Ein Jahrzehnt erfolgreich!

Die innovative Stärke mitteleuropäischer Unternehmen bewies sich in den letzten Jahren nicht zuletzt in der von Politik veranlassten und bisher weitgehend erfolgreich verlaufenen größten Materialsubstitution seit Bestehen der Surface Mount Technologie. Ist damit den Anforderungen genüge getan und der Alltag zurückgekehrt? Eine Antwort lässt sich nur in der Mitte finden: Nicht überall erreicht das Fehlerniveau den erwünscht niedrigen Wert, das Wissen um die Material- und Produktzuverlässigkeit ist teilweise noch lückenhaft. Umfassende Traceabilitykonzepte sollen das Produkthaftungsrisiko minimieren. Globaler Wettbewerb, Kostendruck und weiterführende Gesetzgebung, wie beispielsweise zur umweltgerechten Gestaltung energiebetriebener Produkte, erfordern Einsatz in den Unternehmen. Das inhaltliche Angebot der Vorträge und Workshops richtete sich an Fach- und Führungskräfte aus der Produktion sowie an Mitarbeiter der Arbeitsvorbereitung, der Technologie, der Entwicklung, Konstruktion und des Qualitätsmanagements. Die Geschäftspartner des Kollegs sind die Firmen Christian Koenen, Cobar, Ekra, Inertec, Koenen, Kolb, Mimot, rehm und TBB.

Am Donnerstag Morgen startete das Kolleg mit dem Einschreiben der Teilnehmer. Dr. Hans Bell von rehm Anlagenbau eröffnete die Veranstaltung wie bereits in den letzten Jahren als Moderator, begrüßte die Teilnehmer und gab einen Überblick, so dass dann in den ersten Vortrag übergeleitet werden konnte. Hier war von Johann Weber, Vorstandsvorsitzender sowie Vorstand Produktion Elektronik bei Zollner Elektronik in Zandt, über die Strategien mittelständischer Unternehmen zu hören. Während einer Kurzpräsentation gab er einen Überblick über das Unternehmen und seinen Weg als EMS (Electronic Manufacturing Services). Das Unternehmen sieht sich als Elektronikdienstleister mit seiner kompletten Außenwirkung. Die Vision als Wunschvorstellung in der Zukunft besagt, dass das Unternehmen als Elektronikdienstleister schneller, technisch besser, preisgünstiger, flexibler und innovativer entwickelt und produziert als die Marktbegleiter. Als Strategie bietet man dann individuelle Komplettlösungen an, entlang der gesamten Wertschöpfungskette über alle Stufen der Zulieferung hinweg und unter dem Motto: Der Weg ist das Ziel! Ein Analyseprozess beinhaltete ein Benchmarking mit einer zweijährlich stattfindenden Kundenbefragung, einer Mitarbeiterbefragung, einen ZVEI-Branchenvergleich sowie regionales und überregionales Benchmarking. Die Organisation des EMS-Providers versteht sich als Fabrik-in-der-Fabrik-Konzept, eine Matrixorganisation mit Netzwerkstruktur. Als strategisches Ziel steht das Alleinstellungsmerkmal, um sich vom Konkurrenten abzuheben.

Der nächste Vortrag von Josef Denzel, Leiter Electronics Production & Integration bei EADS Deutschland, behandelte die Avionik mit ihren Anforderungen an Elektronikprodukte. Er erklärte die Avionik-Produkte und die Produktion der EADS Defence Electronics und gab Trends zur weiteren Entwicklung dieser Produkte. So fordern technologisch anspruchsvolle militärische Radar- und Electronic-Warfare-Sensorentwicklungen wie im Eurofighter dementsprechende Ansprüche an die Technologie und implementierte Prozesse. Hohe Verlustleistungen auf engstem Raum erfordern innovative „Thermal-Management“-Lösungen und die Highspeed-Designs eine hohe Signalintegrität, sicherzustellen durch Simulation. Sicherheitskritische Avionik-Entwicklungen, in der Regel Produkte mit ziviler Zertifizierung, fordern ebenso einen anspruchsvollen Prozess und eher konservative Technologien. Hier ist langjährige Verfügbarkeit (mehr als 15 Jahre) bestehender Designs und Technologien gefragt, um die Re-Zertifizierung neuer Designs zu vermeiden. Ziel ist es, zum Serienstart eine hohe Produkt- reife sowie eine hohe Pünktlichkeit zur Auslieferung sicherzustellen. Avionik-Produkte benötigen eine variantenreiche Kleinserienfertigung mit integriertem Prototyping und typischen Losgrößen von 1 bis 100. Im Unternehmen werden ungefähr 50 % aller Fertigungsaufträge mit einer Losgröße von 20 gefertigt, und die eingesetzten Verfahren, Materialien und Technologien sind von hoher Vielfalt (low volume, high mix).

Günter Grossmann von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt EMPA, Zentrum für Zuverlässigkeitstechnik, berichtete als Nächster in der Reihe der Redner des ersten Tages über die Genetik der Lötstelle. Er stellte die verschiedenen Arten der Weichlote vor. Eine Wahl sollte nach Prüfung der Faktoren Schmelztemperatur, Verarbeitung, Preis, Verfügbarkeit und Toxizität möglich sein, da es viele in Frage kommende Sn-Legierungen gibt. Der Lötvorgang wurde eingehend beleuchtet, um dann anschließend beim Thema Legierungsbildung festzustellen, dass die Konfiguration mit der größten Unordnung (Austausch von Atomen im Gitter) den tiefsten Schmelzpunkt hat. Je ähnlicher die atomare Struktur, desto höher ist die Löslichkeit. Bei der Struktur von SnPb-Lötstellen stellte der Redner fest, dass es sich um ein kugelförmiges Gefüge mit SnPb-Phasen und PbSn-Phasen handelt. Ein dentritisches Gerüst aus fast reinem Zinn und mit intermetallischen Phasen gefüllten Zwischenräumen stellen die SnAg- sowie SnCu-Lötstellen dar. Betrachtete man die mechanischen Eigenschaften der Lote, so war zu erkennen, dass SnAg- und SnCu- ein langsameres Kriechverhalten als SnPb-Lote aufweisen. Sprödbruch und Schwingermüdung ist bei SnAg-Loten nicht ausgeschlossen. Von Siemens Enterprise Communications Manufacturing (SECM) aus Leipzig war Sebastian Worch angereist, um ein mit der Firma rehm realisiertes Reparatur-/Selektivlötkonzept vorzustellen. Nach einer Einarbeitung in das Projekt und der Festlegung der Anforderungen entschied man sich für ein Heißgas-System und ein Miniwellen-Lötsystem. Kombinierte man die beiden Verfahren, konnte die Miniwelle zum Auslöten von SMD verwendet werden. Der Prototyp wurde bereits erfolgreich für das Auslöten einer Miniserie von 100 produktiven Baugruppen getestet. Das Handling je Baugruppe benötigte ca. 60 Sekunden mit einer Temperaturbelastung der direkten Umgebung des auszulötenden Bauteils von ungefähr 100 °C. Erste Vorversuche zur Nutzung des Systems für die Restlotentfernung waren erfolgreich. Die Zusammenarbeit mit rehm ist zur Umsetzung eines Produkts mit dem Ziel, Selektivlötanwendungen und Rework zu kombinieren. Daraus resultiert die Kombination verschiedener Prozessschritte und hohe Automatisierung, Ideen für den Einlötprozess sind bereits vorhanden.

