Prozeßintegrierte Qualitätssicherung in der Elektronikproduktion

Unter dem Schlagwort "Qualität produzieren anstatt Qualität erprüfen” hat sich in der Produktionstechnik ein genereller Wandel in den verfolgten Ansätzen zur Qualitätssicherung vollzogen. Diese einfach anmutende Vorgehensweise gestaltet sich in der Elektronikproduktion jedoch weiterhin schwierig. Schon die Spezifikation der Qualität elektronischer Baugruppen ist durch unterschiedliche Anforderungen und Einsatzbereiche der Endprodukte sehr komplex. Die besonderen Problemstellungen der Elektronikproduktion zeigen sich im Zusammenwirken aufeinander folgender Fertigungsschritte und in der hohen Anzahl von Einflußgrößen auf die letztlich erreichte Produktqualität. Physikalisch-chemische Eigenschaften der Bauelemente und Leiterplatten, Kleber- und Lotmaterialien stehen mit den Fertigungsparametern von Lotpasten- oder Kleberauftrag, Bestücken und Löten über die gesamte Prozeßkette verteilt in Wechselwirkung. Der Stand der Forschung ist daher geprägt durch die intensive Auseinandersetzung mit den Qualitätseigenschaften und Versagensmechanismen elektronischer Baugruppen und dem ständigen Streben nach beherrschten Prozessen, die sich an die schnellen Innovationszyklen bei Produkten, Gehäuse- und Verbindungstechnologien anpassen müssen. Die Methoden zur Prozeßsicherung und zur Qualitätsprüfung werden jedoch noch weitgehend isoliert voneinander eingesetzt. Die Qualitätsprüfung wird in der Regel am Ende der Prozeßkette mittels visueller Prüfung und elektrischen Tests durchgeführt. Fehler werden so relativ spät erkannt, die Nacharbeit am fertigen Produkt ist mit hohen Kosten verbunden und die Rückwirkung auf die Prozesse kann zudem erst relativ spät erfolgen. Aufgrund der zunehmenden Miniaturisierung und Integration elektronischer Baugruppen verschärft sich die Problematik der visuellen Prüfung. Neben mangelhafter Treffsicherheit und Reproduzierbarkeit der Prüfergebnisse ist die Korrelation zwischen den verwendeten Sichtprüfkriterien und dem Ausfallverhalten der Baugruppen nicht zweifelsfrei gegeben. Die dadurch unnötig herbeigeführte Nacharbeit führt neben erhöhten Fertigungskosten zur Herabsetzung der Baugruppenqualität. Ziel der vorliegenden Dissertation war daher, die bisher getrennten Aufgabenfelder zur Prozeßsicherung und Qualitätsprüfung in einem geschlossenen Ansatz zusammenzuführen. Es wird eine prozeßintegrierte Qualitätssicherung vorgeschlagen, die der Qualitätssteigerung in der Elektronik bei gleichzeitig reduzierten Fertigungskosten dient. Parallel wird mit den entwickelten Werkzeugen eine durchgängig protokollierte und überwachte Produktion unterstützt. Das systematische Zusammenführen beherrschter Fertigungs- und Prüfprozesse in der Elektronikbaugruppenproduktion wird durch die Vernetzung der Prozeß- und Prüfdaten in einem gemeinsamen Informationsmodell ermöglicht. Das in einer relationalen Datenbank implementierte Informationsmodell ist die Grundlage für darauf aufsetzende Werkzeuge zur Analyse, Optimierung und Regelung der Fertigungsqualität. Um die prozeßintegrierte Erfassung der erforderlichen Prozeß- und Prüfdaten zu erreichen, werden in einem weiteren Schwerpunkt der Arbeit Systemlösungen zur automatisierten optischen Inspektion in der Baugruppenmontage entwickelt. Hierzu werden mögliche Verfahrensansätze analysiert und deren Einsatzpotential aufgezeigt. Mit dem Übergang zu Laser- und Röntgengestützten Inspektionsverfahren können prozeßbegleitend die Fertigungsprozesse deutlich besser charakterisiert und geführt werden. Bestehende Defizite bei der Sichtprüfung durch Prüfpersonal sowie die Schwächen von herkömmlichen CCD-kamerabasierenden Inspektionsverfahren werden hierbei überwunden. Die fertigungsintegrierte 3D-Laserinspektion des Lotpastenauftrags stellt einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu einer fehlerfreien Produktion reflowgelöteter Baugruppen dar, da dies ein besonders kritischer Fertigungsschritt in der Prozeßkette ist. Die Einsatzfähigkeit der 3D-Laserinspektion erfordert vor allem kurze Prüfzeiten und eine gute informationstechnische Einbindung, die durch eine CAD/CAM-Verfahrenskette für die optische Baugruppeninspektion sichergestellt wird. Mit der Entwicklung einer flexibel automatisierten Röntgeninspektionszelle wird der Elektronikproduktion ein geeigneter Prüfmonitor zur Verfügung gestellt, der sowohl die Aufgabe der Lötstelleninspektion zuverlässig erfüllt, als auch eine sehr gute Überwachung und Führung der Fertigungsprozesse erlaubt. Neben der direkten materialflußtechnischen Integration in die Fertigungslinie, besteht mit der flexiblen Prüfzelle eine interessante Alternative für die Einführung und Qualifizierung neuer Fertigungs-, Gehäuse- und Verbindungstechnologien. Um die verschiedenen Randbedingungen und Anforderungen an eine prozeß-integerierte Qualitätssicherung zu beherrschen, wird mit dem System FuzzCIass ein Werkzeug zu anwenderflexiblen Klassifikation und Regelung der Fertigungsqualität vorgestellt. Im selben Maße erlaubt der Einsatz lernender Verfahren auf der Basis Neuronaler Netze eine weitreichende Anwenderflexibilität. Am Beispiel einer spezifischen Aufgabenstellung zur Lötstelleninspektion mittels Röntgen wird die Tauglichkeit dieses Ansatzes nachgewiesen. Exemplarische Anwendungen der prozeßintegrierten Qualitätssicherung zeigen den Nutzen der entwickelten Werkzeuge und erlauben eine Bewertung der verschiedenen Vorgehensweisen, die stark von den jeweiligen Randbedingungen und eingesetzten Fertigungstechnologien abhängen. Die größten Potentiale lassen sich durch die Berücksichtigung der prozeßintegrierten Qualitätssicherung