Wir gehen in die Tiefe

Mit der Vorstellung neuester Trends und innovativen Lösungen wurde unter der Moderation von Prof. Mathias Nowottnick aufgezeigt, welche Technologien in Zukunft die größten Erfolgsaussichten bieten.

Jürgen Zacherl, Continental Regensburg

Technical Cleanliness – Design / Manufacturing does this fit?

Die Treiber für die Sauberkeitsanforderungen in der Fertigung sind in der Miniaturisierung, den steigenden Kunden- und Zuverlässigkeitsanforderungen sowie auch den neuen Technologien mit ihren Materialien und Prozessen zu sehen. Dabei spielen neben den Partikeln auch die Herkunft und Gründe der Verunreinigungen eine Rolle, die zu Fehlern im Prozess bzw. zu Ausfällen in den Elektronikprodukten führen können. Um den tendenziell steigenden Herausforderungen bezüglich der Sauberkeit zu begegnen und die Fertigungsanforderungen entlang der Wertschöpfungskette zu sichern, bedarf es unter anderem der Definition kritischer Partikelgrößen über Produkt und Prozesse. Je kleiner die Partikelgrößen, desto teurer wird es, wobei die Größen mittlerweile vom µ-Bereich in den Nanobereich gehen. Ein optimiertes Konzept erfordert die genaue Betrachtung des Prozesses. Das Resümee des Redners: Produkt- und Prozesssauberkeitsanforderungen sind in Einklang zu bringen, das Gesamtkonzept muss passen und betrachtet werden.

Thomas Lehmann, Christian Koenen GmbH

Schablonenanforderungen jenseits des Standards

Das Potential der 3D Schablonentechnologie liegt in den verschiedenen Materialstärken innerhalb einer Schablone sowie dem gleichzeitigen Druck auf verschiedenen Höhenleveln einer Leiterplatte. Die Anwendungsgebiete finden sich z. B. in Hochfrequenztechnologien durch die kürzere Anbindungen, bei Mobiltelefonen durch Einsparung von Platz, in der Luft- und Raumfahrt sowie Militär wegen dem Schutz vor Beschleunigungskräften oder zunehmend wegen der Aussparung mit Over Top Clamping. Die Bedruckung von Substraten mit erheblichen Höhenunterschieden wird mittels PumpPrint-Technologie prozessiert, wo sowohl Kleber- als auch Lotpastendruck möglich ist. Jedoch sollte beim Kleberdruck kein Alkohol verwendet werden, da dieser den SMD-Kleber aushärtet. Um die Unterseitenreinigung zu bewerten empfiehlt der Referent eine transparente Schablone mit Handschablone zur manuellen Bedruckung der Schablonenunterseite und gab Tipps zum Einfluss des Reinigungsvlies. Weiter ging es mit der Kombination aus gelaserter Schablone und Siebtechnologie, der M-TeCK Schablone, die eine optimale Abdichtung zur Oberfläche verspricht, den Druck von Spiralen sowie anderen Sonderformen ermöglicht und für Anwendungen mit Wärmeleitpasten, Sinterpasten sowie Silberleitkleber geeignet ist. Schablonen in Übergröße bieten sich bei der LED-Fertigung und Modulmontage an, wobei die Alternativlösung mittels Ekra-Spezialdruckverfahren nicht unerwähnt blieb.