Der „Lötpapst“ aus dem hohen Norden Deutschlands, Thomas Ahrens vom Fraunhofer ISIT in Itzehoe und IPC-Mastertrainer für den FED, referierte vor dem Start zur Teamarbeit über die Methodik zur Qualitätsbewertung und Fehlererkennung an elektronischen Baugruppen. Qualitätsanforderungen und die Industriestandards/Normen arbeiten auf einer gemeinsamen Basis. Während der Fehleranalyse sollte die Ursache der Unterbrechung gefunden werden, eine Lötstellenbewertung wäre hier noch nicht das Richtige. Zur Inspektion der Qualitätsüberwachung eignet sich eine Röntgenprüfung für verdeckte Lötstellen, welche wie die Ultraschallmikros- kopie zerstörungsfrei ist. Zerstörende Prüfungen sind Querschliffe, REM, Gehäuseöffnung und FIB (Focussed Ion Beam – ein verformungsfreier Schnitt mit Gallium-Ionenstrahl). Physikalische Untersuchungen hingegen dienen der Abbildung von Qualitätsmerkmalen (PDA = Physical Damage Analysis) und helfen, Material und Prozess zu optimieren sowie die Fehlerursachen zu bestimmen.

Nachdem am nächsten Morgen Dr. Ing. Karlheinz Bock vom Fraunhofer Institut Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in München seinen Vortrag über „Flexible Substrate – Polytronische Systeme“ beendet und abschließend noch einen Ausblick gegeben hatte, startete Klaus Birkner von Loewe über innovative Elektronikprodukte und innovatives Personal. Er arbeitet im Process Engineering Methods & Planning Department des Unternehmens, das einen alleinigen Produktionsstandort im bayerischen Kronach unterhält und derzeit rund 1000 Mitarbeiter beschäftigt. Er stellte diverse Personalprojekte des Unternehmens und ihre Realisation vor. Auch über das Mallorcamodell war zu hören, das bei gegebenen Zeit- und Kostenstrukturen den Einfluss von Fehlern oder Änderungen auf die Produktionskosten beschreibt. Mit der Erläuterung über die Kompetenzzellentheorie endete der Vortrag. So kann eine Kompetenzzelle eine Abteilung oder ein externer Lieferant sein, jede hat ihr eigenes Know-how, welches für den Prozess unbedingt erforderlich und anderen Kompetenzzellen im Detail nicht bekannt ist.

Master IPC Trainer und Beirat im FED & Fachkreis Bleifrei FED/VdL Projektgruppe Design ist Rainer Taube von Taube Electronic, Berlin. Er berichtete über Beispiele effektiver Fertigungsorganisation für RoHS-/Green-konforme Baugruppen. Unter seinem Motto „Der Erfolg eines Betriebes hängt weniger davon ab, wie man die Maschinen aufstellt als vielmehr davon, wie die Menschen aufgestellt sind“ war über die Firmengeschichte, das Leistungsprofil, Kennzahlen und die Erfolgsfaktoren zu hören. Im Zeitraum von 2002 bis zum Jahre 2006 konnte in einer Phase von teilweise negativen wirtschaftlichen Rahmenbedingungen eine Umsatzsteigerung von über 160 % erreicht werden. Die Fehlerquote in der Endkontrolle wurde auf 2,58 % gesenkt und als einer der ersten Baugruppenhersteller in Deutschland konnte Taube Electronic Green-konforme Baugruppen produzieren. Die Reaktionsfähigkeit wurde durch eine flexible ½-Schicht erhöht, um nur einen der Erfolgsfaktoren zu nennen.

Bernd Spahlinger von Rafi in Ravensburg folgte mit der Gratwanderung im bleifreien Fertigungsalltag. In drei Hauptteile gegliedert, sprach er zuerst die Evaluierung zum Prozess bleifrei an, wo er SMD mit Reflowlöten, THT mit Wellenlöten sowie Reparatur mit Handlöten/Rework beleuchtete. Teil zwei handelte dann von den Anforderungen an die Logistik. Hier betonte er die Bedeutung der Reduzierung der am Lager befindlichen Bauteile während einer Übergangsphase. Auch sollte die Bestellsituation und Temperaturbelastbarkeit der RoHS-konformen Bauteile geprüft werden. Im letzten Part seines Berichtes ging er auf die Herausforderungen in der Serienfertigung ein. Zu sämtlichen Faktoren hierzu, wie beispielsweise Prozess, Leiterplatte, Baugruppen oder Voids, berichtete er über die im Unternehmen gemachten Erfahrungen. Seine Schlussbemerkung: „Minimierung der Kosten für die Umstellung auf RoHS-konforme Baugruppen und Geräte“.

