Schablonendrucker mit integrierter 3D-Inspektion

(Bild: Ersa)

Zur Productronica im November 2019 jährt sich die Markteinführung des Schablonendruckers von Ersa zum zwölften Mal. Highlight damals war die integrierte 2D-Druckkontrolle, die eine 100%ige Aussage über die erzielte Qualität ermöglichte. Mittels Scanner wurde dabei nach dem Druck die Leiterplatte komplett erfasst und hinsichtlich Pastenauftrag und möglichen Kurzschlüssen untersucht. Was damals als 2D-Inspektion Stand der Technik war, stieß durch Miniaturisierung und ein deutlich engeres Raster der Bauteile nach und nach an Grenzen. Ersa löste dieses Problem über ein dreidimensionales Erfassen der gedruckten Lotpaste, kurz SPI (Solder Paste Inspection). Die im Schablonendrucker Versaprint 2 integrierte Technologie überzeugte jüngst auch das israelische Unternehmen Umeantech.

Eine Bedienerin begutachtet eine bedruckte Leiterplatte. Ersa

Redesign der Druckerplattform

Als Systemlieferant ist Ersa bekannt, den aktuellen Marktanforderungen in puncto Schablonendruck Rechnung zu tragen. So war von Anfang an klar, dass es wieder eine im Drucker integrierte Lösung geben wird. In Angriff nahm man die Entwicklung bereits vor rund vier Jahren, die erfolgreiche Integration durch eine speziell entwickelte Kamera erfolgte vor zweieinhalb Jahren. Zur Erfassung der Höheninformationen des gedruckten Lotdepots kommt das laserbasierte Triangulationsverfahren zum Einsatz. Die Kamera ermöglicht sowohl die Positionierung der Leiterplatte für den Druckvorgang als auch die anschließende Inspektion des gesamten Layouts.

Die Integration erfolgte noch auf der Plattform der Baureihe Versaprint 1 und konnte sich schnell am Markt etablieren. So wurden in den zurückliegenden zwei Jahren zahlreiche Systeme mit 2D-Inspektion auf 3D umgerüstet – auch dies Bestätigung von Kundenseite an die Ersa-Entwicklung, den richtigen Weg hin zu einer integrierten 3D-Inspektion eingeschlagen zu haben. Nun entschied man, ein Redesign der vorhandenen Druckerplattform vorzunehmen. Gestiegene Montagezeiten und größere Mehraufwendungen bei Nachrüstungen beim Kunden waren ein Zeichen, aktiv zu werden in Richtung zweite Druckerplattform-Generation. Denn das Steuerungskonzept war an seine Grenzen gestoßen und die Software-Oberfläche nicht mehr aktuell. Nun hat man den Versaprint 2 Schablonendrucker präsentiert.

Umfangreiche Installationsbasis in Israel aufgebaut

Als Global Player hat Ersa in Ländern ohne eigene Niederlassung lokale Partner, um Zugang zum jeweiligen Markt zu erhalten. Ein langjähriger Partner für Israel ist Memtech, ein Lieferant für die Bereiche Electronic Manufacturing Services (EMS). Um das Projekt Schablonendrucker in Israel zu starten, wurde in zahlreichen Meetings und Sales-Seminaren Know-how aufgebaut. Dieser Prozess war für die neue Schablonendrucker-Baureihe notwendig und unumgänglich. Die Firma Umeantech Engineering and Production Services aus Israel wurde schnell auf das neue Produkt aufmerksam und kam zu Versuchen nach Deutschland in das Applikationszentrum in Wertheim am Main.

Alexander Sigler, Inhaber Umeantech, und Moshe Levy, Inhaber MemTech. Ersa

Umeantech, gegründet 2004, betreut als EMS-Anbieter anspruchsvolle Kunden aus den Bereichen Industrie, Kommunikation, Sicherheit und Medizin und bietet ein umfassendes Spektrum an Engineering- und Elektronikfertigungs-Dienstleistungen für Produkte und Systeme. Das Unternehmen verfügt über modernste Anlagen für die Elektronikfertigung. So sieht es das Unternehmen als seine Hauptaufgabe an, einen exakten, kundenspezifischen Prototyp und dazu passende Produktionsdienstleistungen zu liefern.