Hubert Egger, ASM Assembly Systems

Selbstoptimierende Maschinen als Basis für eine Smart SMT Factory

Die Innovationstreiber der Smart Factory liegen im Produktportfolio, der Automatisierung, Prozessintegration sowie der Materiallogistik. Jedoch darf sich Industrie 4.0 nicht nur auf den Produktionsprozess beschränken, die „neuen Medien“ sollten auch nach dem Herstellungsprozess genutzt werden. Dezentrale Cyber Physical Systems kommunizieren und interagieren über eingebettete, internetbasierte Technologien miteinander. Der Referent zeigte eine detaillierte Produktionsplanung auf, ging über zur Produktionsvorbereitung, der Produktion sowie Produktionsoptimierung. So werden bestimmte manuelle Aufgaben auch zukünftig in einer Smart Factory erhalten bleiben, jedoch auf ein Minimum reduziert. Nachdem IT-Systeme künftig weitaus mehr Daten verarbeiten müssen, stellt die Gewährleistung von Datensicherheit eine wichtige Herausforderung dar. Die Automatisierungs-Roadmap von SMT-Linien zeigt in 2014 zwei Bediener pro Linie, in 2016 reduziert auf einen Bediener während in 2018 dann ein Bediener-Pool mehrere Linien nach Bedarf handelt. Die Umsetzung einer Smart SMT-Fertigung geht nach individueller Analyse der vorhandenen Gegebenheiten vonstatten. Mit Implementierung von Industrie 4.0 werden die Produktionsprozesse mit innovativen Software-Systemen und Technologien optimiert, die Vision zeigt selbst-optimierende Produktionsprozesse auf Basis von cyber-physikalischen Systemen.

Dr. -Ing. Matthias Hutter, Fraunhofer Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration

Qualität von Lötstellen

Im Vortrag wurden die Variationen von Loten, Lötverfahren und Lotverbindungen, neue Herausforderungen wie hohe Betriebstemperaturen für Lotverbindungen, Poren in Lotverbindungen, Reaktionen des Lots mit Metallisierungen, das Qualitätskriterium Benetzung/Benetzbarkeit sowie die Lebensdauer und Ausfallmechanismen von Lot im Vergleich zu TLPB und Silbersintern behandelt. Es zeigte sich, dass Lote ihre Einsatzgrenzen bei Temperaturen von 175 °C erreichen; nur noch bei bestimmten Architekturen überleben Lötstellen 1.000 Temperaturwechsel von – 55 °C bis zu + 175 °C. Drucklos Silbersintern verschafft eine längere Lebensdauer, jedoch besteht noch keine Fertigungsreife für Baugruppen. Ein aktiver Temperaturwechsel kann bei flächigen Lotverbindungen zu Lotzerrüttung führen, die im Zentrum der Verbindung beginnt. Durch komplettes Umwandeln des Lots in intermetallische Phasen kann die Lebensdauer deutlich erhöht werden. Der Fehlermechanismus ändert sich, die Verbindungsschicht versagt nicht mehr zuerst. TLPB zeigte eine Lebensdauer von bis zu mehr als 4.000.000 aktiven Lastwechseln, während Lot bei ca. 30.000 bis 40.000 aktiven Lastwechseln versagte.

Dr. Hans Bell, Rehm Thermal Systems GmbH

Einfluss der Prozessparameter auf das Lötergebnis

Um ein optimales Lötergebnis zu erhalten, gilt es einige Einflussgrößen zu beachten. Zuerst wären da die nicht beeinflussbaren qualitativen Größen wie Design der Baugruppe, die Leiterplatte, Bauelemente, Lotpaste, Pastendruck oder Placement. So können durch Designfehler Microvia in Pads entstehen, bei einem Finish-Mangel eine Nichtbenetzung stattfinden oder im Pastendruck durch das Auslöseverhalten Brücken oder Unterbelotung hervorgerufen werden. Dagegen stehen die mittelbar beeinflussbaren Einflussgrößen: Im Vordergrund der Mensch, der bei Wärmeübertragung, Temperatur, Zeit, Lötprofil-Geometrie, Lötatmosphäre sowie Zustand der Lötanlage seinen Einfluss geltend machen kann. Durch Präparation eines Messboards lassen sich Methoden und Messergebnisse für eine optimale Auswahl vergleichen. In punkto Wärmeübertragung, wo den Baugruppen Wärme geregelt und in sehr kurzer Zeit zuzuführen sind, unterschied der Redner zwischen Kondensation und der Konvektion, was weitaus weniger Energie benötigt. Beim Thema Atmosphäre ging es um das Löten unter Luft versus Stickstoff, wobei letzteres für eine höhere Qualität des Anlieferproduktes sorgt. Als letztes kam die Sprache noch auf den Zustand der Reflowlötanlage, welcher einen nicht unerheblichen Einfluss auf das Lötergebnis hat.

