Um die Herausforderungen in puncto Druckprozess und First Pass Yield in den Griff zu bekommen, hat sich das österreichische Unternehmen Tridonic für den Einsatz des VERSAPRINT P1 Schablonendruckers mit 100%-Inspektion entschlossen.

Fachbeitrag | Erschienen in: EPP 07/2017
Autor: Wolfram Hübsch

„Druckprozess“ und „First Pass Yield“ sind Begriffe, die in der Praxis stark voneinander abweichen können. Die Statistik spricht hier eine deutliche Sprache. Nicht besser wird es, wenn anstelle des Pasten-Druck-Prozesses mit Edelstahlschablonen und offenem Rakelsystem der Pump-Print-Prozess mit Kleberdruck zum Einsatz kommt. Will man dem Ganzen die Krone aufsetzen, nimmt man noch ein geschlossenes Rakelsystem vom Typ ProFlow dazu. Um diese Herausforderung besser in den Griff zu bekommen, setzt Tridonic auf den Ersa Schablonendrucker VERSAPRINT P1 mit 100%-Inspektion.

Tridonic ist das Technologie-Unternehmen in der Zumtobel Group und hat seinen Hauptsitz in Dornbirn, Österreich. Tridonic bringt kontinuierlich Innovationen und Lichtlösungen auf dem neuesten Stand der Technik auf den Markt. 95 Prozent seiner Forschungs- und Entwicklungsprojekte widmen sich der Entwicklung neuer LED-Systeme und Technologien für vernetztes Licht. Dank fundiertem Fachwissen und Kenntnissen im Bereich vertikaler Beleuchtungsanwendungen wie Verkauf, Hotel-/Gastgewerbe, Büro und Bildung, Außenanwendungen und Industrie vertrauen führende Leuchtenhersteller, Architekten, Elektro- und Lichtplaner, Elektroinstallateure und Großhändler bei Innen- wie Außenbeleuchtungen auf Tridonic. Kunden schätzen Tridonic als innovativen und kompetenten Partner, der ihr Licht intelligenter, interessanter und nachhaltiger macht. 1.640 hochqualifizierte Mitarbeiter und Vertriebspartner in über 50 Ländern weltweit spiegeln das Engagement des Unternehmens für die Entwicklung und Einführung neuer, intelligenter und vernetzter Beleuchtungssysteme. Mit mehr als 40 Millionen installierten Lichtpunkten pro Jahr spielt Tridonic eine maßgebliche Rolle bei der vernetzten Beleuchtung als Schlüsselelement und wichtige Infrastruktur für das „Internet der Dinge“.

Innovation bis zum Produktionsprozess

Kontinuierliche Innovation ist einer der wesentlichen Erfolgsfaktoren für eine erfolgreiche Firmengeschichte und sollte sich in allen Bereichen eines Unternehmens wiederfinden. Setzt man bei der Entwicklung seiner Produkte auf Innovation und geht auch gern einmal neue oder unkonventionelle Wege, macht man auch bei deren Herstellung nicht halt. Für seine Elektronikfertigung in Dornbirn setzt Tridonic auf einen Prozess, der relativ selten zu finden ist. Die Kombination von THT- und SMD-Bauteilen ist immer schwieriger zu handhaben als ein reiner SMD-Prozess und einigen Steckkontakten, die anschließend im selektiven Lötprozess verarbeitet werden können. Um diese beiden unterschiedlichen Prozesse zu verbinden, entschloss man sich, zuerst die THT-Bauteile zu bestücken und zu grimpen, um dann auf der anderen Leiterplattenseite die SMD-Bauteile zu bestücken. Gelötet wird die Baugruppe anschließend im Wellenlötprozess. Die Herausforderung dabei ist die Fixierung der SMD-Bauteile auf der Leiterplatte. Eine Möglichkeit, den SMD-Kleber aufzubringen, ist der Einsatz eines Dispenssystems. Aber selbst ein System mit mehreren Dispensköpfen – ob klassisch mittels Schraubendispenser oder Jet-Technologie – ist nicht in der Lage, Kleber für die hohe Anzahl Bauteile in einer akzeptablen Taktzeit aufzubringen. Bleibt nur der Druckprozess. Voraussetzung hierfür ist allerdings eine ebene Oberfläche, um einen reproduzierbaren Transfer des Druckmediums auf die Baugruppe sicherzustellen. Da bereits THT-Bauteile bestückt sind, ragen diese auf der zu bedruckenden Seite der Leiterplatte heraus. Hier kommt der Pump-Print-Prozess zum Einsatz. Die Pump-Print-Schablone ist für diese Anwendung 3 mm dick und weist auf der Kontaktseite zur Leiterplatte Ausfräsungen auf, in welchen die Enden der THT-Bauteile verschwinden. So wird ein ebenes, gleichmäßiges Aufliegen der Schablone auf der Leiterplatte ermöglicht.

