Automatisierte Sichtprüfung in der Leiterplattenprüfung: Technologien, Vorteile und Best Practices

In der hochriskanten Welt der PCB-Fertigung kann selbst ein winziger Defekt - ein fehlerhafter Bauteil, eine Lötbrücke oder eine Rissspur - eine gesamte Produktionsabläufe entgleisen lassen.Da PCBs dichter werden (mit Komponenten von nur 01005 Chips und Spuren unter 50 μm), manuelle Inspektion veraltet, anfällig für menschliche Fehler und zu langsam für moderne Produktionsmengen.und maschinelles Lernen zur schnellen Erkennung von DefektenDieser Leitfaden untersucht, wie AVI die PCB-Prüfung von ihren Kerntechnologien bis hin zu ihrer wirklichen Auswirkungen auf Qualität und Effizienz verändert.

Wichtige Erkenntnisse
1.AVI-Systeme erkennen 99,5% der PCB-Mängel, verglichen mit 85% bei manueller Inspektion, wodurch Feldfehler in der Großproduktion um 60% reduziert werden.
2.Moderne AVI verwendet hochauflösende Kameras (550 MP), KI-Algorithmen und 3D-Bildgebung, um Defekte von 10 μm zu identifizieren, die für HDI-PCBs und Feinpitch-Komponenten kritisch sind.
3.AVI verkürzt die Inspektionszeit um 70~90%: Eine 12-Schicht-HDI-PCB benötigt 2 Minuten, um mit AVI zu überprüfen, verglichen mit 15~20 Minuten manuell.
4.Die Implementierung erfordert Ausgleichsgeschwindigkeit und -genauigkeit mit benutzerdefinierten Algorithmen für spezifische Defekte (z.B.die Verarbeitung von PCBs in der Automobilindustrie und die Integration in Fertigungsausführungssysteme (MES) für Echtzeit-Feedback.

Was ist eine automatisierte visuelle Inspektion (AVI) bei PCB-Tests?
Die automatische visuelle Inspektion (AVI) ist eine zerstörungsfreie Prüfmethode, bei der Bildgebungstechnologie und Software zur Untersuchung von PCBs auf Mängel während oder nach der Herstellung verwendet werden.Im Gegensatz zur manuellen Inspektion, bei der die Techniker Mikroskope und Checklisten verwenden, werden AVI-Systeme:
a. Aufnahme hochauflösender Bilder von PCBs aus mehreren Winkeln (Ober-, Unter- und 45°-Winkel).
b.Bilder mit Hilfe von Algorithmen analysieren, um sie mit einem “Goldenen Standard” (einem defektfreien Referenz-PCB) zu vergleichen.
c. Anomalien der Flagge, wie fehlende Komponenten, Lötfehler, Spuren von Schäden oder Fehlausrichtung.
AVI wird in PCB-Produktionslinien integriert und prüft die Platten nach Schlüsselschritten: Lötpasteauflage, Komponentenplatzierung und Rückflusslöten.Verringerung der Nachbearbeitungskosten und Verhinderung der Montage fehlerhafter PCBs.

Wie AVI funktioniert: Der Inspektionsprozess
AVI-Systeme folgen einem strukturierten Arbeitsablauf, um eine gründliche und konsistente Kontrolle zu gewährleisten:
1. Bildgewinnung
Kameras: Hochauflösende Kameras mit LED-Beleuchtung (weiß, RGB oder Infrarot) erfassen Bilder.Sicherstellung, dass kein Defekt verborgen ist.
Beleuchtung: Die angepasste Beleuchtung (diffuse, richtungsweisende oder ringförmige Lichter) hebt spezifische Merkmale hervor, z. B. Infrarotlicht betont die Integrität der Lötverbindungen,während RGB-Licht farbcodierte Komponenten erkennt.
Bewegung: PCBs werden mit einer Geschwindigkeit von bis zu 1 m/s über Förderbänder transportiert, wobei synchronisierte Kameras Schüsse auslösen, um Bewegungsverschwommenheit zu vermeiden.
Für Feinpitch-Komponenten (0,4 mm BGA) verwenden Systeme telezentrische Linsen, um Perspektivverzerrungen zu beseitigen und genaue Messungen von winzigen Merkmalen zu gewährleisten.

