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INDUSTRIELLE AUTOMATION 2/2020

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INDUSTRIELLE AUTOMATION 2/2020

SENSORIK UND MESSTECHNIK

SENSORIK UND MESSTECHNIK Details auf der Spur Smarte Lasersensoren punkten in der Elektronikfertigung Bei der Herstellung von Leiterplatten ist äußerste Präzision bei gleichzeitig hoher Fertigungsgeschwindigkeit gefragt. Aus diesem Grund kommen in Bestückungsautomaten intelligente Wegsensoren zum Einsatz, die eine zuverlässige Qualitätsüberwachung im Mikrometerbereich ermöglichen. Im Rahmen der Leiterplatten- Fertigung prüfen sie unter anderem die Lage integrierter Bauteile und messen die Ritzgräben von Leiterplattennutzen. Erich Winkler, Produktmanager Lasertriangulationssensoren, Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG in Ortenburg Ob Smartphone, medizinische Geräte oder Werkzeugmaschinen – kaum ein elektronisches Gerät kommt ohne Leiterplatten aus. Die Geräte werden zunehmend kleiner, leistungsfähiger und schneller – die Entwicklungszyklen immer kürzer. Dadurch müssen auch die Platinen leistungsfähiger werden, u. a. durch hochinte grierte Bauteile. Ein Baustein ist die Miniaturisierung der Schaltungen wie auch der einzelnen Bauteile; hinzu kommt eine immer höher werdende Packungsdichte. Um sicherzustellen, dass Strom als elektrische Energie oder als Informationssignal pro blemlos durch die Bauteile fließt, ist eine exakte Positionierung der elektronischen Bauteile maßgeblich. Bei der Leiterplattenfertigung müssen diese nicht nur an der vorgesehenen Stelle platziert, sondern auch in der Ebene exakt verbaut sein. Dynamik und hohe Ortsauflösung „Sensoren, die die Lage der hochinte grierten Bauteile inline prüfen, müssen eine ganze Reihe an Herausforderungen meistern. Primär sind dies Schnelligkeit wegen der hohen Dynamik des Fertigungsprozesses, kleine Fokusdurchmesser wegen der Miniatur-Bauteile und eine hohe Ortsauflösung wegen der geringen Wegänderungen, die erfasst werden müssen“, schildert Erich Winkler vom Produktmanagement Laser-Triangulationssensoren bei Micro-Epsilon. Die smarten Laser- Triangulationssensoren der Reihe Opto NCDT 1420 wurden für High-Tech-Anwendungen konzipiert. Diese messen berührungslos und wirken nicht auf die Platine und die hochempfindlichen Bauteile ein. Aufgrund des berührungs losen Messverfahrens können die Sensoren zudem Messwerte schnell aufnehmen und verarbeiten. Die Sensoren werden bei der Qualitätskontrolle in der Platinenfertigung so platziert, dass sie von oben auf die Leiterplatten messen. Über eine Verfahranlage werden sie über die PCBs und die hochintegrierten Bauteile geführt. Mit einer Messrate von bis zu vier Kilohertz erfassen sie dynamische Prozesse direkt in der Produktionslinie. Die Kompaktheit der Sensoren mit 46 × 30 mm und der integrierte Controller ermöglichen die Einbindung des Sensors auch bei geringem Platz. Der kleinste Durchmesser des 10 INDUSTRIELLE AUTOMATION 02/2020 www.industrielle-automation.net

