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Ansicht eines IC-Pads, das nicht vollständig bedruckt ist in 2D und 3D-Ansicht. Der Fehldruck kann in unterschiedlichen Perspektiven angezeigt  werden.
Livebild eines Handschuhfaden.
SPI-Ansicht des Handschuhfadens in 2D und 3D.
Blick in die Fertigung bei Smyczek.
Die AOI zeigt zu viel Pastenvolumen und erkennt eine Pastenbrücke. Im Reflowprozess hat sich an dieser Stelle eine Zinnbrücke gebildet. Mit Hilfe des Uplinks wurde  eindeutig nachgewiesen, dass der Rakeldruck nicht in Ordnung ist und der Druckprozess opti

Als EMS mit etwa 230 Mitarbeitern fertigt und montiert das zur Beckhoff-Gruppe gehörende Unternehmen auf 4500 m2 elektronische Baugruppen und Geräte. In der modernen Fertigung können dank großer Flexibilität rund 20 bis 30 Produktanläufe am Tag realisiert werden. Mit elf SMD-Linien wird eine Maschinenkapazität von 22 Millionen Bauteilen pro Woche erreicht. Zum Verringern der Durchlaufzeiten für Prototypen und Erstserien sorgt ein Schablonenlaser. Eineinhalb Tage können so im Durchschnitt eingespart werden. In jeder SMD-Linie steht ein AOI-System, um die Qualität der Baugruppen sicherzustellen.

Der Einsatz der 3D-SPI begann mit einer Testinstallation im Frühjahr 2012. Viscom hatte ein passendes EMS-Unternehmen zur Evaluierung des neuen Inspektionssystems S3088 SPI gesucht, bei dem auch der Viscom-Process-Uplink getestet werden konnte. Smyczek als mittelständischer EMS-Dienstleister war da besonders interessant, weil mit einer großen Vielfalt von ganz unterschiedlichen Leiterplattenfarben und -materialien, Lötstopplacken und verschiedenen Schablonenstärken und -typen gearbeitet wird. Das Inspektionssystem wurde dabei sowohl von Viscom als auch von Smyzcek für weitere Optimierungen genutzt.

Das SPI-System wurde aus Platzgründen zunächst nicht inline betrieben, sondern zur Offline-Nutzung in einer separaten Prüfstation mit automatischem Be-/Entladen des 3D-SPI genutzt. Man verliert dadurch zwar etwas an Reaktionsgeschwindigkeit bei Prozesseffekten, nutzt aber den Vorteil, die Messergebnisse aller Fertigungslinien zur Verfügung zu haben. So können breiter gestreute Daten gesammelt werden, um den Process-Uplink für weitere Prozessoptimierungen effektiver nutzen zu können.

Pastendruckergebnis jetzt viel feingranularer bewerten

Die 3D-Lotpasteninspektion wird typischerweise eingesetzt, um Fehler im Pastendruck zu detektieren. Baugruppen, die den festgelegten Kriterien nicht entsprechen, werden bereits nach dem Lotpastendruck ausgesondert und aufgearbeitet. Das spart unnötige Kosten bei der Weiterverarbeitung der Baugruppe. Um den Pastendruck von vorne herein so optimal wie möglich einzustellen, steht nun das 3D-SPI zur Verfügung. Alle wesentlichen 3D-Merkmale wie Volumen, Höhe und Form werden er­fasst und kontrolliert, ebenso wie Fläche, Versatz und Verschmierung. Selbst kleinste Padgrößen werden zuverlässig und schnell geprüft.

„Wir können mit dem neuen 3D-SPI-System das Pastendruckergebnis jetzt viel feingranularer bewerten als nur mit der 2D-AOI, die in den Druckern integriert ist, oder mit optischer Begutachtung“, betont Geschäftsführer Michael Schlegel. „Man merkt sofort nach dem ersten oder zweiten Druck, an welchen Stellen noch optimiert werden muss, um wirklich auch die Prozessfenstermitte zu treffen.“

Eine weitere interessante Erkenntnis, die durch den Einsatz der S3088 SPI gewonnen werden konnte, betraf den Reinigungszyklus. „Wir haben dabei auch festgestellt, dass wir eigentlich viel zu oft gereinigt haben“, so Schlegel. “Nach jedem Reinigen ist zunächst jedes erste oder zweite Druckergebnis auffällig schlecht. Es war schon eine Überraschung für uns, dass die Reinigung zunächst zu einem sehr viel schlechteren Druck führt, der sich erst später wieder normalisiert. Von daher streben wir auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse nun an, möglichst selten zu reinigen.“

Im Rahmen der Testinstallation wurde auch der Viscom Process-Uplink eingerichtet. Dazu werden die Daten von SPI und Post-Reflow-AOI verknüpft und gemeinsam dem Post-Reflow-Verifikationsplatz zugeführt. Das schließt auch solche Analyseergebnisse ein, die im SPI-System zwar noch keinen klaren Fehler im Sinne der Fehlerschwelle darstellen, mit Blick auf die Lötqualität aber dennoch kritische Situationen erwarten lassen, da sie am Rand der Gut/Schlecht-Toleranz liegen. Dadurch erhält der Operator sehr schnell vielfältige, zusätzliche Objekt- und Prozessinformationen.