Einen Technologie- und Kostenvergleich „Flip Chip versus Wire Bonding“ machte Joachim Kloeser von AEMtec, Berlin, unter dem Titel „SMT-kompatible Verarbeitung von Bare Die“. Er stellte für ein konkretes Modul die technologischen Prozesse gegenüber und verglich die Gesamtkosten zwischen einer Chip-On-Board- und einer Flip-Chip-Variante. Beim erstgenannten Prozess wird außerdem zwischen Au- und Al-Drahtbonden unterschieden. Die Kosten für die gesamte Montagekette und alle Materialien werden dabei aufgeschlüsselt, verglichen und die Ergebnisse entsprechend diskutiert. Letztendlich war die Flip-Chip-Technik für die vorliegenden Beispiele die vergleichsweise kostengünstigste Montagevariante, jedoch unter der Voraussetzung günstiger Bumpingkosten (Ni/Au).

Mit der Klimasicherheit von elektronischen Baugruppen schloss sich Dipl. Ing. Karl Ring vom ZVE des Fraunhofer IZM an und vermittelte über die Umwelt-Beanspruchungen der Baugruppen, worunter klimatische, elektrische, mechanische und chemische Beanspruchungen fielen. Zum Nachweis der Gebrauchstauglichkeit gibt es das Testen von Baugruppen unter Worst-Case-Bedingungen. Daraus resultierend sollte der Worst-Case bekannt sein. Ist er jedoch nicht immer, und somit der Grund zur Auslastung des Labors. Nach der Untersuchung sämtlicher Tests fasst er Folgendes zusammen: Feuchte und Betauung sollten unterschieden werden, bei der Betauung ist eine Schutzlackierung erforderlich. Schutzlacke haben nur eine begrenzte Schutzwirkung, Testmethoden sind vorhanden und erprobt. Eine tatsächliche Feldbelastung ist meist unbekannt.

Den Abschluss der Vortragsreihe bildete eine gemeinsame Präsentation von Thomas Ahrens und Günter Grossmann zum Thema „Die Weichlötstelle von der Wiege bis zur Bahre“. Mit viel Humor und außergewöhnlichen Vorführungen konnten die Teilnehmer zum Schluss der Vorträge noch herzhaft lachen.

Die Ergebnisse der Teamarbeit zu den Themen Traceability, Bauelementefehler, Reinigung, Schablonendruck, Temperaturprofilierung und Innovation+Motivation wurden am zweiten Tag dann vorgetragen.

Workshop 1: Anforderungen und Voraussetzung der Traceability in der SMT-Fertigung

Der Begriff Traceability ist dem Teilnehmerkreis bekannt, jedoch in unterschiedlichen Ausprägungen. Getrieben wird es durch Kundenforderungen, hauptsächlich im Automotive-Bereich, aber auch aus eigenem Interesse, und dafür sind die Kunden auch bereit zu bezahlen. Jedoch mangelt es an Vorgaben, Normen und Leitfäden hinsichtlich der Kennzeichnung von Materialien. Ein hoher manueller Aufwand im Wareneingang ist erforderlich, der fehlerbehaftet ist. Des Weiteren fehlen Standards hinsichtlich einheitlicher Maschinenschnittstellen und Protokolle. Traceability muss in die Prozesslandschaft integriert werden, und die Einbindung vom Materialhersteller, dem Produzenten bis hin zum Endkunden ist zur Sicherstellung einer Durchgängigkeit erforderlich.