2. Bildverarbeitung und Fehlererkennung
Vorverarbeitung: Bilder werden gereinigt (Lärmreduktion, Kontrastanpassung), um die Sichtbarkeit von Defekten zu verbessern.
Algorithmenanalyse: Die Software vergleicht das PCB-Bild mit einer “goldenen Vorlage” (einem digitalen Modell eines perfekten PCB) unter Verwendung von zwei Ansätzen:
Regelbasierte Algorithmen: Erkennen bekannter Defekte (z. B. Lötbrücken, fehlende Widerstände) anhand vordefinierter Kriterien (Größe, Form, Farbe).
KI/maschinelles Lernen: Trainieren Sie Modelle auf Tausenden von Defektbildern, um neuartige oder komplexe Probleme zu identifizieren (z. B. Mikrokrecken in Spuren, unebene Lötfillets).
Defektklassifizierung: Anomalien werden nach Art (z. B. "Solder void", "Component shift") und Schwere (kritisch, groß, gering) für priorisierte Nachbearbeitung kategorisiert.

3. Berichterstattung und Feedback
Echtzeitwarnungen: Die Betreiber werden über Bildschirme oder Alarme über Fehler informiert, wobei Bilder die Problembereiche hervorheben.
Datenprotokollierung: Fehlerdaten (Art, Ort, Häufigkeit) werden in einer Datenbank gespeichert, die eine Trendanalyse ermöglicht (z. B. treten 30% der Lötbrücken in einer bestimmten PCB-Zone auf, was auf ein Schablonenproblem hinweist).
MES-Integration: Die Daten werden in Fertigungsausführungssysteme eingespeist, um Produktionsparameter (z. B. Rückflussofentemperatur) anzupassen und wiederkehrende Mängel zu vermeiden.

AVI vs. manuelle Inspektion: Ein Vergleich von Kopf zu Kopf

Typen von AVI-Systemen für PCB-Prüfungen
AVI-Systeme sind auf verschiedene Stufen der PCB-Herstellung und Defektarten zugeschnitten:
1. 2D AVI-Systeme
Der häufigste Typ, mit 2D-Kameras, um flache, top-down Bilder zu erfassen.
Komponentenfehler: fehlende, falsch ausgerichtete oder umgekehrte Komponenten (z. B. polarisierte Kondensatoren).
Probleme mit der Lötpaste: Ungleichmäßige Ablagerung, fehlende Paste oder Verschmierung.
Spurenfehler: Risse, Risse oder Korrosion in Spuren von Kupfer.
Einschränkungen: Kämpfen mit 3D-Fehlern (z. B. Lötfillethöhe, Komponentenneigung) und glänzenden Oberflächen (die Reflexionen verursachen).

2. 3D AVI Systeme
3D-Systeme verwenden strukturiertes Licht oder Laserscannen, um 3D-Modelle von Leiterplatten zu erstellen, die Höhe und das Volumen messen.
Inspektion der Lötgemeinschaft: Überprüfung der Höhe, des Volumens und der Form des Fillets (z. B. unzureichendes Lötmaterial an BGA-Kugeln).
Komponentenkoplanarität: Sicherstellung, dass QFP- oder BGA-Leiter flach liegen (Neigung > 0,1 mm kann zu Öffnungen führen).
Ermittlung von Verzerrungen: Ermittlung von Verzerrungen von PCB (> 0,2 mm), die die Platzierung von Bauteilen beeinflussen.
Vorteil: Überwindet Reflexionsprobleme in 2D und liefert quantitative Daten (z. B. ist das Lötvolumen 20% unter der Spezifikation).

3. In-Line gegen Off-Line AVI
Inline-AVI: In Produktionslinien integriert, PCBs während ihrer Bewegung durch Förderbänder untersucht.,mit einem Durchmesser von mehr als 20 mm.
Offline AVI: Standalone Systeme zur Probenahme oder detaillierten Inspektion von defekten Leiterplatten. Langsamer (5-10 Leiterplatten/Minute), aber präziser, mit hochauflösenden Kameras und manuellen Überprüfungsmöglichkeiten.

Wichtige Fehler, die von AVI festgestellt wurden
AVI-Systeme identifizieren eine Vielzahl von PCB-Mängeln, wobei Algorithmen für bestimmte Probleme optimiert sind:

Vorteile von AVI bei der PCB-Herstellung
AVI liefert messbare Verbesserungen in Qualität, Kosten und Effizienz:
1. Höhere Qualität und Zuverlässigkeit
Weniger Fehler entweichen: AVI's 99,5% Erkennungsrate im Vergleich zu manuellen 85% bedeutet, dass 10x weniger fehlerhafte PCBs Kunden erreichen, was die Garantieansprüche um 60~70% reduziert.
Konsistente Standards: Eliminiert "Inspector Bias" (z. B. ein Techniker, der eine Fehlausrichtung von 0,1 mm anzeigt, ein anderer, der sie ignoriert).
Frühzeitige Fehlererkennung: Probleme nach dem Einfügen oder der Platzierung (nicht nach der Montage) zu finden, reduziert die Nachbearbeitungskosten um 80% – die Nachbearbeitung einer Lötbrücke ist billiger als der Austausch eines gebratenen IC.

