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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Leiterplatten-Prüfvorrichtung
mit einem Prüfstiftadapter
sowie ein Verfahren zum Einstellen des letzteren. Diese Technik
dient dazu, das Standard-Grundkontaktraster der elektronischen Prüfvorrichtung
für einseitige
oder ML-artige Verdrahtungsträger
wie Leiterplatten, Keramiksubstrate und dergl. an die nicht notwendigerweise
rastergebundenen Kontaktstellen der zu prüfenden Leiterplatte (Verdrahtungssubstrat,
Prüfling)
anzupassen, wobei die Kontaktstellen bzw. -punkte in Form sehr kleiner
und sehr dicht angeordneter Metallkontakt- bzw. -anschlußflächen, der
sogen. "Pads", auf einer oder
beiden Seiten des Prüflings
für SMD-Bauteile
und/oder Anschlußlöcher (durchkontaktierte
Bohrungen) für
Bauteile mit Drahtanschlüssen
vorliegen. Im Fall für
die hier in Frage stehenden Prüfungen
sind die Leiterplatten noch nicht mit solchen aktiven elektrischen
bzw. elektronischen Bauteilen bestückt. In diesem Zusammenhang
sei darauf hingewiesen, daß die
derzeit bevorzugten Adapter sogen. Prüfstiftadapter sind, die Prüfstifte
enthalten und in den derzeit in der Diskussion befindlichen Leiterplatten-Prüfvorrichtungen
zum Prüfen
sowohl ein- als auch zweiseitiger Leiterplatten dienen. Andere "Kontaktelemente" sind als Prüfstifte
ebenfalls vorstellbar – bspw.
als sogen. "Vertikalleiter-Gummiplatten", d. h. Gummimatten
mit feinverteilt rechtwinklig zu den Oberflächen in diesen angeordneten
Kontaktdrähten
oder sogen. Elastikmatten, die durch örtliche Druckbelastung in diesem
Bereich elektrisch leitend werden, wie aus dem Stand der Technik
bekannt.
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Was
das Prüfen
unbestückter
Leiterplatten anbetrifft, wurde die Prüfbarkeitsgrenze in der Vergangenheit
hauptsächlich
durch die Konfigurationsmöglichkeit
der Kontaktprüfstifte
im Adapter und durch die Kontaktdichte der Anschlußflächen (Grundraster)
der Leiterplatten-Prüfvorrichtung
bestimmt. Mit zunehmender Miniaturisierung elektrischer Bauteile
sind jedes Jahr die Abmessungen der Leiterbahnen und Anschlußflächen noch
kleiner geworden und hat deren Dichte auf den zu prüfen Leiterplatten
weiter zugenommen. Gleichzeitig mußten die Platten für die nutzenbasierte
Produktion auf verhältnismäßig große Normformate
vergrößert werden,
d. h. die Standardformate enthalten eine Anzahl identischer Platinen
oder gedruckte Schaltungen, um den wirtschaftlichen Nutzen der Fertigung
letzterer zu erhöhen.
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Es
entsteht daher in immer größerem Maße das Problem,
daß die
Prüfstifte
in dem Halterungselement des Adapters sich bezüglich der Verbindungsstrukturen
(Anschlußflächen, Pads,
Bohrungen) auf der Leiterplatte nicht mehr genau genug anordnen
lassen. In vielen Fällen
erhält
man deshalb fehlerhafte und/oder falsche Kontaktpunkte. Diese fehlerhaften
Kontakte machen eine zuverlässige
elektrische Prüfung
der Leiterplatten äußerst schwierig,
wenn nicht unmöglich.
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Die
Ursachen dieses Problems liegen (wenn auch in verringertem Maßstab) im
Adapter und vor allem im Prüfling
selbst. Der Einfluß des
Adapter auf die Abweichung der Kontaktpunkte vom Zielwert resultiert
aus sowohl den Ferti gungstoleranzen der verschiedenen Adapterteile
als auch aus dem erforderlichen Freiraum bspw. zwischen den Prüfstiften
und deren Führungen
(bspw. eine Anzahl gebohrter Plexiglastafeln als Stützelemente)
im Adapter: Genauigkeit
typischer Prüfadapter
(ohne Temperatureinflüsse
beim Prüfen)
| Abweichungs
des Orts der Spitze des Kontaktelements von der Mitte des Führungselements | ±20μm/±0.8 mit |
| Gesamtfreiraum
zwischen dem Führungselement und
dem Führungsloch
im Einsatz | ±25μm/±1.0 mil |
| Ortstoleranz
der Führungslöcher im
Einsatz | ±5μm/±0.2 mil |
| Resultierende
Gesamtabweichung | ±50μm/±2.0 mil |
"mil" bedeutet hier 10
–3 inch – diese
Längeneinheit
ist in der Leiterplattenindustrie generell akzeptiert und beträgt 0,0254
mm.
