Lötstellenprüfung in der Elektronikfertigung: Lotperlen, Brücken und Fehlstellen in der Linie erkennen

In vielen Elektronikfertigungen beginnt die Lötstellenprüfung nicht mit einer Investitionsplanung, sondern mit einer Reklamation. Eine Baugruppe ist beim Kunden ausgefallen, die Spur führt zu einer Lötstelle, und die erste Antwort des Werks lautet 100-Prozent-Sichtkontrolle. Die dokumentierten Projekte zeigen danach immer dasselbe Muster. Die Sichtkontrolle beruhigt den Kunden für ein paar Wochen, sie ist aber weder reproduzierbar noch dauerhaft besetzbar, und sie erzeugt einen zweiten Kostenblock aus Teilen, die nur unsicher aussahen. Dieser Leitfaden beschreibt, was eine optische Prüfung an der Lötstelle beurteilen kann, wo ihre physikalische Grenze liegt, wie Bildfeld, Auflösung und Beleuchtung ausgelegt werden und woran sich entscheidet, ob die Prüfung in die vorhandene Anlage passt.

Wichtige Punkte im Überblick

In den dokumentierten Projekten beginnt die Lötstellenprüfung nicht mit einer Investitionsplanung, sondern mit einer Reklamation, auf die das Werk zunächst mit einer 100-Prozent-Sichtkontrolle antwortet, die weder reproduzierbar noch dauerhaft besetzbar ist.
Beurteilbar sind an der Oberfläche die Lotmenge, die Form der Lotkehle, das Vorhandensein einer Verbindung überhaupt, Brücken zwischen benachbarten Anschlüssen, gelöste oder verschobene Bauteile sowie Sitz und Winkel eines Bauteils im selben Bild.
Die Grenze der optischen Prüfung liegt ebenfalls an der Oberfläche, denn was im Inneren der Verbindung liegt, verändert das sichtbare Bild nicht zuverlässig und gehört als Frage nach der Ursache in den Querschliff im Labor.
Die Auslegung hängt an zwei Zahlen, dem Bildfeld, das in dokumentierten Anwendungen von 20 x 10 mm auf einer einzelnen Lötstellengruppe bis 260 x 220 mm auf einer ganzen Baugruppe reicht, und der kleinsten geforderten Unterscheidung, die in einem Projekt bei 0,06 mm lag und in anderen im Millimeterbereich genügte.
An der Beleuchtung entscheidet sich die Prüfung: Polarisation nimmt glänzenden Pads die gerichteten Reflexe, LumiTrax trennt Formbild und Texturbild und läuft auch auf den Kameras der High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G, und Fremdlicht durch Hallenfenster muss abgeschirmt werden.

Warum die Lötstelle immer noch von Hand geprüft wird, und warum das nicht mehr trägt

Die manuelle Prüfung hält sich nicht aus Bequemlichkeit, sondern weil sie flexibel ist. Ein erfahrener Prüfer erkennt eine ungewöhnliche Lötstelle auch dann, wenn niemand vorher definiert hat, wie sie aussieht. Genau darin liegt das Problem. Was er erkennt, hängt von Schicht, Tagesform und Beleuchtung am Arbeitsplatz ab, und zwei Prüfer beurteilen dieselbe Stelle unterschiedlich.

In der Stichprobe steht die Sichtkontrolle fast immer als das, was ersetzt werden soll, und zwar aus zwei Richtungen. Von unten drückt die Personalfrage: Eine dauerhafte 100-Prozent-Kontrolle bindet Leute, die anderswo fehlen. Von oben drückt der Nachweis. Ein Kunde, der bereits reklamiert hat, akzeptiert kein Ergebnis mehr, das sich nicht belegen lässt. Eine Kamera liefert dieselbe Entscheidung für jedes Teil und, wenn die Station es vorsieht, ein gespeichertes Bild dazu.