Herbert Natterer, Asys GmbH

Pulse – Human Centered Solutions

Bei Pulse stehen der Mensch und seine Bedürfnisse im Mittelpunkt der technologischen Neuentwicklung, um die Arbeit nicht nur effizienter sondern auch zielgerichtet zu gestalten. Mittels unterschiedlicher mobiler Geräte wie z.B. Smartphone, Smartwatch oder Tablet sowie Anbindungen und Softwarelösungen wird die tägliche Arbeit in einer Produktionsumgebung für den Anwender vereinfacht. So hat der Mensch nicht nur eine SMD-Linie, sondern auch Insellösungen unter vollständiger Kontrolle. Sämtliche wichtige Informationen werden dem Bediener in Echtzeit und überall angezeigt. Unter Einbeziehung von Alltagstechnologien wird eine intuitive Nutzbarkeit realisiert und sorgt für eine durch getaktete Produktion mit reduzierten Maschinenstopps. Die Software PulseOne ist für linienübergreifende Anwendungen verantwortlich, während Simplex die maschinenspezifischen Anwendungen wie das Einrichten oder Bedienen der Maschinen prozessiert. Durch die allumfassenden Informationen in Echtzeit verliert der Mensch nie den Überblick, so dass die selbstorganisierte Fertigungsumgebung lediglich noch bei den Kernaufgaben eine Unterstützung des Bedieners benötigt.

Christoph Hippin, Endress+Hauser GmbH+Co. KG

Effiziente Verarbeitung von Micro- und Macrobauteilen im Reflowprozess

Der Vortrag behandelte das Back-Side-Reflow-Verfahren inklusive dem Wärmemanagement, der Bauteilfixierung sowie dem Rework von Macro- bzw. THT-Bauteilen. Die Vorteile des Back-Side-Reflow – auch Löten über Kopf – liegen darin, dass das Pastenvolumen dem Schwerkrafteinfluß folgt und es kein Abtropfen von Lot gibt, die Lötstellen entsprechen der IPC A 610 (Klasse 3). THT-Bauteile müssen keine Reflowtemperaturen aushalten, die eingebrachte Energie wirkt direkt an der Lötstelle. Auch können hohe Füllgrade für z.B. große Pins realisiert werden. Das BSR-Lötprofil ist auch bei Standard-Baugruppen für ein schonendes Löten einsetzbar, das Wiederaufschmelzen der ersten Seite wird verhindert sowie die Unterseitentemperatur begrenzt. Zur Bauelementfixierung empfiehlt der Referent einen UV-Prozess mit einem dualhärtenden Klebstoff für Elektronikanwendungen. Selbst bei Lötung mit einer Reworkstation zeigen BSR-Bauteile ihre Vorteile. Zusammenfassend unterstützt die gemeinsame Verarbeitung von Micro- und Macrobauteilen (THT-Bauteilen) mit dem Back-Side-Reflow-Verfahren in Kombination mit dem UV-Klebeprozess zur Fixierung von Bauteilen sowohl bei der Qualitätssteigerung als auch bei der Kostenreduzierung durch weniger Prozessschritte und durch einen geringeren Einsatz von Betriebsmitteln.