bei der Neukonzeption von Fertigungstechnologien erschließen. Das Beispiel eines kombinierten Bestück- und Laserlötprozesses mit integrierter Prozeß- und Prüfdatenerfassung weist auf die in weiterführenden Arbeiten noch zusätzlich zu erschließenden Potentiale hin.Under the slogan "Produce quality instead of checking quality", a general change in the pursued approaches to quality assurance has taken place in production technology. This simple-looking procedure continues to be difficult in electronics production. Even the specification of the quality of electronic assemblies is subject to different requirements. The special problems of electronics production are shown in the interaction of successive manufacturing steps and in the large number of influencing factors on the product quality ultimately achieved. Physicochemical properties of the components and printed circuit boards, adhesive and solder materials stand with the manufacturing parameters of Order of solder paste or slide, assembly and soldering in interaction across the entire process chain. The state of research is therefore characterized by the intensive examination of the quality properties and failure mechanisms of electronic assemblies and the constant striving for controlled processes that have to adapt to the fast innovation cycles in products, housing and connection technologies. However, the methods for process assurance and quality control are still used largely in isolation from one another. The quality check is usually carried out at the end of the process chain using visual and electrical tests. Errors are thus recognized relatively late, reworking the finished product is associated with high costs, and the effects on the processes can only take place relatively late. Due to the increasing miniaturization and integration of electronic assemblies, the problem of visual inspection is exacerbated. In addition to poor accuracy and reproducibility of the test results, the correlation between the visual inspection criteria used and the failure behavior of the modules is not without doubt. The resulting unnecessary reworking leads not only to increased manufacturing costs but also to a reduction in the quality of the assembly. The aim of the present dissertation was therefore to combine the previously separate tasks for process assurance and quality control in a closed approach. Process-integrated quality assurance is proposed, which serves to increase the quality of the electronics while at the same time reducing manufacturing costs. At the same time, a continuously logged and monitored production is supported with the developed tools. The systematic merging of controlled manufacturing and testing processes in electronics assembly production is made possible by networking the process and testing data in a common information model. The information model implemented in a relational database is the basis for tools based on it for analyzing, optimizing and regulating the manufacturing quality. In order to achieve the process-integrated acquisition of the required process and test data, system solutions for automated optical inspection in the assembly of modules are developed in a further focus of the work. For this purpose, possible procedural approaches are analyzed and their application potential is shown. With the transition to laser and X-ray-based inspection processes, the manufacturing processes can be characterized and guided much better during the process. Existing deficits in the visual inspection by inspection personnel as well as the weaknesses of conventional CCD camera-based inspection procedures are overcome. The production-integrated 3D laser inspection of the solder paste application represents an important step on the way to the faultless production of reflow-soldered assemblies, since this is a particularly critical manufacturing step in the process chain. The usability of the 3D laser inspection requires above all short test times and a good information technology integration, which is ensured by a CAD / CAM process chain for the optical assembly inspection. With the development of a flexibly automated X-ray inspection cell, a suitable test monitor is made available to electronics production, which reliably fulfills the task of solder joint inspection and also enables very good monitoring and control of the manufacturing processes. In addition to the direct material flow integration into the production line, the flexible test cell is an interesting alternative for the introduction and qualification of new production, housing and connection technologies. In order to master the various boundary conditions and requirements for process-integrated quality assurance, the FuzzCIass system is a tool for user-flexible classification and regulation of manufacturing quality. To the same extent, the use of learning methods on the basis of neural networks allows extensive user flexibility. The suitability of this approach is demonstrated using the example of a specific task for solder joint inspection using X-ray. Exemplary applications of process-integrated quality assurance show the usefulness of the tools developed and allow an evaluation of the different procedures, which strongly depend on the respective boundary conditions and the manufacturing technologies used. The greatest potential can be tapped by taking process-integrated quality assurance into account when redesigning manufacturing technologies. The example of a combined assembly and laser soldering process with integrated process and test data acquisition indicates the additional potential to be tapped in further work

