Green Electronics ist in der Elektronik produzierenden Industrie mehr als ein aktuelles Schlagwort, das sich neben den wirtschaftlichen Faktoren als fester Bestandteil etabliert hat. Seit Jahren bestimmen Richtlinien wie WEEE, RoHS, EuP, ELV, REACH, Batterierichtlinie in zunehmendem Maße u. a. auch die Elektronikfertigung. Weitreichende und elementare Maßnahmen wurden in den vergangenen Jahren per Gesetz verordnet und sind zwischenzeitlich Standard. Aus diesem Grund sind die Entwicklungen unserer Industriegesellschaft und hier speziell die elektronischer Produkte und Geräte, in zunehmendem Maß von einer gewissen Nachhaltigkeit geprägt. Vor dem Hintergrund explodierender Rohstoff- und Energiepreise und der Endlichkeit unserer fossilen Energieträger, ist unsere Gesellschaft gezwungen mit den uns zur Verfügung stehenden Ressourcen sorgfältiger umzugehen, als dies in der Vergangenheit der Fall war. Speziell für die Länder Europas, die nur über sehr beschränkte Rohstoffquellen und fossile Energieträger verfügen, wird der nachhaltige Umgang mit diesen kostbaren Gütern immer wichtiger.
Zusätzlich führt die globale Verschiebung der Arbeitskosten, steigende Energiekosten und Wechselkursrisiken zu hohem Kostendruck und belasten die Rentabilität, bei gleichzeitig steigenden Anforderungen an die Qualität elektronischer Produkte.
Um sich diesen globalen Herausforderungen zu stellen und den Wettbewerbsvorsprung zu halten, sind in den Fertigungslinien u. a. Reflowsysteme erforderlich, die stabil und reproduzierbar arbeiten – gleichzeitig aber die Ressourcen schonen und den Produktionsausstoß pro Quadratmeter Stellfläche maximieren.
Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit sind deshalb die zentralen Punkte die bei der Beschaffung im Fokus der Anwender stehen, mit dem Ziel, die Gesamtkosten pro produzierter Baugruppe zu minimieren.
Aus genau diesem Grund hat Ersa in die Entwicklung neuer Reflow-Systeme investiert, welche die Prozesssicherheit, den Durchsatz und die laufenden Betriebskosten in den Mittelpunkt stellen. Bereits in der Standardausführung verfügen die Reflowsysteme über Optionen in Bezug auf die Energieeffizienz, die man bei Anlagen der Wettbewerber vergeblich sucht.
Der Erfolg der neuen Reflowanlagen, die als Testsieger bei vielen Evaluationen großer EMS Dienstleister hervorgehen, ist Beweis dafür, dass der von Ersa eingeschlagene „Effizienz-Kurs“ Standards in dieser Branche setzt.
Effiziente Reflowanlagen für maximale Leistung
Hotflow 3/20e und 3/14e sind die neuesten Reflowlötanlagen der Ersa Hotflow-Familie und liefern beste Lötergebnisse durch ihre thermische Performance, ihr gutes Querprofil und eine optimale Zonentrennung. Das „e“ im Namenszug steht dabei für „efficiency“.
Parallel zur Baureihe e sind die bewährten Premium-Modelle Hotflow 3/20 und 3/14 verfügbar. Der Unterschied zur Baureihe e besteht darin, dass die Premium-Modelle für den Einsatz von Schutzgas ausgelegt sind und über die für den Stickstoffbetrieb erforderlichen Ausrüstungen verfügen.
Bei der Konstruktion der Anlagen wurde von Know-how und Erfahrungsschatz aus der 25-jährigen Ersa Reflow-Erfolgsgeschichte profitiert. Die Anlagen der Baureihe e sind deshalb das Resultat einer idealen Kombination aus technologischen und ökonomischen Lösungen.
Die Maschine begeistert auch durch ihren besonders attraktiven Preis und sorgt so, zusammen mit höchster Maschinenverfügbarkeit, für beste TCO-Werte und schnellen ROI (Total Cost of Ownership, Return of Invest).
Energieeffizienz im Fokus
Im Rahmen des Entwicklungsprogrammes zur Steigerung der Energieeffizienz wurden die Reflowsysteme mit einer Reihe von neuen Funktionen ausgestattet, die teilweise bereits in der Standardausführung enthalten sind und nicht extra als zusätzliche Optionen gekauft werden müssen – bei vergleichbaren Wettbewerbsmaschinen aktuell nicht verfügbar.
