19. Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg

Prozessvalidierung greifbar gemacht

Was aber bedeutet Prozessvalidierung überhaupt? Neugierig geworden, gab Prof. Thomas Zerna von der Technischen Universität Dresden – Institut für Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik, das Wort „Prozessvalidierung“ in Google ein und war nicht schlecht erstaunt über das Resultat: „Über 29.000 Treffer! Allerdings werden diese von der Pharma- und Lebensmittelindustrie beherrscht.“ Interessant für ihn war dennoch, dass die amerikanische Food and Drug Administration (FDA, zu Deutsch: Behörde für Lebensmittelüberwachungs- und Arzneimittelzulassung) im Jahr 2011 einen Leitfaden über die Prozessvalidierung herausbrachte. „Das reicht allerdings noch nicht, weil sich der Leitfaden nur auf den letzten Teil der Prozesskette, das Produkt, konzentriert“, merkt er an. In seinem Vortrag „Charakterisierungsmethoden für die Prozessvalidierung in der Elektronikfertigung“ stellt er daher die Frage, was validieren überhaupt bedeutet. Laut Duden ist es „die Wichtigkeit, die Gültigkeit, den Wert von etwas feststellen, bestimmen“.

Referenten des ersten Tags (v.l.n.r.): Alois Mahr (Zollner Elektronik), Werner Fink (Elmeric), Dr. Frank Wenzhöfer (Polar- und Meeresforschung), Dr. Hans Bell (Rehm), Dr. Thomas Ahrens (Trainalytics), Prof. Dr. Thomas Zerna (TU Dresden) und Björn Jereczek (NXP Semiconductor) Marisa Robles Consée

Wann aber ist ein Prozess „wertig“? Das ist der Fall, wenn der gesamte Prozess berücksichtigt wird – also vom Entwurf über die Fertigung bis hin zum Produkt, erklärt Zerna: „Prozessvalidierung beinhaltet den wissenschaftlich fundierten Nachweis bei der Entwicklung und Durchführung eines Produktions-Prozesses, dass dieser unter der Voraussetzung definierter Eingangsgrößen wie Materialien, Komponenten, Daten und Hilfsstoffe, Umgebungsbedingungen und Prozessparameter sowie korrekter Eingangsdaten qualitätsgerechte Produkte hervorbringt und dabei gleichzeitig zuvor spezifizierte Mengen und Eigenschaften der entstehenden Neben- und Abfallprodukte sowie die Energiebilanz einhält.“ So eine Ansage muss man erst mal verdauen, weshalb im Konferenzraum absolute Stille herrschte. Dafür notwendig sind aber entscheidende Parameter:

• Mess- und Charakterisierungsmethoden für die quantitative und/oder qualitative Bewertung von Prozess- und Produkteigenschaften
• Klare Vorgaben für Akzeptanzkriterien (Toleranzgrenzen, Prozessfenster, etc.) von Materialien, Komponenten, Prozessparametern, Umgebungsbedingungen, etc.
• Fundierte Kenntnisse über Ursache-Wirkungs-Beziehungen

Wie sich dies in der Praxis umsetzen lässt, demonstrierte er anschaulich anhand von verschiedenen Prüfmethoden bildgebender und messender Verfahren, die am IAVT/ZmP der TU Dresden im Kundenauftrag durchgeführt wurden.

