In der Elektronikfertigung hängt die Qualität nicht allein von der Präzision der eingesetzten Maschinen oder einem gut geplanten Produktionsprozess ab. Auch bei optimal eingestellten SMT-Prozessen können Fehler entstehen, die ohne eine automatisierte Kontrolle nur schwer zu erkennen sind. Deshalb kommt es bei der Elektronikmontage nicht nur auf die eigentliche Fertigung der PCBA an, sondern auch darauf, die richtigen Methoden zur Qualitätskontrolle einzusetzen.

Eine dieser Technologien ist die 3D-AOI (Automated Optical Inspection). Durch die zusätzliche Erfassung von Höhen und geometrischen Merkmalen der Bauteile ermöglicht sie eine genauere Beurteilung der Bestückung und der Lötstellen. Dadurch können mögliche Fehler frühzeitig erkannt und das Risiko reduziert werden, dass eine fehlerhafte Baugruppe in die nächste Produktionsstufe gelangt.

3D-AOI, also Automated Optical Inspection 3D, ist eine Technologie zur automatisierten optischen Prüfung von Leiterplatten nach der Bestückung und dem Löten der Bauteile.

Das System analysiert die Leiterplatte und die darauf montierten Komponenten und vergleicht das tatsächliche Ergebnis mit einem zuvor definierten Referenzbild bzw. Referenzmodell. Je nach System und Prüfprogramm können unter anderem das Vorhandensein und die Position von Bauteilen, ihre Ausrichtung und Polarität sowie bestimmte Merkmale von Lötstellen überprüft werden.

Der entscheidende Vorteil der 3D-Inspektion liegt jedoch darin, dass zusätzlich Informationen über die Höhe und die räumliche Geometrie der geprüften Elemente zur Verfügung stehen. Die Kontrolle beschränkt sich dadurch nicht auf ein zweidimensionales Bild der Leiterplattenoberfläche.

3D-AOI wird vor allem als Teil der Qualitätskontrolle in der Elektronikfertigung eingesetzt. Sie ersetzt dabei keine anderen Prüfverfahren. Die optische Prüfung beantwortet andere Fragen als elektrische oder funktionale Tests. In einem gut geplanten Produktionsprozess ergänzen sich die verschiedenen Prüfmethoden daher sinnvoll.

Der genaue Prüfumfang hängt vom eingesetzten System und dem jeweiligen Prüfprogramm ab. Gerade in der Elektronikfertigung kann die automatische optische Inspektion jedoch verschiedene Bereiche der Bestückung und des Lötprozesses überprüfen.

3D-AOI kann unter anderem folgende Fehler erkennen:

• fehlende Bauteile,
• falsche Positionierung,
• Verschiebungen,
• Verdrehungen,
• falsche Ausrichtung oder Polarität,
• fehlerhafte Platzierung bzw. Auflage des Bauteils.

Das ist besonders bei Leiterplatten mit vielen Komponenten wichtig. Die manuelle Kontrolle von Tausenden von Bauteilen und Lötstellen wäre zeitaufwendig. Gleichzeitig hängt das Ergebnis stärker von der Aufmerksamkeit und Erfahrung der jeweiligen Bedienperson ab.

Die Inspektion kann unter anderem folgende Fehler erkennen:

• fehlendes Lot,
• zu geringe Lotmenge,
• zu viel Lot,
• Lötbrücken,
• fehlerhafte Geometrie der Lötstelle.

Bei der Oberflächenmontage hat die Qualität der Lötstelle direkten Einfluss auf die Zuverlässigkeit der fertigen PCBA. Durch die automatische Prüfung lässt sich daher nicht nur feststellen, ob ein Bauteil an der richtigen Stelle sitzt, sondern auch, ob es korrekt mit der Leiterplatte verlötet wurde.

Hier zeigt sich ein wesentlicher Vorteil der 3D-Technologie. Die Informationen zur Höhe ermöglichen unter anderem die Erkennung von:

• angehobenen Bauteilen,
• angehobenen Anschlüssen,
• dem für bestimmte SMD-Bauteile typischen Tombstone-Effekt,
• weiteren Abweichungen in der Geometrie der Bestückung.

Damit liefert 3D-AOI Informationen, die allein anhand eines zweidimensionalen Bildes der PCBA nicht gewonnen werden können.

AOI-Systeme können außerdem OCR (Optical Character Recognition) nutzen, um Kennzeichnungen auf Bauteilen auszulesen. Dadurch lässt sich überprüfen, ob an einer bestimmten Position tatsächlich das richtige Bauteil montiert wurde und nicht nur, ob dort ein Bauteil vorhanden ist.

So können auch Fehler erkannt werden, die beispielsweise durch die Verwendung eines Bauteils mit einer falschen Kennzeichnung oder Spezifikation entstehen.

Der wichtigste Vorteil von 3D-AOI in der Elektronikfertigung ist nicht allein die Automatisierung der Prüfung. Entscheidend ist vor allem, dass Fehler bereits früh im Produktionsprozess erkannt werden können.

Wird bei der Leiterplattenbestückung ein Fehler direkt nach dem SMT-Prozess festgestellt, kann er behoben werden, bevor die Baugruppe in die nächsten Produktionsschritte gelangt. Dadurch wird verhindert, dass sich ein Problem weiter durch den Prozess zieht und später mit deutlich größerem Aufwand behoben werden muss.

3D-AOI unterstützt die Qualitätssicherung damit auf mehreren Ebenen:

• Die Wiederholbarkeit der Bestückung kann überwacht werden.
• Das Risiko, Fehler zu übersehen, wird reduziert.
• Eine große Anzahl von Bauteilen kann automatisch geprüft werden.
• Probleme im Produktionsprozess lassen sich frühzeitig erkennen.
• Das Risiko, fehlerhafte PCBA an nachfolgende Prozessschritte weiterzugeben, wird reduziert.
• Die Prüfergebnisse können für die weitere Verbesserung des Prozesses genutzt werden.

Deshalb sollte 3D-AOI nicht nur als Prüfmaschine betrachtet werden. Sie ist vielmehr ein Bestandteil eines umfassenden Qualitätskonzepts in der Elektronikfertigung.

Eine wichtige Grundregel der Qualitätskontrolle in der Elektronikfertigung lautet: Fehler sollten möglichst dort erkannt werden, wo sie entstehen können.

Bei der PCBA-Fertigung kann der Prüfprozess beispielsweise mehrere aufeinanderfolgende Schritte umfassen:

Lötpastendruck → SPI → SMT-Bestückung → Löten → 3D-AOI → elektrische und funktionale Tests → Endkontrolle

Jede dieser Methoden hat eine andere Aufgabe.

Mit der Kontrolle der Lötpaste lässt sich die Qualität des Druckprozesses überprüfen, bevor die Bauteile bestückt werden. 3D-AOI kontrolliert dagegen das Ergebnis der Bestückung und des Lötprozesses. Die anschließenden elektrischen und funktionalen Tests prüfen wiederum andere Eigenschaften der fertigen Baugruppe.

Das hat auch einen wirtschaftlichen Vorteil. Wird ein Fehler direkt nach seiner Entstehung erkannt, kann seine Ursache schneller gefunden und die Zahl weiterer Arbeitsschritte an einer fehlerhaften Baugruppe reduziert werden.

Es gibt keine einzelne Methode, mit der sich alle Eigenschaften einer PCBA umfassend überprüfen lassen. Die verschiedenen Prüfverfahren haben unterschiedliche Aufgaben.

Methode	Was kann überprüft werden?
SPI	Qualität und korrekter Auftrag der Lötpaste
3D-AOI	Bestückung der Bauteile und ausgewählte Merkmale der Lötstellen
ICT	Ausgewählte elektrische Parameter und Verbindungen
FCT	Funktion des Geräts entsprechend den Anforderungen
EOL	Anforderungen an das fertige Produkt

Ein sinnvoll aufgebauter Prüfprozess besteht deshalb nicht darin, eine einzige „beste“ Methode auszuwählen. Vielmehr geht es darum, verschiedene Prüfverfahren so miteinander zu kombinieren, dass die wichtigsten Qualitätsmerkmale des Produkts zuverlässig abgesichert werden.

Das ist besonders bei komplexen Projekten in der Elektronikfertigung relevant, da sich verschiedene Produkte hinsichtlich Aufbau, Komplexität und Qualitätsanforderungen deutlich unterscheiden können.

3D-AOI ist nicht einfach eine teurere Variante von 2D-AOI. Der entscheidende Unterschied liegt darin, wie viele Informationen während der Prüfung zur Verfügung stehen. Ein 3D-System kann zusätzlich die Höhe und die räumliche Geometrie der geprüften Elemente analysieren.

2D-Systeme können bei der Anschaffung günstiger sein. Ein niedrigerer Anschaffungspreis bedeutet jedoch nicht automatisch niedrigere Gesamtkosten. Wenn weniger Informationen zur Verfügung stehen, können bestimmte Fehler möglicherweise schlechter erkannt werden. Dadurch steigt unter Umständen das Risiko, dass Probleme erst in späteren Produktionsschritten auffallen und dann höhere Kosten verursachen.

