Mit 3D SPI-Messdaten den Druckprozess optimieren

Liebherr-Bagger, Claas-Traktoren und Kaeser-Kompressoren – all diese Baumaschinen und Nutzfahrzeuge setzen auf Technologie von Proemion. Das Unternehmen aus Fulda, ein echter Hidden Champion, ist mit seinen fortschrittlichen Telematiksystemen weltweit präsent. Die Systeme sind tief in die Maschinen integriert und ermöglichen durch Kommunikation mit dem Fahrzeugrechner die Übertragung von Betriebs- und Servicedaten. „Wir bieten unseren Kunden nicht nur Hardware, sondern alle Komponenten einer modernen Telematiklösung aus einer Hand. Von der Datenübertragung aus der Maschine über Mobilfunk in die Cloud bis hin zur Darstellung der Daten in der Weboberfläche“, erläutert Philipp Maul, Marketingleiter bei Proemion. Die Telematikmodule ermöglichen es den Herstellern, Betriebsdaten auszuwerten und für Wartung und Service per Fernzugriff auf die Maschinen zuzugreifen.

Qualitätskontrolle durch Lotpasteninspektion

Proemion fertigt am Standort Fulda jährlich etwa 80.000 Elektronikbaugruppen auf einer SMT-Linie und setzt seit 2002 auf vollständige Rückverfolgbarkeit. „Wir können genau nachvollziehen, welche Bauteile von welcher Charge und welchem Hersteller auf jeder einzelnen Leiterplatte verbaut sind. Auch Produktions- und Prozessdaten, wie optische Prüfungen und elektrische Tests, werden den Baugruppen zugeordnet“, erläutert Stefan Vey, Leiter der Elektronikproduktion. Ein automatisches optisches Inspektionssystem (AOI) überwacht den Bestückungs- und Lötprozess.

Was jedoch bislang fehlte, war eine Lotpasteninspektion nach dem Druck. „Wir haben bisher auf eine optische Kontrolle im Drucker gesetzt, aber das ist kein Vergleich zu den Möglichkeiten einer 3D-Lotpasteninspektion (SPI)“, erklärt Vey. Da in den Telematikmodulen verschiedene Stecker, BGAs, ICs und Oszillatoren verbaut sind, ergänzt das SPI die AOI entscheidend. Während die AOI nach dem Bestücken und Löten nur sicherstellt, dass der BGA korrekt platziert und nicht verkippt ist, kann nur eine Röntgeninspektion Aufschluss über die Vorgänge unter dem Bauteil im Reflow-Ofen geben. Mit der Lotpasteninspektion wird jedoch ein wichtiger Schritt zur Fehlervermeidung getan: Wenn nach dem Druck genügend Lot auf den Depots vorhanden ist und die AOI bestätigt, dass der BGA korrekt platziert wurde, lassen sich bereits einige potenzielle Fehlerquellen ausschließen.

Grabsteineffekte reduzieren

Das SPI dient aber vor allem dazu, den Druckprozess zu überwachen: „Wenn man bei einem 0201-Bauteil einen leicht versetzten Druck hat, – mit dem bloßen Auge ist das kaum sichtbar – hat man dann später im Prozess einen Grabsteineffekt“, nennt SMT-Teamleiter Patrick Lutter ein Beispiel. An dieser Stelle könne das SPI nicht nur Fehler detektieren, sondern sehr genau den Prozess regeln, „indem es den Druck nachjustiert, so dass wir dann wieder in der Mitte und nicht am Rand des Prozessfensters sind. Damit sinkt das potenzielle Fehlerrisiko für nachfolgende Prozessschritte.“

Täglich 4 bis 6 Programmwechsel

Bei vier bis sechs Programmwechseln pro Tag habe man schon nach wenigen Betriebsstunden wichtige Erkenntnisse sammeln und über die SPC auswerten können, und so einen manuellen Regelkreis für den Druck etabliert. Dies habe die Grabsteinquote massiv reduziert.

„Wir haben auch viel über unseren Drucker gelernt: Wir mussten leider feststellen, dass die Rakelrichtung Einfluss auf das Ergebnis hat. An den SPI-Inspektionsergebnissen kann man für jedes Board sehen, wie es gerakelt wurde, so präzise sind die Messungen der Lotpastendepots“, sagt Lutter. Neben Versatz werden mit dem SPI auch Formfehler geprüft. Daraus konnte Proemion Rückschlüsse für die Schablonen ziehen: „Wir haben den Schablonenrahmen verändert: Wir haben nun einen Rahmen mit höherer Spannkraft, dadurch ist die Schablone stabiler, liegt besser auf und das Druckergebnis ist besser“, erklärt Stefan Vey. Man habe auch den Schablonenreinigungszyklus optimiert, weil durch die SPI-Ergebnisse klar wurde, dass Druckfehler durch mangelhafte Reinigung der Schablonen entstanden.

„Weil Proemion eine eigene Entwicklungsabteilung hat, können wir von der Produktion viel Einfluss nehmen, damit die Schaltungen so designt werden, dass sie sich auch gut produzieren lassen“, erklärt der Produktionsleiter. Gerade im Musterbau werde man früh in die Entwicklung miteinbezogen und habe durch das SPI nun eine genaue Datenanalysemöglichkeit. Dies verkürze die Zeit bis zur Serie, weil man schon in frühen Musterphasen eine schnelle und sichere Produktion aufbauen könne.

Niedrige Pseudofehlerrate

Was sich jetzt im Alltag zeigt, deutete sich schon im Benchmark an: „Wir sind mit bedruckten Boards zu mehreren SPI-Herstellern gefahren und haben vor Ort Boards programmiert und analysiert. Dabei haben wir mit dem Koh Young System sogar einen Echtfehler entdeckt, den die anderen nicht detektieren konnten. Bei den Benchmarks haben wir zudem gesehen, dass die Pseudofehlerrate auch deutlich höher ausfallen kann. Da hat man dann einen riesigen Debugging- und damit Personal-Aufwand“, erklärt Stefan Vey.

Ein weiteres wichtiges Kriterium im Benchmark war die Programmerstellung: Wie schnell erstellt man ein Programm? Welche Daten braucht man dafür und wie viele Pseudofehler entstehen? An diesen Punkten machte Proemion die Entscheidung für den koreanischen Hersteller Koh Young fest.

Schnelle Integration, kein Schlupf

In Deutschland wird Koh Young durch den Distributor SmartRep vertreten, der sich auch um Installation, Service und Support der Anlagen kümmert. „Wir waren ganz überrascht, wie schnell die Installation verlief: Innerhalb von 3 Stunden war das SPI in die Linie integriert und hat sofort voll funktioniert, da war keine Anlaufphase nötig“, lobt Patrick Lutter die gute Abwicklung. Weil die Maschine sehr logisch und einfach aufgebaut sei, konnten der SMT-Leiter und sein Team das System schon nach kurzer Bedien- und Programmierschulung umfassend einsetzen: „Wir hatten wirklich sofort eine sehr niedrige Pseudofehlerrate und keinen Schlupf – genau wie aus dem Benchmark erwartet“.

„Vor dem Hintergrund der zahlreichen durch das SPI ausgelösten Prozessoptimierungen war diese Maschinenparkerweiterung ein wichtiger Schritt für Proemion, der sich schon in kurzer Zeit bezahlt gemacht hat“, fasst Benjamin Blank zusammen. Er ist im technischen Vertrieb von SmartRep tätig und beriet Proemion im Benchmark: „Angesichts der fortschreitenden Miniaturisierung und der steigenden Packungsdichte wird die Lotpasteninspektion immer wichtiger. Hinzu kommt die Bauteilknappheit: Unzureichend bedruckte Leiterplatten können so frühzeitig erkannt und damit Kosten gespart werden, weil sie nicht erst nach dem Bestück- und Lötprozess aussortiert werden.“  So sei schon diese Gatekeeper-Funktion des SPIs äußerst wichtig für eine SMD-Fertigung. Dass natürlich darüber hinaus am SPI viele Erkenntnisse für den Druckprozess gewonnen wurden, zeuge von einer hochprofessionellen Prozessapplikation bei Proemion. „Diese Art des Erkenntnisgewinns durch Datenanalyse ist die Kernidee der Koh Young-Technologie und eine der Schlüsselkompetenzen für die Transformation zur SmartFactory.“