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Der
Temperatureinfluß bei
der Fertigung und dem Einsatz des Adapters läßt sich verhältnismäßig leicht
durch Klimatisierungsmaßnahmen
begrenzen, die daher für
die weiteren Betrachtungen nicht mehr berücksichtigt sind.
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Weit
schwieriger zu kontroller sind die Unterschiede der geometrischen
Strukturen auf dem Prüfling, d.
h. auf der zu prüfenden
Leiterplatte. Diese lassen sich in relative Positionsverschiebungen
des gesamten Leiterbildes, die sich Aufnahmefehlern während der
Belichtung zuschreiben lassen) und Verzerrungen innerhalb des Bildes
unterscheiden, die bei irreversiblen thermischen Prozessen im Prüfling oder
beim Belichten der gedruckten Schaltung verwendeten Films auftreten.
Infolge der Fertigungsprozesse (Bohren, Belichten, Heißverzinnen
usw.) liegen mindestens vier voneinander unabhängige Fehlerquellen vor, die
die genaue Position der Leiterbahnen und Anschlußflächen auf der Leiterplatte beeinträchtigen,
d. h. die Löcher
in der Leiterplatte, die Oberflächenstrukturen
auf der Unter- und der Oberseite und die Außenkontur müssen als vier in sich unabhängige Gesamtstrukturen
betrachtet werden.
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Jede
diese Strukturen beseitzt ihre eigenen speziellen Verzerrungs- bzw.
Verformungseigenschaften, die die Gesamtgeometrie des Nutzobjekts
beeinträchtigen.
Die gegenseitige Orientierung dieser Strukturen läßt sich
beschreiben durch eine Verschiebung bzw. Verzerrung in X- und Y-Richtung
und durch eine Drehung. Für
die einzelne Leiterplatte im Nutzen lassen die Verzerrungen sich
ausreichend genau als reine Verschiebungen und Drehungen darstellen.
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Heute
wird typischerweise eine "Mischtechnologie" eingesetzt. In letzterer
werden sowohl Teile mit Drähten
für den
Anschluß an
Kontaktlöcher
als auch SMD-Bauteile für
den Anschluß an
Pads auf einer Leiterplatte benutzt. Der Grund für die Notwendigkeit diese Mischtechnologie
ist, daß eine
Anzahl elektronischer Bauteile wie bspw. Prozessoren in hochpoliger
PGA-Form (PGA = pin grid array) in SMD-Form nicht erhältlich sind.
Auch Wirtschaftlichkeits- und andere technische Überlegungen führen zu
dieser Mischtechnologie.
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Die
für reine
Oberflächenmontage
gefertigten Leiterplatten lassen sich mit Hilfe konischer Paßstifte ausrichten,
deren optimale Position von Hand oder optisch bestimmt worden ist.
Diese Art der Ausrichtung funktioniert aber für einen großen Anteil der heute eingesetzten
Leiterplatten der erwähnten
Mischtechnologie nicht, da die große Anzahl konischer Prüfstifte
bzw. Kontaktelemente zum Kontaktieren der Anschlußlöcher beim
Aufdrücken
auf den Prüfung
diesen unbeabsichtigt in eine falsche Lage bringen und damit den
Justiereffekt von bspw. zwei Paßstiften
zunichte macht.
