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Seminar: Camera-based PCB Analysis for Solder Paste Dispensing

2013-12-02_20.02.29

The lectures during my last semester were largely focused on digital image processing. Combining this with the inspiration for 3D printing, I gathered through my trip though South Korea, resulted in the following seminar paper. Seminars are a compulsory part of our curriculum which I like due the self-contained work and the ability to pick an individual topic.

Over the past year, I’ve built my own Kossel 3D printer. The Mini Kossel is based on a novel parallel delta kinematic which was developed by Johann C. Rocholl, a Google engineer from Germany.

This paper is targeting the automation of solder paste dispensing onto printed circuit boards by using computer vision and RepRap robots.

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Seminar: Image Processing and Content Analysis

Camera-based PCB Analysis for Solder Paste Dispensing

Steffen Vogel (steffen.vogel@rwth-aachen.de)
Academic Advisor: Wei Li (wei.li@lfb.rwth-aachen.de)
Institute of Imaging & Computer Vision (LfB)
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (RWTH), 52056 Aachen

1 Abstract

Two of the main challenges for PCB prototyping are the time-consuming setup of involved machines and their economic feasibility for small laboratories and hobbyists. This paper tries to offer solutions for both of these issues:

  1. The complex setup process of industrial machines can be accelerated by computer vision. It is preferable to automate this process as far as possible to enable the operation by untrained personnel and hobbyists. The workflow can be further simplified by not relying on external CAD data. This includes: detection of components, pads and footprints; mapping between available components and footprints and planning of shortest tool paths.
  2. The adaption of proven 3D printers allows to lower the costs for such machines. The lightweight and fast kinematics of parallel 3D-delta robots like the RepRap Mini Kossel are perfectly suited for the assembly of PCBs. Only the print head has to be exchanged between the individual steps of the process.

This work presents a workflow to control DIY 3D printers for the purpose of PCB assembly. By using cheap and easy-obtainable parts like proven RepRap 3D printers, this technique is viable for small laboratories, FabLabs and hobbyists. During the seminar, a analysis and control software for RepRap printers was written. Hence, we focus on the overall workflow and tools and less on algorithms and theory.
Here, the task of solder paste dispensing was chosen to be explored in detail. This work establishes the groundwork for more complex task like the pick and placing of electronic components.

2 Motivation

The ongoing miniaturization of electronic products like smartphones and Ultra Books has led to a new form factor for electronic components. Surface-mounted devices (SMD) are already widespread in electronic design and production. As a result, previously used through-hole components are gradually phased out. This miniaturization of SMD components is an ongoing trend and raises the barrier for hobbyists to produce PCBs themselves. Soldering and placement of 0401-sized resistors or BGA packages is not possible by hand any longer.

This work is motivated by the vision to build an all-in-one machine for the complete process of prototype PCB assembly (PCBA). To accelerate the development process and to reduce the costs, all of these tasks can be handled by a single workbench 3D printer / CNC mill. The PCB production process roughly can consists of the following steps:

  1. Isolation milling or pen plotting of PCB traces
  2. Drilling of holes and contours
  3. Solder paste dispensing for SMD pads with a syringe
  4. Pick-and-place of SMT components with vacuum
  5. Soldering with hot air, a hot plate or by a laser

For the scope of this paper, the process of solder paste dispensing was chosen. This task offers the biggest margin to profit from computer vision. Industrial mass production uses stencils to apply solder paste onto the PCB. For small prototype assemblies the fabrication of stencils is not worthwhile. Therefore, solder paste is applied manually with a pressurized syringe, which is hold by hand.
The dispensing of solder paste requires the knowledge exact solder pad positions and dimensions. Traditionally, this information is exported by CAD design tools and is required to produce the stencils.
But sometimes the CAD data is not available or stored in an inaccessible proprietary format. This paper presents techniques to gather the pad locations and dimensions by means of computer vision.

Fig. 1: Solder paste dispensing techniques
Fig. 1: Solder paste dispensing techniques
smd0805
Fig. 2: 0805-sized resistor
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tileLED

tileLEDUnd schon wieder habe ich ein kleines Hardwareprojekt, das ich hier vorstellen möchte. Auf eBay bin ich auf diese günstige LED Dot-Matrix Displaymodule gestoßen. Auf einer Größe von 3x3cm besitzen sie 8×8 rote oder grüne LEDs, die per Multiplexverfahren angesteuert werden.

Für diese Module habe ich eine kleine Platine gelayoutet, die nicht größer ist als das Modul selber. Die LEDs werden über einen kleinen ATmega8 Mikrocontroller direkt angesteuert. Auf Konstantstromquellen habe ich hier zugunsten der Platinengröße verzichtet. Auch wenn diese Beschaltung den ATmega etwas überlastet, funktioniert es super.

top_btm

Ursprünglich war geplant aus vielen kleinen Modulen ein interaktives Puzzle oder Dominospiel zu basteln. Dazu besitzen die Module an allen vier Seiten Lötpads für Versorgungsspannung und SPI, über die sie auch mit ISP geflasht werden können.