Transferkraft gezielt einstellen

Die Form und Größe der gewünschten Klebepunkte wird ebenfalls über Ausfräsungen in der Schablone definiert, den sogenannten Transferkanal. Die Herausforderung bei diesem Verfahren ist das Durchdrücken des Klebers durch eben diesen Kanal. Beim Lösen der Leiterplatte von der Schablone wird dann der Fräsung entsprechend ein Klebepunkt erzeugt. Bestimmende Größen beim klassischen Druckverfahren und Einsatz von Druckrakeln sind Rakelwinkel, Rakeldruck und Geschwindigkeit. Will man Kleber durch einen 3 mm langen Kanal drücken, gilt das Hauptaugenmerk der Transferkraft in Z-Richtung. Möglichkeiten zur Optimierung hat man im Anpassen des Transferkanals in der Schablone sowie bei Geometrie und Materialauswahl der Rakelbleche. Alternativ zum klassischen Rakeldruck hat die Firma Novatech vor Jahren einen geschlossenen Rakelkopf entworfen. Dessen Besonderheit: eine Druckkammer, mittels der man über einen Druckkolben gezielt die Transferkraft einstellen kann, sprich die Kraft in Z-Richtung. Genau für dieses Verfahren hat sich Tridonic vor Jahren entschieden, um Kleber zur Fixierung von SMD-Bauteilen auf der Leiterplatte aufzubringen.

Von der Überlegung her der richtige Ansatz, zeigt die Praxis dann allerdings einige Nachteile: Der größte dürfte hierbei die Abdichtung der Leiterplatte zur Schablone sein und der daraus resultierenden Gefahr, bei zu hoher Druckkraft in Z-Richtung das Einbringen von Kleber dazwischen. Das rührt daher, dass unterschiedliche Mengen von Kleber für die einzelnen Klebepunkte benötigt werden, aber der Transferdruck hierbei keinen Unterschied macht. Das Ergebnis zeigt dann zwei Probleme: zu wenig oder zu viel Kleber. Zu wenig bedeutet eine unzureichende Fixierung des SMD-Bauteils für den Wellenlötprozess und zu viel einen zu großen Klebepunkt. Zu viel an Kleber erhöht die Gefahr, dass dieser beim Bestücken der Bauteile breitgedrückt wird und auf der Padfläche landet oder beim Trennvorgang Fäden zieht und ebenfalls als nicht gewünschtes Medium auf den Padflächen erscheint. Ein weiteres großes Problem ist die Qualität und Zuverlässigkeit der bestückten THT-Bauteile. Aufgabe des Bestückers ist es, die Bauteile zu platzieren, zu grimpen und in der richtigen Länge abzuschneiden. Sind die Drahtenden zu lange oder im falschen Winkel gegrimpt, liegt die Schablone nicht auf der Leiterplatte auf, da diese nicht in die Aussparungen eintauchen können. Oder – wie auf dem Bild zu sehen – der Bestücker hat den Draht überhaupt nicht abgeschnitten. In allen Fällen ist das Ergebnis gleich: Die Schablone liegt nicht auf der Leiterplatte auf und dichtet ab. Das Resultat ist entweder zu viel Medium, das zwischen Leiterplatte und Schablone gedrückt wird, oder aber kein Medium, da der Kontakt zur Leiterplatte nicht entstanden ist und kein Auslösevorgang stattgefunden hat.

Kleberinspektion at its best

„Das Erkennen dieser Fehler ist entscheidend nach dem Prozessschritt Drucken, da im Folgeprozess keine weitere Inspektion stattfindet und diese Fehler erst bei der Prüfung der fertigen Baugruppe entdeckt werden. Die Folge ist oft, dass ein Teil der Charge entsorgt werden muss“, sagt Rudolf Intihar, Manager New Product Introduction bei Tridonic. Um diese Probleme in den Griff zu bekommen, machte sich das Tridonic-Team auf die Suche nach einem geeigneten Inspektionssystem, um den Druckprozess besser unter Kontrolle zu bekommen. Ersa schien hier der richtige Partner zu sein, da einziger Hersteller am Markt, der eine 100%-Inspektion im Drucker anbietet. Allerdings war hier keine Standardmaschine gefragt, sondern eine spezielle Lösung für diese Anwendung. Die Inspektion sollte nicht nur auf Vorhandensein des Klebers inspizieren, sondern auch auf das Nicht-Vorhandensein auf den Padflächen. Eine Erweiterung der Software brachte die Lösung. Anstelle von nur einem Gerber File, der die Klebestellen markiert, wird ein zweiter Gerber File importiert, der die Padflächen definiert. Jetzt kann sowohl die Minimum-Grenze für das Vorhandensein des Klebepunktes als auch eine maximale Fläche für das Erkennen von Kleber auf Padfläche definiert werden.

Schablonendruck mit integrierter 100 %-Drucknachkontrolle

Bei Tridonic entschied man sich dafür, den VERSAPRINT P1 einzusetzen – zurzeit der einzige Schablonendrucker am Markt mit integrierter 100%-Drucknachkontrolle. Durch Verwendung einer Zeilenkamera anstelle der sonst üblichen Flächenkameras wird eine deutlich schnellere Erfassung der gesamten Leiterplatte gewährleistet, welche die Grundlage zur vollflächigen Inspektion ist. Die Zeilenkamera ermöglicht somit die Positionierung der Leiterplatte für den Druckvorgang und auch die parallel ablaufende Inspektion des gesamten Layouts. Der parallele Ablauf ist die zweite Besonderheit des VERSAPRINT P1. Die Anordnung der Kameraachse und die Verwendung eines dreigeteilten Transportes optimiert den gesamten Ablauf. Die „Idle Time“, Stillstandzeit der Maschine, wird deutlich verringert, indem die zwei längsten Prozessschritte – Druckvorgang und Inspektion – parallel ausgeführt werden. Beide Geschäftspartner, Tridonic und Ersa, sind sehr zufrieden über den Verlauf des Projektes, das zugleich den Beginn einer fruchtbaren Geschäftsbeziehung markiert.

Ersa-Wolfram-Hübsch_Autor
WOLFRAM HÜBSCH
Product Manager Printing Machines

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