Moiré‑Projektor / Moiré‑Projektion

In der modernen SMT-Fertigung reicht es nicht mehr aus, nur zu wissen, ob Lotpaste vorhanden ist – man muss auch wissen, wie viel es ist. Gerade bei immer kleineren Bauteilen und engeren Prozessfenstern wird die dreidimensionale Vermessung des Pastenauftrags zur Pflicht.

Moiré-Projektoren sind das Herzstück moderner SPI-Systeme (Solder Paste Inspection) und einiger AOI-Anlagen. Sie ermöglichen die berührungslose, hochpräzise 3D-Vermessung von Lotpaste und Bauteilen – ohne Zeitverlust und mit einer Genauigkeit im Mikrometerbereich.

Definition

Das Moiré-Verfahren ist eine optische 3D-Messtechnik, die auf dem physikalischen Phänomen der Moiré-Interferenz basiert. Wenn zwei regelmäßige Raster- oder Streifenmuster leicht gegeneinander versetzt werden, entsteht ein charakteristisches Interferenzmuster (Moiré-Muster), das Höheninformationen des gemessenen Objekts enthält.

In der SMT-Anwendung projiziert ein Projektor definierte Lichtstreifenmuster (Phase Shifting oder Fringe Projection) auf die Leiterplattenoberfläche. Eine oder mehrere Kameras nehmen die durch die Oberflächentopografie verzerrten Streifenmuster auf. Durch mathematische Phasenanalyse (Algorithmen) berechnet das System ein vollständiges 3D-Höhenprofil.

Moderne SPI-Systeme kombinieren Moiré-Projektion mit Weißlicht-Interferometrie oder Mehrfarb-Streifenprojektion, um Messambiguitäten zu vermeiden und auch bei stark reflektierenden Metalloberflächen (Lotpaste, Kupferpads) zuverlässig zu messen.

Grundlagen

Das physikalische Grundprinzip wurde bereits im 19. Jahrhundert beschrieben. Die industrielle Anwendung für die Leiterplatten-Inspektion etablierte sich in den 1990er Jahren und ist heute in modernen SPI-Systemen (z. B. von Koh Young, Saki, Cyber Optics) Standard.

Wichtige Messparameter für Lotpaste sind: Volumen (mm³), Fläche (mm²), Höhe (µm), Offset-Position (mm) und Bedeckungsgrad des Pads (%). Das Lotpastenvolumen ist dabei die wichtigste Größe, da es direkt mit der späteren Lotmenge in der Lötstelle korreliert.

3D-SPI-Systeme mit Moiré-Projektion erreichen typische Höhenauflösungen von 1–5 µm und können Paste auf Pads von weniger als 0,3 mm Seitenlänge zuverlässig vermessen – relevant für 0201- und 01005-Bauteile.

Technischer Ablauf

Leiterplatte fährt unter dem SPI-System durch (Inline) oder wird positioniert (Offline).
Moiré-Projektor beleuchtet definierte Bereiche mit phasenverschobenen Streifenmustern.
Kamerasystem nimmt mehrere Bilder pro Messposition auf (typisch 4–8 Phasenbilder).
Algorithmen berechnen aus den Phasenverschiebungen das 3D-Höhenprofil der Oberfläche.
Software segmentiert das Bild in Pad-Bereiche und berechnet Volumen, Fläche und Position jedes Pastendepots.
Messwerte werden mit programmierten Toleranzen verglichen – Abweichungen werden als Fehler gemeldet.
Fehlerhafte Platinen werden ausgeschleust oder für Korrekturmaßnahmen markiert.
Messdaten fließen ins MES/SPC-System für Prozessüberwachung und Trendanalyse.

Anwendungsbereiche

SPI (Solder Paste Inspection): Hauptanwendung – 100 %-Inspektion des Lotpastenauftrags nach dem Druckprozess.
3D-AOI: Integriert in optische Inspektionssysteme zur Bauteilhöhenprüfung und Lötstelleninspektion.
Dispensinspektion: Überprüfung von aufgetragenem Kleber oder Vergussmasse.
Wafer-Bumping und Flip-Chip: Vermessung von Lötkugeln auf Halbleitern.
Qualitätsdokumentation: Vollständige Messwertspeicherung für Rückverfolgbarkeit und Prozessoptimierung.

Vorteile

Berührungslose Messung ohne Gefahr der Beschädigung empfindlicher Pastendepots.
Vollständige 3D-Information statt nur 2D-Bildanalyse – deutlich höhere Aussagekraft.
Hohe Messgeschwindigkeit: Inline-fähig für 100 %-Prüfung ohne Taktzeiteinfluß.
Mikrometer-Genauigkeit auch auf kleinen Pads und bei miniaturisierten Bauteilen.
Basis für Closed-Loop-Prozessregelung: Messwerte können direkt zur Druckerkorrektur genutzt werden.
Vollständige Messwertspeicherung für Rückverfolgbarkeit und Prozessoptimierung.

Herausforderungen

Reflexion: Stark reflektierende Oberflächen (Lotpaste, blankes Kupfer) können Messalgorithmen stören.
Abschattungseffekte bei sehr hohen Bauteilen in der Nähe von Messbereichen.
Hohe Systemkosten im Vergleich zu einfachen 2D-SPI-Systemen.
Aufwendige Programmierung und regelmäßige Kalibrierung erforderlich.
Messgeschwindigkeit vs. Auflösung: Hochauflösende 3D-Messung braucht mehr Zeit als einfache 2D-Inspektion.

FAQ

Was ist der Unterschied zwischen 2D-SPI und 3D-SPI mit Moiré?

2D-SPI erkennt nur, ob Paste vorhanden ist und prüft Fläche und Position. 3D-SPI mit Moiré misst zusätzlich die Höhe und berechnet das Pastenvolumen – die entscheidende Größe für die Lötqualität. 3D-SPI findet deutlich mehr relevante Fehler.

Sollte ich darauf bestehen, dass mein EMS-Dienstleister 3D-SPI einsetzt?

Für anspruchsvolle Produkte mit Fine-Pitch-Bauteilen, BGA oder hohen Qualitätsanforderungen: Ja. 3D-SPI liefert deutlich bessere Prozesskontrolle und reduziert Lötfehler signifikant.

Was ist ein Closed-Loop-Druckprozess?

Dabei werden die 3D-SPI-Messwerte automatisch an den Schablonendrucker zurückgegeben, der seine Parameter (Druckdruck, Rakelgeschwindigkeit, Ausrichtung) selbstständig korrigiert. Das Ergebnis ist ein sich selbst optimierender Druckprozess mit minimalem manuellem Eingriff.

Wie schnell misst ein Inline-3D-SPI-System?

Moderne Systeme schaffen die Inspektion einer typischen Leiterplatte (Euroformat 233×160 mm) in 10–30 Sekunden, abhängig von der Anzahl der Messpunkte und der geforderten Auflösung.