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Kosten von Defekten: Die Kosten für eine Schadenskorrektur steigen bei jeder Stufe um den Faktor 10.
Bei schlecht gesteuerten Prozessen fällt der Ertrag für komplexe Platinen mit einer hohen Anzahl möglicher Defekte sehr schnell auf Null.
Durchschnittliche manuelle Reworkzeit pro Teil. Bei Platinen mit durchschnittlich 90 % Widerständen und Kondensatoren beträgt der gewichtete Durchschnitt pro Defekt 540 s bzw. 90 Minuten.
Reworkkosten für unterschiedliche dpmo-Werte in verschiedenen Branchen und Ländern ausgehend von 6.100 Produktionsstunden pro Jahr bei einer Leistung von 100.000 Komponenten/h.
Keine aktuelle Prüftechnik kann 100 % der Fehler erkennen.
Aktuelle Linienbewertung einer Assembléon AX-501 in einer Speichermodullinie. Der größte Teil der Tagesproduktion war fehlerfrei mit einem durchschnittlichen dpmo-Wert unter 5.
Assembleon AX-501-Bestückungsautomat.

Die beiden wichtigsten Gründe für fehlerhafte Produkte sind schlechter Schablonendruck, der zu 50 bis 70 % dafür verantwortlich gemacht wird, sowie Fehler beim Bestücken, die die Ursache für die meisten restlichen Defekte sind. Typische Werte für den Schablonendruck liegen bei zirka 10 dpm und bei Bestücksystemen bei 5 dpm. Der Benchmark für eine komplette Linie liegt bei zirka 25 dpm unter Berücksichtigung der Defekte aus der Leiterplattenproduktion und dem Reflowlöten.

Verglichen mit der typischen Fehlerrate einer industriellen Produktionslinie von 50 bis 100 dpm mit Standard-Komponenten – die dpm für Miniatur-Bauteile wie  01005-Komponenten kann bei 200 oder darüber liegen – klingt das sehr optimistisch. Da die Kosten für Rückrufaktionen bei Industriezweigen im oberen Marktsegment in keinem Verhältnis zu den Bauteilkosten stehen, ist eine Produktion, die von Anfang an fehlerfrei läuft, für Kunden z.B. im Automobilelektronikbereich ein absolutes Muss.

Einsparungspotenzial nutzen

Das Einsparungspotenzial ist unter Umständen enorm. Bei einer typischen Leiterplatte mit zirka 1.000 Komponenten ergibt sich bei 25 dpm für eine Produktionslinie ein First Pass Yield (FPY) von 97,5 %. Für eine Produktionslinie mit einem Durchsatz von 100 Boards/h, was rund 100.000 Komponenten/h entspricht, ist eine Rework-Station erforderlich.

Bei einem Dreischichtbetrieb werden drei Rework-Arbeiter benötigt. Während der Inline-Reparatur werden erfahrungsgemäß nur 90 % aller Defekte erkannt. Die restlichen 10 % werden erst zu einem späteren Zeitpunkt ersichtlich, sodass sich die Reparaturkosten pro Stadium1 um den Faktor 10 erhöhen.

Bei den jährlichen Arbeitskosten in Deutschland von fast 45.000,00 € belaufen sich die Reparaturkosten einer optimal gesteuerten Linie bei 25 dpm auf zirka 290.000,00 €/Jahr. Im Gegensatz dazu hat eine typische 100-dpm-Produktionslinie mit zwei Rework-Stationen einen Ertrag von 90 % und Reparaturkosten von bis zu  445.000,00 € pro Jahr.

Schwankungen reduzieren

Der Ertrag für eine bestimmte Flachbaugruppe auf einer bestimmten Produktionslinie erfolgt anhand von drei zusammenhängenden IPC-Dokumenten: IPC-A-610D, IPC-9261A und IPC-7912A. Diese Normen unterscheiden die Art des SMT-Prozessfehlers und geben Auskunft über die Anzahl der möglichen Defekte auf jeder Baugruppe, was natürlich von der Komplexität der Platine und der auf ihr verarbeiteten Anzahl von Bauteilen, vor allem denen mit hoher Pinanzahl, abhängt.

In Bild 2 ist die Abhängigkeit des Ertrags von der Anzahl der möglichen Fehler bei verschiedenen dpmo (Defekte pro Million Möglichkeiten) dargestellt. Je nach Prozessqualität zeigt der dpmo-Wert, ob mögliche Fehler zu tatsächlichen Defekten werden können. Bei einem niedrigen dpmo fällt der Ertrag langsam und fast linear mit der Anzahl der möglichen Defekte ab. Dies bedeutet, dass er auch bei komplexen Leiterplatten auf einem hohen Niveau gehalten werden kann.

