Power auf der Linie

Beleuchtung oder besser LEDs, Energieeffizienz und E-Mobility – auch 2013 treiben diese Anwendungsbereiche die Nachfrage nach Elektronik. Sie legen damit auch die Anforderungen an die Baugruppentechnologie fest. Dabei geht es insbesondere um die Integration von Leitungselektronik und Ansteuerelektronik, die Entwicklung von Sensornetzwerken nebst Sensorknoten und die Bewältigung einer hochvolumigen Datenverarbeitung und komplexer Informationsbearbeitung. Bei allen Herausforderungen spielt die Systemintegration aus funktionalen wie aus preislichen Gründen eine zentrale Rolle. Das alles stößt in Europa auf einen Markt, der zunehmend kleinere Losgrößen bei definierter Qualität fordert.

Vitaler Demonstrator

Auf der diesjährigen Messe SMT Hybrid Packaging 2013 steht die Live-Produktion auf der Fertigungslinie unter dem Thema „E-Mobility in der Rehatechnik“. Dabei war den Organisatoren besonders wichtig das Thema Medizintechnik sowie Technik im Alter in den Vordergrund zu stellen. Technologisch liegt der Fokus auf den zurzeit aktuellen Themen der Herstellung von Leistungselektronik und LED-Baugruppen. Der stärkere Fokus auf Zulieferer aus dem Fertigungsumfeld ist ein weiterer Höhepunkt.

Fachbesucher können an der Live-Fertigungslinie eine möglichst produktionsnahe Demonstration der Maschinen auf dem Messegelände erleben. Mit der Linie präsentieren die Fertigungspartner den Besuchern wieder die gesamte Prozesskette zur Herstellung elektronischer Baugruppen, beginnend bei der Wareneingangserfassung bis zum Test der Baugruppen. Ebenso wird Besuchern ein breites Fertigungsspektrum geboten, mit einem größtmöglichen Komponentenmix, der Bereiche von 01005 bis hin zu hochstromfähigen mechanischen Kontakten umfasst. Schließlich geht es darum, LEDs, Leistungselektronik, Sensorik und Steuerelektronik mit modernen Fertigungstechnologien zu einer in einer flexiblen Fertigungsumgebung in geprüfter Qualität, verknüpft durch Prozesskontroll- und Steuerungssysteme, effizient zu fertigen. Organisator der Fertigungslinie und des Gemeinschaftsstandes Future Packaging ist das Fraunhofer IZM aus Berlin.

Das Thema wird auf der Leiterplatte bildlich aufgegriffen. Gezeigt wird, wie sich Vitaldaten (Herz) durch externe Veränderungen (Fahrrad) beeinflussen lassen. Diese Daten können über technologische Entwicklungen gesammelt und weitergeleitet werden. Im Umkehrschluss können bei Überbelastung Veränderungen an den Technologien (Verlangsamen des Fahrrades) oder Alarmfunktionen ausgelöst werden. Technologisches Highlight der Leiterplatte 2013 ist der eingebettete mfc-Chip, der zur Identifikation der Leiterplatte während der Fertigung dient.

Anforderungen an die Platine

Auf die Leiterplatte heruntergebrochen bedeuten diese Anforderungen, dass diese Leistungselektronik genauso Leistung aufnehmen muss wie die dazugehörige Ansteuerungselektronik, Sensorik oder gar LEDs. Moderne Baugruppen müssen mit großen Schaltströmen, hohen Spannungen und Frequenzen, und steigenden Betriebstemperaturen zurechtkommen und gleichzeitig gestiegenen Anforderungen an die Zuverlässigkeit und strengen Richtlinien zur elektromagnetischen Verträglichkeit genügen. Die Kombination von Sensorik und Steuerelektronik mit leistungselektronischen Funktionalitäten auf einer Platine stellt hohe Anforderungen an Design, Materialien und Prozesse. Zum einen treten große Stromflüsse an den entsprechend groß dimensionierten Bauelementen auf (Power), zum anderen sind hohe Integrationsdichten mit miniaturisierten Komponenten zu realisieren (Intelligenz).

Ein ungeheure Anforderung, wenn man sich die daraus resultierenden Lastenhefte für eine derartige Baugruppe anschaut: So muss die Platine entsprechend Dickkupferlagen für den Leistungsteil enthalten und Feinstleitertechnik für die Ansteuerelektronik bereitstellen. Darüber hinaus ist das Bauteilspektrum vielfältig, so sind Bauelemente mit der Baugröße 01005 oder Flip-Chips neben Leistungsbauelementen zu montieren. Daher sollte die Bestückung mit der hohen Variabilität der Komponenten (Stecker, LED und Ähnliches) zurechtkommen. Zudem sind die Fertigungsverfahren entsprechend der Materialkombinationen anzupassen, wie etwa das Bonden von Kupferdickdraht. Gleichzeitig müssen heutige Fertigungsverfahren eine hohe Flexibilität ermöglichen, wie das Jetten von Lotpaste oder Globtop-Verkapselung sowie das Trennen der Nutzen mittels Laser. Schließlich ist eine umfassende optische und elektrische Inspektion in höchster Qualität sicherzustellen und bei Bedarf durch eine Röntgeninspektion (AXI) zu ergänzen. Auch bei kleinen Losgrößen ist eine Produktionsüberwachung vom Wareneingang bis zum Endtest zu gewährleisten, welche auch die Rückverfolgbarkeit ermöglicht.