Mit dem von Viscom entwickelten Feature haben die Verantwortlichen in der Fertigung nun eine effektive Möglichkeit, um den SMD-Prozess zu optimieren und die am SPI gewonnenen Daten zu einer verbesserten Fehlerdetektion zu nutzen.

Michael Schlegel erläutert die Funktionsweise und die Vorteile folgendermaßen: „Die üblicherweise im Markt eingesetzte Standardfehlergrenze plus/minus 50 Prozent ist praxisfremd und damit unbrauchbar, weil es sehr stark vom einzelnen Bauteil abhängt, wo die Fehlergrenzen tatsächlich liegen. Außerdem ist es ein großer Unterschied, ob man eine Plus- oder Minusabweichung hat. Bei einem großen Bauteil zum Beispiel können das sogar plus 100 Prozent sein und es passiert überhaupt nichts. Bei einem fine-pitch-QFP muss jedoch aufpasst werden, dass die Minus-Abweichung nicht zu groß wird. Bei einer Plus-Abweichung wiederum sind Kurzschlüsse vorprogrammiert. Das heißt, die Toleranzfenster sind sehr unterschiedlich und genau dies lässt sich über den Viscom Process-Uplink sehr gut lernen.“

Der Process-Uplink wird bei Smyczek eingesetzt, um Fehlergrenzen zu optimieren. Michael Schlegel erläutert den Nutzen, das AOI-Ergebnis dem jeweiligen SPI-Ergebnis zuordnen zu können. So ist es möglich, die Beziehung zwischen Pastendruckergebnis und realem Auftreten von Fehlern zu erkennen. Wir sehen, welche Fehler im Pastendruck tatsächlich am Ende ein Problem erzeugen. Durch unsere häufigen Produktwechsel sind wir in der Lage, unnötige Fehler sehr früh in der Linie zu vermeiden und so einen optimalen Produktanlauf zu gewährleisten.“

Lückenlose Traceability mit AOI/SPI-Fehlerbildpaaren

Die Firma Smyczek hat seit 2011 die Traceability auf Baugruppenebene umgesetzt. Dazu werden alle Baugruppen mit einem gelaserten Datamatrixcode versehen. Nun ist das Unternehmen dabei, die Traceability bis auf die Bauteilebene zu vertiefen. „Mit dem Viscom- Uplink ist darüber hinaus auch eine lückenlose Traceability auf Prüfebene möglich“, erläutert Schlegel. „Jetzt tracen wir bei kritischen Projekten nicht nur das Post-Reflow-Ergebnis, sondern auch das jeweilige in Verbindung stehende Pastendruckergebnis. Das hat einen noch höheren Erkenntnisgewinn. Außerdem können wir so alle Inspektionsbilder als Dokumentation ablegen.“ Der Uplink stellt dafür alle AOI/SPI-Fehlerbildpaare zur Verfügung.

Auch mit der Zusammenarbeit im Rahmen der Testinstallation und nach der Übernahme des Systems äußert er sich zufrieden. „Die Installation kann man einfach nur mit gut beschreiben. Gerade am Anfang bei der Einrichtung braucht man Unterstützung und da gab es von Herrn Beer als verantwortlichen Leiter der Produktentwicklung immer schnell und zielgerichtet Hilfe.“

SMD-Prozesse optimieren

Viscom hatte ein passendes EMS-Unternehmen zur Evaluierung des neuen Inspektionssystems S3088 SPI gesucht, bei dem auch der von Viscom als innovatives Fertigungsinstrument entwickelte Viscom Process-Uplink getestet werden konnte. Smyczek als mittelständischer EMS-Dienstleister war da besonders interessant, weil mit einer großen Vielfalt unterschiedlicher Leiterplattenfarben und -materialen, Lötstopplacken und verschiedenen Schablonenstärken und -typen gearbeitet wird – die besten Voraussetzungen also für einen großen Erkenntnisgewinn. Das Inspektionssystem wurde dabei sowohl von Viscom, als auch von Smyzcek für weitere Optimierungen genutzt. So konnte auch die bestehende Technologiepartnerschaft der beiden Unternehmen weiter vertieft werden.