Mikroschweißungen in der Elektronikfertigung prüfen: Schweißpunkt und Laserschweißnaht an Kontakt, Leadframe und Leistungsmodul

In elektronischen Produkten wird mehr geschweißt, als man von außen sieht. Ein Kontakt wird per Widerstandsschweißen mit dem Träger verbunden, eine Litze per Ultraschall auf ein Terminal, ein Clip auf den Leadframe eines Halbleiters, und am Wechselrichter verbinden Laserschweißnähte Bleche und Anschlüsse. Die Schweißpunkte sind oft kaum größer als ein Millimeter, die Oberflächen blankes Kupfer oder Silber. Dieser Beitrag richtet sich an Prozess- und Qualitätsingenieure bei Herstellern von Steckverbindern, Sensoren, Leistungselektronik und Halbleitergehäusen sowie an Planer neuer Elektroniklinien. Die Beispiele stammen aus dokumentierten Anwendungen; es sind Konzepte, Planungen, eine Idee, eine Vorführung und eine Anfrage, keine laufenden Installationen.

Wichtige Punkte im Überblick

Beim Schweißen werden die Fügepartner selbst verbunden, deshalb wird eine Mikroschweißung nach Lage, Größe, Höhe und danach beurteilt, ob die Verbindung überhaupt entstanden ist.
Die Merkmale sind klein: Ein Schweißpunkt misst etwa anderthalb Millimeter, ein Fehler wenige Zehntelmillimeter, und die Oberflächen sind oft blankes, glänzendes Kupfer oder Silber.
Der 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 misst Höhenprofile und erfasst mit seinem großen Dynamikbereich glänzende Metallteile ohne Störung durch unregelmäßige Reflexion an der Naht.
Ob ein Chip mit dem Leadframe verbunden ist, sieht eine optische Prüfung nicht direkt, deshalb soll in einer dokumentierten Prozessentwicklung zuerst belegt werden, dass eine fehlende Verbindung die Bauteilgeometrie verändert.
Wer den Schweißprozess nachstellen will, braucht von der Station den Grund für ein NIO, also Messwerte je Merkmal, aus denen sich Trends über Schichten und Chargen ablesen lassen.

Schweißen ist nicht Löten: welche Fügestellen in der Elektronik geschweißt werden

Beim Löten verbindet ein Zusatzwerkstoff zwei Teile, die selbst nicht aufschmelzen. Beim Schweißen werden die Fügepartner selbst miteinander verbunden, durch Laser, Stromfluss oder Ultraschallenergie. Für die Prüfung hat das Folgen: Eine Lötstelle wird nach Benetzung, Lotmenge und Brücken beurteilt, eine Mikroschweißung nach Lage, Größe, Höhe und danach, ob die Verbindung überhaupt entstanden ist.

Dieser Beitrag behandelt nur geschweißte Verbindungen an Metallteilen elektronischer Produkte. Die Lötstelle in der Linie hat einen eigenen Beitrag zur Lötstellenprüfung, Bond und Lötstelle im Schliff gehören zur Fehleranalyse an elektronischen Baugruppen. Wie tief eine Schweißung eingebrannt ist, zeigt nur der Schliff im Labor; inline sieht jedes optische Verfahren die Oberfläche. Pinlage und Taumelkreis als eigene Aufgabe stehen im Beitrag zur Positionsprüfung von Pins und Steckern. Ultraschallgeschweißte Kunststoffgehäuse und die Zellkontaktierung von Batterien sind eigene Themen im Bereich Schweißnahtprüfung.

Was im kleinen Maßstab anders ist

Drei Dinge unterscheiden die Mikroschweißung von der Naht an Blech oder Rohr. Die Merkmale sind klein: ein Schweißpunkt von etwa anderthalb Millimetern, ein Fehler von wenigen Zehntelmillimetern. Die Oberflächen glänzen, und eine frische Naht reflektiert unregelmäßig. Und das Schweißen verändert das Teil selbst: Ein Pin kann sich bewegen, ein Bauteil seine Geometrie ändern.