2. Schneller produzieren
Schnelligkeit: Inline-AVI prüft 30 bis 60 PCBs/Minute und hält mit hohen Volumenleitungen Schritt (z. B. 50.000 PCBs/Tag für Smartphones).
Verringerte Engpässe: Manuelle Inspektionsstationen verlangsamen die Produktion häufig; AVI integriert sich nahtlos und erhöht den Prozentsatz von < 5 Sekunden pro PCB.
24/7 Betrieb: AVI-Systeme laufen nonstop, weshalb sie für die rund um die Uhr laufende Fertigung in der Automobil- oder Unterhaltungselektronik von entscheidender Bedeutung sind.

3. Datenorientierte Prozessverbesserung
Trendanalyse: AVI protokolliert jeden Defekt und ermöglicht die Analyse der Ursache (z. B. ₹ 80% der fehlerhaften BGA stammen von Maschine # 3).
Vorhersagende Wartung: Spitzen in Lötpaste-Mängeln können ein verschleiertes Schablone signalisieren, was zu einem proaktiven Austausch führt.
Compliance-Berichterstattung: Erstellt automatisch Audit-Trails für Branchen wie Medizin (ISO 13485) oder Automobilindustrie (IATF 16949).

Herausforderungen bei der Implementierung von AVI
AVI-Systeme sind zwar leistungsstark, erfordern aber eine sorgfältige Planung, um ihre Wirksamkeit zu maximieren:
1. Erste Einrichtung und Kalibrierung
Erstellung einer goldenen Vorlage: Der Aufbau eines perfekten Referenzmodells benötigt Zeit (48 Stunden für komplexe HDI-PCBs) und muss normale Schwankungen berücksichtigen (z. B. Farbtoleranzen von Komponenten).
Optimierung der Beleuchtung: Glänzende Komponenten (z. B. vergoldete Steckverbinder) verursachen Reflexionen; 3D-Systeme oder Polarisierungsfilter sind erforderlich, um falsch positive Ergebnisse zu vermeiden.
Algorithmus-Tuning: Überempfindliche Systeme markieren Anomalien ohne Defekt (z. B. geringfügige Variationen der Lötpaste), die die Bediener mit falschen Alarmen überfordern.

2. Umgang mit dichten und schnellen PCBs
Feinpitch-Komponenten: 01005 Chips (0,4 mm x 0,2 mm) benötigen 50MP-Kameras und eine fortschrittliche KI, um zwischen “good” und “lightly shifted” Platzierungen zu unterscheiden.
Hochgeschwindigkeitssignale: Spuren von < 50 μm Breite benötigen eine 3D-Bildgebung, um Mikrokrecken zu erkennen, die 2D-Systeme übersehen.
Flexible Abschnitte mit gekrümmten Oberflächen verwirren 2D-Systeme; ein 3D-Laser-Scannen ist notwendig.

3. Kosten und ROI
Erste Investition: Kosten für ein 3D-AVI-Inline-System (150.000 ¥) 500,000, gegen $50.000 für manuelle Stationen.
Ausbildung: Die Betreiber müssen Systeme pflegen, Algorithmen anpassen und Daten interpretieren, was zu Lohnkosten führt.
ROI-Zeitrahmen: Typischerweise 6-12 Monate für Hersteller mit hohem Volumen (100.000+ PCB/Monat), da reduzierte Nachbearbeitungs- und Garantiekosten die Vorlaufkosten ausgleichen.

Best Practices für die Implementierung von AVI
Um die Wirksamkeit von AVI zu maximieren, befolgen Sie folgende Anweisungen:
1. AVI mit PCB-Komplexität ausrichten
PCB mit geringer Komplexität (z. B. LED-Treiber mit 0805 Komponenten): 2D-AVI zur Kosteneffizienz.
HDI mit hoher Komplexität (z. B. 5G-Modems mit 01005-Chips und BGA): Investition in 3D-Systeme mit KI zur Bearbeitung von Feinheiten.

2. Integrieren Sie sich mit den Produktions-Workflows
Verknüpfung mit dem MES: AVI-Daten sollten in das MES eingespeist werden, um die vorgelagerten Prozesse anzupassen (z. B. wird der Drucker neu kalibriert, wenn die Defekte der Lötpaste ansteigen).
Stufenbezogene Inspektion: Nach der Lötmasse (um Ablagerungsprobleme aufzufangen), nach der Platzierung (um Fehlausrichtung zu beheben) und nach dem Rückfluss (um Lötverbindungen zu überprüfen).

