Vollständigkeitsprüfung bestückter Leiterplatten: fehlende Bauteile finden, bevor gelötet und vergossen wird

Ein fehlendes Bauteil ist der unauffälligste Fehler der Elektronikfertigung. Es gibt keinen Kratzer, keinen Riss und keine Maßabweichung, sondern nur eine leere Stelle, die in der fertigen Baugruppe hinter dem Gehäuse oder unter der Vergussmasse verschwindet. Ein elektrischer Test findet das Fehlteil nur, wenn er die betroffene Funktion überhaupt anspricht. Dieser Leitfaden beschreibt die Vollständigkeitsprüfung dort, wo ein Fehlteil noch korrigierbar ist: nach der Bestückung, vor der Schwall- und Wellenlötanlage, vor dem Verguss und vor dem Schließen des Gehäuses. Behandelt werden die drei Bedingungen, an denen solche Projekte in der Praxis hängen, große Bildfelder mit kleinen Merkmalen, schwarze Bauteile auf schwarzer Lötmaske und eine Variantenvielfalt, die aus der Prüfung eine Rezeptfrage macht.

Wichtige Punkte im Überblick

Nicht die Fehlerhäufigkeit begründet eine Prüfstation, sondern der Kostensprung eines Fehlers, den ein elektrischer Test nur findet, wenn er die betroffene Funktion überhaupt anspricht: an der offenen Baugruppe eine Minute Nacharbeit, nach dem Wellenlöten ein Reparaturfall, nach dem Verguss ein Totalverlust und im Feld eine Reklamation.
Die Prüfstelle folgt nicht der Fertigungslogik, sondern der Umkehrbarkeit, also dem letzten Moment, in dem die Bestückung frei einsehbar ist, vor der Schwall- und Wellenlötanlage, vor dem Verguss und vor dem Schließen des Gehäuses.
Schwarze Bauteile auf schwarzer Lötmaske werden über die Aufnahme gelöst und nicht über die Empfindlichkeit der Auswertung: externe Beleuchtung als Teil der Auslegung, Polarisationsfilter gegen den Glanz von Lot und Metallgehäusen und eine Blickrichtung schräg von oben, von der Seite oder von unten durch das Förderband.
Das Bildfeld wird am kleinsten Merkmal ausgelegt und nicht an der Baugruppe, denn aus rund 800 mm Abstand blieb ein schwarzer Steckverbinder sicher auf Anwesenheit prüfbar, während die kleine Rastnase am selben Stecker nicht mehr auflösbar war.
Die Variantenzahl entscheidet über die Gerätegröße, denn der AI Vision-Sensor der Modellreihe IV4 hält 32 Programme intern und 128 nur mit microSD-Karte und aktivierter Programmerweiterung, während die Umschaltung über externe Eingänge bei All-In-One-Modellen wieder bei 32 deckelt.

Was ein fehlendes Bauteil kostet, wenn es erst beim Endkunden auffällt

Solange die Baugruppe offen auf dem Werkstückträger liegt, ist ein Fehlteil eine Minute Nacharbeit. Nach dem Wellenlöten ist es ein Reparaturfall, nach dem Verguss ein Totalverlust, und im Feld ist es eine Reklamation mit Rückverfolgung, Prüfbericht und Vertrauensverlust beim Kunden. Der Kostensprung zwischen diesen Stufen ist der eigentliche Grund für eine Prüfstation, nicht die Fehlerhäufigkeit.

In den Anwendungsfällen taucht dieser Kostenblock selten in der Fertigung auf. Er steht in einer anderen Kostenstelle, als Nacharbeit, als Abschreibung ganzer Baugruppen oder als Kulanz. Wer die Vollständigkeit an der Linie prüft, verschiebt ihn dorthin zurück, wo er entsteht und wo er noch klein ist. Genau deshalb rechnet sich eine Prüfung auch bei Stückzahlen, bei denen sich eine Automatisierung sonst nicht trägt.

