Reklamationen sind kein Thema mehr

Ball Grid Arrays (BGAs), also Kugelgitteranordnungen, und Quad-Flat-No-Leads-Verbindungen (QFNs) sind zwei Merkmale von Leiterplatten, die besonders genau kontrolliert werden müssen. Beim Prüfen von BGAs der jüngsten Generation besteht eine der Herausforderungen darin, dass sie sehr komplex geworden sind – die Packungsdichte stieg und die Kugeldurchmesser wurde kleiner. Dies bedeutet, dass die Leiterplatten so eng bestückt sind, dass zwischen den einzelnen Bauteilen kaum Raum für eine visuelle Prüfung besteht.

Um auf relevante Bereiche zuzugreifen und diese zu betrachten, verwendete die britische Firma Newbury Electronics bisher ein Endoskop. Dies war zwar bei kleinen Bauteilen effizient, aber auch zeitaufwendig. Einer von weiteren Nachteilen war, dass es zunehmend schwieriger wurde, ein tiefenscharfes Bild durch mehrere Kugelreihen hindurch zu erhalten.

In mehreren Fällen wurden von Kundenseite fehlerhafte Platinen zurückgeschickt, und Newbury Electronics musste sie zur Röntgenanalyse an ein externes Unternehmen weiterleiten. Dies dauerte in der Regel drei Tage, und der gesamte Vorgang – Röntgenprüfung, Fehlerbehebung und erneute Prüfung, um die volle Funktionstüchtigkeit der Leiterplatte zu bestätigen – kostete pro Leiterplatte etwa 130 Euro.

„Als Subunternehmer handhaben wir jeden Tag zehn bis fünfzehn verschiedene Produktlinien, und häufig wissen wir nicht, welche Produkte als nächstes zu fertigen sind“, berichtet Philip King, Geschäftsführer von Newbury Electronics. „PCBAs (elektronische Baugruppen) sollten eigentlich so konzipiert sein, dass sie leicht überprüfbar sind, doch das sind sie nur in den seltensten Fällen. Eine genaue Inspektion ist nicht nur nach einer Reparatur, sondern auch während der Serienfertigung wichtig. Die Ergebnisse können direkt in die Prozesskontrolle einfließen und sorgen somit für eine gleichbleibende Qualität. Je größer ein Produktionslauf ist, desto höher ist das Risiko, fehlerhafte Platten zu produzieren und Zeit und Geld zu verschwenden.“

Obgleich bei Newbury häufig Leiterplatten-Prototypen und kleine Lose produziert werden, erhielt das Unternehmen in jüngster Zeit Aufträge, die weitaus größere Volumina umfassten. Ein Röntgensystem war die einzig realistische Lösung für die Qualitätskontrolle. Philip King erkundete den Markt daher mehrere Jahre lang. Die Fertigung eines besonders problematischen Leiterplatten-Loses mit BGAs war letztlich der Grund für die Investition in das Röntgeninspektionssystem XT V 160 von Nikon Metrology. Dieses bietet einen Scanbereich von 400 mm x 400 mm – groß genug für die meisten Leiterplatten. Zum Lieferumfang gehörte auch eine Steuerungs- und Analysesoftware.

„Eine Röntgenausrüstung im unteren Preissegment ist zwar kostengünstig, liefert aber so schlechte Bilder, dass sie praktisch nutzlos ist – insbesondere angesichts der zunehmenden Miniaturisierung der BGAs“, erläutert Philipp King. „Wir wussten, dass wir in absehbarer Zukunft nur ein Röntgensystem kaufen würden. Wir entschieden uns daher für ein sehr leistungsfähiges Nikon-Modell mit variabler Vergrößerung, neigbarem Flachdetektor und einer leistungsstarken 160-kV/20-W-Röntgenröhre – also eine gehobene Ausstattung im Vergleich zu dem, was sonst in der Leiterplattenprüfung üblich ist.“

Ein günstiges Preis-/Leistungsverhältnis war nicht der einzige Faktor, den es zu bedenken galt. Die Röntgenprüfung musste zudem sehr stabile Ergebnisse liefern, da sich die Bildqualität durch Rauscheffekte verschlechtert hätte. Wichtige Gründe, weshalb sich Philipp King für das XT V 160 entschied, waren auch die Nanofokus-Röntgenröhre und die hochentwickelten Bildverarbeitungsfunktionen.