Zuverlässige Fertigungsverfahren

Die Wahl robuster und damit zuverlässiger Fertigungsverfahren ist bei solchen Anforderungen ein Gebot der Stunde. Wie bei altbekannten Fertigungsverfahren durch Prozess- und Maschineninnovationen dieses Ziel erreicht werden kann, zeigt das Beispiel eines Schablonendruckers mit aktivem Rakelsystem. Auch Fertigungsprozesse wie etwa das Dampfphasenlöten oder – falls erforderlich – das Selektivlöten, erlauben das Verarbeiten miniaturisierter wie großvolumiger Komponenten oder Bauelemente in einer Linie. Fertigungsverfahren, wie das Jetten von Lotpaste und Globtop-Verkapselung, das Trennen der Nutzen mittels Laser oder das Aufbringen von Lotkugeln auf BGA und CSP zeigen, dass eine wirtschaftliche Produktion von Powermodulen auch bei kleinen Losgrößen möglich ist.

Auch in der besten Fertigung kommt es zu Störungen und Ausfällen, lassen sich Durchsatz und Maschinenauslastung verbessern. Manufacturing-Execution-Systeme bieten mittlerweile ein breites Spektrum zur Optimierung und Überwachung aller Produktionsprozesse vom Wareneingang bis zum Warenausgang. Funktionsmodule zur Prozessüberwachung und -Steuerung liefern Qualitätskennzahlen (OEE) und stellen die Daten für die Rückverfolgbarkeit (Traceability) für Produkte und Prozesse bereit. Mit anderen Modulen ist es möglich, die Auftrags- und Prozesssteuerung sowie die Material- und Werkzeugverwaltung vorzunehmen. Neuartige Funktionen erlauben es hier, Energieverbräuche zu erfassen und auftrags- oder zeitscheibenweise zu vergleichen. Dem Trend der Zeit folgend, lassen sich heute alle Daten via Smartphone abrufen.

An der Qualitätsschraube drehen

Bei der Qualitätskontrolle in der Fertigung haben sich AOI- und mittlerweile auch AXI-Systeme weitgehend durchgesetzt. Lotpasten- und Bauteilkontrolle sowie selbst die Überwachung der Lötstellen oder Planparallelität von BGAs und damit die Vermessung dreidimensionaler Strukturen sind heute möglich. Dabei werden diese Systeme immer intelligenter und leichter zu bedienen. Auch die Leistungselektronik kommt ohne In-Line-Circuit-Funktionstester nicht mehr aus. Heutige Testsysteme müssen bei leistungselektronischen Baugruppen durchaus mit Strömen von 400 A bei 600 V klarkommen.

Der Schutz der Baugruppen vor Staub, Feuchtigkeit oder anderen korrosiven Gasen wird bei zunehmend raueren Umgebungsbedingungen im Umfeld der Elektronik wichtiger. Maschinen mit mehreren Dosierköpfen erlauben das Applizieren verschiedener Schutzlacke ohne Umrüstung. 4-Achs-Maschinen ermöglichen das Aufbringen selbst bei komplexen Geometrien.

Was ist eine Linie ohne Verkettung und Material-Handhabungs- oder Markiersysteme? Laserbeschrifter mit Wendeeinrichtung, In-Line-Etikettendrucker oder umschaltbare FiFo-/LiFo-Puffer mit einer Kapazität von mehr als 40 Nutzen zeigen, dass moderne Fertigungslinien durchgängig Hightech sind und höchsten Ansprüchen an Durchsatz, Qualität wie auch Flexibilität entsprechen.

20 Jahre Live-Fertigung

In diesem Jahr feiert der Organisator der Fertigungslinie und des Gemeinschaftsstandes Future Packaging, das Fraunhofer IZM aus Berlin, sein 20jähriges Bestehen.Jahr für Jahr demonstriert der Gemeinschaftsstand Future Packaging das effiziente Zusammenspiel von Industrie und Forschung.

Wie diese Maschinen sich effizient zu einer fertigungsbereiten Produktionslinie zusammenstellen lassen, zeigen 16 Technologie- und Maschinenanbieter auf dem Gemeinschaftsstand in Halle 6. Der diesjährige Untertitel „Geballte Kraft von 16 Technologiepartnern“ drückt die besondere Stärke der Fertigungspartner aus: Er kennzeichnet die Fähigkeit der beteiligten Linienpartner, innerhalb von drei Monaten ein Produkt und die dazugehörige Fertigungslinie zu konzipieren und zu realisieren. Voraussetzung dafür ist die hohe Flexibilität und Kompetenz der Maschinenhersteller und das reibungslose Zusammenspiel mit den Technologien des Fraunhofer IZM. Der Besucher kann dabei alle Stationen der Leiterplattenbestückung vor Ort erleben. Die Livedemonstration wird ergänzt um Technologiesprechstunden, bei denen die Anbieter der Maschinen sowie die Forschungs- und Technologiepartner den Besuchern für Fragen aus dem Unternehmensalltag zur Verfügung stehen.

Halle 6, Stand 434A

(mrc)