Wo im Prozess geprüft wird: nach der Bestückung, vor dem Wellenlöten, vor dem Verguss

Die Prüfstelle folgt nicht der Fertigungslogik, sondern der Umkehrbarkeit. Sinnvoll ist die Prüfung unmittelbar vor dem ersten Schritt, der die Baugruppe unzugänglich macht. In der Praxis sind das vier Stellen: nach dem Bestückungsautomaten und nach der Handbestückung von THT-Steckteilen, direkt vor der Schwall- und Wellenlötanlage, vor dem Verguss und vor dem Einbau ins Gehäuse.

Ein Anwendungsfall beschreibt die Prüfung, bevor der Niederhalter auf die Platinen fährt, also im letzten Moment, in dem die Bestückung noch frei einsehbar ist. Ein anderer prüft eine Baugruppe erst, nachdem sie im elektrischen Test durchgefallen ist, und findet das Fehlteil damit zwei Prozessschritte zu spät. Wo der Bestückungsautomat selbst ohne Kontrolle arbeitet, gehört die Prüfung an seinen Ausgang, damit ein Feeder-Fehler nicht eine ganze Charge betrifft.

Vom 4-Augen-Prinzip zur automatischen Prüfung: was sich für den Werker ändert

In mehreren Werken ist das bestehende Verfahren keine Maschine, sondern eine Sichtkontrolle. Ein Anwendungsfall nennt ausdrücklich ein 4-Augen-Prinzip: Jede Baugruppe wird von zwei Personen gegengeprüft. Das ist langsam, es bindet zwei Qualifikationen an eine Routineaufgabe, und die Aufmerksamkeit sinkt über eine Schicht hinweg messbar, gerade bei Merkmalen, die in 99 von 100 Fällen in Ordnung sind.

Für den Werker ändert sich weniger, als er befürchtet. Der Auslöser der Prüfung bleibt sein Arbeitsablauf: In einem Anwendungsfall startet die Vollständigkeitskontrolle, sobald der Mitarbeiter die Teile eingelegt hat und den Lichtvorhang verlässt. Er bekommt am Platz eine eindeutige Rückmeldung i.O. oder n.i.O., statt eine zweite Person zu suchen. Die Sichtkontrolle verschwindet damit nicht ganz, sie verlagert sich auf die Fälle, die das System meldet.

Schwarz auf Schwarz: Beleuchtung, Polarisation und Blickrichtung

Der schwierigste Teil dieser Aufgabe ist selten die Software. Eine Leiterplatte in schwarzer Lötmaske trägt schwarze Steckergehäuse, schwarze Elektrolytkondensatoren und dunkle Kunststoffteile, und daneben glänzen Lötstellen, Stiftleisten und metallisierte Gehäuse. Ein Bild ohne durchdachte Beleuchtung zeigt beides zugleich, eine strukturlose dunkle Fläche und ausgebrannte Reflexe.

Drei Hebel wirken. Externe Beleuchtung wird als Teil der Auslegung geplant und nicht als Zubehör nachgerüstet; die Anwendungsfälle nennen sie fast durchgängig. Polarisationsfilter nehmen Lot und Metallgehäusen den Glanz, für den AI Vision-Sensor der Modellreihe IV4 stehen dafür die Filter OP-88644 bis OP-88647 zur Verfügung. Und die Blickrichtung ist ein eigener Freiheitsgrad: Aufnahmen schräg von oben, von der Seite oder von unten durch das Förderband lösen Fälle, die senkrecht von oben nicht lösbar sind. Offene Stationen brauchen zusätzlich Schutz vor direkter Sonneneinstrahlung, sonst wandert die Schwelle mit dem Tageslicht.

2 bis 100 Merkmale auf einer Baugruppe: Bildfeld und Auflösung auslegen

Die Zahl der Prüfmerkmale je Baugruppe reicht in den Anwendungsfällen von 2 bis 100. Die Bildfelder liegen bei 450 x 350 mm für eine komplette Baugruppe und bei 400 x 400 mm für einen Träger mit 20 Leiterplatten, während einzelne Merkmale nur ein bis zwei Millimeter groß sind. Aus diesem Verhältnis entsteht die eigentliche Auslegungsfrage, und sie wird häufig zu spät gestellt.