Bei diesen Anlagen werden im Stand-by-Modus die Temperaturen bestimmter Heizungen und die Drehzahlen bestimmter Antriebe reduziert, um Energie einzusparen. Bei Rückkehr in den Betriebsmodus werden die abgesenkten Temperaturen und die Antriebe wieder hochgefahren. Dieser Vorgang dauert wenige Minuten, danach ist die Anlage wieder betriebsbereit. Dieser Modus bietet sich für kurze Stillstands Zeiten an, in denen z.B. die Linie für ein neues Produkt umgerüstet wird, oder eine Störung in der Linie behoben wird.
Der Ruhebetrieb ist für einen längeren Stillstand gedacht. Hier werden bestimmte Heizungen und Antriebe komplett abgeschaltet. Der Ruhebetrieb wie auch der Stand-by-Modus können jederzeit per Mausklick beendet werden und die Anlage kehrt automatisch in den Betriebszustand zurück, aus dem der Sparmodus aktiviert wurde.
Zusätzlich zu diesen Maßnahmen verfügen die Anlagen über eine sehr gute thermische Isolation. Hochwertige Isoliermaterialien reduzieren die Oberflächentemperatur der Anlagen, wodurch die Abstrahlung von Wärmeenergie in den Raum auf ein Minimum reduziert wird. Dadurch wird die Klimatisierung der Fertigungsräume nicht zusätzlich belastet.
Eine weitere Besonderheit stellen die Betriebsmöglichkeiten des Kühlaggregates zur Kühlung der Leiterplatten in der Kühlzone dar. Zur gezielten Nutzung der Abwärme kann zwischen einem internen und einem externen Kühlaggregat per Mausklick umgeschaltet werden. In Monaten in denen die Räumlichkeiten der Fertigung beheizt werden müssen, nutzt man die Abwärme des internen Kühlaggregates zur Beheizung der Räume. In Zeiten mit hohen Außentemperaturen, die eine Klimatisierung der Fertigung erfordern, schaltet man die Lötanlage auf das externe Kühlaggregat um. So transportiert man die Abwärme der Baugruppen direkt nach außen und vermeidet eine zusätzliche Belastung der Hallenklimatisierung, da die Abwärme nicht in die klimatisierte Halle abgegeben wird. Zusätzliche Wärmetauscher direkt in den Absaugkanälen unterstützen diese Maßnahmen.
Generell richtet sich der Energieverbrauch einer Reflowlötanlage natürlich nach deren Ausbaustufe. Die Summe der realisierten Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz, hat in diesem Bereich zu einer beachtlichen Energieeinsparung geführt. So wurde der Energieverbrauch im eingeschwungenen Betriebszustand, bei Anlagen mit einer Anschlussleistung von 50 kW, auf 5 bis 7 kW reduziert.
Um zusätzlich die Kosten der elektrischen Infrastruktur zu senken, ermöglicht die Software, über ein intelligentes Power-Management-System, eine Leistungsreduzierung im Aufheizmodus. Die Netzbelastung wird dadurch erheblich reduziert.
Messbare Vorteile
Aus einer umfangreichen Evaluation, derzeit verfügbarer Reflowsysteme auf dem Markt, durch einen Kunden, ging die Hotflow als Sieger hervor. Zur Evaluation der unterschiedlichen Reflowsysteme wurden komplexe Baugruppen der Leistungselektronik mit hoher Wärmekapazität genutzt. Temperaturmessungen auf diesen Baugruppen ergaben sehr geringe Temperaturunterschiede zwischen Lötstellen hoher und niedriger Wärmekapazität. Dieses Reflowsystem stellte dem Kunden das größte Prozessfenster für seine Baugruppen zur Verfügung.
Die Effizienz der Wärmeübertragung hat bei Reflowlötanlagen einen entscheidenden Einfluss auf alle Qualitäts-, Produktivitäts- und Betriebskostenaspekte, welche die Rentabilität direkt beeinflussen. Die effektive Wärmeübertragung der Anlagen garantiert ein minimales ΔT und benötigt nur wenig Energie für den Betrieb der Heizelemente und Lüftermotoren.
Zu den messbaren Vorteilen der Ersa-Multijet-Konvektionstechnologie zählt das auf dem Markt kleinste ΔT im Querprofil über die gesamte Arbeitsbreite von bis zu 580 mm, das im Bereich der Messtoleranzen der Thermoelemente liegt.
