So automatisiert man Prüf- und Testverfahren für Metering Devices

Da hohe Auftragsvolumina mit sehr spezifischen Qualitätsanforderungen das Geschäft mit Metering-Geräten prägen, ist seitens der Hersteller – oft EMS-Auftragsfertiger – eine weitreichende Automatisierung mit SMD-Bestückungslinien und modernen Selektivlötverfahren obligatorisch. Zudem verlangt die Gewährleistung der geforderten Produktstabilität ein elaboriertes Prüf- und Qualitätsmanagement. Als einer der zehn größten E²MS-Anbieter in Deutschland ist Rafi durch einen Prüf- und Betriebsmittelbau im eigenen Hause in der Lage, Testdesigns schnell anzupassen und damit flexibel auf wechselnde Produkt- bzw. Normanforderungen zu reagieren. Ein wesentlicher Aspekt für die Prozessüberwachung und Qualitätssicherung zur Gewährleistung eines effizienten Tracebility-Prozesses besteht in der durchgängigen Einbindung von Prozess-/Prüfschritten und -daten in das MES. Rafis Strategie zum Heben von Einsparpotenzialen basiert auf einer effizienten Automatisierung von Prüf- und Testverfahren, um die Prozesszeiten zu verkürzen, ohne die Prüftiefe zu reduzieren.

Qualitätssicherung beginnt bei der Entwicklung

Eine Qualitätssicherung, die erst in der Fertigung beginnt, kommt zu spät. Deshalb berät Rafi seine Kunden schon während der Projektplanung bei der Auswahl der verwendeten Bauteile und Materialien. Dies schließt sowohl Leiterplatten, Batterien, Antennen und Gehäuse als auch Klebstoffe, Dichtungen und Wärmeanbindungen ein. Ebenso unterstützt das Unternehmen seine Kunden bei der Optimierung des Leiterplattenlayouts. So ist die Einhaltung der Designregeln bei Leiterbahnabständen oder der Bauteildimensionierung wichtig, um Kriechströme und andere Ausfalleffekte der Elektronik zu vermeiden. Zudem ist die sorgfältige Platzierung von Prüfpunkten für die hochintegrierte, preisgünstige Herstellung unerlässlich, da sie zum störungsfreien Ablauf der Prüfschritte während der Fertigung beiträgt. Zu den umfassenden Leistungen zählt auch die Erstellung produktspezifischer Testkonzepte einschließlich der erforderlichen Software und Prüfmittel. Bevor die Produktion eingerichtet und die Serienfertigung gestartet wird, testet das Unternehmen an Prototypen alle relevanten Produkt- und Funktionsmerkmale. Die Prüfungen betreffen sowohl die physikalische Stabilität des Elektronikdesigns, die Gerätefunktionalität und ihre Störfestigkeit in allen Betriebsmodi als auch den Nachweis der EMV und EMVU. Außerdem werden die Gerätegehäuse in verschiedenen Testabläufen auf UV- und Chemikalienbeständigkeit sowie auf die Stabilität ihrer Konstruktion geprüft. Dafür müssen die Geräte umfangreiche Falltests unbeschadet überstehen. Analog dazu werden die Endgeräte auch in den dafür vorgesehenen Transportverpackungen getestet. Dabei unterstützt Rafi maßgeblich beim Verpackungskonzept, um Kosten und Handhabung im Feld effizient zu halten.

Bis zu 20 Platinen auf einmal testen

Zur Kontrolle der Fertigungsqualität werden alle aktuell relevanten Prüfstandards eingesetzt. Ein umfangreiches Traceability-System erfasst alle Prüfschritte und -daten über eine Seriennummer im 2D-Barcode, der auf die Leiterplatte gelasert wird. Gleich nach der Leiterplattenbedruckung im Lötpasten-Schablonendrucker werden Volumen und punktgenauer Auftrag per 3D-Solder-Paste-Inspection überprüft. Zur Überwachung der korrekten Platzierung und Ausrichtung von SMD- und THT-Bauteilen in den beiden anschließenden vollautomatischen Bestückungsprozessen dient standardgemäß die 3D-AOI. Durch die Multiplexer-Ausstattung in den nachfolgenden Prüfstationen, die eine rationalisierte Prüfung von Mehrfach-Nutzen ermöglicht, hat Rafi die Effizienz seiner Fertigungslinien deutlich erweitert. Weil keine vereinzelten Platinen mehr nacheinander durch die Stationen zur InCircuit-, Funktions- oder leitungsgebundenen HF-Prüfung geschleust werden müssen, lassen sich bis zu 20 Platinen pro Nutzen in einem Durchgang abprüfen. Mit der zeitsparenden Durchführung verschiedener Prüfschritte erreicht der Hersteller an einigen Stationen Produktions-Taktzyklen von unter zehn Sekunden. In insgesamt 14 Prüfschritten werden die Mehrfach-Nutzen auf Lötfehler, schadhafte Leiterbahnen oder Bauteile untersucht, die Sendeströme und Stromaufnahme in allen Betriebsmodi gemessen und alle Anwendungsfunktionen geprüft. Selbst die Funktionsprogrammierung und Speicherung der Sicherheitsschlüssel erfolgt im Multiplexverfahren. Dies erfordert ein leistungsfähiges Traceability-System, damit während dieser Abläufe alle Schlüssel, Seriennummern und Prüfdaten korrekt gespeichert, den Produkten zugewiesen und transparent für den Kunden hinterlegt werden.