Bei der Auswahl einer Prüftechnologie in der Elektronikfertigung sollte deshalb nicht nur der Anschaffungspreis betrachtet werden. Ebenso wichtig sind das Qualitätsrisiko und die Gesamtkosten des Produktionsprozesses.

Auf den ersten Blick könnte man meinen: Je mehr kontrolliert wird, desto höher ist die Qualität. In der Praxis ist der Zusammenhang jedoch nicht so einfach.

Jede zusätzliche Prüfung kostet Zeit und Ressourcen und muss sinnvoll in den Produktionsablauf integriert werden. Wird eine Kontrolle ohne konkreten Grund wiederholt oder werden Bereiche geprüft, die bereits durch eine andere Methode ausreichend abgesichert sind, steigen die Produktionskosten, ohne dass die Qualität im gleichen Maß verbessert wird.

Das Ziel sollte deshalb nicht sein, möglichst viele Kontrollen durchzuführen, sondern die Qualitätsrisiken in der Elektronikfertigung gezielt zu beherrschen.

Ein gut geplanter Prozess sollte drei Fragen beantworten:

• Was kann schiefgehen?
• Wo und wann kann ein Fehler entstehen?
• Mit welcher Prüfmethode lässt sich dieser Fehler zuverlässig und wirtschaftlich erkennen?

So wird Qualität nicht als einzelner Prüfschritt betrachtet, sondern als Ergebnis des gesamten Produktionsprozesses.

Nicht jedes Produkt in der Elektronikfertigung benötigt denselben Prüfplan. Bei einer einfachen Steuerungsplatine können andere Risiken auftreten als bei einer komplexen PCBA mit einer großen Anzahl von Bauteilen und Verbindungen.

Bei der Planung des Produktionsprozesses sollten deshalb unter anderem folgende Punkte berücksichtigt werden:

• Aufbau der Leiterplatte,
• Art und Anzahl der Bauteile,
• eingesetzte Montagetechnologien,
• mögliche Fehlerquellen,
• Qualitätsanforderungen,
• Einsatzbereich des Produkts,
• nachfolgende Prozessschritte,
• verfügbare Prüfverfahren.

Daraus lässt sich ableiten:

Was wird geprüft → wo wird geprüft → mit welcher Methode → in welchem Umfang → nach welchen Kriterien?

3D-AOI wird somit als Teil eines konkreten Prüfkonzepts eingesetzt. Die Entscheidung dafür sollte sich aus den Eigenschaften des Produkts und den erkannten Risiken ergeben – nicht allein daraus, dass die Technologie verfügbar ist.

Bei JM elektronik entwickeln wir Prüfpläne passend zum jeweiligen Produkt und Produktionsprozess. Ziel ist es, Qualitätsrisiken zu reduzieren und gleichzeitig unnötige Kosten zu vermeiden, die dem Kunden keinen zusätzlichen Nutzen bringen.

Ein Grundprinzip von Lean besteht darin, Tätigkeiten zu vermeiden, die keinen zusätzlichen Wert für den Kunden schaffen. Eine Form solcher Verschwendung ist Overprocessing – also mehr Arbeitsschritte durchzuführen oder Prüfungen umfangreicher zu gestalten, als tatsächlich notwendig ist.

In der Qualitätskontrolle kann sich das beispielsweise zeigen durch:

• doppelte Prüfungen ohne nachvollziehbaren Grund,
• wiederholte Kontrolle desselben Parameters,
• Prüfung von Parametern, die für das jeweilige Produkt keine relevante Rolle spielen,
• zusätzliche Prüfungen, obwohl der Prozess bereits an einer früheren Stelle wirksam abgesichert ist.

Das bedeutet natürlich nicht, dass die Qualitätskontrolle um jeden Preis reduziert werden sollte.

Wenn eine bestimmte Prüfung das Risiko eines Fehlers oder dessen Weitergabe deutlich reduziert, ist sie sinnvoll. Wenn sie dagegen keinen zusätzlichen Nutzen bringt, kann sie zu unnötigem Aufwand werden.

So lässt sich ein Produktionsprozess gestalten, in dem Qualität und Effizienz keine Gegensätze sind.

Bei der Planung der Qualitätskontrolle muss das richtige Gleichgewicht zwischen drei Bereichen gefunden werden.

Qualität – Der Prozess muss sicherstellen, dass das Produkt die vereinbarten Anforderungen erfüllt.

Risiko – Mögliche Fehler, ihre Wahrscheinlichkeit und die Folgen, wenn sie nicht erkannt werden, müssen berücksichtigt werden.

