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11.02.2010

Ronden im Rundlauf

Optisches Inspektionssystem prüft Elektronik-Basisplatten

Quadratische oder kreisförmige Scheiben aus Molybdän (Ronden) müssen höchste Ansprüche erfüllen, nur so ist eine fehlerfreie Funktion der darauf aufbauenden Leistungselektronik-Bauelemente möglich. Für die Prüfung der Basisplatten entwickelte der Mainzer Systemintegrator IMSTec mit Bildverarbeitungskomponenten von Stemmer Imaging, Puchheim, ein optisches Hochgeschwindigkeits-Inspektionssystem. Damit prüft ein Rondenhersteller seine Produkte zu 100 Prozent auf Maßgenauigkeit, Oberflächenqualität und Planarität.

Leistungselektronik ist im wahrsten Sinne des Wortes ein heißes Thema: Bei Endstufen oder Leistungsschaltern kann viel Verlustleistung anfallen, die man in Form von Wärme ableiten muss, damit die empfindlichen Schaltungen nicht einen vorzeitigen Hitzetod sterben. Realisiert wird diese Wärmeableitung oft mit so genannten Ronden. Dabei handelt es sich um quadratische oder kreisförmige Scheiben aus Molybdän, die als Basisplatten für Halbleiterbausteine dienen. Für eine optimale Wärmeableitung müssen diese Scheiben einen besonders innigen Flächenkontakt zur Elektronik bieten.

Für den Mainzer Systemintegrator IMSTec entstand aus diesem Thema ein interessanter Auftrag: Ein Rondenhersteller wollte seine Produkte vor der Weiterverarbeitung in großen Mengen und zu 100 Prozent in Bezug auf Maßgenauigkeit, Oberflächenqualität und Planarität prüfen. Nur wenn die Ronden in allen Anforderungen höchste Ansprüche erfüllen, ist eine fehlerfreie Funktion der später darauf aufbauenden Leistungselektronik-Bauelemente möglich.

Die Vorgaben an die geplante Anlage waren dabei vielfältig und betrafen nicht nur die Genauigkeitsanforderungen bei den einzelnen Prüfungen. So sollten die Ronden z.B. als Schüttgut angeliefert werden, um ein einfaches Befüllen der Anlage zu ermöglichen. Aus der zu prüfenden Ronden-Stückzahl ergab sich eine Taktzeit von weniger als 0,7 s. Ausgehend von den Testergebnissen sollten die Ronden anschließend nach Qualitätsklassen sortiert und diejenigen Produkte ausgesondert werden, welche die Qualitätsmerkmale nicht erfüllen.

Zudem sollte die Maschine als Insellösung arbeiten und mit einer Produktbefüllung ohne weitere Betreuung mindestens eine Schicht lang laufen können. Dem Anwender waren zudem Statistiken über Produktqualität und Fehlerverteilung in Form von Listen beziehungsweise Histogrammen wichtig. Für IMSTec war schnell klar, dass viele dieser Anforderungen nur durch den Einsatz von Bildverarbeitung lösbar sind.

Hochgenaue 2D- und 3D-Prüfungen

Die Ronden müssen strenge Spezifikationen in Bezug auf Stärke, Abmessungen, Oberflächenqualität und Planarität einhalten. Da sie nicht nur in unbeschichteter Ausführung, sondern auch mit unterschiedlichen Metallbeschichtungen vorliegen, war auch eine Inspektion der Beschichtungsqualität Teil der Spezifikationen. Geprüft werden in der inzwischen realisierten Anlage die Scheibenstärke, die geometrischen Abmessungen, die Oberflächenqualität und die Scheibenplanarität entlang zweier orthogonaler Linien.

