Um feinst bearbeitete Oberflächen, kratzempfindliche Materialien oder auch konventionelle Produkte zu untersuchen, kommt zerstörungsfreier und quantitativer Messung besondere Bedeutung zu. Die Anforderungen an Gerät und Ergebnisse sind von extremer Komplexität, zumal branchenübergreifend schnelle, prozessnahe Messtechnik oder DIN-konforme Berechnung der Rauheit vonnöten ist. Die entsprechenden Geräte müssen kalibrierbar und die Messungen selbst metrologisch, also rückführbar auf Standards, und ebenso wie die Ergebnisse in ein Qualitätsmanagementsystem integrierbar sein. Der wichtigste Faktor: Die Geräte müssen selbstständig, also automatisiert arbeiten.
Dr. Thomas Fries, Fries Research & Technology, Bergisch-Gladbach
Prozessnahe Oberflächenmessung definiert sich demnach in akkuraten Mess-ergebnissen, die im kürzest möglichen Zeitraum automatisiert generiert werden. Dies gestaltet sich um so problematischer, je häufiger Daten von mehreren Messstellen einer Probe, deren Positionen nicht genau bekannt sind, vollautomatisch erfasst werden sollen. Zwei konventionelle Methoden bieten sich in diesem Fall zunächst an: die manuelle Methode, bei der man mit dem xy-Tisch an jeweils eine Stelle fährt, im Kamerabild die genaue Messposition definiert und sie in der Messung übernimmt. Ein aufwändiges Verfahren, da alle Positionen einzeln angegeben werden müssen.
Die zweite Möglichkeit: Messmikroskope (Lichtmikroskope), die als vollautomatische Systeme dimensionale Messungen in der Ebene vornehmen. Das Funktionsprinzip: Auf einem Halter sind viele Proben befestigt. Ein automatisches Programm fährt den Probenhalter mit Hilfe eines xy-Tisches zu der ungefähren Position des ersten Bauteils unter das Mikroskop.
Ein Framegrabber nimmt dann ein Bild der CCD-Kamera auf und leitet es an eine industrielle Bildverarbeitung weiter. Diese erkennt, um welches Bauteil es sich handelt, wie die genaue Lage ist und kann zudem bereits Geometrieparameter wie Durchmesser und Strukturbreiten aus den Kameradaten ermitteln.
Vision-System erfasst Struktur-Parameter
Was Kamerasysteme prinzipiell nicht leisten können: die Ermittlung von Strukturhöhe oder Oberflächenrauheit. Der MicroProf-Vision nutzt aus diesem Grunde zusätzlich zum eigentlichen Messsystem eine komplette Mustererkennung. Dieses Vision-System – bestehend aus Messsensor, spezieller Beleuchtungseinheit, Industriekamera, industrieller Bildverarbeitung und Spezialsoftware zur vollautomatischen Steuerung aller Teilkomponenten – erschließt die Möglichkeit der automatisierten Messung aller relevanten Struktur-Parameter. Mit einer einfachen Scriptsprache lassen sich dann komplexe Messabläufe realisieren, die automatisch ausgeführt werden – durchaus auch die Kombinationen aus Profil- und 3D-Messungen. Die Scripte werden durch eine OLE-Schnittstelle an das Messprogramm weitergegeben. Damit können die Geräte ferngesteuert oder komplexe Messaufgaben insgesamt programmiert und einfach per Tastendruck abgerufen werden.
Export in Excel möglich
Das Messprinzip: Ebenso wie beim automatischen Messmikroskop wird der mit verschiedenen Bauteilen bestückte Halter auf den xy-Verfahrtisch gelegt. Nach dem Starten des Messprogramms nimmt eine übergeordnete Steuersoftware zunächst die Kameramessung vor und bestimmt Typ, Position und laterale Geometriedaten des Bauteils. Danach gibt das Steuerprogramm die Messstrecken vor, nach denen mit dem hochgenauen Sensor am zuvor erkannten Bauteil gemessen werden soll. Die Resultate aus beiden Messungen werden letztlich vom Steuerprogramm ausgegeben und können beispielsweise in Microsoft Excel exportiert werden.
Zerstörungsfreie Messung
Vermessen und charakterisieren lassen sich so zerstörungsfrei und mit hoher Auflösung alle Oberflächen. Bauteile, wie beispielsweise Leiterbahnen auf elektronischen Bauelementen oder auch Siliziumscheiben mit Mikrostrukturen gehören zu den typischen Aufgaben.
Beispielroutine: Der Werker oder ein Handling-System legen zur Vermessung durch den MicroProf Vision zunächst einen bestückten Probenhalter in die Vakuum-Halterung. Danach erkennt das System mit der Kamera die Lage der Proben auf der Halterung und kann alle Strukturen örtlich zuordnen. Dabei werden, vordefiniert durch die Typeneinstellung, beispielsweise zehn Strukturen eines kompletten Halters selektiert und auf diesen Strukturen je vier Merkmale gemessen. Das Vision-Programm prüft, ob die Strukturen überhaupt existieren und bestimmt im Anschluss die korrekte Position der Struktur, welche bis zu ±5 bis 10 µm von der vorgegebenen abweichen kann. Das System bewegt den Halter dann etwas nach links oder rechts und fertigt mit Hilfe des optischen Sensors CHR 150 eine Profilmessung der gesamten Struktur an. Auf Grund dieser Daten können Größen wie der maximale Durchmesser oder die maximale Höhe bestimmt werden.
Die industrielle Bildverarbeitung und die Fernsteuerung des MicroProf-Vision sind im Übrigen so flexibel, dass das System bei Produktänderungen, neuen Produkten etc. einfach umgerüstet werden kann. Die genaue Spezifikation der Messaufgabe und das Benutzerinterface (welche Ein- und Ausgaben wie gemacht werden sollen) wird dabei auf den Anwendungsfall bezogen abgestimmt.
Weitere Informationen A QE 419
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