Analyse und Entwicklung einer Softwarearchitektur für die intelligente, optische Inspektion

Durch die automatisierte Bildaufnahme und das Ausführen vordefinierter Bildverarbeitungsschritte haben Systeme der automatischen optischen Inspektion (AOI) die manuelle Inspektion in der Elektronikfertigung weitestgehend verdrängt. In den letzten Jahren wurden zahlreiche Ansätze untersucht, welche einzelne Aspekte der optischen Qualitätssicherung durch die Anwendung von Methoden der künstlichen Intelligenz (KI) deutlich verbessern. Darauf aufbauend stellt diese Arbeit ein Modell mit fünf Phasen vor, welches die Entwicklungsschritte auf dem Weg zur vollautonomen Inspektion abbildet. Um die Umsetzung dieses Modells zu tragen, zeigt diese Arbeit ein neues Architekturmuster auf, welches Lösungen auf Basis von künstlicher Intelligenz trainieren und ausführen kann. Die hohe Flexibilität der neuen Architektur ermöglicht die Auslieferungen auf einer Menge heterogener Systeme und damit viele Anwendungen von künstlicher Intelligenz über das Feld der optischen Inspektion hinaus.Automatic optical inspection is an essential quality control tool in modern electronics manufacturing. These systems have replaced mainly manual optical inspection through automated image acquisition and predefined image processing steps. Despite the large degree of automation, human experts are still indispensable at many steps in the inspection process and potential sources of error. Numerous approaches have been investigated that significantly improve individual aspects of optical quality assurance by applying artificial intelligence methods in recent years. This thesis presents a five-phase model that maps the development steps along this path to transform optical inspection towards reliable and fully autonomous inspection. The new model differs from previous approaches by taking a holistic view of quality control and considering all process steps. This work shows a new architecture pattern that can train and execute new solutions based on artificial intelligence to support this model. Due to its high flexibility, the new architecture can be applied to a heterogeneous set of systems via different deployments and can implement many different applications of artificial intelligence beyond the field of optical inspection. For the generalized description of AI solutions, this architecture is based on a set of objects defined in this thesis. An implementation of this architecture is discussed, and three experiments prove its applicability. The implementation of the described architecture is published under an OpenSource license

Verfahrensfortschritte in der robusten Echtzeiterkennung von Schriftzeichen

In den meisten industriellen Anwendungen sind schnelle und zuverlässige Algorithmen zur Zeichenerkennung gefordert. Dazu werden verschiedene Zeichensegmentierungsansätze vorgestellt, die sich größtenteils adaptiv an die Gegebenheiten in den Aufnahmen anpassen. Weiterhin wird ein Segmentierungsverfahren beschrieben, das mögliches Vorwissen mit berücksichtigt. Zudem wurden Kombinationen von Merkmalen und Klassifikatoren bezüglich deren Robustheit unter dem Einfluss von Rauschen untersucht

Informationsfusion in der Mess- und Sensortechnik

Die Entwicklung und Beherrschung der immer komplexer werdenden technischen Systeme führt in zunehmenden Maße zu Anforderungen an die Mess- und Sensortechnik, die mit dem Einsatz eines Einzelsensors oft nicht mehr erfüllt werden können. Dies hat in den letzten Jahren zu einem starken Entwicklungsschub für Multisensorsysteme und die Grundlagenforschung zur Fusion von Messdaten und Information aus unterschiedlichen Quellen geführt. Dieses Buch greift diese Entwicklung sowohl hinsichtlich ihrer theoretischen Grundlagen als auch wichtiger Anwendungsfelder auf

Konvolutionäre neuronale Netze in der industriellen Bildverarbeitung und Robotik

In the first part of this dissertation, a framework for the design of a CNN for FPGAs is presented, consisting of a preprocessing algorithm, an augmentation technique, a custom quantization scheme and a pruning step of the CNN. The combination of conventional image processing with neural networks is shown in the second part by an example from robotics, where an image-based visual servoing process is successfully conducted for a gripping process of a robot

Konvolutionäre neuronale Netze in der industriellen Bildverarbeitung und Robotik

In the first part of this dissertation, a framework for the design of a CNN for FPGAs is presented, consisting of a preprocessing algorithm, an augmentation technique, a custom quantization scheme and a pruning step of the CNN. The combination of conventional image processing with neural networks is shown in the second part by an example from robotics, where an image-based visual servoing process is successfully conducted for a gripping process of a robot