Aus Zeitgründen und der doch recht fizzeligen SMD Löterei habe ich mich jedoch dann dagegen entschieden. Aktuell setze ich ein paar der Displays in Verbindung mit einem digitalen Temperatursensor1 als einfaches Tischthermometer ein.

Auch hier habe ich einige Platinen zu verschenken bzw. tauschen. Vielleicht hat ja jemand die Muse sich mit der Kaskadierung mehrere Elemente auseinander zu setzen? Von den ursprünglich 40 Modulen sind jetzt noch ca. die Hälfe übrig. Aus ihnen bastele ich gerade größere “Tiles” mit 24×24 und 32×32 Pixeln. Diese werden dann über 9 bzw. 16 74HC696 Schieberegister angesteuert, sodass nur noch ein Mikrocontroller benötigt wird. Unten könnt ihr die ersten Bilder der größeren Tiles sehen.

EAGLE Libraries: Raspberry Pi

Für mein neuestes Projekt habe ich mir die Mühe gemacht und meine EAGLE Bibliotheken aufgeräumt. EAGLE ist ein CAD Programm der Firma Cadsoft, das vornehmlich im Elektronik/DIY Bereich zum Designen von Schaltplänen und Platinen eingesetzt wird.

In den letzten Jahren haben sich einige selbsterstellte Bibliotheken angesammelt. Mit ihnen können die bereits mitgelieferte Datenbank von Bauteilen (Footprints und Symbole) erweitert werden.
Diese Bibliotheken und noch einige Skripte, Einstellungen, CAM Jobs etc. findet ihr in meinem GitHub Repository.

Ein Layout mit dem RPi Shield

Interessant ist vielleicht noch die Raspberry Pi Bibliothek. Bisher hab es noch keine EAGLE Bibliothek mit der man einfach Shields (vgl. Arduino) für den Board-Computer layouten konnte.
Die Bibliothek enthält die genauen Abmessungen des Pi’s und die Belegung aller GPIO Stiftleisten. Aber die folgenden Bilder erklären das sicher viel besser.

Viel Spaß damit!

Give Away: fnordlichtmini Platinen

gplv3-127x51Für das fnordlichtmini (flm) von Alexander Neumann gibt es nun auch ein EAGLE CAD Layout. Zuvor war leider nur ein Schaltplan offen verfügbar. Gleichzeitig habe ich auch meine restlichen Projekte aufgeräumt und sie unter der OSHW Lizenz GPL veröffentlicht.

Vielleicht habt ihr ja Lust ein kleines Ambilight zu basteln? Ich habe noch ne Menge der Platinen übrig, die ich gerne in Aachen verschenken oder tauschen würde. LEDs sind dir zu langweilig? Ich hab auch noch andere Platinen übrig…

In meinen älteren Beträgen (hier und hier) gibt es auch noch ein paar kleine Anregungen was man alles mit dem flm so anstellen kann.

breadBUG

breadBUG PlatinebreadBUG” ist ein kleines Mikrocontrollermodul, das direkt auf ein Breadboard aufgsteckt werden kann. Es ist als Prototyping-Werkzeug für tägliche Basteleien gedacht.

Es fasst das für den Mikrocontroller nötige “Vogelfutter” auf einer kleinen Platine zusammen:

  • ATmega8 Controller
  • 16 MHz Quarz und Ladungskerkos
  • 5 V Festspannungsregler
  • Reset Taster
  • ISP Stecker
  • LED zur Spannungsüberwachung

breadBUG” ist während meiner Arbeit für die Mikrocontroller-AG des MMIs entstanden. Einige Teilnehmer wünschten sich ein einfaches, kleines und günstiges Modul, das sie als Alternative zu dem von uns verwendeten Evaluationboard für eigene Projekte nutzen können.

Fast alle von uns in der AG verwendeten Erweiterungsmodule sind daher Pin-kompatibel mit dem “breadBUG” Board. Bis auf den Controller selber haben wir nur Through-hole Komponenten verwendet um den Aufbau auch für Einsteiger möglichst einfach zu halten.

Das Board hat etwa eine Größe von 2,5x5cm, sodass im Mehrfachnutzen genau zwei Boards auf eine 5x5cm Platine von seeedstudio.com passen. Damit liegt der Preis für eine einzelne Platine bei weniger als 50 Cent.

breadBUG_layout

Download

Eagle Schematics und Gerber Dateien gibt es wieder auf GitHub: