A.O.I

Was ist AOI?
AOI steht für Automated Optical Inspection, eine entscheidende Qualitätskontrolltechnologie, die in den Herstellungsprozessen von PCB und PCBA weit verbreitet ist. Sie verwendet hochauflösende Kameras, optische Sensoren und Maschinen-Vision-Algorithmen, um Defekte auf Leiterplatten kontaktlos automatisch zu erkennen.

So funktioniert AOI: Der Inspektionsprozess
Die automatisierte optische Inspektion (AOI) arbeitet als berührungsloses, bildbasiertes Qualitätskontrollsystem für die Leiterplatten-/Leiterplattenbaugruppenfertigung und nutzt hochauflösende Bildgebung, intelligente Algorithmen und Referenzvergleiche, um Oberflächenfehler zu erkennen. Der Inspektionsprozess folgt vier sequenziellen Kernelementen, um Präzision und Konsistenz in der Fertigungslinie sicherzustellen.

Vorinspektions-Setup und Kalibrierung
Bevor Leiterplatten gescannt werden, muss das AOI-System entsprechend dem spezifischen PCB/PCBA-Design konfiguriert werden:
Referenzdaten laden: Importieren Sie die CAD-Konstruktionsdatei der Zielplatine oder verwenden Sie eine Goldprobe – eine verifizierte fehlerfreie Platine – als Prüfbasis. Das System erfasst wichtige Parameter: Bauteilpositionen, Lötflächenabmessungen, Lötverbindungsformen und Leiterbahnlayouts.
Optische Parameterkalibrierung: Passen Sie die Beleuchtungsbedingungen an, um verschiedene Defektarten hervorzuheben. Zum Beispiel macht Seitenbeleuchtung die Höhe der Lötstellen sichtbar, während Durchlichtbeleuchtung Unterbrechungen in Leiterbahnen erkennt. Kalibrieren Sie den Kamera-Fokus und die Auflösung, um feine Details dichter oder miniaturisierter Bauteile zu erfassen.
Toleranzschwellen festlegen: Definieren Sie akzeptable Abweichungsbereiche für Bauteilplatzierung, Lötmenge und Polarität. Dies verhindert Fehlalarme, während kritische Fehler dennoch erfasst werden.

Bilderfassung
Die AOI-Maschine scannt die Oberfläche der Leiterplatte (PCB/PCBA), um hochwertige visuelle Daten zu erfassen:
Die Leiterplatte wird über ein automatisiertes Förderband in den Prüfbereich transportiert, um eine stabile Positionierung sicherzustellen.
Hochgeschwindigkeits-Industriekameras erfassen Bilder der Leiterplatte aus mehreren Blickwinkeln (2D oder 3D, je nach AOI-Modell). 3D-AOI nutzt Laserscanning zur Höhenmessung, wodurch eine genauere Detektion des Lötverbindungs-Volumens und der Bauteil-Koplanarität ermöglicht wird.
Das System fügt einzelne Bilder zu einer vollständigen, hochauflösenden Karte der gesamten Leiterplattenoberfläche zusammen, um eine lückenlose Inspektion zu ermöglichen.

Bildanalyse und Fehlererkennung

Dies ist der Kernelement-Schritt, bei dem das System Anomalien durch intelligente Vergleiche identifiziert:
· Pixelgenauer Vergleich: Das aufgenommene Bild der Leiterplatte wird mit dem vorgeladenen Referenzbild verglichen. Der Algorithmus analysiert Unterschiede in Pixeldichte, Form, Position und Farbe.
· Fehleridentifikation: Abweichungen, die über den voreingestellten Toleranzschwellen liegen, werden als potenzielle Fehler klassifiziert. Häufig erkannte Probleme sind:
· Bauteilbezogene Fehler: Fehlende Teile, Polaritätsvertauschung, Fehlausrichtung oder falsche Bauteiltypen.
· Lötstellenbezogene Fehler: Lötbrücken, unzureichendes Lot, kalte Lötstellen oder Tombstoning.
· Leiterplattenbezogene Fehler: Spurkratzer, fehlende Kontakte (Pads) oder Silkscreen-Fehler.
· 3D AOI-Verbesserung: 3D-Systeme ergänzen die Höhenmessung und Analyse, um zwischen akzeptablen Lötstellen und Fehlern wie unzureichendem oder übermäßigem Lot zu unterscheiden, die von 2D-AOI-Systemen möglicherweise übersehen werden.