Ein 2D-Bild ohne Höheninformation stößt an einer spiegelnden Fügestelle an eine Grenze der Technologieklasse, weil Reflexe und echte Fehler ähnlich aussehen können. Der 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 misst Höhenprofile; laut Anwendungsleitfaden für Wechselrichter dient er der Sichtprüfung von Schweißnähten nach dem Schweißen von Kupferdraht, und sein großer Dynamikbereich erfasst glänzende Metallteile ohne Störung durch unregelmäßige Reflexion an der Naht. Das X-Feld reicht je nach Messkopf von 7,0 bis 510 mm, die Z-Wiederholgenauigkeit von 0,3 bis 10 µm. Wo ein Bild genügt, nennt der Katalog der All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS die Prüfung der Qualitätsmerkmale von Laserschweißnähten und die Erkennung von Schweißspritzern als Anwendungen; LumiTrax trennt dabei Form und Textur aus Aufnahmen mit wechselnder Beleuchtungsrichtung.

Steckverbinder, Kontakt und Litze: der Schweißpunkt am richtigen Ort

Am Steckverbinder und am Kontaktträger lauten die Fragen: Ist der Schweißpunkt da, sitzt er an der richtigen Stelle zum Kontakt, und hat das Schweißen den Pin verschoben oder das Teil verformt? An Draht und Litze kommt hinzu, ob das Leiterende dort liegt, wo der Schweißpunkt es erwartet. In der Anwendungspraxis werden solche Teile oft per Sichtprüfung beurteilt oder für eine Stichprobe geöffnet.

Der Katalog des 3D Laser-Snapshot-Sensors der Modellreihe LJ-S8000 führt die Prüfung von Schweißpunkten als Anwendung; der Sensor erfasst Lage und Höhe in einer Aufnahme ohne bewegte Achse. Für eine Bewertung im Bild gegen Grenzmuster kommt die All-in-One Kamera in Frage, für eine einfache Nahtprüfung am Stecker der AI Vision-Sensor der Modellreihe IV4, dessen Katalog die Inspektion der Schweißnaht nach dem Schweißen nennt. Warum nach dem Schweißen noch einmal prüfen, wenn die Pins vor dem Verpressen schon gemessen wurden? Weil Wärme und Druck beim Widerstands- oder Laserschweißen einen Pin anheben, kippen oder ein dünnes Kontaktblech verziehen können. Die Koplanarität vor dem Verpressen und Löten behandelt der Beitrag zur Pinprüfung in der Elektronik; hier geht es um den Zustand, in dem das Teil die Schweißstation verlässt. Offline am Werkerplatz, wo ein Mitarbeiter das Teil einlegt und das Ergebnis auf einem Monitor sieht, gelten dabei andere Bedingungen als im Rundtakt, wo die Station Stopp und Trigger braucht. Die Fälle zu Steckern, Kontakten, Drähten und Litzen erzählt der eigene Beitrag zu Steckverbindern und Kontakten nach dem Schweißen.

Halbleiter-Backend: Clip, Leadframe und Spritzer auf dem Chipkontakt

Im Backend verbinden Ultraschall- und Laserschweißungen Chip, Clip und Leadframe. In einer dokumentierten Prozessentwicklung sind die Schweißpunkte einer Ultraschallschweißung etwa 1,5 x 1,5 mm groß. Erkannt werden soll der Liftoff, also ein Chip, der nach dem Schweißen nicht mit dem Leadframe verbunden ist. Die Annahme dahinter: Das Schweißen verändert die Geometrie des ganzen Bauteils, und eine fehlende Verbindung zeigt sich in dieser Geometrie. Diese Annahme soll zuerst belegt werden; das Projekt ist in der Findungsphase, betrachtet wird eine 3D-Prüfung (3D Vision) an der High-End Bildverarbeitung mit ultimativer Flexibilität der Modellreihe XG-X.

Bei Kupferleadframes stand in einem Gespräch die Idee, die Höhe verschweißter Bumps zu prüfen, eine von mehreren Messaufgaben am selben Teil. Für Höhen an solchen Merkmalen ist der Profilsensor die naheliegende Klasse; eine Prüfung dazu ist nicht dokumentiert.

