Maßhaltigkeitsprüfung von Leiterplatten: Bohrungen, Konturen und Wareneingang mit Bildmesstechnik

Leiterplatten und Steckerteile bündeln viele kleine Maße auf engem Raum: Bohrungs- und Lochdurchmesser, Kantenlagen, Versatz zwischen Bauteilen, Gewinde und Fräsmaße sowie Abstände zwischen Kontakten. Einzelne dieser Maße sind für sich genommen unkritisch, in der Summe entscheiden sie jedoch, ob sich eine Leiterplatte bestücken, verpressen und montieren lässt. Genau hier entsteht in vielen Elektronikfertigungen ein Engpass. Die Qualitätssicherung soll immer mehr Merkmale an immer mehr Teilen prüfen, während das vorhandene Koordinatenmessgerät längst ausgelastet ist und Handmessmittel für die Vielzahl der Maße zu langsam und zu bedienerabhängig sind.

Dieser Beitrag richtet sich an Qualitäts- und Wareneingangsverantwortliche in der Leiterplatten, Steckverbinder und Elektronikfertigung, die zahlreiche zweidimensionale Maße zuverlässig, schnell und dokumentiert prüfen müssen. Er erläutert, warum Bildmesstechnik den Engpass durch Koordinatenmessgeräte auflöst, welche Merkmale sich per Knopfdruck erfassen lassen, wie sich Höhen- und Z Merkmale sinnvoll ergänzen und wie Wareneingang, CAD Abgleich und Dokumentation effektiv zusammenspielen.

Wichtige Punkte im Überblick

In vielen Elektronikfertigungen ist das Koordinatenmessgerät ausgelastet, während Handmessmittel für die vielen Maße an Leiterplatten und Steckerteilen zu langsam, zu bedienerabhängig und ohne auswertbare Dokumentation sind.
Ein digitaler Messprojektor der Modellreihe IM-X misst zahlreiche Merkmale in einer Aufnahme per Knopfdruck, erkennt die Teilelage automatisch und erfordert keine aufwendige Programmierung.
Erfasst werden Bohrungs- und Lochdurchmesser, Kanten und Konturen, Versatz und Abstände sowie Gewinde- und Fräsmaße, bei Bedarf mehrere Teile gleichzeitig in einer Palette.
Im Wareneingang legt der CAD-Abgleich die gemessene Kontur über die Sollgeometrie und deckt Maßabweichungen zugekaufter Teile auf, bevor sie in die Fertigung gehen.
Das System erzeugt automatisch Messprotokolle mit Soll, Ist und Toleranz, exportiert die Werte als CSV und liefert SPC-Auswertungen für eine lückenlose Nachweiskette.

Ausgangslage: KMG-Engpass, Handmessmittel und lange Programmierung

In dokumentierten Anwendungen wiederholt sich dieselbe Ausgangslage. Das Koordinatenmessgerät liefert hohe Genauigkeit, ist aber ein Nadelöhr: Die Programmierung einer neuen Steckerteil- oder Leiterplattengeometrie kostet Zeit, und die taktile Antastung ist langsam, wenn viele Maße an vielen Teilen fällig sind. Neue Aufträge, Erststückprüfungen und Reklamationsanalysen stehen dann Schlange.

Handmessmittel (Messschieber, Messmikroskope, Lehren) sind die naheliegende Ausweichlösung, stoßen aber ebenfalls an Grenzen:

Bedienerabhängigkeit: Zwei Prüfer messen dasselbe Merkmal unterschiedlich, besonders bei kleinen Bohrungen und kontrastarmen Kanten.
Fehlende Dokumentation: Einzelmessungen landen selten in einem auswertbaren Protokoll; ein Soll-Ist-Vergleich über viele Merkmale ist von Hand kaum leistbar.
Zeitaufwand: Jedes Maß wird einzeln angetastet, positioniert und abgelesen. Bei dutzenden Merkmalen pro Teil summiert sich das erheblich.

Ältere Profilprojektoren wiederum projizieren die Kontur auf einen Schirm, können aber kleine oder hohe Merkmale nicht scharf abbilden und liefern keine automatische, protokollierbare Auswertung. Das Ergebnis ist ein Prüfprozess, der weder den Durchsatz noch die Nachweispflicht moderner Elektronikfertigung erfüllt.