Fehlerberichterstattung und Maßnahmen

Nach der Analyse generiert das System handlungsrelevante Ergebnisse für die Produktionsteams:
· Klassifizierung und Markierung von Fehlern: Die AOI sortiert Fehler nach Schweregrad und markiert deren genaue Position auf der Leiterplattenkarte. Kritische Fehler lösen sofortige Warnungen aus.
· Datenaufzeichnung und Berichterstattung: Detaillierte Inspektionsberichte werden gespeichert, einschließlich der Fehlerarten, -positionen und -häufigkeiten. Diese Daten unterstützen Rückverfolgbarkeit und helfen Ingenieuren, wiederkehrende Probleme zu identifizieren, um den SMT-Bestückungsprozess zu optimieren.
· Nachbearbeitung nach der Inspektion: Die Leiterplatte wird entweder zur Reparaturstation geleitet, um Fehler zu beheben, oder an die nächste Produktionsstufe weitergegeben, falls keine Fehler erkannt wurden.

Wesentliche Anwendungsstufen in der Leiterplattenfertigung

AOI wird an mehreren Kontrollpunkten eingesetzt, um eine qualitätssichernde Prozesskontrolle über die gesamte Fertigungskette hinweg zu gewährleisten:
· Vor-Ref low AOI: Überprüft die Genauigkeit der Bauteilplatzierung, Polarität und das Vorhandensein von Bauteilen vor dem Löten, um zu verhindern, dass fehlerhafte Bauteile in den Reflow-Ofen gelangen.
· Nach-Ref low AOI: Die häufigste Anwendung, bei der die Qualität der Lötverbindungen und die Integrität der Bauteile nach dem Reflow-Löten überprüft werden.
· Nach Montage AOI: Führt eine abschließende Inspektion der vollständigen PCBA durch, um sicherzustellen, dass sie den Konstruktions- und Industriestandards entspricht, bevor sie versandt wird.

Was prüft AOI?
Automatisierte optische Inspektion ist ein berührungsloses Qualitätskontrollwerkzeug für die PCB/PCBA-Fertigung, das darauf ausgelegt ist, oberflächliche Fehler zu erkennen, indem Bilder der Leiterplatte mit Referenzmustern oder CAD-Daten verglichen werden. Die Prüfungen umfassen drei Kernbereiche in verschiedenen Produktionsphasen:

PCB-Substratfehler

Vor der Bauteilbestückung prüft die AOI die nackte Leiterplatte auf strukturelle Integrität:
· Leiterbahnfehler: Kratzer, Unterbrechungen (offene Stromkreise), Kurzschlüsse oder falsche Leiterbahnbreiten.
· Pad-Probleme: Fehlende Pads, falsch ausgerichtete Pads, Pad-Oxidation oder unebene Pad-Oberflächen.
· Oberflächenfehler: Kontamination, Staubpartikel, Ablösen der Lackschicht, oder falscher Siebdruck (z. B. falsche Bauteilebeschriftungen).
· Bohrlochfehler: Nicht ausgerichtete Vias, fehlende Löcher oder über-/untermaßige gebohrte Löcher.

Bauteilplatzierungsfehler

Im Vorreflow-Stadium (nach Bauteilbestückung, vor dem Löten) überprüft AOI die Genauigkeit der Bauteileplatzierung:
· Vorhandensein/Nichtvorhandensein: Fehlende Bauteile oder zusätzliche (nicht geplante) Bauteile auf der Leiterplatte.
· Positionierungsfehler: Nicht ausgerichtete Bauteile, versetzte Platzierung oder Drehung außerhalb der Toleranz.
· Polaritätsfehler: Umgekehrte Bauteilepolarität.
· Falsche Bauteile: Falscher Bauteiltyp, falscher Wert oder nicht übereinstimmende Gehäusegröße.
· Anschlussfehler: Angehobene Anschlüsse, gebogene Anschlüsse oder Anschlüsse nicht ordnungsgemäß auf den Lötflächen sitzend.