Die erreichte Auflösung bei den geometrischen Messungen betrug dabei zirka 5 µm für Kantenlängen- beziehungsweise Durchmessermessungen im Bereich von 3500 bis 16000 µm. Bei den Planaritätstests lag die Messlatte ebenfalls hoch: Hier mussten Abweichungen von den erlaubten Verbiegungen von wenigen Mikrometern zuverlässig detektiert werden.

Darüber hinaus werden Oberflächentests durchgeführt, die Merkmale wie Flächenfarbe, Beschichtungsfehler, Verfärbungen und oberflächliche Kratzer auf beiden Rondenseiten prüfen. In einer stereoskopischen Oberflächen- und Topografieprüfung werden die Ronden zudem auf Blasen, tiefe Kratzer und verbogene Ecken beziehungsweise Kanten untersucht und klassifiziert.

Diese Messaufgaben werden mit sechs verschiedenen Messstationen gelöst. Die Stationen sind kreisförmig um einen Drehteller herum angeordnet, der die Ronden zu den einzelnen Prüfpositionen heranführt. Zur Befüllung des Drehtellers werden die Ronden zunächst über einen Vibrationskessel und ein Förderband vereinzelt, in eine definierte Lage gebracht und auf dem Drehteller fixiert. Die Rondenpositionen auf dem Drehteller sind mit Durchbrüchen versehen, sodass eine Inspektion von oben und unten möglich ist.

An den einzelnen Prüfstationen kommen unterschiedliche Bildverarbeitungskomponenten zum Einsatz. So wurde die Oberflächenprüfung der Ronden mithilfe einer Farbkamera mit telezentrischer, verzerrungsarmer Optik und einer koaxialen Beleuchtung mit halbdurchlässigem Spiegel realisiert. An einer weiteren Position erkennt ein ähnlich aufgebautes System die Oberflächenfehler an den Unterseiten der Ronden.

Bild 1. Oberflächen- und Geometrietest an einer runden Ronde. Im Geometrietest wird der Durchmesser mittels der rot umrandeten Felder ermittelt.

Bild 1. Oberflächen- und Geometrietest an einer runden Ronde. Im Geometrietest wird der Durchmesser mittels der rot umrandeten Felder ermittelt.

Die gleiche Kamera-Optik-Kombination erfüllt zudem noch eine weitere Aufgabe: Zusammen mit einer unter dem Drehteller angebrachten Durchlichteinheit nimmt sie eine Konturmessung der Prüflinge vor und misst bei runden Ronden den Durchmesser, bei quadratischen Ronden die Kantenlänge (Bild 1).

Vielfältige Bildverarbeitungstests

Eine stereoskopische Prüfung der Rondenoberflächen auf Unregelmäßigkeiten, die über die Oberfläche hinausragen, wurde an zwei weiteren Positionen des Drehtellers realisiert. Beispiele für solche Unregelmäßigkeiten sind Blasen, tiefe Kratzer oder verbogene Ecken beziehungsweise Kanten. Die Bildverarbeitungslösung für diese Aufgabe besteht aus einer Monochrom-Kamera mit Optik und je vier LED-Beleuchtungseinheiten, die jeweils in quadratischer Anordnung entlang der Rondenseiten angeordnet sind.

Die Untersuchung erfolgt jeweils mittels zweier Aufnahmen. In der ersten Aufnahme beleuchten zwei um eine Ecke des Prüflings angeordnete LED-Einheiten das Objekt, in der zweiten Aufnahme die beiden gegenüberliegenden LED-Leuchten. Bei Fehlern entstehen auf diese Weise unterschiedliche Bilder. Nach einer anschließenden Subtraktion der beiden Bilder bleiben nur noch die Unterschiede zwischen beiden Aufnahmen sichtbar – also die Anomalien, die sich senkrecht über die Rondenebene erheben (Bild 2). Auch hier sorgt ein identisches System in der nächsten Drehtellerposition für die Prüfung der Rondenunterseiten.

