Fiducial-Erkennung und Offset-Korrektur: Leiterplatten im Prozess mikrometergenau ausrichten

Eine Bestückungs-, Löt- oder Vergussanlage arbeitet nur so genau, wie sie die reale Lage der Leiterplatte kennt. Die Solldaten aus dem CAD beschreiben, wo die Platine liegen sollte. Wo sie tatsächlich liegt, entscheiden Nutzentrennung, Werkstückträger und Zuführung, und deren Toleranzen summieren sich schnell auf mehr, als der Prozess verträgt. Die Antwort der Elektronikfertigung ist die Fiducial-Erkennung: Kameras messen Referenzmarken auf der Platine, die Steuerung berechnet die Abweichung von der Solllage, und der Prozesskopf landet auf dem realen Board statt auf dem nominalen. Dieser Beitrag führt durch die Auslegung, vom Referenzmerkmal über Bildfeld und Z-Referenz bis zum Zeitbudget, und richtet sich an Maschinenbauer, die einen selbst gepflegten PC-Kamera-Aufbau ablösen oder eine neue Zelle von Anfang an selbstreferenzierend auslegen wollen.

Wichtige Punkte im Überblick

Nutzentrennung, Werkstückträger und Zuführung summieren ihre Toleranzen, weshalb der Prozesskopf die reale Lage der Leiterplatte messen muss, statt den nominalen CAD-Koordinaten zu vertrauen.
Die Qualität der Korrektur steht und fällt mit dem Referenzmerkmal: zwei diagonale Fiducials bestimmen Position und Drehwinkel, während Ersatzmerkmale wie Bohrungen oder Bruchkanten eigene Toleranzen mitbringen.
Die geforderten Genauigkeiten liegen in der Anwendungspraxis zwischen ±20 µm und ±0,1 mm, erreicht mit zwei oder mehr fest montierten Kameras über kleinen Bildfeldern, bei den feinsten Aufgaben mit telezentrischer Optik.
Die Z-Referenz entsteht berührungslos: konfokale Wegmesssensoren der Modellreihe CL-3000 messen mehrere Höhenpunkte, aus denen sich Höhenlage und Verkippung der bestückten Platine ergeben.
Richtig ausgelegt spart die Offset-Korrektur Taktzeit: die Auswertung liegt in dokumentierten Anwendungen deutlich unter 500 ms, gemessen wird während des Platineneinlaufs, und der Korrekturwert liegt beim Prozessstart bereits an.

Warum Solldaten nicht reichen: Panel-, Träger- und Bauteiltoleranzen

Jede Leiterplatte durchläuft eine Kette von Lageübergaben. Der Nutzen wird getrennt, die Einzelplatine in einen Träger gelegt, der Träger von der Fördertechnik positioniert. Jeder Schritt bringt seine eigene Toleranz mit, und am Ende weicht die reale Lage der Platine um Zehntelmillimeter und einige Winkelminuten von der Sollposition ab. Für einen Vergusskopf, der eine schmale Raupe entlang eines Bauteils ziehen soll, oder einen Lötprozess, der ein Pad treffen muss, ist das zu viel.

Der klassische Ausweg über mechanische Anschläge und feste Koordinaten stößt an Grenzen. Anschläge verschleißen, klemmen die Platine oder beschädigen die Kante, und sie können die Toleranz innerhalb des Nutzens nicht ausgleichen: Die Position der Leiterbahnen relativ zur Außenkante schwankt von Panel zu Panel. Wiederholte Probeläufe, um den Versatz manuell einzustellen, kosten Zeit und gelten nur, bis die nächste Charge kommt.

In realen Projekten steht am Anfang deshalb oft ein konkreter Schaden: Verguss neben der Kontur, ein versetzter Lötpunkt, ein Bestückungsfehler nach Trägerwechsel. Die Konsequenz ist immer dieselbe. Die Maschine muss die reale Lage messen, statt der nominalen zu vertrauen.

Referenzmerkmal wählen: Fiducial, Bohrung, Bruchkante oder Bauteilmerkmal

Die Qualität der Korrektur steht und fällt mit dem Referenzmerkmal. Ideal ist ein eigens vorgesehenes Fiducial, meist ein freigestelltes Kupferkreuz oder ein Punkt mit definiertem Durchmesser, an zwei diagonal gegenüberliegenden Ecken der Platine. Zwei Marken genügen, um Position in X und Y sowie den Drehwinkel zu bestimmen; eine dritte Marke sichert gegen Verwechslung und deckt Verzug auf.

Nicht jede Platine bringt Fiducials mit. Dann kommen Ersatzmerkmale in Frage: Referenzbohrungen, die ohnehin für die mechanische Aufnahme existieren, Bruchkanten aus der Nutzentrennung oder ein markantes Bauteilmerkmal. Jedes Ersatzmerkmal hat seinen Preis. Bohrungen sind mit Spiel gefertigt, Bruchkanten fransen aus, und ein Bauteil sitzt selbst mit Toleranz auf dem Pad. Die Wahl gehört deshalb in die Auslegung, nicht in die Inbetriebnahme.