Lötstellenfehler

Im Nachreflow-Stadium (nach dem Löten) liegt der Fokus von AOI auf der Lötqualität – dem häufigsten Prüfmerkmal:
· Unzureichendes Lot: Schwache, unvollständige Verbindungen, die ein schlechtes elektrisches Kontaktieren riskieren.
· Überschüssiges Lot: Klobige Verbindungen, die Kurzschlüsse verursachen können.
· Lötbrücken: Unerwünschte Lötverbindungen zwischen benachbarten Kontaktpads/-leitungen.
· Kalte Lötstelle: Matt, körnige Verbindungen mit schwacher Haftung, verursacht durch unzureichendes Erhitzen während des Reflows.
· Grabsteineffekt (Tombstoning): Bauteilverkippung (ein Ende hebt sich vom Pad ab) aufgrund ungleichmäßigen Schmelzens des Lots.
· Lötperlen: Kleine, lose Lötteilchen, die in dicht bestückten Leiterplatten Kurzschlüsse verursachen können.

Endkontrolle nach der Montage

Für vollständig montierte Leiterplatten führt AOI eine umfassende Endprüfung durch:
· Allgemeine Vollständigkeit der Bestückung und Einhaltung der Konstruktionsvorgaben.
· Beschädigungen von Bauteilen während des Lötprozesses oder durch Handhabung.
· Konformität mit Industriestandards für die Qualität von Lötverbindungen und Bauteilplatzierungen.

Die Prüfungen der AOI sind schnell, konsistent und nachvollziehbar – sie erzeugen detaillierte Fehlerberichte, um Herstellern bei der Optimierung der Produktionsprozesse und der Verringerung der Ausfallraten zu helfen.

Arten der AOI: 2D AOI vs. 3D AOI
Bei der Qualitätskontrolle von PCB/PCBA wird die Automatisierte Optische Inspektion (AOI) basierend auf Abbildungs- und Messprinzipien hauptsächlich in 2D AOI und 3D AOI unterteilt. Beide Technologien dienen der Fehlererkennung, unterscheiden sich jedoch erheblich hinsichtlich Genauigkeit, Anwendungsszenarien und Kerneigenschaften—insbesondere für moderne, hochdichte und miniaturisierte Leiterplatten.

2D AOI
Kernprinzip: Verwendet 2D-flächige Abbildungstechnologie, basierend auf hochauflösenden Industriekameras und mehrfach angeordnetem Beleuchtungssystem, um 2D-Bilder der Oberfläche von PCB/PCBA aufzunehmen. Es erkennt Fehler durch Vergleich der flächigen Form, Größe und Farbe von Bauteilen, Lötstellen und Leiterbahnen mit Referenz-CAD-Daten oder Golden-Samples.
Hauptmerkmale
· Vorteile:
Geringe Kosten für die Ausrüstung und einfache Wartung, geeignet für kleine und mittlere Betriebe mit grundlegenden Inspektionsanforderungen.
Schnelle Scanngeschwindigkeit, ideal für Hochvolumen-Fertigungslinien von Standard-PCBs.
Effektiv zur Erkennung planarer Fehler.
· Einschränkungen:
Erfasst nur oberflächennahe planare Informationen und kann Höhe und Volumen nicht messen. Oft führt dies zu Fehlbeurteilungen oder übersehenen 3D-bezogenen Fehlern.
Anfällig für Fehlalarme aufgrund von Änderungen des Beleuchtungswinkels oder Farbvariationen der Bauteile.
Weniger effektiv bei feinrasterigen Bauteilen und hochdichten PCBs.
· Typische Anwendungsszenarien
Prüfung vor dem Reflow-Löten bei niedrigdichten PCBs (Überprüfung des Vorhandenseins, der Polarität und der Platzierungstoleranzen).
Inspektion einfacher Lötverbindungsfehler auf Leiterplatten von Consumer-Elektronik.
Kostensensitive Produktionslinien mit grundlegenden Qualitätsanforderungen.

