weitere Arbeitspunkte dar. Untersuchungen an Realbauteilen und Teststrukturen dienten zur Verifikation von Meßprinzip und Auswertungsalgorithmen. Die hier erstmals vorgestellte neue Anordnung von CCD-Zeilenkamera zu Bauelement (nichtfrontale Beobachtung) bringt den Vorteil, daß nur zweidimensionale Bilder ausgewertet werden müssen, die aber ansatzweise Informationen über die dritte Dimension enthalten. Die Verwendung einer Zeilenkamera erfordert zwar den Einsatz eines Linearverschiebetisches, der das zu vermessende Bauteil vor der Kamera vorbeifährt, bringt aber den großen Vorteil, daß die Auflösung des resultiemden Zeilenscans lediglich in vertikaler Richtung (entlang der CCDZeile) beschränkt, lateral (entlang der Linearbewegung) aber in weiten Bereichen frei variierbar ist. Mit den hier eingesetzten Komponenten konnten eine vertikale Auflösung von ca. 1, und eine laterale Bildauflösung von ca. 3,5 mikrometer pro Pixel, erreicht werden. Die laterale Meßauflösung (Bildauflösung unter Berücksichtigung der Positioniergenauigkeit des Lineartisches) lag bei etwa 6,4 Mikrometer pro Pixel. Die Auswertungsstrategie umfaßt zwei Schritte: 1. Untersuchung der Periodizität der aufgenommenen Anschlußreihe 2. Bestimmung der geometrischen Parameter eines einzelnen (fehlpositionierten) Anschlusses Der erste Schritt wird mit Hilfe der Wavelet-Zerlegung realisiert, was auf diesem Gebiet als Novum zu betrachten ist. Für den zweiten Schritt werden die sechs signifikanten Kanten des zu untersuchenden Einzelanschlusses berechnet. Die Lage der Kanten zueinander liefert dann beispielsweise die Lead-Breite oder die Lead-Höhe. Anhand der Kantensteigung kann auf eine eventuelle Verkippung der Anschlüsse rückgeschlossen werden. Im praktischen Teil der Arbeit wurde zunächst die Wiederholbarkeit der Messungen nach DIN1319 Teil 3 [128] bestimmt. Sie liegt in lateraler Richtung innerhalb der berechneten Meßauflösung, in vertikaler Richtung leicht darüber. Die Versuche zur Verifikation des Meßprinzips umfassen eine Vorversuchsreihe und eine Meßreihe mit Realbauteilen. Desweiteren wurden Teststrukturen mit einem Pitch von 300/im in zwei Meßreihen vermessen. Die Auswertung ergab eine sichere Detektion von Fehlerstellen bereits nach der Wavelet-Analyse. Die Untersuchung einzelner Anschlüsse (1000 Leads von Realbauteilen und 160 Leads von Teststrukturen) erbrachte in einigen Fällen Aussagen zur Genauigkeit der verwendeten Werkzeuge und Masken. Einzelne Lead-Reihen wurden zusätzlich mit einem Meßmikroskop oder einem Kohärenzradar [71] vermessen. Diese Vergleichsmessungen bestätigten die sehr gute Übereinstimmung der mit dem hier vorgestellten Meßsystem vermessenen Lead-Reihen mit der Realität. Zusammenfassend läßt sich sagen, daß mit dem hier beschriebenen Meßprinzip und der dazugehörigen Auswertungsstrategie ein Meßwerkzeug geschaffen wurde, welches eine flexible, automatisierte und hochgenaue Vermessung von Anschlußreihen mehrpoliger SMT-Bauelemente ermöglicht. Wegen der relativ großen Meßdauer eignet sich das realisierte Meßsystem sicherlich nicht für den Einsatz in der Massenfertigung elektronischer Schaltgruppen, wohl aber für die Auswertung von Stichproben zur Charakterisierung verwendeter Werkzeugfolgen bei der Lead-Frame-Fertigung und als begleitendes Meßverfahren für Fügeprozesse, die sehr enge Fertigungstoleranzen erfordern. Für eine Weiterentwicklung des Meßprinzips exisitieren viele Ansatzpunkte. Vordringlichstes Ziel muß es sein, die Meßdauer herabzusetzen. Dies geschieht zum einen passiv mit der Entwicklung von immer leistungsfähigeren Prozessoren, zum anderen aber kann auch aktiv mit dem Einsatz einer Zeilenkamera, die eine höhere Bildwiederholungsfrequenz aufweist, die Meßdauer sehr stark reduziert werden. Die hier eingesetzte Kamera hat eine Bildwiederholungsfrequenz von 60Hz, Stand der Technik sind bereits Frequenzen von mehreren kHz. Durch schnellere Zeilenfolgen kann aber auch gleichzeitig die laterale Bildauflösung verbessert werden. Dadurch werden die Werte für die Meßauflösung und sicherlich auch für die Wiederholbarkeit noch weiter verbessert. Weiterer Entwicklungsbedarf ergibt sich auch bezüglich der Konstruktion der Bauelementhalterung und bei der Auswahl des Linearverschiebetisches. Letzterer muß eine sehr gute Positioniergenauigkeit aufweisen. Eine Möglichkeit der Integration des neu eingeführten Meßprinzips in eine Anlage zum Laserstrahl- Mikroschweißen von SMT-Bauelementen wird im folgenden kurz vorgestellt. Die Entwicklung [4] umfaßt die Konzeption und Konstruktion eines Nd: YAG-Laserschweißkopfes zum Fügen von Gull Wing-SMDs. Dieser Bearbeitungskopf dient gleichzeitig als Bestückkopf, d.h. er greift das Bauelement, setzt es auf die Leiterplatte und fügt es anschließend punktuell. Das Meßsystem zur Leadgeometrieerfassung kann innerhalb dieses Konzeptes modular zwischen „Greifen” und „Bestücken” des Bauelements geschaltet werden. Nach diesem Meßschritt können die, aufgrund der Bauelementgeometrie vorgegebene, Fokuslage (lateral und vertikal) korrigiert und die Energie des Laserpulses dem Volumen des Lead-Fußes angepaßt werden.