Verschiedene Applikationen zeigen unterschiedlich große Toleranzfenster für mögliche Defekte. Automobilelektronik-Baugruppen haben gewöhnlich eine geringere Bestückdichte mit einem Fehlerbereich zwischen 2.000 und 12.000 dpmo. Allerdings können die Kosten in Folge eines Defektes sehr hoch sein. Das Fenster für Mobiltelefone und Smartphones liegt normalerweise zwischen 6.000 und 20.000 und das für komplexe Kommunikations- und Serverplatinen zwischen 25.000 und 60.000 dpmo.

Wahrscheinlichkeit für´s Rework

Der First Pass Yield gibt den Prozentsatz qualitativ guter Platinen an, also auch den Prozentsatz der Baugruppen, die repariert bzw. nachgearbeitet werden müssen. Die durchschnittliche Reparaturzeit pro SMT-Fehler in Bild 3 bezieht sich auf die Zeit für das Rework.

Der entscheidende Prozess für den Ertrag – und demzufolge die Reworkkosten – ist die Bestücktechnik. Am weitesten verbreitet ist die sequenzielle Bestückung mit Maschinen, die normalerweise mit einem oder zwei Köpfen ausgerüstet sind und die Bauteile mit hoher Geschwindigkeit platzieren. Parallele Bestückungsmaschinen haben dagegen mehrere – bis zu 20 – Bestückköpfe. Dies bedeutet, dass sich die einzelnen Köpfe vor der Bestückung zunächst „beruhigen“ können.

Die tatsächliche Einsparung hängt dann von der Leistung der Linie ab. Das bedeutet also das doppelte Potenzial bei einer Bestückleistung von 200.000 Komponenten/h im Vergleich zu 100.000 Komponenten/h. In Deutschland können sich z. B. die Einsparungen beim Rework für Motorsteuerungen – normalerweise 340 Komponenten pro Schaltung, 6 Schaltungen pro Platine, ca. 10.000 mögliche Fehler pro Leiterplatte bei einer Linienleistung von 13.000 Komponenten/h – auf  870.000,00 € pro Linie jährlich belaufen.

Durch eine Reduktion der dpmo-Werte von 60 auf 20 sind ähnliche Beträge bei Linien für Mobiltelefone möglich. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass in Fertigungsanlagen zwischen 50 und 100 Linien installiert sein können. All dies ermöglicht den Herstellern, ihre Produktionslinien in Europa beizubehalten, Vertriebs- und Logistikkosten einzusparen und sich dabei die Vorteile kurzer Lieferketten zu sichern.

Prüfmethoden im Verbund

Bei ordnungsgemäß gesteuerten Prozessen sind die Fehlerursachen schnell zu erkennen und zu beheben. Die Fehler auch tatsächlich zu finden, ist dagegen schwieriger.

Forschungen, die von Nokia und der Universität von Oulu in Finnland durchgeführt wurden, haben gezeigt, dass 90 % der Fehler bei den meisten Prüfungen erkannt werden, 10 % aber unentdeckt bleiben. Aus diesem Grunde müssen Prüftechniken sinnvoll kombiniert werden, um möglichst alle Fehler zu finden. Aber auch dann werden immer noch einige Defekte „durchrutschen“. Man kann die Qualität eben nicht „in“ ein Gerät hineinprüfen, sondern man muss den Prozess verbessern.

Rework-Kosten einer kompletten Linie

Verglichen mit dem Benchmark einer gesamten Fertigungslinie von 25 dpm, wären typische Fehlerraten von 50 bzw. 100 als nackte Zahlen wenig aussagekräftig. Bild 6 zeigt, dass ein komplexes Smartphone, das auf einer Linie mit 25 dmo produziert wird, einen Ertrag von 59 % liefert. Bei einem DPMO von 50 sinkt der Ertrag auf 40 % und bei 100 möglicherweise auf niedrige 12 %.

Und das sind nur die offensichtlichen Kosten. Wie schon die „10er-Regel“ vermuten lässt: Das Erkennen eines Fehlers bei einem abschließenden Test kostet 10 mal so viel wie direkt nach der Bestückung, nochmals 10 mal mehr bei einem Fehler, der beim Händler festgestellt wird und 10 mal so viel bei einem Ausfall im Feld. Fehler, die erst beim Endanwender des Produktes auftreten, sind die teuersten, denn sie schädigen das Image.

Referenzen

Dr. David M. Anderson: “Design for manufacturability & concurrent engineering”, CIM Press 2008, ISBN 1-878072-23-4.