Lösungen für eine bessere Welt

11 Jahre später, 2019 musste ein Teil der Fertigung auf den neusten Stand gebracht werden, wieder fiel die Wahl auf Ersa als Systemlieferant für beide Prozesse. Ein VERSAPRINT 2 Pro² und eine HOTFLOW 4/14 wurden installiert. Der VERSAPRINT 2 Pro² ist Nachfolger des erfolgreichen VERSAPRINT S1-2D. Wie der Vorgänger verfügt dieser über eine integrierte 2D-Inspektion zur 100%-Kontrolle nach dem Druckvorgang. Warum nur 2D? Eine intelligente Prüfstrategie ist in der Lage, Fehler rechtzeitig zu erkennen. Entscheidend ist, schon bei der Produktentwicklung zu wissen, wie diese aussehen muss. An welchen Stellen in der Prozesskette macht es also Sinn, eine Prüfung der Baugruppe vorzunehmen? Ob SPI, AOI, AXI oder In-Circuit-Test, es gibt vielfältige Testmöglichkeiten. Es gilt zu prüfen, welches die wirtschaftlich sinnvollste und zielführendste Prüfung ist. In jedem Fall muss sie auf die jeweils produktspezifische Anforderung abgestimmt sein.

Wie hoch muss der Inspektionsaufwand nach dem Schablonendruck sein, um eine verlässliche Sicherung der Fertigungsqualität im SMT-Prozess zu gewährleisten? Muss es die 3D-Inspektion sein oder ist eine zweidimensionale Inspektion ausreichend? Tatsache ist, dass nach wie vor der Schablonendruck der Prozessschritt in einer SMT-Linie mit dem höchsten Fehlerpotenzial ist – mit annähernd 70% sollte eine 100%-Inspektion ein Muss in jeder Fertigung sein.

In den letzten Jahren haben sich die Inspektionsmöglichkeiten und Verfahren geändert. Jahrelang war die im Schablonendrucker integrierte partielle 2D-Inspektion die einzige Inspektion nach dem Druckvorgang. Dies war auch lange ausreichend, wenn etwa nur ein oder zwei Integrated Circuits (IC) auf der Baugruppe vorhanden waren. Als die Baugruppen komplexer und Bauteile kleiner wurden, kam die Zeit der externen 2D-Inspektionssysteme, die eine 100%-Inspektion ermöglichten. Getrieben von noch kleineren Bauteilen und komplexeren Baugruppen, war die Entwicklung und Einführung der 3D-Inspektion naheliegend und folgerichtig. Aber genau hier beginnt für viele Anwender das Problem: Welche Prozessgrenzen sind richtig, welche Grenzwerte müssen gesetzt werden? Eine 3D-Inspektion erfordert deutlich mehr Aufwand und auch die IPC gibt keine Empfehlungen ab für Prozessgrenzen. Der hohe Bauteilmix, gewählte Schablonenverhältnisse bezüglich Dicke und Öffnung oft auch im Mix mit Stufen, die verwendete Lotpaste und die Qualität der Leiterplatte sind hauptsächlich entscheidend für das Endprodukt: die Lötstelle als Verbindung zwischen Bauteil und Leiterplatte.

Ebenfalls wichtig bei der Auswahl der Testsysteme sind die Kosten. Hierzu zählen neben dem Invest auch die laufenden Kosten. Speziell Wartung und Instandhaltung, aber auch qualifiziertes Personal ist notwendig, um gegebene Möglichkeiten voll auszuschöpfen. Es macht wenig Sinn, ein hochtechnisches, hochauflösendes Inspektionssystem einzusetzen, um dann nur Basisfunktionen zu nutzen und Standardwerte einzustellen. Jeder Fertiger muss selbst entscheiden, mit welchen Tools und Qualitätstests seine Fertigung den optimalen First Pass Yield erreicht.

Zurück zum Lotpastendruck: Abhängig vom Bauteilspektrum kann die 2D-Inspektion nahezu die gleiche Anzahl an Fehlern wie die 3D-Inspektion erkennen. Sie ist kostengünstig und auch einfach in der Definition der Prozesslimits. Die IPC gibt hierfür auch Empfehlungen: 70% Bedeckung bei einer Reduzierung der Öffnung um 10% gegenüber der Padfläche. Die Erwartungshaltung ist klar – im Idealfall gibt es keine Fehler. Und damit wären wir wieder am Anfang – der Prozessentwicklung. Hier haben Fertigungen mit nur eigenen Produkte klar die Nase vorn. Nichteinhalten von Layoutregeln und Verletzungen von Design Rules kommen immer ans Licht und ermöglichen einen kontinuierlichen Verbesserungsprozess der Produktentwicklung. Hier haben Firmen wie TELE Haase strukturbedingt immense Vorteile. Fühlt sich jeder als Teil einer Gemeinschaft, arbeitet man mit- statt gegeneinander.