Ein drittes Konzept betrifft das Kontaktgitter eines Chips, der in ein Spritzgussteil eingesetzt ist. Gesucht werden Schweißrückstände und Spritzer auf der Kontaktfläche, bei einem Bildfeld von etwa 10 mm und koaxialer Beleuchtung, bei der das an blanken Flächen gespiegelte Licht zur Kamera gelangt. Das Konzept wurde technisch ausgearbeitet. Bei einem Hersteller von Leistungshalbleitern wurde in einer Vorführung mit der All-in-One Kamera unter anderem eine Verschweißungsprüfung gezeigt.

Die Laserschweißstation in der neuen Elektroniklinie

In manchen Elektroniklinien kommt zuerst die Lötstelle in die automatische Prüfung, die Laserschweißnaht danach. Ein Elektronikhersteller führt die Laserschweißnaht als nächstes Prüfprojekt; die Prüfung wird derzeit entwickelt und definiert. Bei einem Energiemanagement-Modul ist geplant, einen 3D-Prüfplatz schon vor dem Linienbau zu nutzen, um den Laserschweißprozess einzustellen. Der Gedanke dahinter: Wer Nahtdaten vor dem Produktionsstart hat, stellt Parameter nach Messwerten ein und nicht nach Einzelteilen.

Im Stationskonzept einer Sensorlinie mit rund einem Dutzend Stationen ist eine Laserschweißstation mit zwei Kameras niedriger Auflösung vorgesehen; ob eine Linien- oder eine Infrarot-Spotbeleuchtung, ist offen, eine Zeilenkamera ist als Option genannt. Mehrere Kameras an einem Controller sind der Fall der High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G, die bis zu acht Kameras aufnimmt. Die Zeilenkamera gehört zur Bildverarbeitung der Modellreihe XG-X. Für einen Aktor beschreibt ein weiteres Konzept eine Station, die neben anderen Prüfungen die erste Laserschweißung mit 3D Vision an der XG-X prüft, für eine zweite Laserschweißung optional eine 2D-Kamera für Lage und Löcher. In einer Projektidee für Raddrehzahlsensoren gehören zur Laserschweißzelle die Lage der Teile vor dem Schweißen und die Prozessprüfung danach; die Lage vor dem Schweißen ist eine eigene Aufgabe.

Leistungselektronik: Nähte auf mehreren Ebenen, Pins nach dem Schweißen

Am Pulswechselrichter eines dokumentierten Konzepts liegen drei Bleche mit je fünf Laserschweißnähten in Kavitäten unterschiedlicher Höhe. Die Nähte sollen in einer nachgelagerten, getakteten Station auf IO und NIO geprüft werden, die Fehler liegen bei 0,1 bis 0,3 mm. Die Lastenhefte entstehen noch. Zwei Wege stehen im Konzept: eine Kamera, die über eine Linearachse die Nähte nacheinander anfährt, oder drei Kameras mit je eigener Fokusebene. Dazu sind eine LumiTrax-Aufnahme und eine multispektrale Aufnahme vorgesehen, letztere für Anlauffarben an der Naht. Mehrere Ebenen in einem Teil sind der typische Grund, warum die Schärfentiefe einer einzelnen Optik nicht für alle Nähte reicht.

Pins betrifft auch eine Anfrage aus einer Linie für Inverterbaustufen, zu der eine Laserschweißstation gehört: An einem Leistungsmodul sollen Höhe und Taumelkreis von gut zwanzig Pins gemessen werden, mit Toleranzen von wenigen Zehntelmillimetern. Der Messbereich des Profilsensors gilt nach erster Einschätzung als ausreichend, eine Auswertung ist vorgesehen. Für die Mikroschweißung zählt daran die Höhe nach dem Schweißen; Pinlage und Taumelkreis als Prüfaufgabe behandelt der Beitrag zur Positionsprüfung von Pins.

IO, NIO und der Grund dafür: was die Station an die Linie meldet

Ein reines Gut oder Schlecht reicht an einer Mikroschweißung selten. Wer den Schweißprozess nachstellen will, braucht den Grund für ein NIO: Fehlt der Schweißpunkt, sitzt er neben dem Kontakt, ist die Naht zu schmal, oder liegt ein Spritzer auf einer Funktionsfläche? Der Profilsensor liefert dafür Messwerte je Merkmal; für Schweißnähte nennt der Anwendungsleitfaden Werkzeuge für Nahtdicke, Nahtbreite, Einkerbung und Überlappung. Aus diesen Werten lassen sich Trends über Schichten und Chargen ablesen, bevor Ausschuss entsteht.