War zu Beginn noch nicht klar, in welche Richtung es gehen sollte, so stellte sich bei den Versuchen im Applikationszentrum heraus, dass die integrierte 3D-Inspektion exakt den Anforderungen und Erwartungen des EMS-Anbieter entspricht. „Direkt nach dem Druck das Ergebnis zu sehen ist für uns sehr wichtig“, lautete die Aussage von Umeantech-Inhaber Alexander Sigler. Er fährt fort: „Bei einem nachgeschalteten SPI ist zumindest eine Leiterplatte bereits bedruckt, während im SPI inspiziert wird. Da wir häufig kleinste Serien fahren, ist dies für uns enorm wichtig.“ Die Integration der Inspektion in den Drucker hat noch mehr zu bieten. Häufig kommt es beim Anfahren der Produktion oder eines neuen Produkts mangels optimaler Konditionierung der Paste zu unzureichendem Pasten-Übertrag auf das Pad. Wird dies sofort erkannt und befindet sich die Leiterplatte noch im Drucknest, ist häufig die beste Lösung, die Leiterplatte erneut zu bedrucken.

Inspiziert man die Leiterplatte danach erneut, ist die Prozesskette nicht unterbrochen und die Leiterplatte kann nach erfolgreichem Nachdruck in den Folgeprozess weitergeleitet werden. Anders verhält es sich beim Entnehmen aus der Linie – man kann die Leiterplatte zwar erneut zuführen und noch einmal bedrucken oder aber man reinigt und bedruckt erneut. In beiden Fällen ist eine 100%ige Nachverfolgbarkeit jedoch nicht mehr gegeben.

Problematik Referenz-Höhenmessung

Eine andere Problematik beim Inspizieren ist die Referenz-Höhenmessung. Typischerweise wird im Bereich des zu messenden Pads ein Bereich definiert, den man als Referenzhöhe ins Verhältnis zum ungedruckten Pad setzt, um nach dem Druck die Differenz und somit die Höhe der Paste zu ermitteln. Bewertet man dann den gesamten Bereich des Pads, ergibt sich das Volumen. Das funktioniert gut, solange sich am Layout der Leiterplatte nichts ändert.

Leiterbahnen-Positionen oder andere Änderungen im Bereich der Höhenreferenz-Messung gehen in die Kalkulation des Volumens direkt ein. Ersa

Häufig ändert sich jedoch die Dicke und Position des Lötstopplacks, speziell wenn Leiterplatten aus unterschiedlichen Quellen bezogen werden – dies kann auch beim Chargenwechsel bei ein und demselben Lieferanten passieren. Leiterbahnen-Positionen oder andere Änderungen im Bereich der Höhenreferenz-Messung gehen in die Kalkulation des Volumens direkt ein. Die Lösung hierfür ist die erneute Vermessung der unbedruckten Leiterplatten vor dem Druckvorgang. Im Drucker ist dies einfach möglich, im externen SPI nur manuell möglich und für regelmäßige Messungen nicht praktikabel.

Die Integration der Inspektion in den Drucker bietet viele Vorteile. Ersa

Weichen für die Zukunft gestellt

Selbstverständlich kann auch ein möglicher vorhandener Druckoffset erkannt und korrigiert werden. Die Strategie hierbei ist typischerweise, einen Prozentwert des ermittelten Offsets zu korrigieren, zum Beispiel 20 Prozent, und sich so an den optimalen Druck anzunähern. Das Ganze erfolgt natürlich druckrichtungsabhängig. „Der Einsatz des Schablonendruckers vergrößert unser Prozessfenster erheblich“, äußert sich Alexander Sigler zufrieden über die jüngste Anschaffung, mit der das israelische Unternehmen die Weichen für die Zukunft gestellt hat.