Bildmessprinzip: viele Merkmale in einer Aufnahme, per Knopfdruck

Ein digitaler Messprojektor der Modellreihe IM-X kehrt die Logik der Einzelmessung um. Das Teil wird auf den Messtisch gelegt, das System erkennt die Lage automatisch und misst alle hinterlegten Merkmale in einer Aufnahme. Der Bediener muss das Teil weder exakt ausrichten noch jedes Maß einzeln anfahren.

Das Grundprinzip ist optisch: Eine telezentrische Optik bildet das Teil verzeichnungsarm ab, Durchlicht liefert scharfe Kanten für Außenkonturen und Durchbrüche, Auflicht erschließt Oberflächenmerkmale. Aus dem Kamerabild extrahiert die Software Kanten, Kreise und Konturen und berechnet daraus die Maße.

Die Konsequenzen für die Praxis:

Geschwindigkeit: Statt jedes Maß einzeln anzutasten, wird in dokumentierten Anwendungen eine Vielzahl von Merkmalen in einer einzigen Aufnahme erfasst.
Wiederholbarkeit: Weil die Software die Kanten definiert auswertet, entfällt die Bedienerabhängigkeit des manuellen Messens.
Bedienbarkeit: Ist ein Prüfprogramm einmal eingelernt, genügt für die laufende Prüfung ein Knopfdruck. Eine Qualifikation als Messtechniker ist dafür nicht nötig.

Damit adressiert das Prinzip genau die drei Schwächen des bisherigen Vorgehens: Durchsatz, Reproduzierbarkeit und Dokumentation.

Bohrungen, Konturen, Versatz und Gewinde: was sich messen lässt

An Leiterplatten und Steckerteilen deckt die Bildmesstechnik das typische Merkmalsspektrum ab:

Bohrungs- und Lochdurchmesser: Durchmesser, Rundheit und Position von Durchkontaktierungen, Montage- und Passbohrungen.
Kanten und Konturen: Außenkontur der Platine, Fräskanten, Ausbrüche, Konturmaße an Steckergehäusen und Kunststoffteilen.
Versatz und Abstände: Lageversatz zwischen Bauteilen, Pad- und Padrasterabstände, Abstand einer Bohrung zur Referenzkante.
Gewinde- und Fräsmaße: Nennmaße an mechanischen Merkmalen von Steckerteilen und Trägern.

In dokumentierten Anwendungen reichen die geforderten Toleranzen vom Millimeterbereich bis in die Hundertstelmillimeter. Weil das System viele Teile in einer Aufnahme misst, lassen sich in einer Palette mehrere Teile gleichzeitig prüfen, ein spürbarer Vorteil gegenüber der Einzelmessung mit Lehre oder Messschieber.

Höhe und 3D: Laser- und Tasteroption für Z-Merkmale

Reine 2D-Maße genügen nicht immer. An Leiterplatten und Steckerteilen sind auch Höhen, Stufen und Tiefen relevant: die Höhe eines Pins über der Platine, die Tiefe einer Fräsung, der Höhenversatz zwischen zwei Ebenen. Für solche Z-Merkmale lässt sich die Bildmesstechnik um eine Höhenerfassung ergänzen: bei der Modellreihe IM-X1000 berührungslos über einen konfokalen Laser, der Höhe und Ebenheit an mehreren Punkten erfasst.

Für einzelne, hochgenaue Höhen- und Stufenmaße an gut zugänglichen Stellen bieten sich digitale Messtaster der Modellreihe GT2 an; sie ergänzen das optische System dort, wo ein definierter Antastpunkt gefordert ist. Steht die flächige Höhen- und Verzugsmessung im Vordergrund (etwa bei welligen oder verzogenen Baugruppen), ist die flächige 3D-Messung das passendere Werkzeug; dazu vertieft der Schwesterbeitrag „Ebenheit und Verzug von Leiterplatten und Baugruppen: flächige 3D-Messung statt Punktmessung". So bleibt die Merkmalslogik über 2D- und 3D-Aufgaben hinweg konsistent.