Im Bild hängt die Stabilität einer Breitenmessung an der Vorverarbeitung. Der Katalog der All-in-One Kamera zeigt einen Weichzeichner-Filter, der Kanten aus Spritzern und Oberflächenstruktur rund um eine Naht unterdrückt, damit die Nahtkante selbst stabil erfasst wird. Das Beispiel dort ist ein Rohr; das Prinzip gilt für jede Naht, deren Umgebung unruhig aussieht.

Für die Übergabe an die Linie verlangt das Konzept am Pulswechselrichter ein Ergebnis über PROFINET an die Steuerung. Die All-in-One Kamera unterstützt EtherNet/IP, PROFINET und EtherCAT. Wie viele Merkmale die Station zurückmeldet, legt am besten das Lastenheft fest, bevor die Station gebaut wird; nachträglich ergänzte Merkmale kosten Taktzeit und Abstimmung.

Häufige Fragen

F Gehört die Prüfung von Lötstellen zur Schweißnahtprüfung?

Nein. Beim Löten schmilzt nur das Lot, die Grundwerkstoffe bleiben fest; beim Schweißen werden die Fügepartner selbst verbunden, und die Prüfmerkmale unterscheiden sich. Lötstellen behandelt der Beitrag zur Lötstellenprüfung in der Elektronikfertigung, Bond und Lötstelle im Schliff die Fehleranalyse an Baugruppen.

F Lässt sich ein Schweißpunkt von etwa einem Millimeter inline messen?

Für Höhe und Lage ist der Profilsensor die passende Klasse. Der 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 hat je nach Messkopf ein X-Feld zwischen 7,0 und 510 mm und eine Z-Wiederholgenauigkeit zwischen 0,3 und 10 µm. Ob ein bestimmter Schweißpunkt sicher erfasst wird, klärt ein Test am Originalteil.

F Kann eine optische Prüfung zeigen, ob ein Chip mit dem Leadframe verbunden ist?

Direkt nicht, denn jede optische Inline-Prüfung sieht die Oberfläche. In der dokumentierten Prozessentwicklung soll deshalb zuerst belegt werden, dass eine fehlende Verbindung die Geometrie des Bauteils verändert. Erst dann lässt sich der Liftoff über eine 3D-Messung erkennen; die Anbindung im Inneren zeigt nur der Schliff.

F Wann sollte die Prüfung der Laserschweißnaht geplant werden?

Am besten mit der Linie. Ein Prüfplatz vor dem Linienbau liefert Nahtdaten, mit denen sich der Schweißprozess einstellen lässt, und klärt früh, welche Merkmale die Station an die Steuerung meldet.

F Lassen sich Schweißspritzer auf einer blanken Kontaktfläche im Bild erkennen?

Der Katalog der All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS nennt die Erkennung von Schweißspritzern als Anwendung. An blanken Kontaktflächen hängt das Ergebnis an der Beleuchtung; bei koaxialem Licht gelangt das an ebenen, glänzenden Flächen gespiegelte Licht zur Kamera, diffus reflektiertes wird abgeblockt. Wie klein ein Spritzer sein darf, legt das Prüfkriterium fest, nicht die Kamera.

F Reicht ein AI Vision-Sensor für die Schweißnaht am Stecker?

Für eine einfache Prüfung der Naht nach dem Schweißen nennt der Katalog der Modellreihe IV4 diese Anwendung. Wo die Naht mehrere Merkmale gleichzeitig tragen muss, Höhen eine Rolle spielen oder Qualitätsklassen gebildet werden, sind All-in-One Kamera oder Profilsensor die passenderen Klassen.

Weiterführende Artikel

Übergeordnete Themenseite: Schweißnahtprüfung: Nahtgeometrie, Fehlstellen und Nachweis an Metall, Kunststoff und Folie in der Linie

Weiterer Artikel im Thema: Steckverbinder und Kontakte nach dem Schweißen prüfen: Schweißpunkt, Kontaktlage, Pinhöhe und Litze