Was ein optischer Check an der Lötstelle beurteilen kann, und was nicht

Eine Kamera sieht die Oberfläche der Lötstelle. Das ist mehr, als es zunächst klingt, denn Form, Ausdehnung und Glanz des Meniskus verraten viel über die Benetzung. Beurteilbar sind in der Anwendungspraxis die Lotmenge, die Form der Lotkehle, das Vorhandensein einer Verbindung überhaupt, Brücken zwischen benachbarten Anschlüssen, gelöste oder verschobene Bauteile sowie der Winkel und Sitz eines Bauteils im selben Bild.

Eine zweite Abgrenzung wird seltener ausgesprochen, ist aber genauso wichtig. Sobald die Frage nicht mehr lautet, ob die Lötstelle in Ordnung aussieht, sondern wie hoch ein Anschluss steht oder wie eben eine Pinreihe liegt, ist es eine Messaufgabe und keine Defektprüfung. Koplanarität, Pinhöhe und Verzug gehören in die 3D-Messtechnik und werden dort mit anderen Mitteln beantwortet.

Nicht beurteilbar ist alles, was im Inneren der Verbindung liegt. Ein Lunker unter einem Bauteil verändert die sichtbare Oberfläche nicht zuverlässig, und keine noch so gute Beleuchtung macht ihn sichtbar. Wer Poren im Lot quantifizieren muss, arbeitet mit Röntgen oder im Querschliff, und der Querschliff ist eine Laboraufgabe mit einer Frage nach der Ursache. Diese Grenze gehört in jedes Lastenheft, weil sonst eine Erwartung entsteht, die die Station nie erfüllen kann.

Lotperlen, Brücken, Fehlstellen und Verfärbung: die Fehlerbilder im Überblick

Die Fehlerbilder, die in dokumentierten Anwendungen tatsächlich genannt werden, lassen sich in vier Gruppen ordnen:

Lotmenge: zu wenig Lot, zu viel Lot, eine Lötstelle, die gar nicht vorhanden ist. Bewertet wird über Fläche und Meniskusform gegen ein Referenzbild.
Fremdes Lot am falschen Ort: Lotperlen und Lotspritzer auf der Baugruppe, Lotbrücken zwischen benachbarten Pins, daraus folgende Kurzschlüsse.
Sitz des Bauteils: verschobene oder verdrehte Bauteile, angehobene Anschlüsse. In mehreren Projekten prüft dieselbe Aufnahme Lötstelle und Bauteilwinkel, weil die Station ohnehin nur einen Blick frei hat.
Verfärbung: Rückstände und Verfärbungen durch Flussmittel, dazu Oxidschichten. Diese Gruppe ist die schwierigste, weil sie oft kosmetisch ist und die Verbindung elektrisch einwandfrei bleibt.

Die letzte Gruppe ist der Grund, warum eine reine Fehlererkennung selten reicht. Wer Flussmittelverfärbung gleich behandelt wie eine fehlende Lötstelle, produziert Pseudoausschuss. Sinnvoll ist eine AI-Klassifizierung, die Fehlerarten trennt, damit eine kosmetische Klasse durchlaufen darf und eine funktionsrelevante gesperrt wird.

Bildfeld und Auflösung: eine Aufnahme oder drei für eine 320-mm-Platine

Die Auslegung beginnt nicht bei der Kamera, sondern bei der Frage, wie viel Fläche in einer Aufnahme liegen muss. Die dokumentierten Bildfelder reichen von 20 x 10 mm auf einer einzelnen Lötstellengruppe bis 260 x 220 mm für eine ganze Baugruppe. Bei einer Platine von rund 320 mm Kantenlänge war in einem Projekt klar, dass zwei bis drei Aufnahmen nötig werden, weil ein Bild die geforderte Auflösung über die volle Fläche nicht hält.

Die zweite Zahl ist die kleinste Unterscheidung, die die Station treffen muss. Sie fällt sehr unterschiedlich aus. In einem Projekt mit kleinem Bildfeld war eine OK/NOK-Unterscheidung von 0,06 mm gefordert, in anderen genügte eine Unterscheidung im Millimeterbereich. Diese Spanne ist der eigentliche Auslegungshebel, und in der Mehrzahl der Unterlagen steht an dieser Stelle keine Zahl, sondern der Hinweis, die Fehlergröße werde sich aus IO- und NIO-Teilen ergeben.