Den Faktor Mensch holte indes Alois Mahr, Leiter Process Engineering  von Zollner Elektronik, ins Boot. In seinem Vortrag „Schrauben – Eine einfache Verbindungstechnik?“ stellte er den Schraubprozess in der Leistungselektronik vor. Zollner Elektronik ist langjähriger EMS-Partner von BMW. Im konkreten Fall wird eine Baugruppe direkt am Elektromotor an der Hinterachse des BMW i3 respektive i8 montiert. Einflussfaktoren sind die Kühlkreisläufe, Schnittstellen zu anderen Modulen, Dichtungen und das Gehäuse, in dem die Baugruppe verbaut wird. Wer sich jetzt einen Werker mit einem Schraubenzieher in der Hand vorstellt, dem erteilt Mahr prompt eine Absage: „Schrauben kann sehr, sehr komplex sein.“ Nicht nur dass viele Schraubaufgaben für diese Baugruppe notwendig sind, sondern sie müssen extrem präzise erfolgen, nämlich nach Six-Sigma-Anforderungen. Dabei gilt es, verschiedene Materialien miteinander zu verbinden: Kunststoff und Metall bei mechanischen Bauteilen, bei elektronischen Baugruppen sind es die Stecker und schließlich schlagen auch Stromanbindungen mit Kabelschuhen und Stromschienen zu Buche, die in einem Gehäuse zu vereinen sind. „Insgesamt sprechen wir von etwa 280 Schraubstellen“, nimmt er Anlauf und merkt mit Blick auf die eigens konzipierten Schraubaufbauten weiter an: „Die Prozessentwicklung muss unbedingt mit der Produktentwicklung stattfinden.“ Kluge Köpfe sind also gefragt, die sich nicht nur mit der Baugruppenfertigung auskennen, sondern auch zuverlässig die Schraubreihe für die einzelnen Module festlegen können. Im Hinblick auf die Prozessvalidierung formuliert er knapp: „Daten sind das Öl des 20. Jahrhunderts.“ Die intelligente Auswertung der gesammelten Daten seien daher die Grundlage zur gezielten Prozessoptimierung, ist er überzeugt: „Die Verknüpfung und intelligente Auswertung der Daten ist der entscheidende Faktor, ob eine Prozessdatenüberwachung ein reaktives Qualitätswerkzeug ist oder zum unverzichtbaren Inputgeber für Produkt- und Prozessentwicklung wird.“

Leiterplatten im Visier

Typische Fertigungsabfolge einer Baugruppe: Essenziell ist die Eingangsprüfung, da Folgekosten aufgrund fehlerhafter Leiterplatten und Bauteile nicht absehbar und zu berechnen sind. Dr. Thomas Ahrens, Trainalytics

Basis aller elektronischen Baugruppen ist die Leiterplatte, und so mancher der rund 150 Teilnehmer reagierte recht erheitert bei der Ankündigung des Vortrags „Warum jammern alle über die Leiterplattenqualität?“ Entnetzung, Nichtbenetzung Delaminierung, Blasloch oder ein Durchstieg von weniger als 75 Prozent – damit kennen sich die leidgeprüften Zuhörer aus. „Nicht jammern, sondern proaktiv handeln!“, rauscht es da von der Bühne. Dr. Thomas Ahrens, Geschäftsführer und Inhaber von Trainalytics, weiß wovon er spricht. Als Trainer für J-STD-001, IPC-A-610, IPC/WHMA-A-620 und IPC-6012 kennt er sich nicht nur mit den Regelwerken und Normen aus. Er weiß auch, wie schwierig es ist, sich aus den 250 „lebendigen ICP-Dokumenten“ das Richtige rauszusuchen. Da helfe nur eines: „Eine Struktur muss her, um mit qualitätsbestimmenden Faktoren zu einem guten Endergebnis zu kommen.“ Und die beginnt damit, sich zunächst einen Überblick zu verschaffen, um überhaupt eine Fehleranalyse durchführen und anhand der Richtlinien und Normen schließlich die Leiterplatten-Spezifikationen und -Leistungsklassen festlegen zu können.

Auch Björn Jereczek von NXP Semiconductors Germany weiß um die Wichtigkeit einer hohen Leiterplattenqualität. Am Beispiel einer Mouse erklärte er, worauf es beim EMV-gerechten Design ankommt: „Signalintegrität ist der Schlüssel für eine vernünftige Spannungsversorgung. Denn wenn die nicht ausreicht, verschiebt sich alles und die Signale beginnen ein Eigenleben zu führen.“ Um solcherlei Störungen wie Crosstalks zu eliminieren ist ein sehr gutes Schaltungslayout notwendig, jedoch: „Die Probleme resultieren aus einer lieblosen Platzierung der Bauteile“, merkt er an mit Blick auf ein unsauberes Platinen- und eckenreiches Antennenlayout. Mit einer völligen Überarbeitung des Platinenlayouts der drahtlosen Mouse gelang es, die Signalqualität erheblich zu verbessern, berichtet er.