Physikalische Belastbarkeitsprüfungen

Da es für den jahrelangen wartungsfreien Betrieb von Metering Devices nicht nur auf funktionale, sondern auch auf mechanische Stabilität ankommt, unterzieht Rafi die Baugruppen verschiedenen physikalischen Belastungsprüfungen. Neben Rütteltests zur Überprüfung der mechanischen Stoß- und Schockfestigkeit führt der Hersteller kontinuierlich Stichproben durch und testet die bestückten Platinen durch beschleunigte Alterungsverfahren auf ihre Zuverlässigkeit. Maßgeblich dafür sind Temperatur-Schockprüfungen, Klimaprüfungen und Run-In-Tests. Temperatur-Schockprüfungen unterziehen die Baugruppen schnellen Temperaturschwankungen, um vorzeitige Materialermüdung zu provozieren und potenzielle Schwachstellen von Bauteilen zu finden. In nachfolgenden Klimaprüfungen wird die Alterung durch Temperatur und Luftfeuchtigkeit sehr stark beschleunigt, um in Stichproben den Nachweis der geforderten Lebensdauer zu erbringen. Run-In-Test setzen die Funktionseinheiten bei angeschlossener Versorgungsspannung und unter Grundlast in Wärmeschränken beständigen hohen Temperaturen aus.

Inline-Kontrolle von Dichtigkeit und Displays

Genauso entscheidend für die Lebensdauer der Endgeräte ist die zuverlässige Gehäuseabdichtung. Nach der Integration der Elektronik in die Gehäuse finden die Dichtigkeitsprüfungen innerhalb des Produktions-Taktzyklus statt. Dafür durchlaufen die endmontierten Produkte Druckkammern, mit deren Hilfe die Einhaltung der Schutzart (z.B. IP67) geprüft wird. Auch die Überprüfung der Geräte-Anzeigen ist bei Rafi als Inline-Test implementiert: Die Displays werden dabei von optischen Sensoren „on the fly“ auf Anzeigefehler oder mangelhafte Kontraststärke gescannt.

Spezialkompetenz für Metering-Produkte

Als Produzent für namhafte Metering-Unternehmen verfügt das Unternehmen über spezielle Kompetenzen in der Entwicklung und Fertigung zuverlässiger und langlebiger Verbrauchserfassungsgeräte. Damit sich Kunden ohne Einschränkung auf die normgerechte Ausführung ihrer Baugruppen verlassen können, verwendet Rafi große Sorgfalt auf ein Prüfmanagement, das alle Kalibrierungs- und Konfigurationsprozesse von der Klimakammer bis zur digitalen Datenverarbeitung und Hochfrequenztechnik umfasst. Um erstklassige Qualität zu wirtschaftlichen Konditionen zu gewährleisten, realisiert Rafi mit intelligenten Automatisierungskonzepten kurze Taktzyklen der Produktion. Dabei garantiert die Einbindung aller Stationen in das leistungsfähige Traceability-System hohe Transparenz aller Fertigungs- und Prüfschritte und ggf. die rasche Fehlereingrenzung. Das System ist nicht nur dafür ausgelegt, Bauteile, Fertigungsprozesse und Prüfdaten für die jeweiligen Produkte zu registrieren, sondern auch Seriennummern, Security-Schlüssel und, wo erforderlich, MAC-Adressen und FCC-IDs zu verwalten. Um einzelne Produkte durchgängig über den gesamten Fertigungsprozess zu verfolgen, zu registrieren und alle entsprechenden Daten darauf zu buchen, erhält jede Platine vor Eintritt in die Fertigungslinien eine Unikatsnummer als 2D-Barcode in den Lötstopplack gelasert. Diese ID-Nummer ermöglicht eine Prozessverriegelung, die sicherstellt, dass für jedes Produkt die Reihenfolge verschiedener Bearbeitungsschritte konsequent eingehalten wird. Ebenso steuert das System die korrekte Gehäusebedruckung der Endprodukte mit allen gerätespezifischen Kenndaten.