Wareneingang und CAD-Abgleich: Reklamationen früh abfangen

Ein großer Teil der dokumentierten Fälle fällt in den Bereich Wareneingang und Labor. Zugekaufte Leiterplatten, Steckergehäuse und Kunststoffteile werden vor der Freigabe geprüft, Erststücke werden dokumentiert und Reklamationen analysiert. Hier ist nicht die Taktzeit entscheidend, sondern die Fähigkeit, viele Merkmale schnell und beweiskräftig zu erfassen.

Zentrales Werkzeug ist der CAD Abgleich. Die gemessene Kontur wird auf die Sollgeometrie aus der Konstruktionszeichnung gelegt, Abweichungen werden farbig dargestellt und als Vergleich zwischen Soll und Ist ausgewertet. So lässt sich eine Charge zugekaufter Teile in kurzer Zeit gegen die Zeichnung prüfen, ohne jedes Maß einzeln suchen zu müssen.

Der Nutzen zeigt sich unmittelbar. Maßabweichungen werden bereits im Wareneingang erkannt, bevor das Teil in die Fertigung gelangt und dort einen wertschöpfenden Prozessschritt oder den Endkunden beeinträchtigt. Genau hier setzt auch die übergeordnete Strategie zur Pin und Koplanaritätsprüfung an: Reklamationen lassen sich am kostengünstigsten dort verhindern, wo das fehlerhafte Teil zuerst erfasst wird.

Dokumentation: automatische Protokolle, SPC und CSV-Export

Ohne belastbare Dokumentation ist eine Messung in der Elektronikfertigung nur die halbe Lösung. Digitale Messprojektoren erzeugen das Prüfprotokoll automatisch:

Messprotokoll je Teil mit Soll, Ist, Toleranz und i.O./n.i.O.-Bewertung.
CSV-Export der Messwerte für die Weiterverarbeitung und die Übergabe an QS-/CAQ-Systeme.
SPC-Auswertung über viele Teile, um Trends und Prozessdrift sichtbar zu machen, statt nur Einzelteile zu bewerten.

So entsteht aus der laufenden Prüfung eine lückenlose Nachweiskette, wie sie Kunden in Automotive- und Industrieelektronik zunehmend vertraglich fordern, ohne dass ein Prüfer die Werte von Hand zusammentragen muss.

Große Boards und Varianten: Messfläche, Programmwahl, Durchsatz

Drei Auslegungsfragen entscheiden, ob der digitale Messprojektor zur konkreten Aufgabe passt:

Messfläche: Für vollständige Leiterplatten muss der Messbereich groß genug sein, um das Board in einer oder wenigen Aufnahmen zu erfassen. In dokumentierten Anwendungen werden Boards bis in den Bereich mehrerer hundert Millimeter geprüft; die benötigte Tischgröße richtet sich nach dem größten Teil.
Varianten und Programmwahl: Fertigungen mit vielen Leiterplatten- und Steckervarianten profitieren davon, je Variante ein Prüfprogramm zu hinterlegen und im Betrieb per Auswahl aufzurufen. Qualifizieren Sie die Programme an realen Teilen jeder Variantenfamilie.
Durchsatz: Weil viele Merkmale und mehrere Teile in einer Aufnahme gemessen werden, steigt der Durchsatz gegenüber der Einzelmessung deutlich. Wo sehr hohe Stückzahlen mit wenigen Merkmalen anfallen, kann alternativ eine inline-orientierte Lösung sinnvoll sein. Das ist eine Frage der Stückzahl-Merkmal-Kombination und gehört in die Machbarkeitsbewertung.

Wie bei allen Messaufgaben in diesem Themenfeld gilt: Belegen Sie die Machbarkeit vor der Vergabe an Ihren Originalteilen. Gutteile, definierte Schlechtteile und Grenzmuster werden im Applikationslabor oder vor Ort gemessen. So wird aus der Anforderung „Leiterplatten maßhaltig prüfen" ein kalkulierbares Prüfkonzept mit belegtem Durchsatz und definierter Dokumentation.

Häufige Fragen

F Kann ein digitaler Messprojektor ein Koordinatenmessgerät für Leiterplatten ersetzen?