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Die
EP-A-0 508 561 A1 zeigt eine Vorrichtung zum elektronischen Prüfen von
Leiterplatten mit einer Vielzahl allgemein paralleler Prüfstifte,
die zwischen ihren Enden einen Abschnitt aufweisen, der verjüngt ist bzw.
einen verringerten Durchmessers hat. Weiterhin enthält eine
Platte eine Vielzahl von Bohrungen, in die die Prüfstifte
mit ihren verjüngten
Abschnitten eingesetzt sind, wobei die Platte sich an Schultern
an den Enden der verjüngten
Abschnitte anlegt, um die Prüfstifte
in der Prüfvorrichtung
festzuhalten. Jede Verschiebung der Prüfstifte relativ zu einander
erfolgt ggf. nur in deren Axialrichtung, d. h. eine Bewegung der
Prüfstifte
parallel zur Leiterplatte auch nur zum Zweck des Ausgleichs von
Fertigungsfehlern am genauen Ort einer der Kontaktflächen auf
den zu prüfenden
Leiterplatten findet nicht statt.
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Die
US-A-5 225 777 offenbart eine Prüfstiftanordnung
hoher Dichte sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Die Prüfstift-
bzw. Sondenaordnung weist eine Vielzahl drahtartiger Sondenelemente
auf, deren offenliegende Spitzen auf den Mittelpunkten X und Y entsprechend
dem Mittelpunkten der eng beabstandeten Kontaktflächen eines
VLSI-Schaltkreises angeordnet sind. Die Verbindungen zu und von
den Sondenelementen (zum Anschluß an externe Prüfgeräte) erfolgen
durch eine mehrelagige Anordnung von isolierenden und elektrisch
leitfähigen
Schichten im Körper
der Sondenanordnung. Die Spitzen der Sondenelemente sind aus der
Vertikalen schräggestellt,
so daß,
wenn die Sondenanordnung auf einen VLSI-Schaltkreis herabgedrückt wird,
sie sich gleichmäßig seitlich
in nur einer Richtung ausbiegen und beim Berühren der Anschlußflächen des
VLSI-Schaltkreises ein "wischender" Kontakt zusammen
mit der normalen Soll-Kontaktkraft entsteht. Das Problem der durch
unvermeidbare Fertigungstoleranzen seitlich versetzten Kontaktflächen oder
Pads auf dem Prüfling
wird in dieser Druckschrift nicht einmal erwähnt.
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Das
US-Patent 4,820,975 beschreibt einen Apparat zum Testen von Leiterplatten
und umfaßt
zwei Testköpfe,
d. h. einen für
jede Seite der Leiterplatte. Jeder Testkopf trägt ein Raster von federbelasteten
Stiften zum Herstellen eines elektrischen Kontakts mit den Kontaktflächen auf
der Leiterplatte. Jeder Testkopf umfaßt auch zwei Faseroptik-Bildführungen
zum Betrachten von Ausrichtmarken an diagonal entgegengesetzten Ecken
der Leiterplatte, um so das Maß der
Fehlausrichtung zwischen dem Kopf und der Leiterplatte anzuzeigen.
Die Ausrichtung kann mit Hilfe von Linearantriebsmechanismen eingestellt
werden, die es erlauben, die Position des Testkopfes in zwei Richtungen
im Verhältnis
zur Leiterplatte einzustellen.
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Das
deutsche Patent
DE
29 33 862 C2 zeigt zwei Plattenadapter zum Testen von Leiterplatten
und bildet den Ausgangspunkt für
die vorliegende Erfindung. Eine Anzahl von Prüfstiften zum Kontaktieren der
zu prüfenden
Leiterplatte werden durch zwei Adapterplatten gehalten und geführt, die
mit Hilfe des gleichen Bohrprogramms gebohrt worden sind wie die
plattierten Durchgangslöcher,
die die Kontaktpunkte der zu testenden Leiterplatte bilden. Die
Spitzen der Teststifte kontaktieren die Leiterplatte an Kontaktpositionen,
die wie erforderlich positioniert sind, während die entgegengesetzten
Enden der Kontaktstifte in Kontakt mit dem normalen Kontaktraster
auf der Leiterplattentestvorrichtung ausgelenkt werden. Diese zum
Stand der Technik gehörende Druckschrift
erkennt nicht und löst
auch nicht das Problem, daß die
Kontakte der Leiterplatte nicht an derjenigen Stelle sein müssen, wo
sie als Resultat des Herstellungsprozesses erwartet werden.