Workshop 2: Welche Einflussgrößen bestimmen den optimalen Schablonendruck?

Der Lotpastendruck ist der qualitätsbestimmende Prozessschritt in der Baugruppenfertigung. Die Anforderungen an immer kleiner werdende Rastermaße sind es nicht nur, sondern auch der partiell stark schwankende Bedarf an Lotvolumen innerhalb der Baugruppe (Mischbestückung). Der Schablonendruck ist für ca. 63 % der Fehler in der Bestückungslinie verantwortlich. So sind eine professionelle Arbeitsvorbereitung, enge Zusammenarbeit mit den Lieferanten und Bediener mit Fachwissen und Motivation gefordert, mit dem Bewusstsein, dass der Lotpastendruck ausschlaggebend für den kompletten Prozess ist.

Workshop 3: Mitarbeiter-Motivation und Innovationsförderung in modernen Unternehmen

Die Innovation ist gesamtheitlich zu sehen mit klaren Firmenrichtlinien, Zielrichtung und einer Fokussierung. Innovation ist kreativ, und hierzu muss der Spielraum geschaffen werden, mit einer Ausrichtung an den jeweiligen Markt und der aktuellen Gesellschaftssituation. Ohne Motivation keine Innovation. Zur Motivation ist neben dem Spaßfaktor und der Wertschätzung ein Informationsaustausch sowie eine Vorbildfunktion wichtig, denn „wenn du selbst nicht brennst, kannst du auch kein Feuer entfachen“.

Workshop 4: Was muss bei Reinigungsprozessen in der Elektronik beachtet werden?

Bei der Auflistung, was wovon gereinigt werden muss, wurde in Maschinen-Wartungsreinigung und Baugruppen-Feinreinigung unterschieden. Da es keine selbstreinigenden Reflowöfen gibt, können anfallende Verunreinigungen aus Pastenrückständen und Leiterplattenmaterial nur durch ein geeignetes Maschinenkonzept und optimale Prozessparameter an einer gezielten Stelle im Ofen abgesondert beziehungsweise gefiltert werden. Jedoch ist eine manuelle Reinigung der Prozesskammer in Abständen notwendig. Bei der Baugruppen-Feinreinigung gibt es verschiedene Anforderungen wie Lackierung, Verguss, Fehldruck oder Entoxidierung, und es spielen Einflussfaktoren wie z. B. Reinigungsmaschine, -medium und -zeit oder Temperatur eine Rolle.

Workshop 5: Problemfall Bauelement (Fehler bei der Verarbeitung)

Hier wurden kritische Themen wie Schädigung von Keramik-Chips im Fertigungsprozess, MSL-gerechte Handhabung von Bauelementen oder Probleme bei der Oberflächenmetallisierung bis hin zu Voids im BGA im Anlieferzustand neben den Maßnahmen und möglichen Lösungsansätzen rund um das Problem Bauelement diskutiert, um Fehler bei der Verarbeitung auszuschließen.

Workshop 6: Gibt es das optimale Temperaturprofil für Lötprozesse, was taugen die internationalen Standards?

Die Workshopteilnehmer sprachen die unterschiedlichen Lötverfahren Welle, Selektiv, Reflow und Handlöten an. Die internationalen Standards wie beispielsweise J-STD-020D sind auf Bauteile und nicht auf Prozesse zugeschnitten. Wichtig ist, wo Messpunkte sind, denn viele Standards geben keine Messpunkte vor. So sollten die Standards nur als Empfehlung verwendet werden.

Am Vorabend des Abreisetages gab es noch eine ganz besondere Überraschung: Am Strand von Es Trenc wurde dann noch, mit Barbecue und Musik, die 10. Veranstaltung gefeiert. Auch diesmal wieder eine rundum gelungene und informative Veranstaltung – Dank an die Organisatorin und teilnehmenden Firmen. (dj)

EPP 410