Prozessstabilität in jeder HInsicht
Das hocheffiziente Reflow-Heizsystem sorgt für eine maximale Reproduzierbarkeit in allen Auslastungssituationen. Die verbesserte Multijet-Heiztechnologie erfordert keinen Abstand zwischen den Leiterplatten unabhängig von Typ, Größe und Masse der Baugruppen und bietet hohe Prozessstabilität. Die Art der Beschickung egal ob sporadisch oder kontinuierlich hat keine Auswirkung auf die langfristige Prozessstabilität selbst bei einer durchgehenden 3-Schicht-Produktion.
Darüber hinaus sind Ersa-Lötanlagen systemkonform hergestellt. Sie besitzen alle die gleiche Temperaturcharakteristik. Bei einem Produktwechsel von einer Linie auf eine andere ist es nicht nötig, Löt-Programme und Temperatureinstellungen anzupassen – man kann diese einfach 1 zu 1 übertragen.
Maximaler Durchsatz pro Quadratmeter
Frühzeitig haben die Ersa-Entwickler erkannt, dass Multitrack-Fähigkeit die Zukunft für die Massenproduktion ist. Multitrack-Systeme ermöglichen auch eine neuartige SMT-Linienanordnung, da mehrere Linien/Bestückautomaten eine Reflowanlage mit diversen, unabhängig voneinander arbeitenden Transportsystemen beschicken können.
Die erfolgreiche Weiterentwicklung der Heiztechnologie, sowie die langjährige Erfahrung mit Doppelspur Transporten, erlaubt es nun, bis zu vier Transportspuren in den Prozesstunnel zu integrieren, ohne die thermischen Eigenschaften der Anlagen zu beeinflussen. Das Resultat sind Produktivitätssteigerungen um bis zu 400 % gegenüber marktüblichen Maschinen. Unterschiedliche Produkte können mit verschiedenen Breiten und verschiedenen Geschwindigkeiten gleichzeitig im selben Reflowofen verarbeitet werden.
Die Prozesszonenlänge der HF 3/20 erlaubt Transportgeschwindigkeiten im Bereich bis ca. 140 cm/min. Der Durchsatz bei einer Baugruppenlänge von 200 mm beträgt so z.B. im drei Schichtbetrieb ca. 8.000 Baugruppen, mit einem Dual-Track-Transportsystem ca. 16.000 bzw. mit dem Quatro-Track ca. 32.000 Baugruppen pro 24h.
Dadurch wird nicht nur höchster Durchsatz, sondern auch maximale Wirtschaftlichkeit und Flexibilität pro Quadratmeter Stellfläche geboten.
Ultra-massearme Mittenunterstützung
Die ultra-massearme Mittenunterstützung (Gebrauchsmusterschutz erteilt) bietet eine mechanisch stabile, durchgehende Abstützung der Baugruppen über die gesamte Länge der Prozesszone. Damit können auch sehr dünne Leiterplatten sicher durch die Prozesszone transportiert werden. Die speziell entwickelten sehr massearmen Abstützungselemente falten sich für den Rücktransport automatisch ein, damit der Abstand der unterseitigen Heizzonen zur Baugruppe so gering wie möglich ist. Damit ist eine maximale Wärmeübertragung der unteren Heizzonen möglich. Weitere wesentliche Vorteile sind die hohe mechanische Stabilität bei minimalem Platzbedarf, sowie keinerlei Einflüsse auf die thermischen Eigenschaften der Prozesszone.
Aktive Kühlung
Das neu entwickeltePower Cool-System bietet die Möglichkeit kontrolliert einstellbarer Kühlgradienten. Hierzu wird die Temperatur der ersten Kühlzone auf einen im Lötprogramm einstellbaren Sollwert aktiv geregelt. Falls gewünscht sind Abkühlgradienten von über 6 K/s möglich. Die hohe Kühlleistung erlaubt es die Baugruppen auf Temperaturen von kleiner 40 °C abzukühlen. Dadurch entfallen Investitionen für zusätzliche, externe Kühleinrichtungen.
Ein Temperaturniveau der Baugruppen auf quasi Raumtemperatur ist für die nachfolgenden Prozessschritte mitunter sehr wichtig. In nachgeschalteten AOI-Systemen sinkt die Pseudofehlerrate, der Funktionstest der Baugruppen oder die Programmierung von Speicherbausteinen kann ebenfalls nur bei diesen Temperaturen erfolgen.
