3D based analysis for PCB jet printing using ultra-close range photogrammetry

Heinemann, David GND

Das PCB Jet Printing ist eine innovative Methode um Lotpaste ohne die Verwendung von Schablonen auf Leiterplatten (PCB - printed circtuit board) zu applizieren. In Fertigungslinien enthaltene Inspektionssysteme sind in der Lage zu entscheiden, ob eine Leiterplatte korrekt bedruckt wurde und somit weiterverwendbar ist. Eine Korrektur fehlerhafter Platten ist in diesem Schritt mit vertretbaren Kosten und Aufwand jedoch nicht mehr möglich. Das Ziel dieser Arbeit ist daher die Entwicklung eines integrierbaren und online-fähigen Inspektionssystems um den Druckprozess zu überwachen. Dazu soll das Volumen der Lotpunkte ermittelt werden um dieses bei Bedarf zu korrigieren, bevor die Leiterplatte den Drucker verlässt. Somit können Unsicherheiten reduziert und die Effizienz des Systems erhöht werden. Für die Umsetzung wird eine photogrammertrische Rekonstruktion etabliert. Dies beinhaltet das Design und die Realisierung eines Demonstratorsystems. Es wurde ein neuartiger Ansatz für die Kamerakalibrierung im neu eingeführten Bereich der ultra-close range normal case photogrammetry vorgeschlagen und über den 2D Reprojektionsfehler sowie den 3D Rekonstruktionsfehler evaluiert. Um effizient Bildmerkmale zu extrahieren wurden bekannte Merkmalsextraktoren und -deskriptoren untersucht und beispielsweise in Bezug auf eine Skalenraumprozessierung angepasst. Für die Evaluierung wurde ein neuer Parameter eingeführt (Solder Joint Feature Coverage - SolFeC), welcher die Abdeckung der Lotpunkte mit Bildmerkmalen beschreibt. Das kalibrierte Kameramodell wurde neben der Rekonstruktion zur modellbasierten Punktkorrespondenzkorrektur verwendet, da dieser Schritt im Nahbereich aufgrund des identischen Erscheinungsbildes verschiedener Lotpunkte eine hohe Herausforderung darstellt. Die Ergebnisse des feature matchings wurde über die Parameter precision und recall sowie über das Rekonstruktionsergebnis bewertet. Mittels angepasster Kameramodelle wurden die Punktkorrespondenzen zur 3D Rekonstruktion einer Punktwolke verwendet. Diese wird in ein Clustering überführt. Anschließend wird jede Lotpunktwolke über eine konkave Hülle vermascht und gefiltert. Die Abweichung der berechneten Volumina innerhalb der Lotpunkte mit einem Volumen von mehr als 30 nl beträgt weniger als 12%, was mit der Schwankung des Lotpastendrucks korrespondiert. Die allgemeine Abweichung beträgt 14%.

PCB Jet-Printing is an innovative method to deposit solder paste on printed circuit boards (PCB) without stencils. Due to the viscosity of the solder paste, air blisters can be trapped in the cartridge. This can lead to missing solder joints or deviations in the applied solder volume. The objective of this thesis was the development of a quality assessment system in order to realize a built-in, real-time inspection of the printing process. In this respect, the solder joints volume should be measured before the PCB leaves the jet printer in order to correct the volume if necessary to minimize the uncertainties and thus increase the efficiency of the process. In the framework of this thesis, a photogrammetric reconstruction process including software and demonstrator system was designed, implemented and evaluated. A novel camera calibration method was proposed for the newly introduced field of ultra-close range normal case photogrammetry. Well-known feature detectors and descriptors were employed and adapted to efficiently and reliably obtain image features. The methods are evaluated based on a newly introduced parameter, called Solder Joint Feature Coverage, that describes if a solder joint is properly covered by feature points. The calibrated camera model was used in the processing step of image based feature extraction and model based matching correction in order to obtain true feature point correspondences. The evaluation shows the best results for a combination of the BRIEF descriptor and a hamming distance based  feature matching with a subsequent camera model based matching correction. The solder joint areas in the images are detected by a texture based classification using the texture features of Haralick. The camera models are used in combination with the corrected feature matches to reconstruct a 3D point cloud of the PCB. The calculated  solder joint volumes are evaluated using a structured light based ground truth. The results show a suitable estimation with  deviation of less than 12% for large solder joints with a volume of more than 30 nl, which coincides with the volume deviation of the printer. The overall deviation of the calculated volumes  is 14%. The implemented real-time pipeline allows for these obtained solder joint volumes to be fed  back to the printer to correct errors immediately during the printing process.

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