Kosten – Jede Prüfmethodik benötigt Zeit und Ressourcen und beeinflusst damit die Produktionskosten und die Durchlaufzeit.

Wer sich nur auf einen dieser Bereiche konzentriert, kann schnell eine ungünstige Entscheidung treffen. Wer die Prüfkosten um jeden Preis reduzieren möchte, erhöht möglicherweise das Qualitätsrisiko. Wer dagegen möglichst viel kontrollieren möchte, verlängert unter Umständen unnötig den Produktionsprozess.

Deshalb sollte die Qualitätskontrolle in der Elektronikfertigung immer auf die tatsächlichen Risiken des jeweiligen Produkts abgestimmt sein.

Ein guter Prüfplan sollte nicht nur die Möglichkeiten des EMS-Dienstleisters berücksichtigen. Ebenso wichtig sind die Anforderungen des Kunden und sein Wissen über das eigene Produkt.

Deshalb sollten Hersteller und Kunde gemeinsam analysieren:

• Anforderungen an das Produkt,
• Aufbau und Montagetechnologie,
• mögliche Fehlerquellen,
• kritische Parameter,
• Prozessschritte, an denen bestimmte Fehler am zuverlässigsten erkannt werden können.

Auf dieser Grundlage werden die passenden Prüfmethoden und deren Umfang gemeinsam festgelegt.

So lassen sich die Erfahrung des Elektronikherstellers und das Wissen des Kunden über die Anwendung und Anforderungen des fertigen Produkts miteinander verbinden.

Der Prozess endet dabei nicht mit dem Produktionsstart. Die Ergebnisse der Prüfungen können wichtige Hinweise für die weitere Verbesserung und Optimierung des Produktionsprozesses liefern.

3D-AOI kann die Möglichkeiten zur Kontrolle der PCBA-Bestückung deutlich erweitern. Den größten Nutzen bietet die Technologie jedoch dann, wenn sie sinnvoll in den gesamten Produktionsprozess eingebunden wird.

Es geht daher nicht nur darum, eine automatische optische Prüfung einzusetzen. Entscheidend ist vielmehr die Frage:

Wie lässt sich 3D-AOI in einem konkreten Produktionsprozess einsetzen, um das Risiko von Fehlern und deren Weitergabe wirksam zu reduzieren?

In einem Prozess kann die Kontrolle bestimmter Bestückungsmerkmale besonders wichtig sein. In einem anderen spielen elektrische oder funktionale Tests eine größere Rolle. Bei manchen Produkten ist wiederum die Kombination mehrerer Prüfmethoden sinnvoll.

3D-AOI sollte deshalb als Werkzeug innerhalb einer umfassenden Qualitätsstrategie betrachtet werden – und nicht als einzelner, vom restlichen Prozess losgelöster Prüfschritt.

Ein gut geplanter Qualitätsprozess soll vor allem das Produkt zuverlässig absichern. Gleichzeitig sollte er keine zusätzlichen Arbeitsschritte verursachen, die angesichts des tatsächlichen Risikos nicht notwendig sind.

Für den Kunden bedeutet das:

• mögliche Fehler werden früher erkannt,
• das Risiko der Weitergabe fehlerhafter Produkte wird reduziert,
• Kosten durch Fehler und Nacharbeit können begrenzt werden,
• der Produktionsprozess wird planbarer,
• die Prüfungen werden auf das konkrete Produkt abgestimmt,
• Automatisierung wird gezielt eingesetzt,
• unnötige Prozessschritte werden vermieden,
• der Produktionsprozess kann kontinuierlich verbessert werden.

Bei Leistungen wie der Elektronikmontage, der Leiterplattenbestückung oder der Auftragsfertigung von Elektronik endet die Verantwortung für die Qualität nicht mit der Bestückung der Bauteile. Ebenso wichtig ist ein Produktionsprozess, der diese Qualität von Anfang an konsequent absichert.

3D-AOI ist dabei eines von mehreren Werkzeugen, die eine wichtige Rolle spielen können. Die Technologie liefert zusätzliche Informationen über die Qualität der Bestückung, ermöglicht die automatische Erkennung potenzieller Fehler und unterstützt die Prozesskontrolle.

Entscheidend bleibt jedoch die richtige Entscheidung darüber, was, wann und wie geprüft werden sollte.

Gute Qualitätskontrolle bedeutet nicht, alles zu prüfen. Sie bedeutet, zu wissen, was geprüft werden muss, wann die Prüfung sinnvoll ist und welche Methode dafür am besten geeignet ist.