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Die
beigefügte 1 der
Zeichnung zeigt die theoretisch beabsichtigte Anordnung der Kontaktelemente
oder Prüfstifte
beim zweiseitigen Prüfen
einer Leiterplatte B, die unter Anwendung herkömmlicher Adaptierungstechnologie
geprüft
wird. Hier wird die Leiterplatte mit Paßstiften T in der Sollage gehalten; die
Flächen
der durchkontaktierten Anschlußlöcher werden
mit verhältnismäßig massiven
Stiften H im Bereich von sehr kleinen und sehr dicht angeordneten
Anschlußflächen oder
Pads auf der Oberseite mit dünnen
und sehr dicht angeordneten Stiften S kontaktiert.
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Die 2 zeigt
die fehlerhafte Ausrichtung, die sich aus den unvermeidbaren Toleranzen
bei der Herstellung der Paßstifte,
der Prüfstifte
und der zu prüfenden
Leiterplatte B ergeben; diese Fehler gelten für eine mehr oder weniger große Anzahl
Stifte S im Verhältnis
zu den sehr kleinen Kontaktflächen
für die
zugeordneten SMD-Bauteile, was bei herkömmlicher Kontaktierungstechnologie
zu entsprechend fehlerhafter Kontaktgabe der Prüfstifte S resultiert. Da die
Löcher
in der Leiterplatte B (zum Herstellen der mindestens zwei Bezugs-
bzw. Paßlöcher für die Paßstifte
T und der meistens zahlreichen Durchkontaktierungen für die Prüfstifte H)
in anderen Bearbeitungsphasen in die gedruckte Schaltung eingebracht
werden als die Kontaktflächen
für SMD-Bauteile,
ist es in der Praxis trotz ausreichender Miniaturisierung der Verbindungs-
und Anschlußstrukturen
auf der zu prüfenden
Leiterplatte B nicht möglich
zu vermeiden, daß die
Löcher
und die gedruckte Schaltung gemeinsam mit den Anschlußflächen sich
erheblich gegeneinander verschieben, was beim Einsatz herkömmlicher
Kontaktierungstechnologie beim Prüfen der Leiterplatte B zu den
in 2 gezeigten Kontaktierungsfehlern an einer oder
mehreren Anschlußflächen für SMD-Bauteile
durch die Stifte S und damit zu entsprechenden Meßfehlern
beim Prüfen
der Leiterplatte B führt.
Die oben beschriebene Fehlausrichtung wird nicht einfach nur durch
die potentielle fehlerhafte Ausrichtung der Löcher relativ zur gedruckten
Schaltung verursacht, sondern zu einem erheblichen Teil auch durch
die Tatsache, daß infolge
der Vorgehensweise bei der Fertigung der gedruckten Schaltung diese
in letzter Analyse von ihren theoretisch bestimmten oder beabsichtigen
Orts- und Abmessungswerten abweicht, d. h. man erhält eine
in sich verformte oder verzerrte oder geworfene Platine B.
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Da
jedoch die Führungslöcher für die Stifte
T, H und S in der Platine TF oder BF (TF = Oberadapter, BF = Unteradapter;
S = Prüfstift
für SMD-Kontaktflächen; H
= Prüfstift
für Anschlußlöcher) nicht
so eingebracht werden können,
daß sie
derartige zufällige
Abweichungen berücksichtigen,
und selbst bestimmten Lageungenauigkeiten und -toleranzen unterliegen,
ist klar, daß bei
der herkömmlichen
Adaptierungstechnologie mit zunehmender Miniaturisierung der zu
prüfenden
Leiterplatten und zunehmender Dichte insbesondere der Anschlußflächen oder
Pads für
SMD-Bauteile es zunehmend schwierig, wenn nicht unmöglich wird,
auf allen Kontaktpunkten der zu prüfenden Leiterplatte gleichzeitig
eine ausreichend genaue Kontaktierung zu erreichen.