Auf einen Ausflug in die Welt der gedruckten Elektronik lud Werner Fink, Leitung der Prozess- und Verfahrensentwicklung von Elmeric, ein. Aus der Drucksparte kommend, ist der Schritt zur gedruckten Elektronik nicht weit: „Wir sehen die Drucktechnologie als Chance, neue, smarte und intelligente Produkte hervorzubringen. Alle Produkte werden bemüht, intelligenter zu werden“, ist er zuversichtlich. So könne beispielsweise eine Waage die physiologischen Gegebenheiten wie Gewicht speichern und automatisch abrufen, sobald sich die Person daraufstelle. Sicherlich werde die gedruckte Elektronik eine konventionelle Leiterplatte nicht ersetzen, jedoch in Bereiche vordringen, die mit einer Platine nur schwer umzusetzen sind, beschreibt er die gesteckten Claims und nennt als Beispiel mit elektrisch leitenden Pasten gedruckte Touchelemente, die Signale über Moosgummis leiten können. Mit gedruckter Elektronik verwischen buchstäblich die Grenzen zwischen Design und Funktion – Slider, Taster verschwinden für das Auge nicht mehr sichtbar unter Oberflächen. Enormes Marktpotenzial sieht er vor allem in Batterien, die sich „so drucken lassen, wie sie benötigt“ werden: „Große Rotationsmaschinen können Tonnen von Papier binnen Minuten drucken. Warum sollten sie nicht auch große Energiespeicher bewältigen können?“, stellt er da die Frage.

Prozessvalidierung in der Praxis

Referenten des zweiten Tages (v.l.n.r.): Andreas Stark (Tonfunk), Karl Weinhold (Feno), Thorsten Schmidt (Hella), Dr. Hans Bell (Rehm), Esra Daniel Stoll (Basler), Michael Schlegel (Smyczek), Günter Grossmann (EMPA) und Josef E. Denzel (Airbus). Gustl Keller

Der zweite Konferenztag war vor allem praxisbezogen. Den Auftakt bildete Josef E. Denzel, Head of Engineering Compliance & Ecodesign von Airbus Defence and Space, der sich in seinem Vortrag „Compliance-Prozesse im produktbezogenen Umweltschutz“ damit auseinandersetzte, wie sich die zunehmenden globalen Umweltregulierungen in der laufenden Produktion umsetzen lassen. Gerade im Militär- sowie Raum- und Luftfahrtbereich sind nicht nur die Lebenszyklen mit bis zu 20 Jahren lang, sondern auch die Entwicklungen und Produktionsanläufe: „Wir rechnen in Dekaden. Eine Dekade ist eine ganz normale Zeitachse.“ Die Problematik sei, dass sich die als gefährlich und umweltgefährdend eingestuften Stoffe nicht ersetzen lassen, parallel dazu langjährig entwickelte Prozesse zertifiziert sind. Und mit Reach sehe man sich auf einmal mit mehr als 10.000 Lieferanten konfrontiert. „Es ist sehr kompliziert der Politik auf EU-Ebene zu vermitteln, dass man länger als sieben Jahre benötigt, um Ersatzstoffe zu finden“, erläutert er. Ein Reach-basiertes Risiko eines Fertigungsstopps sind beispielsweise Chromium-Trioxide. Umso wichtiger sei es, die Umsetzung im Unternehmen voranzutreiben. Bei Airbus erfolgt die Umsetzung des Product Environmental Compliance mittels einer Struktur der „Delegation von Pflichten und Vollmachten“. Dabei müsse das Wissen, welche Substanzen künftig essenziell sind, wachsen: „Das angesammelte Wissen um Gefahrstoffe muss stärker in das umweltgerechte Design neuer Produkte einfließen“, mahnt Denzel.

Um Fehler zu minimieren und eine bessere Prozessvalidierung zu ermöglichen, müssen Strukturen her. Die Normen und Richtlinien sind die Basis für die Fertigungsprozesse, man muss sich nur zurechtfinden und zwar in der richtigen Reihenfolge. Dr. Thomas Ahrens, Trainalytics

Andreas Stark von Tonfunk zeigte anschaulich, was für eine Prozessvalidierung beim Selektiv- und Wellenlöten notwendig ist. Dabei fokussierte er zwei Themen: einerseits das Hub-Tauchlöten, andererseits das Wellenlöten. Ebenso wie Tonfunk ist auch Smyczek ein EMS-Anbieter. Michael Schlegel nahm sich des Themas „Traceability mit Boardmitteln“ an. Der Geschäftsführer Technik von Smyczek stellte in seinem Vortrag die Behauptung auf, dass eine „vollständige Material- und Prozess-Traceability auch ohne MES-System möglich“ ist. Möglich werde dies durch die Nutzung der Datenbanken, die die jeweiligen Maschinen wie Bestückautomaten oder Inspektionssysteme implementiert haben. „Gerade bei Prüfaufgaben ist eine prozessoptimierte Darstellung mit Bild in gängigen MES nicht möglich“, argumentiert er und merkt weiter an: „Mit Boardmitteln kann man das Gleiche wie mit MES erreichen, aber mit weniger Investitionen dafür mit mehr Einzelaufwand pro Recherche.“