Ein Beispiel aus der Anwendungspraxis zeigt die Grenze deutlich: Aus rund 800 mm Abstand ließ sich ein schwarzer Steckverbinder zuverlässig auf Anwesenheit prüfen, die kleine Rastnase am selben Stecker war aus dieser Entfernung jedoch nicht mehr auflösbar. Der AI Vision-Sensor der Modellreihe IV4 arbeitet in einem Arbeitsabstand von 50 mm bis über 3 m, doch der zulässige Abstand ergibt sich nicht aus dieser Spanne, sondern aus dem kleinsten Merkmal. Wer die Merkmalsliste vorher aufstellt und das kleinste Element darin bemisst, entscheidet über Sensor, Objektiv und Anzahl der Aufnahmepositionen in einem Zug. Reicht eine Aufnahme nicht, sind zwei Positionen oder zwei Geräte die sauberere Lösung als ein größeres Bildfeld mit zu wenig Pixeln.

Vision-Sensor oder Kamerasystem: die ehrliche Abgrenzung

Für eine Station mit einem Baugruppentyp oder einer kleinen Typenfamilie ist der AI Vision-Sensor der Modellreihe IV4 die passende Größe. Mehrere AI-Werkzeuge liegen auf unterschiedlichen Merkmalen derselben Platine, das Einlernen erfolgt aus Beispielbildern, und die Instandhaltung kommt ohne Bildverarbeitungs-Know-how aus.

Die Grenze ist rechenbar und sollte offen genannt werden. Der Sensor hält 32 Programme intern und 128 nur mit microSD-Karte und aktivierter Funktion Programmerweiterung. Wird über externe Eingänge umgeschaltet, wie es an einer verketteten Anlage üblich ist, deckelt die Umschaltung bei All-In-One-Modellen wieder bei 32. Die häufig zitierten 100 ms gelten allein für die Schnelle Programmumschaltung und dort für maximal 8 Programme, ein schneller Chargenwechsel und ein großer Rezeptvorrat sind also zwei verschiedene Anforderungen.

Eine Wellenlötlinie mit rund 500 Baugruppen passt damit nicht in einen Sensor. Dort und überall, wo die Auflösung nicht mehr reicht, übernimmt eine All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS. Müssen mehrere Aufnahmepositionen einer Baugruppe zu einem Ergebnis zusammengeführt werden, trägt die High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G mit bis zu 8 Kameras an einem Controller. Ob ein Bauteil zusätzlich lagerichtig sitzt, ist eine andere Frage und wird im Beitrag zur lagerichtigen Montage behandelt; die Bewertung von Lötstellen und Oberflächenfehlern gehört ebenfalls nicht hierher.

Wareneingangsprüfung zugelieferter Leiterkarten

Nicht jede Baugruppe entsteht im eigenen Haus. Zugelieferte Leiterkarten kommen bestückt an, und die erste Gelegenheit, ihre Vollständigkeit zu prüfen, ist der Wareneingang. Wird sie ausgelassen, bezahlt das eigene Werk den Fehler des Lieferanten mit Nacharbeit an der eigenen Linie.

Optisch ist die Aufgabe dieselbe wie an der Fertigungslinie, organisatorisch nicht. Es geht um Stichprobe oder Vollprüfung, um ein Prüfergebnis, das der Reklamation standhält, und um wechselnde Liefervarianten, für die im Wareneingang niemand ein Programm pflegt. Ein Prüfplatz mit fester Aufnahme, definierter Beleuchtung und einem Programm je Leiterkartentyp ist hier meist tragfähiger als eine Integration in eine Anlage.

Ergebnis dokumentieren: Bildablage, Freigabe und Anbindung an die Steuerung

In vielen Anwendungsfällen genügt ein digitales Signal an die Steuerung, und mehr wird nicht gebraucht. Sobald die Prüfung aber eine Freigabe ersetzt, wird die Dokumentation Teil des Umfangs. Anwender verlangen ein Bild je Baugruppe, benannt nach einer Kennung, teils mit der Regel, dass ohne vorhandene Datei keine Freigabe erfolgt. Ein Anwendungsfall beschreibt eine TCP/IP-Verbindung, über die sich der Kunde täglich einen Datenreport zieht.