Die Software-Plattform des VERSAPRINT 2 Pro² samt Aufbau sind noch deutlicher und intuitiver ausgeführt als beim VERSAPRINT S1-2D. Die primär als Touchscreen ausgelegte Oberfläche sorgt vor allem beim Programmieren und Setup neuer sowie bestehender Programme für ein schnelleres Verständnis und größere Akzeptanz beim Bediener. Die Anordnung des Monitors im Portraitformat erhöht die Zugänglichkeit zur Maschine und schafft Platz in der Fertigungsumgebung. Durch einfaches Neigen kann der Monitor auf die Größe jedes Bedieners eingestellt und durch Schwenken zum Bediener hin während des Setup im Drucker unterstützen. Oder aber er wird komplett zur Seite geschwenkt, um Freiräume vor der Maschine zu schaffen. Dies wird im Fertigungsumfeld sehr positiv aufgenommen. Der VERSAPRINT 2 bietet selbstverständlich die Möglichkeit zur Einbindung in das Linienmanagement wie HERMES nach IPC-9852 oder IPC-CFX als universalem Gateway zur Anbindung an MES-Lösungen.

Ein weiteres Feature der VERSAPRINT 2 Pro² ist die integrierte Dispenser-Funktion. Diese Option ermöglicht nach dem Druckvorgang das Dispensen von Kleber und/oder Lotpaste auf der Leiterplatte. Bedingt durch die immer stärkere Miniaturisierung von Schaltungen, sind die verwendeten Schablonendicken geschrumpft, man bewegt sich hier in Bereichen um 100 bis 120 µm. Dies hat zur Folge, dass bei einer typischen Mischbestückung einigen Bauteilen nicht genug Lotvolumen zur Verfügung gestellt werden kann. Die Lösung kann der Einsatz von Stufenschablonen sein, auch wenn oft nur an wenigen Stellen mehr Lot benötigt wird. Oder aber man setzt einen Dispenser ein und hat so eine einfache Möglichkeit, das geforderte Mehr an Lot zu dispensen. Noch häufiger werden diese Systeme zum Dispensen von Kleber verwendet. Speziell beim Reflow-Prozess, wenn schwere Bauteile wie zum Beispiel Spulen auf der ersten Seite montiert sind, werden diese mit Kleber fixiert, um ein Herabfallen im Reflow-Prozess zu vermeiden.

Der verwendete Dispenser setzt das archimedische Schraubsystem ein und bietet damit die Voraussetzung, hochgenaue Punkte zu platzieren. Gewohnt einfach lassen sich die Dispens-Programme erstellen, da man das gesamte Layout der Leiterplatte auf dem Bildschirm hat – wie für alle anderen Vorgänge. Einfaches Zoomen zur gewünschten Position plus Markierung stellt ein Maximum an Bedienerfreundlichkeit dar. Jeder Punkt kann individuell parametrisiert und selbstverständlich nach dem Dispensvorgang inspiziert werden.

Im Gespräch erklärt Gerhard Sattler die Entscheidung für eine 2D-Inspektion anstelle der heute populären 3D-Inspektion: „Mit der Erfahrung der VERSAPRINT S1-2D und unserer Fehlerrate am Ende der Linie war die Entscheidung einfach. Ein 3D-SPI hätte uns keine signifikanten Verbesserungen in der Fehlererkennung gebracht. Und für uns stellt die 2D-Inspektion gegenüber der 3D eine kostengünstige Möglichkeit dar, unseren Fertigungsprozess zu optimieren. Zudem bieten beide Systeme, die existierende S1-2D ebenso wie die neue VERSAPRINT 2 Pro², die Möglichkeit, die Inspektion auf 3D aufzurüsten. Dies gibt uns die Sicherheit, in jedem Fall für künftige Herausforderungen gerüstet zu sein.“

Ein anderer wichtiger Aspekt, der den Ausschlag für die Ersa Systeme gab, ist die Art der Fertigung bei TELE – Losgrößen zwischen 2 und 1.000 müssen hier bewältigt werden, schnelles Rüsten und Umrüsten ist absolute Notwendigkeit. Hier bieten beide Systeme optimale Voraussetzungen für schnelle Rüstwechsel. Sowohl die Software als auch die Zugänglichkeit beider Systeme machen das Rüsten zur Nebensache. „Die Entscheidung für die Ersa Systeme war die richtige Wahl für unsere Fertigung“, lautet das Fazit von Gerhard Sattler.