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Eine
weitere Ursache einer fehlerhaften Kontaktgabe auf zu prüfenden Leiterplatten,
die bei der herkömmlichen
Adaptierung trotz der (angenommenen) Fixierung des Prüflings in
einer Sollage mittels der Paßstifte
T zu beobachten ist, basiert darauf, daß beim Aufpressen der Leiterplatte
auf die möglicherweise
sehr zahlreichen Prüfstifte
H im Prüfverlauf
letztere unter bestimmten Umständen
den vorgesehenen beabsichtigten Ausrichteffekt der Paßstifte
aufheben. Da nämlich
der genaue Ort der einzelnen Prüfstifte
H mit in durchkontaktierte Bohrungen eingreifender Konusspitze natürlich ebenfalls
bestimmten Schwankungen unterliegt, und zwar nicht nur bezüglich des
Orts der Bohrungen, die die Stifte H aufnehmen sollen, sondern auch
wegen der nicht immer genau mittig liegenden Konusspitzen dieser
Stifte H, kann es vorkommen, daß die
Istposition der Leiterplatte B im zur Prüfung druckbeaufschlagten Zustand
weit mehr von der großen
Anzahl der Prüfstifte H
als von den – meistens – zwei Paßstiften
T abhängt
und daher zufällig
wird.
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Eine
Lösung
dieses Problems wird unten anhand der 3 erläutert, die
eine mögliche
Form der Ausführung
der Erfindung anhand eines Ausschnitts aus einer neuartigen Leiterplatten-Prüfvorrichtung
mit einem neuartigen Stiftadap ter auf der Ober- und der Unterseite
eines Prüflings
B zeigt. Diese Lösung
verwendet eine Vielzahl von Bereichen der Stützelemente, welche Bereiche – bspw.
in verschiedene Ebenen unterteilt und auf einer bestimmten Seite
des Prüflings
B angeordnet – als
Adapterplatten vorliegen, die frei und voneinander unabhängig relativ
zum Prüfling
positionierbar sind. So zeigt die 3 das Wesen
der neuartigen Adaptierungstechnologie, die sich vor allem dadurch
auszeichnet, daß die
Prüfstifte
S zum Kontaktieren der sehr kleinen und dicht angeordneten Oberflächen-Anschlußflächen für SMD-Bauteile
auf der Leiterplatte sich in Löchern
in Bereichen des Führungselements,
nämlich
in einer Adapterplatine BF bzw. TF, die in einem signifikanten Ausmaß parallel
zur Ebene der Leiterplatte relativ zu den Prüf- und Paßstiften H bzw. T und damit
relativ zum Prüfling
verschiebbar sind, wobei dieses Ausmaß mindestens dem größten anzunehmenden
Ausrichtfehler der Prüfstifte
S gegenüber
den zugeordneten Anschlußflächen der
zu prüfenden
Leiterplatte entsprechen muß.
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Für den Abstand
der verschiedenen Führungsplatten
eines Prüfstiftadapters
präsentiert
sich eine Reihenfolge, die selbst sowohl die Genauigkeitsanforderungen
an die von letzterer geführten
Prüfstifte
als auch deren mechanische Stabilität berücksichtigt; die schlankeren
und daher biegsameren Prüfstifte
zum Aufsetzen auf die Anschlußflächen bzw.
Pads werden in den Führungsplatten
des Prüfstiftadapters
aufgenommen, der der jeweiligen gedruckten Schaltung am nächsten liegt,
da die Positionierung dieser Kontaktelemente/Prüfstifte F infolge der hohen
Dichte dieser kleinen Kontaktflächen
und der hohen Biegsamkeit der dünnen
Prüfstifte die
größtmögliche Genauigkeit
erfordert.
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Für Kontaktelemente,
die der Bestückung
mit Bauteilen mit Anschlußdrähten folgen,
werden Löcher/Leerstellen
benutzt, deren Abmessungen so vergrößert sind, daß eine seitliche
Bewegung dieser Kontaktelemente innerhalb der Solltoleranzen möglich ist.
Kombiniert mit der Selbstzentrierung der konischen Spitzen in den
Löchern
des Prüflings
erlaubt die hohe Stabilität
dieser typischerweise stabileren Kontaktelemente eine problemlose
Führung
durch eine weiter entfernte Adapterplatte. Die Kontaktelemente für die Pads,
die auf der jeweiligen Leiterplattenseite notwendigerweise durch
diese zweite Adapterplatte hindurchstehen, werden auf entsprechende
Weise mit vergrößerten Löchern/Leerstellen
geführt,
so daß eine
unabhängige
Präzisionspositionierung
möglich
ist.