Auch der Kontrast will geprüft sein. Lötstopplack, HAL-Oberflächen und Kupfer reflektieren unterschiedlich, und dieselbe Marke kann je nach Charge heller oder dunkler erscheinen. Eine koaxiale oder flach einfallende Beleuchtung stabilisiert das Bild, und ein Machbarkeitstest mit Platinen aus mehreren Chargen zeigt, ob das Merkmal über die Serie trägt.

XY, Winkel und Genauigkeit: Bildfeld und telezentrische Optik richtig auslegen

Für die Lagemessung haben sich zwei oder mehr fest montierte Kameras bewährt, jede über einer Referenzmarke. In der Anwendungspraxis liegen die geforderten Genauigkeiten zwischen ±20 µm und ±0,1 mm, mit Bildfeldern von 10 x 10 mm bis zu einigen zehn Millimetern je Marke. Die Rechnung dahinter ist einfach: Je kleiner das Bildfeld, desto feiner die Auflösung pro Pixel. Wer ±20 µm braucht, kann nicht mit einer Kamera über der ganzen Platine arbeiten, sondern schaut mit kleinen Bildfeldern gezielt auf die Marken.

An der Spitze der Genauigkeitsskala stehen Aufgaben wie das Positionieren feiner Kontaktspitzen für den Leiterplattentest, wo 20 µm in einem sehr kleinen Bildfeld gefordert sind. Hier gehört eine telezentrische Optik ins Lastenheft. Sie bildet ohne perspektivische Verzerrung ab, sodass eine kleine Höhenschwankung der Platine die gemessene Position nicht verfälscht.

Die High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G betreibt mehrere Kameras an einem Controller, verrechnet die Markenpositionen zu X, Y und Winkel und gibt das Ergebnis direkt an die Steuerung aus. Wo jede Station eine kompakte, eigenständige Einheit sein soll, übernimmt eine All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS dieselbe Aufgabe als Einzelgerät, mit Auswertung im Kamerakopf.

Die Z-Referenz: Höhenlage und Verkippung der Leiterplatte berührungslos erfassen

Die Lage in der Ebene ist die halbe Wahrheit. Verguss-, Löt- und Laserprozesse halten einen definierten Arbeitsabstand zur Platine, und der stimmt nur, wenn Höhenlage und Verkippung des Boards bekannt sind. Eine Platine hängt im Träger durch, ein Panel verzieht sich beim Reflow, und ein Leadframe liegt nie perfekt plan.

Taktil lässt sich diese Referenz auf einer bestückten Platine kaum gewinnen: Ein Taster, der zwischen Bauteilen aufsetzt, riskiert Beschädigung und findet oft gar keine freie Fläche. Berührungslos ist der Weg. Konfokale Wegmesssensoren der Modellreihe CL-3000 messen die Höhe punktgenau auch auf spiegelnden Pads und dunklem Lötstopplack, und aus drei oder mehr Punkten entsteht eine Referenzebene, die Höhe und Verkippung zugleich beschreibt. In der Anwendungspraxis wird diese Z-Referenz im Mikrometerbereich aufgelöst, mit Ergebnissen innerhalb von 1 s, sodass die Messung den Takt nicht belastet.

Wo ein Laserprozess auf Strukturen in der 20-µm-Klasse positioniert werden muss, liefert ein 3D Laser-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000 in einer Aufnahme ein flächiges 3D-Bild der ruhenden Baugruppe, aus dem sich Ziel und Höhe in einem Schritt ableiten lassen. Für Spezialfälle wie das Ausrichten einer Faser zu einem Chip in Höhe und Versatz steht der Inline Profilprojektor der Modellreihe TM-X5000 bereit.

Taktzeit im Griff: Auswertezeit, Vorpositionierung und Programmwechsel

Eine Offset-Korrektur rechnet sich nur, wenn sie Taktzeit spart statt kostet. Das Zeitbudget setzt sich aus drei Posten zusammen: Bildaufnahme und Auswertung, Übergabe des Korrekturwerts und gegebenenfalls Programmwechsel bei Produktwechsel.

In dokumentierten Anwendungen liegt die Auswertung mit Ergebnisrückgabe deutlich unter 500 ms, das Gesamtergebnis inklusive Z-Referenz innerhalb von 1 s. Damit lässt sich die Messung in die ohnehin vorhandene Transferzeit legen: Während die Platine einläuft und klemmt, messen die Kameras, und wenn der Prozesskopf startbereit ist, liegt der Korrekturwert schon an. Richtig ausgelegt wird aus der Vorpositionierung ein Taktzeitgewinn, weil der Kopf ohne Suchfahrten und Probeläufe direkt anfahren kann.

Beim Produktwechsel zählt der Programmwechsel. Wechselzeiten im Bereich einiger zehn Millisekunden erlauben es in dokumentierten Anwendungen, auch gemischte Fertigung mit wechselnden Platinentypen ohne Rüstpause zu fahren. Das Prüfprogramm je Typ hinterlegt Marke, Bildfeld und Sollposition, und die Steuerung ruft es über die Typnummer ab.