Einen kritischen Blick auf Datenbanken warf Esra Daniel Stoll, Technologe von Basler: „Den vielen Daten, die Maschinen automatisch erfassen, sollte man mit einer gesunden Skepsis begegnen“, mahnt er und lenkt den Blick auf eine fehlerbehaftete Software: „Hersteller bieten keine Möglichkeit an, Software auf Plausibilität hin zu überprüfen.“ Und beim Thema Industrie 4.0 konzentriert man sich zwar darauf, Daten sicher von A nach B zu schieben. Macht die Software dabei Fehler – beispielsweise Teile falsch abzulegen – bleibt dies oftmals unbemerkt, weil es wenige Nutzer gibt. Ein Beispiel: Laut Studien enthalten 1000 Zeilen Code durchschnittlich 0,5 Fehler bei gut getesteter Software. Im Industrieumfeld können es aber auch 50 Fehler sein. „Eine hundertprozentige Nachverfolgung ist damit nicht erfüllt“, bekräftigt er. Deshalb sei es erforderlich, seine Datenbanken selbst zu überwachen. Dabei gab er eine kleine Einführung, wie man Datenbänke „anzapft“ und sprach den Teilnehmern Mut zu: „Man muss kein Software-Profi sein. Bereits mit gängigen Standardtools von Microsoft lassen sich Auswertungen erzeugen, die sehr aussagekräftig sind.“

Elektronikfertigung unter die Lupe genommen

Dass die Einpresstechnik mit OSP-Oberflächen eine Variante mit Zukunft ist, davon ist Thorsten Schmidt von Hella überzeugt. Er ist für die Technologieentwicklung und die weltweite Koordination verantwortlich. Der zunehmende Kostendruck veranlasst, sich nach Optimierungspotenzialen umzusehen. Bei der Einpresstechnik handelt es sich um eine etablierte und sichere Technik. Das beweisen die vielen Anwendungsfelder, allerdings basieren sie auf einer chemisch-Zinn-Oberfläche. Daher galt es, nach einer kostenoptimierten Leiterplattenoberfläche Ausschau zu halten. Thorsten Schmidt stellte die Projektergebnisse des Industriearbeitskreises „Einpresstechnik in OSP“ vor, der aus Automobilherstellern (OEM), deren Zulieferer (Tier 1) und Einpresskontakt- nebst Leiterplattenhersteller (Tier 2) bestand. „Wir konnten weitestgehend vergleichbare Ergebnisse gegenüber chemisch-Zinn-Leiterplattenoberflächen erzielen“, erläutert er und merkt resümierend an: „Die Einpresstechnik in OSP ist prozesssicher einsetzbar.“

Die emotionale Wahrnehmung von Licht und damit Farben auf die Probe gestellt: Wie Menschen das Licht wahrnehmen ist ein Faszinosum. Kai Weinhold, Feno

„Licht weckt Emotionen“, ist Karl Weinhold überzeugt. Der Geschäftsführer und Inhaber von Feno weiß um die emotionale Wahrnehmung von Licht und damit Farben, weshalb es ihm ein Anliegen ist, die Brücke zwischen Elektronikfertigung und mit LEDs erzielbare designoptimierte Lichtlösungen zu schlagen: „Wohlbefinden lässt sich nicht aus Datenblättern ableiten“, betont er. Die lichttechnische Expertise von Feno reicht von der Idee über die Entwicklung bis hin zur Fertigung für Kunden in der ganzen Welt. Das kann die Großserienfertigung für die Automobilindustrie genauso sein wie exklusive Projektleuchte für anspruchsvolle Lichtkunstwerke. Wie Menschen das Licht wahrnehmen ist ein Faszinosum, das Wissenschaftler mit dem CIE-Diagramm (von 1931) und den MacAdam-Ellipsen international verbindlich greifbar machten. In seinem Vortrag „LED anschaulich – weiß ist nicht gleich weiß“ konzentrierte er sich daher darauf, was LED-Binning in der Praxis bedeutet, wie die Unterschiede tatsächlich aussehen und welche Möglichkeiten sich für die Elektronikfertigung bieten können.

Die zweitägige Konferenz schloss mit der Expertenrunde „Wir fragen – wir antworten“. Unter der Ägide von Günter Grossmann, EMPA, wurden Fragen aus der Zuhörerschaft rund um den Fertigungsalltag, zum Design, zu Materialien und Prozessen moderiert, diskutiert und erörtert.