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Zum
Positionieren des Prüflings
im Adapter dienen im allgemeinen Paßlöcher, die gleichzeitig mit
den normalen Bohrungen für
Durchkontaktierungen oder Bauteileanschlüsse hergestellt werden. Hierzu
ist wesentlich, daß die
Ausrichteinrichtungen oder Ausrichtmittel (bspw. die Paßstifte)
für das
Vorzentrieren beim manuellen oder selbsttätigen Einsetzen der zu prüfenden Leiterplatte
auf der gleichen Halteplatte positioniert werden, die auch zum Kontaktieren
der Anschlüsse
von Bauteilen mit Anschlußdrähten verwendet
wird. Dies ist möglich,
wenn alle Löcher
in der Leiterplatte – einschl.
der Paßlöcher – eine gemeinsame
Verzerrungs- und Verschiebungsstruktur aufweisen.
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In
bestimmten Fällen
werden die Paßlöcher beim
Fräsen
der Außenkontur
als letzter Fertigungsschritt eingebracht. In diesem Fall muß u. U.
für die
Positionierung ein weiterer Bereich des Stützelements vorgesehen werden,
der sich unabhängig
von den anderen Bereichen relativ zum Prüfling positionieren läßt.
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Auf
jeden Fall ist zu empfehlen, daß zum
Führen
der "Paßstifte" ein durchgehend
eingepreßter
Tubus dient. Ein solcher Tubus, der typischerweise bis nahe an den
Prüfling
heranreicht, verhindert ein seitliches Ausbreiten/Verwerfen der
Ausrichteinrichtung (Paßstift)
trotz des für
eine (federbeaufschlagte) vertikale Bewegung des Paßstifts
erforderlichen Spielraums.
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Obgleich
in der Vergangenheit die aus Genauigkeitsgründen zusammen mit der Außenkontur
hergestellten Paßlöcher in
besonderen Fällen
eine bessere Genauigkeit zeigten, da im Loch ein durchkontaktiertender
Tubus fehlte, sind durchkontaktierte Paßlöcher doch zu empfehlen, da
der Gesamt-Arbeitsaufwand für
die Prüfung
reduziert wird und das Zusammenfassen der zahlreichen Kontaktelemente
mit typischerweise konischer Spitze für die Kontaktierung der Anschlüsse für Bauteile
mit Anschlußdrähten eine
erheblich bessere Zentrierung erlaubt. Hier kommt das Gesetz der
großen
Zahl ins Spiel: Für
die Gesamt-Positionierungsgenauigkeit erhält man den (von den Fertigungstoleranzen
abhängigen)
Mittelwert der Verteilungshäufigkeit
um den Positions-Zielwert
herum. Mathematisch gesagt, erhält
man als wahrscheinliche Abweichung den statistischen Fehler des
Mittelwerts. Folglich werden die von den geringfügig variierenden Wanddicken
der Durchkontaktierungsschichten erzeugten Unterschiede mehr als
ausgeglichen.
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Im
Prinzip gibt es zum Bestimmen der Position für die Ausrichtung der Stützplatten
durch Ausricht- oder Kontaktelemente zwei Verfahren:
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Das
einfachere (erste) Verfahren beinhaltet die für ein Los gemeinsame Positionierung.
Dieses Verfahren läßt sich
jedoch nur dann effektiv anwenden, falls die Schwankungen der Verzerrungen/Verschiebungen
innerhalb eines Loses klein sind gegenüber der zu korrigierenden Gesamtabweichung.
In diesem Fall ist ein aufwendiges Messen und nachfolgendes Positionieren
ungeeignet. Für
Prüflinge
an der äußersten
Kante der Kontaktpunkt-Positionsfehlerverteilungskurve kommt nach
der Losprüfung
eine zusätzliche
arbeits- und zeitintensive Phase hinzu, in der Fehler (typischerweise
Leiterbahnunterbrechungen) aufweisende Leiterplatten mit von Hand
optimierten Verschiebungswerten geprüft werden.
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Beim
zweiten Verfahren erfolgt eine Ausrichtung für jede einzelne Leiterplatte.