Für die Vielzahl an zweidimensionalen Maßen an Leiterplatten und Steckerteilen wie Bohrungen, Konturen, Versatz und Abstände ist ein digitaler Messprojektor der Modellreihe IM‑X in dokumentierten Anwendungen deutlich schneller als ein taktiles Koordinatenmessgerät, weil er viele Merkmale und mehrere Teile in einer Aufnahme misst und keine aufwendige Programmierung erfordert. Für Z‑Merkmale ergänzt die berührungslose konfokale Laserhöhenmessung der Modellreihe IM‑X1000 das System. Ob das Messprojektorverfahren das KMG vollständig ersetzt, hängt vom konkreten Merkmalskatalog ab und wird im Machbarkeitstest an Ihren Teilen geklärt.

F Welche Merkmale lassen sich an einer Leiterplatte messen?

Typische Merkmale sind Bohrungs- und Lochdurchmesser, Rundheit und die Lage von Durchkontaktierungen und Passbohrungen, die Außen- und Fräskontur, Ausbrüche sowie Lageversatz zwischen Bauteilen und Abstände beziehungsweise Rastermaße. Mit einer Höhenoption lassen sich zusätzlich Z Merkmale wie Stufen und Tiefen erfassen. Die geforderten Toleranzen reichen in dokumentierten Anwendungen vom Millimeterbereich bis in den Hundertstelmillimeterbereich.

F Wie funktioniert der CAD-Abgleich?

Die gemessene Kontur wird über die Sollgeometrie aus der Konstruktionszeichnung gelegt, Abweichungen werden als Vergleich von Soll und Ist ausgewertet und farbig dargestellt. So lässt sich eine Charge zugekaufter Teile in kurzer Zeit gegen die Zeichnung prüfen, ohne jedes Maß einzeln suchen zu müssen, was besonders im Wareneingang und bei der Reklamationsanalyse wertvoll ist.

F Ist das System für den Wareneingang oder für die Linie gedacht?

Digitale Messprojektoren der Modellreihe IM X sind vor allem für Labor, Erststückprüfung und Wareneingang ausgelegt, also dort, wo Flexibilität, das Erfassen vieler Merkmale und eine lückenlose Dokumentation zählen. Die Bedienung per Knopfdruck erlaubt es auch nicht spezialisiertem Personal, reproduzierbare Messungen durchzuführen. Für reine Inline Aufgaben mit wenigen Merkmalen und hoher Stückzahl sind andere Konzepte besser geeignet.

F Wie werden die Messergebnisse dokumentiert?

Das System erzeugt automatisch ein Messprotokoll mit Soll, Ist, Toleranz und i.O. beziehungsweise n.i.O. Bewertung, exportiert Messwerte als CSV für QS und CAQ Systeme und liefert SPC Auswertungen über viele Teile. So entsteht eine lückenlose Nachweiskette, ohne dass ein Prüfer die Werte manuell zusammentragen muss.

F Brauche ich für die Bedienung geschultes Messtechnik-Personal?

Für das laufende Prüfen nicht. Ist ein Prüfprogramm einmal eingelernt, wird das Teil aufgelegt und die Messung per Knopfdruck gestartet. Das System erkennt die Lage selbst und misst die hinterlegten Merkmale. Das Einlernen der Programme und die Definition des Merkmalskatalogs übernimmt einmalig eine qualifizierte Person; die laufende Prüfung kann anschließend auch von angelerntem Personal durchgeführt werden.

Weiterführende Artikel

Übergeordnete Themenseite: Qualitätssicherung und Rückverfolgbarkeit in der Elektronik- und Halbleiterfertigung: Der Überblick für Fertigungs- und Prozessverantwortliche

Hauptartikel zum Thema: Koplanaritäts- und Pinprüfung von Steckern und SMD-Bauteilen: 3D-Messung vor dem Verpressen und Löten

Weiterer Artikel im Thema: Waferdicke, TTV und Ebenheit berührungslos messen: konfokale und Laser-Wegmesstechnik

Weiterer Artikel im Thema: Ebenheit und Verzug von Leiterplatten und Baugruppen: flächige 3D-Messung statt Punktmessung

Weiterer Artikel im Thema: Optische Kontrolle und 2D/3D-Vermessung in der Elektronikfertigung: Digitalmikroskopie für Leiterplatten, Lötstellen und Querschliffe