Diese Schnittstelle gehört ins Lastenheft, bevor die Optik ausgelegt wird. In zwei Anwendungsfällen war nicht die Bildverarbeitung die offene Frage, sondern wer die Daten entgegennimmt und wo sie liegen. Digitale E/A, PROFINET oder eine Netzwerkverbindung zum übergeordneten System sind drei verschiedene Projekte für die IT, und die Antwort darauf entscheidet häufig über den Zeitplan. Die Kennung selbst wird meist von einem Code gelesen, was Aufgabe der Codelesung ist und in der zugehörigen Themenreihe beschrieben wird.

Fazit: Prüfstelle, Kontrast, Bildfeld und Varianten zusammen entscheiden

Eine tragfähige Vollständigkeitsprüfung entsteht aus vier Festlegungen, die zusammenpassen müssen: die Stelle im Prozess, an der ein Fehlteil noch korrigierbar ist, ein Beleuchtungskonzept, das schwarze Bauteile auf schwarzer Lötmaske sichtbar macht, ein Bildfeld, das am kleinsten Merkmal ausgelegt ist, und eine Programmverwaltung, die zur tatsächlichen Variantenzahl passt. Wer diese vier Punkte am Originalnutzen prüft, bevor die Station gebaut wird, ersetzt die Sichtkontrolle ohne Überraschungen.

Häufige Fragen

F Wann im Prozess sollte die Vollständigkeit geprüft werden?

Unmittelbar vor dem ersten Schritt, der die Baugruppe unzugänglich macht. In der Elektronikfertigung sind das der Ausgang des Bestückungsautomaten, der Einlauf der Schwall- und Wellenlötanlage, der Verguss und das Schließen des Gehäuses. Nach diesen Schritten ist ein Fehlteil nur noch mit Reparatur oder Verschrottung zu beheben.

F Wie prüft man schwarze Bauteile auf schwarzer Lötmaske?

Über Beleuchtung und Blickrichtung, nicht über die Empfindlichkeit der Auswertung. Externe Beleuchtung gehört zur Auslegung, Polarisationsfilter nehmen Lötstellen und Metallgehäusen den Glanz, und eine schräge oder seitliche Aufnahme erzeugt oft den Kontrast, den die Draufsicht nicht liefert. Bleibt das Grauwertbild ohne Aussage, entscheidet die Höhe, etwa mit einem bildbasierten Höhenvergleichssensor der Modellreihe IX.

F Wie viele Merkmale kann ein Vision-Sensor auf einer Leiterplatte prüfen?

In dokumentierten Anwendungen liegen 2 bis 100 Prüfmerkmale auf einer Baugruppe, verteilt auf mehrere AI-Werkzeuge in einem Programm. Ein Programm des Vision-Sensors der Modellreihe IV4 trägt bis zu 64 Erkennungswerkzeuge, davon höchstens 16 vom Typ AI Count oder AI OCR. Die engere Grenze setzt in der Praxis die Auflösung, denn das kleinste Merkmal muss im gewählten Bildfeld sicher darstellbar sein. Reicht eine Aufnahme nicht aus, arbeiten zwei Aufnahmepositionen zuverlässiger als ein zu großes Bildfeld.

F Wie viele Baugruppenvarianten lassen sich in einem Vision-Sensor verwalten?

Der AI Vision-Sensor der Modellreihe IV4 hält 32 Programme intern und 128 mit microSD-Karte und aktivierter Programmerweiterung. Erfolgt die Umschaltung über externe Eingänge, sind es bei All-In-One-Modellen wieder 32. Größere Familien, etwa mehrere hundert Baugruppen an einer Lötlinie, gehören auf eine All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS mit Rezeptverwaltung.

F Ersetzt die optische Vollständigkeitsprüfung den elektrischen Test?

Nein, beide beantworten verschiedene Fragen. Der elektrische Test prüft Funktion, findet ein Fehlteil aber nur, wenn er die betroffene Funktion anspricht, und er läuft in der Regel zu spät. Die optische Prüfung beantwortet vor dem irreversiblen Prozessschritt, ob die Bestückung vollständig ist, und entlastet den Test von Fehlern, die dort teuer gefunden werden.

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