Bild 2. Stereometrischer Test auf Unebenheiten. Zwei Aufnahmen der gleichen Ronde werden mit jeweils um 180 Grad versetzter Beleuchtung erfasst und voneinander subtrahiert, sodass nur die unterschiedlichen Bildpartien sichtbar bleiben.

Bild 2. Stereometrischer Test auf Unebenheiten. Zwei Aufnahmen der gleichen Ronde werden mit jeweils um 180 Grad versetzter Beleuchtung erfasst und voneinander subtrahiert, sodass nur die unterschiedlichen Bildpartien sichtbar bleiben.

Die letzte Station überprüft die Rondenplanarität (Bild 3). Dazu werden mit zwei Lasern samt Projektionsoptik Linien unter flachem Einfallswinkel über Kreuz auf die Ronden projiziert. Die Bilder nimmt eine Monochrom-Kamera auf. Bei guter Planarität erscheinen die Linien gerade. Ist die Ronde jedoch großflächig verbogen,werden auch die projizierten Linien als krumm erkannt. Dementsprechend kann man aus der Durchbiegung der Linien direkt auf Planaritätsfehler des Prüflings schließen.

Bild 3. Planaritätstest mittels zweier projizierter Laserlichtlinien

Bild 3. Planaritätstest mittels zweier projizierter Laserlichtlinien

Die auf den verschiedenen Stationen erfassten Bilder werden jeweils per FireWire-Schnittstelle an die Bildauswertungsrechner des Systems übertragen und analysiert. Anhand der Ergebnisse dieser Auswertungen nimmt der Steuerungsrechner des Systems eine Gut-/Schlecht-Bewertung vor. Diese Klassifizierung dient anschließend der Steuerung der Weichen, mit deren Hilfe die Ronden in die entsprechenden Ausgangsbehälter (Gut, Schlecht oder diverse Qualitätsklassen) sortiert werden. Zusätzlich erfasst der Steuerungsrechner die Prüfergebnisse in einer Statistik, die der Bediener in verschiedenen Listen- oder Histogrammdarstellungen abrufen kann.

Flexible Lieferanten

Ein Projekt zur Entwicklung einer Sondermaschine durchläuft vom ersten Konzept bis zur fertigen Maschine eine Reihe von Phasen, in denen sich die Anforderungen an die eingesetzten Komponenten verändern können. Dabei ist es entscheidend, dass die Lieferanten schnell und flexibel auf diese Veränderungen reagieren, um den Zeitplan des Projekts nicht zu gefährden.

IMSTec-Entwicklungsleiter Dr. Christian Laue ist mit der Leistung seines Lieferanten sehr zufrieden: „Wir haben alle Komponenten der optischen Prüftechnik in unserer Anlage über Stemmer Imaging bezogen. Mit den Spezialisten dieses Unternehmens arbeiteten wir schon in früheren Projekten erfolgreich zusammen und profitierten dabei von ihrer kompetenten Betreuung und Beratung.“ Für die Entwicklung der Rondenprüfanlage stellte Stemmer Imaging leihweise Komponenten für Experimente in den IMSTec-Labors zur Verfügung.

Nach dem positiven Abschluss der Machbarkeitsstudie erhielt IMSTec den Auftrag für Konstruktion und Herstellung der Prüfanlage. Nun galt es, Handling-Mechanismen, Kameras, Objektive, Lichtquellen und weitere Komponenten in einer gemeinsamen Struktur zu integrieren und weitere Optimierungen vorzunehmen. „In dieser Projektphase konnten wir gemeinsam mit den Anwendungsspezialisten in den Labors von Stemmer Imaging weitere Versuche vornehmen und so Lösungen für Detailprobleme finden“, sagt Dr. Matthias Löffler, Bereichsleiter für Mess- und Prüftechnik bei IMSTec. Die enge Zusammenarbeit zwischen Systemhaus und Komponentenlieferanten war dabei aus Löfflers Sicht mitentscheidend für den Erfolg des Projekts.

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