Damit für
jeden Prüfling im
ersten Test optimale Verschiebungswerte direkt eingestellt werden
können,
werden im allgemeinen optische Meßeinrichtungen wie CCD-Kameras
verwendet. Diese Kameras messen den Ort von Markierungen, die für die optische
Aufnahme zusätzlich
vorgesehen werden. Sie liegen auf fast allen Prüflingen vor, so daß die benutzten
Bestückungsautomaten
die Leiterplatte später
mit SMD-Bauteilen bestücken
können.
Daher ist eine spezielle Meßapparatur
oder -station erforderlich, die vor der eigentlichen Leiterplattenprüfung die
Verschiebung der gedruckten Schaltung jedes Nutzens mittels graphischer
Elemente im "Bild" der Leiterplatte
mißt.
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Da
bei der zweiseitigen Prüfung
von Leiterplatten – wie
oben erwähnt – für die Positionsfehler
zahlreiche Freiheitsgrade existieren, muß für dieses zweite Verfahren eine
entsprechende Anzahl von Kameras eingesetzt werden. Minimal erhält man also
zwei Kameras auf jeder zu prüfenden
Leiterplattenseite, um dort die Ist-Orientierung in den drei Freiheitsgraden
(X-, Y-Achse, Winkel) zu bestimmen. In der Praxis lassen sich diese
Kameras auch bei extremer Miniaturisierung nicht im Prüfadapter
unterbringen, da die optischen Markierungen sehr nahe an den zu
prüfenden
Kontaktstellen oder zwischen diesen liegen. Abhilfe bringt hier
die oben erwähnte
spezielle Meßapparatur
oder -station, in der die Prüflinge
vor der eigentlichen Prüfung
optisch vermessen werden. Diese Messung kann auf einfachste Weise
in einem Meßautomaten
erfolgen, da dann die Prüflinge
ein Paar synchron arbeitender Stationen durchlaufen können, in
deren erster die Positionsmessungen und in deren zweiter (Prüfadapter)
die eigentliche Prüfung
erfolgen, im letzeren Fall bei optimaler Positionierung mit den
zuvor ermittelten Verschiebungs- bzw. Abweichungswerten.
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In
der Meßstation
lassen sich pro Seite entweder eine in X/Y-Richtung frei positionierte
Kamera oder zwei Kameras verwenden, die durch präzise Positio nierlöcher im
Adapter ausgerichtet sind. Im ersten Fall steigt der systemseitige
mechanische Aufwand (einmalige Gestehungskosten), da eine hochpräzise Positioniereinrichtung
erforderlich ist. Im zweiten Fall ist der Aufwand für jeden
Adapter höher,
da er für
jede einzelne Leiterplatte oder -serie individuell entwickelt werden
muß.
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In
einem vollautomatischen Prüfsystem,
in dem die Zufuhr der Prüflinge
zum eigentlichen Prüfadapter mittels
einer Steuerung erfolgt, die deren Istort beim Fördern genau feststellen kann,
gibt es alternative Methoden zum Messen der Verschiebung der gedruckten
Schaltung auf der Leiterplatte relativ zu den Löchern. Bspw. kann man die Position
der Ausrichtmarkierungen so messen, daß eine Reflexlichtschranke
die Reflexionseigenschaften der Prüflingsoberfläche entweder
direkt oder indirekt aus einer gewissen Entfernung mittels eines
Lichtwellenleiters mißt.
Die bei der Bewegung gemessene Intensität erlaubt eine genaue computergestützte Berechnung
der Verschiebungswerte. Auch die vom Förderer geforderte Genauigkeit
läßt sich
reduzieren, wenn man eine problemlose inkrementelle Messung zwischen
dem Aufdruck der Leiterplatte und den Löchern verwendet. Hierzu läßt sich
bspw. ein Loch in einer vorzugsweise rechteckigen Metallfläche (Pad)
vorsehen, dessen optische Abtastung ein Intensitätsprofil erzeugt, dessen Abweichung
von einem Sollprofil oder dessen Symmetrie die Verschiebungs- bzw.
Abweichungswerte sehr genau widerspiegelt.