In the context of the present work, a measuring principle for the acquisition of the geometric parameters of connections of multi-pole SMT components was developed, implemented and characterized. The simulation of the realized image and the development of evaluation strategies for extracting the desired parameters from the recorded data sets represented further working points. Examinations on real components and test structures served to verify the measuring principle and evaluation algorithms. The new arrangement of CCD line camera to component (non-frontal observation) presented here for the first time has the advantage that only two-dimensional images need to be evaluated, but which contain some information about the third dimension. The use of a line scan camera requires the use of a linear displacement table, which moves the component to be measured in front of the camera, but has the great advantage that the resolution of the resulting line scan is limited only in the vertical direction (along the CCD line), laterally (along the Linear movement) but can be freely varied over a wide range. With the components used here, a vertical resolution of approx. 1 and a lateral image resolution of approx. 3.5 µm / pixel could be achieved. The lateral measurement resolution (image resolution taking into account the positioning accuracy of the linear table) was around 6.4 µm / pixel. The evaluation strategy comprises two steps: 1. Examination of the periodicity of the recorded row of connections 2. Determination of the geometrical parameters of a single (incorrectly positioned) connection The first step is implemented with the help of wavelet decomposition, which is a novelty in this area. For the second step, the six significant edges of the individual connection to be examined are calculated. The position of the edges relative to one another then provides, for example, the lead width or the lead height. Based on the edge slope, it can be concluded that the connections may be tilted. In the practical part of the work, the repeatability of the measurements was first determined in accordance with DIN1319 Part 3 [128]. It lies within the calculated measurement resolution in the lateral direction and slightly above it in the vertical direction. The tests for verifying the measuring principle include a preliminary test series and a series of measurements with real components. Furthermore, test structures with a pitch of 300µm were measured in two series of measurements. The evaluation showed a reliable detection of defects already after the wavelet analysis. The examination of individual connections (1000 leads of real components and 160 leads of test structures) yielded statements about the accuracy of the tools and masks used in some cases. Individual rows of leads were also measured with a measuring microscope or a coherence radar [71]. These comparative measurements confirmed the very good agreement of the lead series measured with the measuring system presented here with the reality. In summary, the measuring principle described here and the associated evaluation strategy created a measuring tool that enables flexible, automated and highly precise measurement of connection rows of multi-pole SMT components. Because of the relatively long measurement duration, the implemented measurement system is certainly not suitable for use in the mass production of electronic switching groups, but it is certainly suitable for evaluating random samples to characterize the tool sequences used in lead frame production and as an accompanying measurement method for joining processes that have very tight manufacturing tolerances require. There are many starting points for a further development of the measuring principle. The primary goal must be to reduce the measuring time. On the one hand, this happens passively with the development of increasingly powerful processors; on the other hand, the measurement time can also be reduced very actively by using a line scan camera that has a higher refresh rate. The camera used here has a refresh rate of 60Hz, the prior art already has frequencies of several kHz. The faster image sequences can also improve the lateral image resolution at the same time. This further improves the values for the measurement resolution and certainly also for the repeatability. Further development requirements also arise with regard to the construction of the component holder and the selection of the linear displacement table. The latter must have very good positioning accuracy. One possibility of integrating the newly introduced measuring principle into a system for laser beam micro welding of SMT components is briefly presented below. The development [4] includes the conception and construction of an Nd: YAG laser welding head for joining Gull Wing SMDs. This processing head also serves as a placement head, i.e. he grabs the component, places it on the circuit board and then adds it selectively. Within this concept, the measuring system for recording lead geometry can be switched modularly between “gripping” and “fitting” the component. After this measurement step, the focus position (lateral and vertical), which is predetermined based on the component geometry, can be corrected and the energy of the laser pulse can be adapted to the volume of the lead foot.
Fertigungstechnik - Erlangen, 99