Beim Betrachten von BGA-Lötverbindungen muss der Bediener ein klares Bild von der zu prüfenden Kugelverbindung haben. Gewöhnlich werden hierzu Neigungs- und Drehbewegungen kombiniert und die Reihen Kugel für Kugel abgesucht. Beim XT V 160 übernimmt eine Ein-Achsen-Steuerung diese Aufgabe, und es müssen nicht, wie sonst üblich, drei Achsen bedient werden. Der Bediener kann sich somit mehr auf den Prüfprozess statt auf die Bedienung des Geräts konzentrieren.

Dank der konzentrischen Bildgebung lässt sich der Betrachtungswinkel einfach um 360° um den relevanten Bereich drehen, der immer in der Mitte des Sichtfelds bleibt. Sobald ein Bereich auf der Leiterplatte identifiziert und in der Mitte des Sichtfelds positioniert wurde, verbleibt dieser an dieser Position – ganz gleich bei welcher Drehung, Neigung oder Vergrößerung. Für die Prüfung von BGA-Kugeln ist dies ein großer Vorteil, der ohne besondere Fähigkeiten oder Training erzielt wird.

Ein besonderes Merkmal gab schließlich den Ausschlag für die Wahl des XT V 160: das „Open-Tube“-Design. Die Konstruktion mit einer offenen Röntgenröhre bedeutet, dass das Filament zur Erzeugung des Röntgenstrahls alle sechs bis neun Monate für nur etwa 12 Euro Kosten ausgetauscht werden kann. Bei geschlossenen Röhrenkonstruktionen muss der Hersteller alle paar Jahre beauftragt werden, die Röhre auszutauschen. Dies kann bis zu 19000 Euro kosten, was auf die Lebensdauer umgelegt unangemessen hohe Kosten bedeutet.

Der Austausch des Filaments im eigenen Haus reduziert die Ausfallzeit von Tagen auf wenige Minuten. „Dieser Aspekt des XT V 160 hat uns sehr gefallen“, freut sich Philipp King. „Der Austausch des Filaments ist unproblematisch, dauert nur fünf Minuten und erfordert kaum Vorkenntnisse. Wir haben die sehr wettbewerbsfähigen Betriebskosten unseres Geräts einkalkuliert.“

Nicht nur die Kosten der Leiterplattenhersteller werden gesenkt, sondern auch die ihrer Kunden. Philipp King weist darauf hin, dass Newbury Electronics komplexe Baugruppen wie BGAs und QFNs nun ebenso wie alle anderen Bauelemente mit der Gewissheit montieren kann, dass die Röntgenprüfung mögliche Defekte aufzeigt. Die eigenen Herstellkosten und der Verkaufspreis für Leiterplatten ließen sich dadurch um bis zu 70 Prozent reduzieren.

Dave Roe, leitender Produktionstechniker bei Newbury Electronics, merkt an: „Seit wir das XT V 160 einsetzen, wurde keine einzige Leiterplatte mit montierten BGAs als fehlerhaft retourniert. Das System ist einfach sehr gut darin, mangelhafte QFN-Lötverbindungen und Kurzschlussbildungen zu finden. Deren Prüfung ist normalerweise sehr schwierig, da die Leiter unter Bauelementen verborgen sind.“ Und Philipp King ergänzt: „Zuerst waren unsere Techniker skeptisch. Sie änderten aber rasch ihre Meinung, als sie sahen, wie sie Ergebnisse in Sekundenschnelle erhielten, statt tagelang warten zu müssen, bis sie von einer externen Stelle geliefert wurden. ■

Gábor Szabó

Sales Account Manager X-Ray & CT

Nikon Metrology

Nikon Metrology entwickelt, produziert und vertreibt eine umfangreiche Produktpalette an messtechnischen Lösungen: Das Spektrum reicht von herkömmlichen stationären 3D-Koordinatenmessmaschinen und mobilen Messarmen mit taktilen und optischen Sensoren über industrielle Mikroskope, Rasterelektronen-, Mess- und Stereomikroskope sowie Videomesssysteme und Profilprojektoren bis zu Röntgen- und Computertomographie-Systemen.