SENSORIK UND MESSTECHNIK 02 01 Lichtflecks liegt bei nur 45 × 40 µm. Dieser macht hochgenaue Messungen auf die feinen Pins möglich, da der Lichtpunkt dort scharf abgebildet werden kann. Das Messprinzip ist wichtig „Eine weitere wesentliche Voraussetzung für zuverlässige Messungen auf Leiterplatten ist ein Messprinzip, das unterschiedliche Materialien von Kunststoff bis Metall erfassen kann, weshalb die Laser-Triangulation die richtige Wahl ist“, sagt Winkler. Dafür bieten die Lasersensoren von Micro- Epsilon die sogenannte Active-Surface- Compensation. Denn gerade bei einer Platine misst der Sensor auf permanent wechselnden Oberflächen, von mattschwarz hin zu glänzend und teils spiegelnd, von hell zu dunkel. Die Active-Surface-Compensation sorgt dafür, dass sich die Belichtungszeit an die Bedingungen anpasst, die das jeweilige Messobjekt bietet. Zur Ermittlung der Messwerte bildet der Lasersensor einen roten Laserpunkt mit einer Wellenlänge von 670 nm auf dem Ziel ab. Das Laserlicht wird in einem bestimmten Reflexions winkel zurückgeworfen und 01 Auch die Ritzgräben von Leiterplattennutzen müssen exakt vermessen werden 02 Zur Ermittlung der Messwerte bildet der Lasersensor einen roten Laserpunkt mit einer Wellenlänge von 670 nm auf dem Target ab Belichtungszeit und damit die Intensität des gesendeten Lichts während der Messaufgabe so, dass die Reflexion auf der CMOS-Zeile im Idealbereich liegt. Anschließend berechnet der Sensor die mikrometergenauen Abstandswerte über die Dreiecksbeziehung zwischen der Laserdiode, dem Messpunkt auf dem Objekt und dem Abbild auf der CMOS-Zeile. Die ermittelten Werte können als analoge oder digitale Ausgangssignale in die An lagen- und Maschinensteuerung eingespeist werden. Ritzgräben exakt erfassen Eine weitere Anwendung in der Leiterplattenfertigung ist das Ritzen von Sollbruchstellen in sogenannte Nutzen – Leiterplatten, die die Produktion als eine einzelne, große Leiterplatte durchlaufen. Diese Bündelung ist aus produktionstechnischen Opto NCDT 1420 zum Einsatz. Dieser ist aufgrund seiner Kombination aus Geschwindigkeit und Präzision bei gleichzeitig kompakter Bauform für diese Anwendung geeignet. „Der Sensor detektiert inline, ob die Keilnuten exakt in die Platten eingefräst wurden“, so Winkler. Ist der Ritzsteg zu dünn, würden die Platten während des Produktionsprozesses von selbst brechen, was Maschinenschäden verursachen kann. Sind die Nuten nicht weit genug eingefräst, würden die Platten beim Trennverfahren ausfransen und ungleichmäßig brechen, wodurch viel Ausschuss entstehen kann. Mit bis zu 4 000 Messwerten pro Sekunde wurde dieser Laser- Triangulationssensor für dynamische Prozesse entwickelt trifft im Sensor auf eine Optik auf einer CMOS-Zeile. Beim schnellen Wechsel von einem hellen auf ein dunkles Objekt käme ohne die Active-Surface-Compensation zunächst zu wenig Licht auf der Emfpangsmatrix an. Beim schnellen Wechsel von dunkler Oberfläche zu glänzenden Objekten wäre die Intensität dagegen anfangs viel zu hoch. In beiden Fällen wäre das Ergebnis ungenau oder sogar unbrauchbar. Daher regelt der Micro-Epsilon- Sensor über die Active-Surface-Compensation die Gründen notwendig, weil sich die Platten dadurch einfacher bestücken lassen. Die Ritzgräben entstehen i. d. R. durch zwei gegenüberliegende Sägeblätter, die eine V-Nut in die Platinen schneiden, um die Platten gegen Ende des Produktionsprozesses wieder einfach und sauber voneinander trennen zu können. Der Ritzsteg hat dabei eine Breite von rund 400 µm. Die Ritzgräben von Leiterplattennutzen müssen exakt vermessen werden. Hier kommt ebenfalls der Lasersensor vom Typ Qualitätssteigerung inklusive Der Einsatz moderner Sensoren führt zu Qualitätssteigerungen und in Folge zu Ausschussverringerung und Kosteneinsparung. Der Lasersensor misst Weg, Abstand und Position mit einer Reproduzierbarkeit ab 0,5 µm sicher und zuverlässig. Sein Messfleck erfasst auch kleinste Bauteile wie Pins auf Leiterplatten präzise. Mit bis zu 4 000 Messwerten pro Sekunde wurde dieser Sensor für dynamische Prozesse wie den Einsatz in der Elektronikindustrie oder in der additiven Fertigungstechnik entwickelt. Bilder: Micro-Epsilon www.micro-epsilon www.industrielle-automation.net INDUSTRIELLE AUTOMATION 02/2020 11

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