Wo eine Aufnahme nicht reicht, führt der Weg über mehrere Kameras an einem Controller. Die High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G trägt bis zu acht Kameras je Controller und Auflösungen von 0,31 bis 64 MP, sodass die Baugruppe in einem Takt aus mehreren Blickrichtungen und Auflösungsstufen erfasst wird.

Zwei Nester nebeneinander: Zoom statt zweiter Station

Ein wiederkehrender Fall in den Unterlagen sind zwei Prüfnester dicht nebeneinander, die beide beurteilt werden müssen. Der Reflex lautet zwei Stationen, und er ist teuer: doppelte Hardware, doppelte Verkabelung, doppelter Einrichtaufwand, dazu Bauraum, den die Maschine nicht hat.

Sinnvoller ist eine Kamera, die aus einer Position beide Nester abdeckt und den Bildausschnitt umschaltet. Die All-in-One Kameras mit integrierter AI der Modellreihe VS bringen Kamera, Objektiv und Auswertung in einem Gehäuse unter, was in einer Anlage zählt, die nicht um ein Bildverarbeitungssystem herum konstruiert wurde. Arbeitsabstände von 200 bis 600 mm sind in diesen Projekten üblich, weil die Maschine den Platz vorgibt und nicht die Optik.

Glänzende Pads, schwarze und silberne Gehäuse: Beleuchtung als Voraussetzung

Die Beleuchtung ist in diesen Anwendungen die erste Frage, und an ihr entscheidet sich die Prüfung. Eine Lötstelle ist eine spiegelnde Freiformfläche, direkt daneben sitzt ein schwarzes Kunststoffgehäuse und ein silberner Blechrahmen, und alle drei sollen in einer Aufnahme brauchbar abgebildet sein. Ein Deep-Learning-Werkzeug allein löst diese Aufgabe nicht: Nicht die Software fehlt, sondern ein Beleuchtungskonzept.

Praktisch helfen drei Hebel. Polarisation nimmt gerichtete Reflexe von glänzenden Pads, für die AI Vision-Sensoren der Modellreihe IV4 stehen dafür die Polarisationsfilter OP-88644 bis OP-88647 zur Verfügung. LumiTrax trennt Formbild und Texturbild aus derselben Kamera und läuft auch auf den Kameras der Modellreihe VS-G, was hilft, wenn eine Struktur von einer Verfärbung unterschieden werden soll. Und Fremdlicht durch Hallenfenster muss abgeschirmt werden, sonst schwankt das Ergebnis mit dem Wetter.

Taktzeit, Anbindung an die SPS und die OK/NOK-Entscheidung

Die dokumentierten Takte liegen bei etwa einer bis vier Sekunden je Teil, bei Stückzahlen von einigen hundert Baugruppen am Tag. Das ist kein Hochgeschwindigkeitsfall, entspannt die Auslegung aber weniger als erwartet, weil der größte Teil der Zeit auf Handling und Positionierung entfällt. Für Bildaufnahme und Auswertung bleibt oft weniger als eine Sekunde, und bei mehreren Aufnahmen je Baugruppe teilt sich dieses Budget noch einmal.

Auffällig ist, wie oft die Prüfung nachträglich in eine Anlage kommt, die bereits konstruiert oder sogar gebaut ist. In mehreren Unterlagen entsteht gerade eine neue Maschine, in der kein Prüfkonzept vorgesehen war, und der Maschinenbauer integriert die Station selbst. Für die Auslegung heißt das: Arbeitsabstand, Einbaulage und Blickrichtung sind vorgegeben, und die Optik muss sich danach richten.

Auf der Schnittstellenseite ist der Fall in der Regel einfach. Die Station bekommt ihren Trigger von der Steuerung, meldet OK oder NOK zurück und gibt bei Bedarf die Fehlerklasse mit. PROFINET zu einer Siemens-Steuerung ist die häufigste Form, EtherNet/IP und EtherCAT kommen ebenso vor. Wo ein Nachweis gefordert ist, wird zusätzlich ein Bild je Teil abgelegt und mit einer Kennung verknüpft, damit sich eine spätere Diskussion an einem Datensatz statt an einer Erinnerung entscheidet. Das Lesen dieser Kennung ist eine eigene Aufgabe und wird in der Markier- und Identifikationsstrecke behandelt.