Kalibrierung und Schnittstellen: die Zelle über Fiducials einmessen und Korrekturwerte übergeben

Der Korrekturwert ist nur so gut wie der gemeinsame Bezug zwischen Kamera und Maschine. Beim Einrichten wird die Zelle deshalb über Fiducials eingemessen: Referenzmarken auf der Maschinengrundplatte oder einem Kalibrierkörper verknüpfen das Kamerakoordinatensystem mit dem Koordinatensystem von Achse oder Roboter. Dieselbe Messung deckt später Drift auf, etwa nach einem Crash, einem Kamerawechsel oder einer Temperaturänderung, und lässt sich als zyklische Selbstkontrolle automatisieren.

Für die Übergabe gelten die Standards des Maschinenbaus. Profinet und Ethernet/TCP-IP transportieren Korrekturwert, Winkel und Status an die SPS oder direkt an die Prozessachse, digitale I/O decken einfache Fälle ab. Wichtig ist die Definition im Lastenheft: Wer rechnet die Kamerakoordinate in die Maschinenkoordinate um, das Bildverarbeitungssystem oder die Steuerung? Beide Wege funktionieren, aber nur einer sollte es tun.

Für viele Maschinenbauer ist dieser Punkt der eigentliche Grund für den Umstieg. Ein selbst aufgebautes PC-Kamerasystem aus Einzelkomponenten muss selbst kalibriert, gepflegt und dokumentiert werden, über Jahre und über Personalwechsel hinweg. Ein integriertes System mit definierten Schnittstellen, reproduzierbarer Kalibrierroutine und Werkzeugunterstützung verlagert diese Pflege vom Sondermaschinenbau in die Serientechnik.

Häufige Fragen

F Was ist eine Fiducial-Erkennung auf der Leiterplatte?

Eine Fiducial-Erkennung misst mit Kameras die reale Position von Referenzmarken auf der Leiterplatte, meist Kupferkreuze oder Punkte an zwei diagonalen Ecken. Aus den Markenpositionen berechnet das System Position und Drehwinkel der Platine und gibt die Abweichung von der Solllage als Korrekturwert aus. Der Bestückungs-, Löt- oder Vergussprozess arbeitet dann auf dem realen Board statt auf den nominalen CAD-Koordinaten.

F Welche Genauigkeit ist bei der Fiducial-Erkennung erreichbar?

In der Anwendungspraxis liegen die geforderten Genauigkeiten zwischen ±20 µm und ±0,1 mm für Position und Winkel, gemessen mit zwei oder mehr festen Kameras über Bildfeldern von 10 x 10 mm bis einigen zehn Millimetern. Für die feinsten Aufgaben, etwa das Positionieren von Kontaktspitzen im 20-µm-Bereich, wird eine telezentrische Optik eingesetzt, die perspektivische Verzerrung ausschließt. Die erreichbare Genauigkeit sollte im Machbarkeitstest mit realen Platinen bestätigt werden.

F Wie erfasse ich die Höhenlage und Verkippung einer bestückten Leiterplatte?

Berührungslos über eine Referenzebene aus mehreren Höhenpunkten. Konfokale Wegmesssensoren messen die Höhe auch auf spiegelnden Pads und dunklem Lötstopplack, und aus drei oder mehr Punkten ergeben sich Höhenlage und Verkippung des Boards. Ein taktiler Bezug scheidet auf der bestückten Platine meist aus, weil ein Taster zwischen den Bauteilen keine freie Fläche findet und Beschädigungen riskiert.

F Wie schnell muss die Offset-Korrektur sein?

Sie muss in die vorhandene Transferzeit passen, damit sie Taktzeit spart statt kostet. In dokumentierten Anwendungen liegt die Auswertung mit Ergebnisrückgabe deutlich unter 500 ms, das Gesamtergebnis inklusive Z-Referenz innerhalb von 1 s, und Programmwechsel bei Produktwechsel dauern einige zehn Millisekunden. Gemessen wird, während die Platine einläuft und klemmt, sodass der Korrekturwert beim Prozessstart bereits anliegt.

F Was tun, wenn die Leiterplatte kein Fiducial hat?

Dann übernehmen Ersatzmerkmale die Rolle der Referenzmarke: vorhandene Referenzbohrungen, Bruchkanten aus der Nutzentrennung oder ein markantes Bauteilmerkmal. Jedes Ersatzmerkmal bringt eigene Toleranzen mit, etwa das Spiel einer Bohrung oder die Ausfransung einer Bruchkante. Ob das Merkmal über mehrere Chargen stabil erkannt wird, sollte vor der Auslegung mit realen Platinen getestet werden.

F Wie wird der Korrekturwert an die Maschine übergeben?

Über Profinet oder Ethernet/TCP-IP an die SPS oder direkt an die Prozessachse, in einfachen Fällen über digitale I/O. Vorab muss die Zelle über Fiducials eingemessen sein, damit Kamera- und Maschinenkoordinatensystem denselben Bezug haben. Im Lastenheft sollte eindeutig stehen, ob das Bildverarbeitungssystem oder die Steuerung die Koordinaten umrechnet.

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