Jörg Trodler, Heraeus Deutschland GmbH

Sprödbruchrisiko an keramischen Bauelementen in Abhängigkeit vom Hochtemperatur-Lotwerkstoff und der Beanspruchungsgeschwindigkeit

Zur Einführung wurden Beispiele für Sprödbrüche an keramischen Zweipolern für Test- und Feldbelastungen sowie das Lotkriechen für bleifreie Weichlote SAC 375/305, Innolot und HT1-Lot aufgezeigt. Die Finite Elemente Simulation wurde mit keramischen Chipwiderständen und -kondensatoren mittels Temperaturbelastungen durch Temperaturschock und -wechsel demonstriert. So konnten die Spannungsbeanspruchungen von Zweipolern im Vergleich von SAC, Innolot und HT 1 sowie die Effekte der Zyklusarten dargestellt werden. Innolot zeigt geringe Kriechdehnung, ein typisch besseres Ermüdungsverhalten aber höhere Spannungsbeanspruchung, was sich eventuell als kritisch für keramische Zweipoler erweisen kann. Die Mikrostruktur-abhängige Kriecheigenschaften von Innolot wirken sich auch auf die Beanspruchung der Keramik aus. In beiden Fällen sind die Spannungen deutlich höher als für SAC. Sie unterscheiden sich weniger, als aufgrund der starken Unterschiede in den Kriechgesetzen vermutet wurde. Für HT1 treten deutlich geringere Spannungen auf als für Innolot. Die Spannungsbeanspruchung für HT1 liegt etwas unter der für SAC. Maximale Spannungen entstehen nach Erreichen der unteren Haltetemperatur, maximale Spannungen unterscheiden sich nur unwesentlich für die beiden Rampengeschwindigkeiten in Thermoschock und Thermowechsel. Lange Rampen im Feld verringern Spannungen überproportional für gleiche T-Hübe. Es besteht die Gefahr unterschiedlicher Fehlermodes im Testfeld.

Dipl.-Inf. (Univ.) Dominik Bösl, Kuka AG

Zukunft der Robotik und Digitalisierung

Der Vortrag behandelte neben Zukunftsstrategien auch bahnbrechende Innovationen. Die einhergehende Veränderung wurde durch die Megatrends aufgezeigt, der Mobilität, der Globalisierung, der globalen Erwärmung, die zu einer abnehmenden Artenvielfalt und extremem Wetter führt und nicht zuletzt der Überalterung unserer Gesellschaft von einem weltweiten jetzigen durchschnittlichen Alter von 27,2 Jahren auf 37,3 Jahren in 2050. Erwähnt wurden auch die Urbanisation, das digitale Leben, die Individualisierung sowie die Gesundheit. So wird die Überalterung in Deutschland – in 2020 werden bereits 50 % der Bevölkerung über 50 Jahre alt sein – wird die Arbeitnehmerstruktur verändern und einen höheren Automatisierungsgrad erfordern. Hier spielt dann die Zukunft der Robotik eine große Rolle, die anhand der Roboterrevolution demonstriert wurde. So ist z. B. der Zusammenbau des Kraftfahrzeugs Ford in der Automobilbranche in 100 Jahren von 90 Minuten auf heute gerade mal 82 Sekunden gesunken. Zukünftig, in der 4. Roboterrevolution, sollen Roboter in der Lage sein, auch Dinge zu tun, wozu sie vorher nicht in der Lage waren und kognitive Eigenschaften erhalten. Stand heute führen Roboter lediglich noch den Mensch unterstützende Arbeiten durch. Mittels einer Forschungs-Roadmap wurde die Umsetzung verdeutlicht. Unsere Enkel werden die Robotic natives, während die heutige Generation eher den Robotic Immigrants entspricht. Laut Bill Gates soll bis 2025 in jeder Wohnung ein Roboter sein.