Kondensat-Management
Wartung impliziert üblicherweise nichts anderes als Maschinenstillstand und somit Produktionsausfall. Mit der Maintenance-On-the-Fly-Option hingegen kann das Kondensatmanagement-System auch bei laufendem Betrieb gereinigt werden. Das bedeutet: kein Maschinenstillstand und kein Produktionsausfall aufgrund der Wartung an der Maschine.
Das Kondensatmanagement der HF 3/20 ist mehrstufig aufgebaut. Vorheiz- und Peakbereich haben getrennte Systeme, welche die Prozessatmosphäre effektiv reinigen, Verschmutzungen gezielt in den Filtern abscheiden und die Verschmutzung der Prozesszone reduzieren.
Stickstoffregelung mit N2-Verbrauchsanzeige
Die Vorteile des Reflowlötens unter Stickstoff sind überzeugend, der Stickstoffverbrauch und damit die Kosten müssen aber so gering wie möglich gehalten werden. Ein weiterentwickeltes Stickstoffmess- und -steuerungssystem, das mit einer geregelten N2-Verbrauchsüberwachung mit Display und Alarmfunktion ausgestattet ist, reduziert den Stickstoffverbrauch effektiv. Das System berücksichtigt bei der Regelung des Restsauerstoff Gehaltes den Beladungszustand sowie die aktuelle Transportbreite des Ofens. Zur Überwachung der Stabilität der Schutzgasatmosphäre sind in der Prozesszone mehrere Messstellen angeordnet. In Kombination mit der hocheffizienten Multijet-Technologie wird so ein extrem niedriger Stickstoffverbrauch erzielt.
Neuartiges Prozesskontrollsystem
Ersa setzt in der Hotflow-Reihe das Prozesskontrollsystem EPC ein. Dieses Kontrollsystem zur Wärmeübertragung überwacht nicht nur die Temperatur der einzelnen Heizzonen, sondern auch die Konvektion. Auf diese Weise kann das System die tatsächliche Wärmeübertragung der einzelnen Heizzonen im Prozesstunnel in Echtzeit überwachen und anzeigen. Das Ergebnis ist ein quasi kontinuierlich überwachter Reflowprozess, der die Wärmeübertragung im Prozesstunnel unabhängig von der Auslastung, der thermischen Masse und der Laufzeit der Anlage sicherstellt.
Prozessvisualisierung und Datenmanagement
Die bedienerfreundliche Maschinensoftware bietet ein Prozesssteuerungsprogramm, einen Prozessdatenrekorder sowie den Auto-Profiler für ein schnelles Offline-Profiling. Dieses Softwarepaket bietet eine einfache Bedienung der Maschine, lückenlose Prozessüberwachung und Visualisierung, Senkung der Zeiten für die Konfiguration von Parametern und zum Suchen von Profilen, vollständige Prozess- und Produktdatenverwaltung sowie Dokumentation und Archivierung aller Prozess- und maschinenrelevanten Daten zur Nachverfolgbarkeit.
Eine Schnittstelle zur Einbindung in Traceability-System gemäß ZVEI-Standard ist ebenso verfügbar wie die Möglichkeit der Anbindung an marktübliche MES (Manufacturing Excecutive System).
Off-Line-Profiling erhöht Produktivität
Der Autoprofiler ist ein Ersa-spezifisches Software-Tool, das den Aufwand zum Finden des richtigen Temperaturprofils erheblich verkürzt. Es basiert auf einer umfangreichen Datenbank, in der das exakte thermische Verhalten typischer Bauelemente und Basismaterialien in Relation zur Reflowanlage berechnet wurde. Dadurch ist es möglich, eine „virtuelle Platine“ zu erstellen und sie durch einen „virtuellen Ofen“ zu schicken – vollkommen Offline. Die Genauigkeit der Vorhersage liegt bei über 90 %. Die Stillstandszeit der Maschine für die Temperatur-Profilerstellung wird somit drastisch reduziert.
Kundenerfahrungen zeigen, dass in der Regel nur ein bis zwei reale Temperaturprofile, zur Kontrolle und Optimierung der Simulationsergebnisse, aufgenommen werden müssen.
Jürgen Friedrich
(hb)