3D AOI
Kernprinzip: Kombiniert 2D-Flächenabbildung mit 3D-Höhenmesstechnologie (üblicherweise Lasertriangulation oder strukturierte Lichtabtastung). Es projiziert Laser- oder strukturiertes Licht auf die Oberfläche der Leiterplatte/PCBA, berechnet die 3D-Koordinaten jedes Punktes durch Analyse des Reflexionswinkels und der Verschiebung des Lichts und erstellt so ein vollständiges 3D-Modell der Platine. Die Fehlererkennung basiert sowohl auf planarer Position als auch auf Höhen-/Volumendaten.
Hauptmerkmale
· Vorteile:
Präzise Messung der Lötverbindungshöhe, des Volumens und der Komponentenebenheit – wodurch Fehlalarme aufgrund der Einschränkungen von 2D-Flächenabbildung vermieden werden. Es kann Fehler wie unzureichendes Lot, überschüssiges Lot, Tombstoning und angehobene Anschlüsse genau identifizieren.
Hohe Erkennungsgenauigkeit bei feinen Rastern und komplexen Bauteilen, wie sie häufig in Automotive-Elektronik, medizinischen Geräten und Luftfahrt-Leiterplatten verwendet werden.
Unterstützt quantitative Fehleranalysen und ermöglicht datengestützte Prozessoptimierung.
· Einschränkungen:
Höhere Geräteteuerung und längere Scanzeiten im Vergleich zu 2D-AOI.
Komplexere Kalibrierung und Wartung, erfordert professionelle Techniker.
· Typische Anwendungsszenarien
Nachbearbeitungsinspektion von hochdichten, hochpräzisen Leiterplatten.
Inspektion komplexer Lötverbindungen (BGA, QFN) und miniaturisierter Bauteile.
Produktionslinien mit strengen Qualitätsanforderungen.

AOI in der Leiterplatten- und SMT-Fertigung: Wichtige Anwendungsszenarien
Automatisierte optische Inspektion ist ein unverzichtbares Werkzeug zur Qualitätssicherung während der gesamten Leiterplattenfertigung und SMT-Bestückung. An kritischen Prüfpunkten im Produktionsprozess eingesetzt, ermöglicht sie eine frühzeitige Fehlererkennung, reduziert Nacharbeitkosten und gewährleistet gleichbleibend hohe Produktqualität. Im Folgenden sind die zentralen Anwendungsszenarien nach Produktionsstufe geordnet.

AOI-Anwendungen in der Leiterplattenfertigung (Leiterplatte-Inspektion)
AOI wird verwendet, um die strukturelle Integrität von unbestückten Leiterplatten vor dem Bestücken mit Bauteilen zu überprüfen und Fehler zu identifizieren, die während des Ätzens, Bohrens und der Lötstopplack-Aufbringung entstehen.

Inspektion nach dem Ätzen
· Zweck: Prüfung auf Leiterbahnfehler, die die elektrische Verbindung beeinträchtigen.
· Erkannte Fehler: Unterbrechungen (unterbrochene Leiterbahnen), Kurzschlüsse (unerwünschte Verbindungen zwischen Leiterbahnen), Abweichungen der Leiterbahnbreite, Unterätzen/Überätzen und fehlende Anti-Pads.
· Nutzen: Frühzeitige Erkennung schwerwiegender elektrischer Fehler, wodurch kostspieliger Nacharbeit nach der Bauteilbestückung vorgebeugt wird.

Inspektion nach Lötstopplack- und Beschriftungsdruck
· Zweck: Überprüfung der Genauigkeit der Lötstopplack-Abdeckung und des Beschriftungsdrucks.
· Erkannte Fehler: Abblättern des Lötstopplacks, falsch positionierte Lötstopplack-Fenster, Blasen im Lötstopplack, falsche Beschriftungsetiketten und verschmierte Beschriftungen.
· Nutzen: Stellt sicher, dass der Lötstopplack die Leiterbahnen vor Oxidation schützt und die Beschriftung bei der anschließenden Bauteilplatzierung und Fehlersuche hilft.