Dr.-Ing. habil. Heinz Wohlrabe, TU Dresden

Optimierung der Qualität des SMT-Montageprozesses mittels Simulation

Der Vortrag konzentrierte sich auf die geometrische Montagegenauigkeit ohne Betrachtung von Voids, Grabsteinen, Lotperlen, schlechte Benetzung etc. Die aktuellen Herausforderungen für die geometrische Montagegenauigkeit liegen in den kleiner werdenden Strukturen mit größeren Anschlussanzahlen bei teilweise zunehmenden Leiterplattengrößen. Der Redner ging den Fragen nach, ob mit der gegebenen Ausrüstung und Produkt eine ausreichende Montagequalität gefertigt werden kann, was geändert werden muss und welche Anforderungen an das verwendete Material zu stellen sind. Die vorgestellte Simulation ist eine Möglichkeit, um die Montagequalität bei einer SMT-Montage abzuschätzen, dabei ist die Präzision der Ergebnisse abhängig von der Güte der Modellierung und Genauigkeit der benutzten Daten. Es kann nicht alles berücksichtigt werden wie z. B. das Einschwimmen. Die genaue Vorausberechnung der zu erwartenden Fehlerquoten ist nicht machbar, die Tendenzen sind aber zutreffend. Eine Adaption des Systems an zusätzliche Aufgabenstellungen ist umsetzbar.

Dipl.-Ing. Wolfgang Motzek, Coronex Electronic Manufacturing Services

Counterfeit Electronic Components aus der Sicht eines EMS-Dienstleisters. Counterfeit Electronics erkennen und vermeiden – Beispiele und Lösungsansätze!

„The ticking time bomb“ nannte der Referent die steigende Tendenz der Produktpiraterie, die großen Schaden durch Funktionsausfälle hervorrufen kann. Maßnahmen, um Obsolescencen vorzubeugen, finden sich in der sorgfältigen Auswahl der Beschaffungsquellen. Es sollte also bei Originalherstellern, bei authorisierten Distributoren oder bei qualifizierten unabhängigen Distributoren gekauft werden. Bestimmte Beschaffungsanforderungen müssen klar sein, so sorgen Qualitätsmanagement System Audits und / oder Counterfeit Parts Vorbeugungsprozess Audit wie z.B. AS9100 und AS9120 neben der Prüfung des RMA Prozess des Lieferanten und Tools zur Teile Authentifizierung für mehr Sicherheit. Als weiterer Schutz gegen Counterfeits empfiehlt der Referent eine Eingangsprüfung von Verpackung, Füllmaterial, Etiketten, ESD-Schutz, MSL-Level und den Beschriftungen, gefolgt von einer visuellen Inspektion zur Identifizierung u.a. der Art der Komponente, Dimensionen, Anzahl der Anschlüsse, Logo, etc.. Mittels Stereomikroskop sollten u.a. Textur, Anschlussoberflächen, eventuelle Verletzungen des Package unter die Lupe genommen werden. Ein anschließender Acetontest zur Ablösung einer Lackschicht und Beschriftung sollte die Änderung der Textur zeigen. Röntgen, Ultraschall, XRF, Elektrische Tests sowie Freilegen des Chips dürften die letzten Zweifel aus dem Weg räumen.

Prof. Mathias Nowottnick, Universität Rostock, IEF/IGS

Beschleunigte Alterung – Vergleich aktiver und passiver Zyklentests

Der Vortrag basierte größtenteils auf Eigenuntersuchungen und behandelte neben der realen Alterung elektronischer Baugruppen die beschleunigte Alterung durch sowohl erhöhten Temperaturen als auch schnelleren Zyklen oder durch eine aktive Erwärmung. Die Schlussfolgerungen aus den Untersuchungen lies erkennen, dass die obere Temperaturgrenze durch Ausfallmechanismen begrenzt ist, während die untere Temperaturgrenze den Test erheblich verlängert. Die aktiven Power-Zyklen beanspruchen dabei die Lötverbindungen kaum. Eine separate Optimierung des oberen und unteren Haltepunktes ist zu empfehlen. Eine Kombination von aktiven und passiven Zyklen (air/liq) kann den Wechsel verkürzen. (dj)