Was die Prüfung kosten darf: der Wert einer Baugruppe als Rahmen

Am Ende steht eine schlichte Rechnung, die in mehreren Unterlagen ausdrücklich auftaucht. Der Warenwert einer einzelnen Baugruppe bleibt in diesen Projekten zweistellig, die Stückzahl ist überschaubar, und daraus ergibt sich die Obergrenze für die Station. Eine separate Prüfzelle sprengt diesen Rahmen regelmäßig, eine Kamera im vorhandenen Werkstückträgerfluss nicht.

Der Nutzen liegt selten im eingesparten Ausschuss allein. Er liegt in der vermiedenen Reklamation, in der Prüfkraft, die anderswo arbeitet, und in dem Pseudoausschuss, der wegfällt, sobald eine Regel entscheidet statt eines Bauchgefühls. Der übliche Weg dorthin führt über einen Test mit Originalteilen, weil die kleinste erkennbare Fehlergröße in diesen Anwendungen fast nie vor diesem Test bekannt ist.

Häufige Fragen

F Kann eine Kamera Lunker in der Lötstelle erkennen?

Nein. Ein Lunker liegt im Inneren der Verbindung und verändert die sichtbare Oberfläche nicht zuverlässig. Optische Prüfungen beurteilen Lotmenge, Meniskusform, Brücken, Fehlstellen und Verfärbungen an der Oberfläche. Für Poren im Lot sind Röntgen oder der Querschliff im Labor die passenden Verfahren, und der Querschliff beantwortet eine Frage nach der Ursache, keine Entscheidung im Takt.

F Wie groß darf der kleinste Fehler sein, den die Prüfung noch findet?

Das hängt vom Bildfeld ab und wird in der Praxis selten vorab festgelegt. In einem dokumentierten Projekt mit einem Bildfeld von 20 x 10 mm lag die geforderte OK/NOK-Unterscheidung bei 0,06 mm, in anderen genügte eine Unterscheidung im Millimeterbereich. In der Mehrzahl der Unterlagen wird die Fehlergröße empirisch aus IO- und NIO-Teilen bestimmt, weshalb ein Test mit Originalteilen vor der Auslegung steht.

F Reicht eine Aufnahme für eine ganze Leiterplatte?

Bei kleinen Baugruppen ja. In dokumentierten Anwendungen wurden Bildfelder bis 260 x 220 mm mit einer Aufnahme abgedeckt. Bei einer Platine um 320 mm Kantenlänge waren zwei bis drei Aufnahmen nötig, um die geforderte Auflösung zu halten. Alternativ verteilt ein Controller die Fläche auf mehrere Kameras, die High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G trägt bis zu acht Kameras je Controller.

F Lässt sich die Prüfung in eine bestehende Maschine integrieren?

Das ist in dieser Anwendungsgruppe der Normalfall, weil eine separate Prüfzelle am Bauraum und am Budget scheitert. Entscheidend sind Arbeitsabstand und Einbaulage, die die Maschine vorgibt, in den Unterlagen häufig 200 bis 600 mm. All-in-One Kameras mit integrierter AI der Modellreihe VS vereinen Kamera, Objektiv und Auswertung in einem Gehäuse und brauchen deshalb wenig Platz. Die Anbindung erfolgt über PROFINET, EtherNet/IP oder EtherCAT an die vorhandene Steuerung.

F Wie verhindert man, dass die Prüfung zu viele Gutteile aussortiert?

Indem kosmetische und funktionsrelevante Abweichungen getrennt werden. Eine Verfärbung durch Flussmittel ist optisch auffällig, die Verbindung leitet trotzdem. Sinnvoll ist deshalb eine AI-Klassifizierung, die Fehlerarten unterscheidet, statt jede Abweichung gleich zu behandeln, trainiert an den eigenen IO- und NIO-Teilen des Werks. Ergänzend hilft eine Bildablage je Teil, damit sich eine strittige Entscheidung nachträglich überprüfen lässt.

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