Optimierte Strategien zur Senkung von Prüf- und Inspektionskosten bei gleichzeitiger Steigerung der Fertigungsqualität

von Paul Groome, Machine Vision Products, Inc.

Veröffentlicht in US-Tech, Ausgabe Mai 2009

In der aktuellen wirtschaftlichen Situation stehen die Optimierung der Fertigungskosten – insbesondere der Test- und Inspektionskosten – bei den meisten Unternehmen ganz oben auf der Agenda. Dennoch müssen wir weiterhin die höchste Qualitätsstufe für Kundenauslieferungen sicherstellen. Beide Ziele, Kosten und Qualität, können erreicht werden, indem die geeignete Test- und Inspektionsstrategie für die Fertigung sorgfältig ausgewählt wird. Das Verständnis der Vorteile und der Defektabdeckung, die die verschiedenen Lösungen bieten, ist entscheidend, um höchste Qualität zu den niedrigsten Kosten zu erreichen.

Die Mehrheit der heute verwendeten Test- und Inspektionstechniken gibt es bereits seit langer Zeit. Die meisten stammen aus den späten 1980er-Jahren, als Durchstecktechnologie (Through-Hole) in der Fertigung noch weit verbreitet war. Warum verwenden wir trotz der Einführung der SMT-Fertigungstechnologien vor mehr als 15 Jahren immer noch dieselben Geräte und Testmethoden?

Die meisten Hersteller, mit denen ich gearbeitet habe, verwenden dieselben Testmethoden wie vor 20 Jahren: ICT, visuelle Inspektion, MDA und Funktionstest. Ist dies der effizienteste Weg, um Prozessqualität und niedrige Kosten sicherzustellen? Nein. In den meisten Fällen können vollständige AOI-Systeme in Kombination mit Boundary-Scan alle Produktions- und elektrischen Defekte erkennen.

Wenn wir uns heutige Fertigungsprozesse ansehen, gibt es eine Vielzahl automatisierter Test- und Inspektionstechniken zur Defekterkennung und Qualitätssteigerung: In-Circuit-Test (ICT), Manufacturing Defect Analyzer (MDA), Vollständige Automatisierte Optische Inspektion (AOI-Full), Vergleichende AOI (AOI-Comp), Funktionstest (FT), Boundary-Scan (BScan), Automatisierte Röntgeninspektion (AXI) und Flying-Probe-Systeme (FP).

Abbildung 1 – Typische DPMO-Raten für Packages

Jede Plattform besitzt Fähigkeiten zur Erkennung unterschiedlicher Fehlerspektren – alle mit unterschiedlichen Kosten und diagnostischer Auflösung. Die Frage lautet daher:

Welche Lösungen sollte man einsetzen, um die Herausforderungen der heutigen SMT-Fertigung zu bewältigen?

♦ Definition einer Test- und Inspektionsstrategie

Der erste Schritt zur Definition einer Strategie besteht darin, die Defekte zu verstehen, die im Prozess entstehen, und welche Qualitätsniveaus Ihre Kunden verlangen.

Komponententypen, Bestückungsdichten und eingesetzte Prozessausrüstung bestimmen die Endqualität. DPMOJ-Raten (Defects Per Million Opportunities per Joint) reichen bei heutigen Komponenten von unter 50 DPMOJ bis über 15.000 DPMOJ. Area-Array-Bauteile sind typischerweise am zuverlässigsten zu bestücken und zu verlöten, während Fine-Pitch-Bauteile die höchsten Fehlerzahlen aufweisen. Abbildungen 1 und 2 zeigen typische DPMOJ-Werte basierend auf MVP-Kundendaten. Mitglieder von iNEMI oder IPC haben Zugang zu Tools zur Prozessfähigkeits-, Ertrags- und Defektratenanalyse.

Für Test und Inspektion ist es entscheidend, dass die Fähigkeiten des Systems zur Prozessfähigkeit passen, um die höchsten Erträge sicherzustellen.

♦ Systemfähigkeiten: Wie hoch sind die Kosten, einen Defekt zu erkennen?

Wie in Abbildung 3 dargestellt, besitzen die verfügbaren Test- und Inspektionsmethoden unterschiedliche Fähigkeiten und Kostenstrukturen. Betrachten wir die Inline-Optionen im Detail.