3. Algorithmen und Schwellen optimieren
Anpassen für Defektarten: Trainieren Sie KI-Modelle auf Ihre spezifischen Defekte (z. B. können Automotive-PCBs Schweißbrücken bevorzugen, während sich medizinische PCBs auf die Polarität von Komponenten konzentrieren).
Stimmempfindlichkeit: Beginnen Sie mit strengen Grenzwerten, um Fehler zu vermeiden, und entspannen Sie sich dann allmählich, um Fehlalarme zu reduzieren (Ziel < 1% Fehlalarme).

4. Regelmäßige Wartung und Kalibrierung
Saubere Kameras/Objektive: Staub oder Flecken verursachen Bildverzerrungen.
Wöchentlich kalibrieren: Verwenden Sie ein Kalibrierbrett mit bekannten Defekten, um die Genauigkeit zu gewährleisten; Temperatur-/Feuchtigkeitsänderungen können die Kameraausrichtung verändern.

Fallstudien aus der realen Welt
1. Hersteller von Unterhaltungselektronik
Ein Smartphone-Hersteller ersetzte 10 manuelle Inspektoren durch zwei 3D-AVI-Systeme:
Ergebnisse: Die Fehlerentwicklungsrate sank von 1,2% auf 0,05%; die Inspektionszeit pro PCB sank von 18 Minuten auf 90 Sekunden.
ROI: Erreicht in 8 Monaten, dank $200.000 an reduzierten Nacharbeit und Arbeitskosten.

2. PCB-Lieferant für den Automobilbereich
Eine Autobauteilfirma hat AVI hinzugefügt, um ADAS-Sensor-PCBs zu untersuchen:
Herausforderung: Detektion von 50 μm Lötleeren in BGA-Gelenken (kritisch für die Wärmeleitfähigkeit).
Lösung: 3D-AVI mit Laserscannen, zur Ermittlung von Hohlräumen > 10% Volumen mit einer Genauigkeit von 99,8%.
Wirkung: Feldfehler sanken um 70% und erfüllten die IATF 16949-Anforderungen.

3Hersteller von Medizinprodukten
Ein Hersteller von Schrittmacher-PCBs implementierte AI-gestützte AVI:
Fokussierung: Sicherstellung, dass keine umgekehrten polarisierten Kondensatoren vorhanden sind (was einen Ausfall des Geräts verursachen könnte).
Ergebnis: 100%ige Erkennung von Polaritätsfehlern, gegenüber 92% bei manueller Prüfung.
Compliance: Vereinfachte FDA-Audits mit automatisierten Fehlerprotokollen und Trendberichten.

Häufig gestellte Fragen
F: Kann AVI die Flugsonde oder die In-Circuit-Tests (ICT) ersetzen?
A: Nein. AVI prüft visuelle Fehler, während IKT und Flugsonden die elektrische Funktionalität testen (öffnet, kurze Hosen).und elektrische Tests erkennen versteckte Fehler.

F: Wie verarbeitet AVI reflektierende Komponenten (z. B. glänzende ICs oder Metallschilde)?
A: 3D-Systeme verwenden strukturiertes Licht (Projektionsmuster auf die Leiterplatte), um die Höhe zu messen, ohne sich auf die Reflexibilität zu verlassen.

F: Was ist die Lernkurve für AVI-Betreiber?
A: Der grundlegende Betrieb dauert 1 2 Wochen, aber fortgeschrittene Aufgaben (Algorithmus-Tuning, 3D-Kalibrierung) erfordern 1 3 Monate Ausbildung.

F: Ist AVI für die Produktion in kleinen Stückzahlen geeignet?
A: Es hängt von der Komplexität der Leiterplatten ab. Niedrigvolumige, hochkomplexe Leiterplatten (z. B. Luftfahrtprototypen) profitieren von Offline-AVI, währendEinfache Bretter können immer noch manuelle Inspektionen verwenden, um hohe Vorlaufkosten zu vermeiden.

Schlussfolgerung
Die automatisierte visuelle Inspektion ist in der modernen PCB-Fertigung unerlässlich geworden und ermöglicht die Geschwindigkeit, Präzision und Konsistenz, die für eine dichte, zuverlässige Elektronik erforderlich sind.Durch Ersatz fehleranfälliger manueller Kontrollen durch 2D/3D-Bildgebung und KI, AVI-Systeme reduzieren Mängel, senken Kosten und liefern umsetzbare Daten zur Verbesserung von Prozessen.schnellere ProduktionFür Hersteller, die im Zeitalter von 5G, KI und IoT konkurrieren wollen, ist AVI nicht nur ein Werkzeug, sondern ein strategischer Vorteil.