Inspektion nach dem Bohren/Via-Prüfung
· Zweck: Überprüfung gebohrter Löcher und Vias auf mechanische Genauigkeit.
· Erkannte Fehler: Fehlausgerichtete Löcher, zu große / zu kleine Vias, verstopfte Vias (unbeabsichtigte Blockierung) und fehlende Vias.
· Nutzen: Gewährleistet zuverlässige Verbindungen zwischen den Schichten bei mehrschichtigen Leiterplatten.

AOI-Anwendungen im SMT-Bestückungsprozess
SMT ist der Kern der PCBA-Produktion, und AOI wird in drei Schlüsselphasen eingesetzt, um die Bauteilplatzierung und Lötqualität abzudecken.

AOI vor dem Reflow-Löten
· Zeitpunkt: Nachdem die Bestückmaschinen die Bauteile platziert haben, bevor die Leiterplatte in den Reflow-Ofen gelangt.
· Zweck: Überprüfung der Platzierungsgenauigkeit der Bauteile vor dem Lötprozess – dies ist der kostengünstigste Prüfpunkt, um Fehler zu beheben.

Erkannte Fehler:
Bauteilfehler: Fehlende Bauteile, zusätzliche Bauteile, falscher Bauteiltyp / -wert, falsche Polarität.
Platzierungsprobleme: Bauteilversatz, Drehung außerhalb der Toleranz, angehobene Anschlüsse und Bauteile, die nicht richtig auf den Lötflächen sitzen.
Wert: Verhindert fehlerhafte Leiterplatten im Reflow-Ofen, reduziert Lotabfall und Nacharbeit.

Post-Reflow AOI
Zeitpunkt: Unmittelbar nachdem die Leiterplatte den Reflow-Ofen verlässt (das am häufigsten verwendete AOI-Szenario in der SMT).
Zweck: Überprüfung der Lötverbindungsgüte und der Integrität der Bauteile nach dem Löten.

Erkannte Fehler:
Lötfehler: Lötbrücken (Kurzschlüsse zwischen Lötflächen), ungenügendes Lot, überschüssiges Lot, kalte Lötstellen (schlechte Haftung), Tombstoning (Bauteilverkippung) und Lötperlen.
Bauteileschäden: Rissige IC-Gehäuse, verbogene Anschlüsse durch hochtemperaturbedingtes Reflow-Löten und verschobene Bauteile.
Wert: Stellt sicher, dass die Lötverbindungen den IPC-Normen entsprechen und verhindert Zuverlässigkeitsprobleme in Endprodukten.

Post-Assembly AOI
Zeitpunkt: Nach manuellem Einsetzen von Durchsteckbauteilen (falls zutreffend) und funktioneller Prüfung.
Zweck: Durchführung einer umfassenden Endprüfung der vollständig bestückten Leiterplatte.
Erkannte Fehler: Fehlende Durchsteckkomponenten, falsche manuelle Lötstellen, beschädigte Anschlüsse und Rückstände von Flussmittel oder Kontamination auf der Platinenoberfläche.
Wert: Dient als letzte Qualitätskontrolle vor dem Versand und stellt sicher, dass nur qualifizierte Produkte die Kunden erreichen.

Spezialisierte Anwendungsszenarien für hochzuverlässige Industrien

Für Branchen mit strengen Qualitätsanforderungen wird die AOI an spezifische Bedürfnisse angepasst:

· Automobilelektronik: 3D-AOI wird zur Inspektion von Leiterplatten für Motorsteuergeräte (ECUs) und ADAS-Systeme eingesetzt, wobei der Fokus auf der Lotverbindungskoplanarität und der Bauteilzuverlässigkeit unter Hochtemperaturbedingungen liegt.
· Medizingeräte: Die AOI überprüft Leiterplatten für Herzschrittmacher, Diagnosegeräte usw. und gewährleistet fehlerfreie Produkte, um den FDA- und ISO-13485-Normen zu entsprechen.
· Luft- und Raumfahrt & Verteidigung: Hochpräzise 3D-AOI prüft miniaturisierte, hochdichte Leiterplatten für die Avionik und erkennt Mikrofehler, die in extremen Umgebungen zu einem Systemausfall führen könnten.