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Um
von den Verschmutzungsproblemen, die in den tagtäglichen Fertigungsdurchläufen auftreten,
unabhängig
zu werden, kann man anstelle einer optischen Messung eine mechanische
Abtastung (Aufnehmer) verwenden. Dabei tastet bspw. ein Saphirstift
oder ein Subminiatur-Saphirrädchen
mit angeschlossenem Rauschverstärker
die Oberfläche
der Leiterplatte ab. Die Kanten einer Metallfläche auf dem Prüfling erzeugen dann
relativ zum tragenden Material oder relativ zu einem Loch klar unterscheidbare
(Schall-)Impulsformen, deren Symmetrie oder Asymmetrie die Verschiebung
deutlich ausweist (Schallmuster).
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Die
oben beschriebenen Meßtechniken
geben die Möglichkeit,
vor der eigentlichen Prüfung,
bei der die gedruckte Schaltung auf dem Prüfling durch Aufsetzen möglicherweise
Tausender von Prüfstiften
verifiziert wird, die Verschiebung bzw. Lageabweichung zu messen.
Das Meßergebnis
dient dann direkt zum Nachstellen der Ausrichtelemente im Adapter,
so daß die
Adaptiereinrichtung für
jeden einzelnen Prüfling
optimal positioniert wird. Dieses vorteilhafte Ergebnis wird durch
den mit der Messung der Verschiebungswerte betriebenen Aufwand ermöglicht.
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Wird
aus wirtschaftlichen Gründen
oder bei abgeschwächten
Genauigkeitsanorderungen gegen eines der oben beschriebenen Verfahren
entschieden, gibt es ein weiteres Verfahren, daß wenig arbeitsaufwendig, aber
nur im Nachhinein anwendbar ist:
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Hierbei
wird der Umstand ausgenutzt, daß die
innerhalb eines einzelnen Loses auftretenden Verschiebungswerte
weit weniger variieren als die zwischen verschiedenen Losen (Gleichlauf
von Produktionsparametern). Der für das elektrische Prüfen eingesetzte
Adapter wird zusätzlich
mit den Prüfstiften
oder Kontaktelementen für
die eigentliche Prüfung
des Leiterbildes bzw. der gedruckten Schaltung mit zusätzlichen
Verschiebungs-Prüfstiften
ausgerüstet,
die mit einem speziellen "Prüfbild" bzw. Ausrichtmarkierungen
auf der Leiterplatte zusammenarbeiten. Diese zusätzlichen Prüfstifte sind so angeordnet,
daß sie
bei zunehmender Lageabweichung des Leiterbildes ein zunehmend variierendes
Meßergebnis
der Verschiebungsmessung abgeben. Werden beim elektrischen Prüfen Fehler
erfaßt,
läßt sich
mit Hilfe der separat aufgezeichneten Verschie bungs-Meßergebnisse
die Richtung – in
einigen Fällen
auch die Größe – der erforderlichen
Korrektur berechnen. Nach mechanischer Nachjustage der Ausrichteinrichtung
im Adapter wird die gleiche Leiterplatte dann erneut geprüft. Weiterhin
lassen die für
die Verschiebungsmessung vorgesehenen zusätzlichen Prüfstifte sich zur späteren Auswertung
entweder an das herkömmliche
Leiterplattenprüfgerät selbst
oder an eine externe Elektronik anschließen. In Sonderfällen wird
aus dem Zusammenhang mit den mechanischen Verschiebungswerten zusätzlich die
optimale Position des Adapters relativ zum Prüfling bestimmt. Ein bauliches
Zusammenfassen dieser externen Auswerteelektronik mit der mechanischen
Steuerung zum Nachstellen der Ausrichteinrichtungen auf dem Adapter
ermöglicht
einen gedrängten
Aufbau mit benutzerfreundlicher Bedienung. Dies führt zu einer
Zwillingsstation mit einer Sensor-Station A mit der optischen oder elektrischen
Verschiebungssteuerung und einer Prüf-Station B, in der aufgrund
der Meßergebnisse
der Apater mechanisch justiert wird. Der elektrische Verschiebungssensor
arbeitet auch bei reinen SMD-Anwendungen mit Ausrichtmarkierungen, d.
h. ohne Mischtechnologie mit Verschiebung der relativen Position
von Kontaktpunkt-Untermengen.
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Der
erfindungsgemäße Adapter
läßt sich
auch durch Teilen des Führungselements
in dessen Ebene für
eine Mischtechnologie ausführen,
falls die Strukturen auf der Leiterplatte geometrisch ausreichend
beabstandet sind.