♦ In-Circuit-Test (ICT) und Manufacturing Defect Analyzer (MDA)

Der Vorteil von ICT liegt in der Fähigkeit, Funktionsprüfungen digitaler Bauteile durchzuführen. Aufgrund der langen Modellierungszeiten testen die meisten Nutzer heute digitale Komponenten über kapazitive Open-Tests, was den Test im Wesentlichen auf eine leitungsbezogene Prüfung begrenzt. Parallel verschaltete Bauteile wie Entkopplungskondensatoren oder Bauteile mit mehreren Versorgungs- und Masseanschlüssen können nicht geprüft werden.

Daher liegt die Joint-basierte Fehlerabdeckung bei nur 65–75 %, weniger als die meisten annehmen. Bei eingeschränktem elektrischen Zugriff (z. B. durch hohe Packungsdichten oder Signal-Frequenzprobleme) sinkt die Abdeckung weiter.

Je nach Konfiguration kosten ICT-Systeme zwischen 50.000 und mehr als 500.000 USD. Die Testfix­tur und das Programm für große Boards (>5.000 Netze) können teurer sein als ein komplettes AOI-System. Kleinere Boards kosten immer noch rund 20.000 USD bei 2–3 Wochen Durchlaufzeit.

Unter Berücksichtigung der Kosten, der geringen Fehlerabdeckung, des Zugriffsverlustes und der abnehmenden Relevanz für digitale Bauteile stellt sich die Frage:

Ist ICT noch wirtschaftlich sinnvoll?

♦ Automatisierte Röntgeninspektion (AXI)

Es gibt zwei Haupttypen von 3D-Inline-AXI: Tomosynthese und Laminographie. AXI bietet die höchste Abdeckung für verdeckte Lötstellen, hat jedoch deutliche Nachteile:

• Kosten zwischen 450.000 und 750.000 USD

• häufig nicht linientaktfähig

• hohe False-Call-Raten (oft >5000 ppmJ)

• aufwendige und langsame Programmierung

Für die meisten Produkte ist AXI zu teuer und zu langsam, es sei denn, extrem kritische verdeckte Lötstellen müssen geprüft werden.

♦ Boundary Scan (BScan)

Seit den 1990ern ein Standard. Adoption nimmt heute stark zu, da ICT/MDA oft keinen elektrischen Zugriff mehr bieten.

BScan bietet:

• höchste digitale Fehlerabdeckung

• niedrigste Kosten pro Defekt

• Systemkosten: 10.000–25.000 USD

Wenn Entwickler Boundary-Scan-fähige Bauteile korrekt verketten, kann eine sehr hohe Abdeckung erzielt werden. BScan ist ideal für digitale Tests, ISP und Flash-Programmierung.

♦ Automated Optical Inspection (AOI)

— Full AOI vs. Comparative AOI

Viele glauben fälschlicherweise, dass beide Typen ähnlich sind — tatsächlich sind sie grundverschieden.

Full AOI

• misst reale Parameter (Lötmenge, Position, Körpermaße)

• höchste Durchsätze und Wiederholbarkeit

• eignet sich für SPC und Metrologie

• unempfindlicher gegenüber Prozessvariationen

• liefert höchste Gesamtfehlerabdeckung

Comparative AOI

• vergleicht mit einem „Golden Sample“

• schneller bei der Programmerstellung

• deutlich mehr False Calls

• geringere Abdeckung und erhöhte Produktionsrisiken

♦ Wahl der richtigen Test- und Inspektionsstrategie

Abbildung 5 zeigt die Gesamtfehlerabdeckung verschiedener Methoden.

Full AOI + Boundary Scan bietet die beste Abdeckung bei gleichzeitig niedrigsten Kosten.

Dieses kombinierte Vorgehen ermöglicht:

• 100 % Komponentenabdeckung

• Wertprüfung passiver Bauteile

• Funktionssicherheit aller digitalen Bauteile

• minimale Betriebskosten

• schnelle Programmierung (< ½ Tag)

• Nutzung von SPC und Prozesskontrolle

Die kostengünstigste und gleichzeitig effektivste Strategie besteht nahezu immer aus einer verteilten Teststrategie, deren Kern Full AOI ist.

Dazu muss Full AOI folgende Fähigkeiten besitzen:

• Metrologie

• Tri-Color-Defekterkennung

• flexible Messfunktionen

• hohe Auflösung

• schnelle Programmierung (z. B. durch ePro)

Figure 5 – Fehlerabdeckungsfähigkeiten, NPI- und Niedrigstkostenstrategien

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