Aller guten Dinge sind drei

Jassen Totev, Data I/O, Gräfelfing

Genau genommen handelt es sich beim manuellen Programmieren ebenfalls um einen Offline-Vorgang, da das Programmieren einen separaten Prozessschritt erfordert. Manuelle Programmiergeräte für die Produktion besitzen üblicherweise bis zu 32 Programmierplätze und erweisen sich häufig als die geeignete Lösung für das Programmieren kleiner Serien bis zu 50 Stück. Die Bausteinvielfalt dieser Serien kann sowohl im Low- und Medium- als auch im High-Mix-Bereich liegen. Wenn das Programmieren der Bausteine nur wenige Sekunden beansprucht, kann ein Programmierauftrag mit 50 ICs in weniger als 10 Minuten abgearbeitet werden. Der Einsatz einer automatischen Offline-Lösung würde sich hier nicht rechnen, da der Zeitaufwand – und damit die Kosten – für das Setup eines Programmierjobs (beziehungsweise der Wechsel vom vorhergehenden Job) der Programmierdauer mit einer manuellen Lösung gleichkommt.

Für die Wahl der geeigneten Programmiermethode sollte neben der Seriengröße und dem Zeitaufwand vor allem auch die Programmierzeit (und damit der Durchsatz) mit in Betracht gezogen werden. Liegt die Programmierzeit für einen Baustein beispielsweise in der Größenordnung von fünf Minuten, kann sich selbst für einen Auftrag mit 50 Bausteinen das Programmieren mit einem automatischen Offline-Programmiersystem rechnen. Auf diese Weise werden unter anderem Ressourcen freigesetzt, da der Bediener für andere Aufgaben eingesetzt werden kann, während die Programmierung automatisch abläuft. Zu bedenken ist auch, dass sich manche Bausteine nicht für das manuelle Programmieren eignen. So sind zum Beispiel viele der aktuellen Chip-Scale-Gehäuse (CSP) nicht selten nur 7 x 7 mm² groß. Eine automatische Offline-Lösung sorgt bei solchen Bausteinen für eine einwandfreie Qualität, die bei der manuellen Programmierung und Handhabung auf Dauer nicht erzielt werden kann. Wann nun die Rechnung zugunsten des automatischen Offline-Programmierens ausfällt, hängt ganz wesentlich von den individuellen Anforderungen eines Herstellers ab. Erfahrungswerte belegen jedoch, dass es in der Regel kostengünstiger ist, Serien von 200 Bausteinen oder mehr automatisch zu programmieren. Aus Qualitäts- und Kostengründen ist in diesem Fall eine automatische Offline-Lösung zu bevorzugen, besonders unter Berücksichtigung des Zeitaufwands für das Setup, der Arbeitszeit sowie unter Investitionsaspekten. Angenommen, die Lohnkosten eines Bedieners, der mit einer manuellen Lösung einen Durchsatz von zehn Bausteinen pro Minute erreicht, beträgt 60 DM die Stunde. In diesem Fall würde für das Programmieren einer 200 Stück umfassenden Serie ein Lohnanteil von 20 DM anfallen. Wenn das Setup eines automatischen Offline-Programmierers fünf Minuten in Anspruch nimmt, ergibt sich für diesen Auftrag ein direkter Lohnkostenanteil von lediglich 5 DM. Der Break-Even zugunsten einer automatischen Offline-Lösung ist also dann gegeben, wenn der Umfang der Programmierjobs steigt und damit die Kapazitä-ten zunehmen. Ein typisches automati-sches Offline-Programmiersystem, wie das PP100 von Data-I/O, erreicht pro Stunde einen Durchsatz von bis zu 700 Bausteinen. Diese Ausbeute gilt auch für Bausteine mit langer Programmierdauer, wie es etwa bei komplexen Flash-Speichern der Fall ist. Solche Systeme können sieben Tage lang rund um die Uhr betrieben werden und reduzieren dadurch den erforderlichen Arbeitseinsatz beträchtlich. Dieser Vorteil wird beispielsweise von Programmierhäusern genutzt, bei denen oftmals eine Person mit dem Bedienen verschiedener automatischer Offline-Programmiersysteme betraut ist. Diese sind in der Regel die wirtschaftlichste Lösung bei mittlerem bis hohem Durchsatz im Low- bis High-Mix-Bereich. Für solche Systeme spricht die Verfügbarkeit der verschiedenen Input- und Output-Medien (Gurte, Stangen oder Trays), ein integriertes Baustein-Markierungssystem (wahlweise Laser-Beschriftung oder Etikettierung), sowie ein allgemeiner Qualitätszuwachs durch die automatische Programmierung und Handhabung. Hersteller, zum Beispiel in der Auftragsfertigung, deren Durchsatz ein kleines bis mittleres Volumen erreicht, setzen immer häufiger automatische Offline-Programmiersysteme ein. Geringe Kosten durch das Eliminieren von Verzögerungen sowie die Tatsache, In-House programmieren zu können, sind hier die Vorteile. Wie bereits erwähnt, verlangen die modernen, miniaturisierten Gehäuseformen geradezu eine automatische Programmierung. Chip-Scale-Packages (CSP) mit einem Pinabstand von 0,75 und 0,5 mm entwickeln sich zum Standard für viele Flash-Speicher. Die sogenannte Stacked-CSP-Technik unterstreicht diesen Trend. Dabei handelt es sich um einen µBGA-Baustein mit zum Beispiel einem Flash- und einem SRAM-Chip. Diese werden in einem Gehäuse übereinander geschichtet. Doch nicht nur die Gehäusegröße ist ein Risikofaktor bei der manuellen Handhabung. Eine Beschädigung der Pins, etwa bei QFP-Bausteinen, ist ein wunder Punkt, der mit einer automatischen Offline-Programmierung ausgeschaltet wird. Durch ein gründliches Training wird das Personal befähigt, solche Systeme korrekt zu bedienen und damit eine optimale Qualität zu erreichen.

Für eine wachsende Anzahl von Anwendungen, insbesondere im Bereich der elektronischen Konsumprodukte, kommt immer häufiger das Inline-Programmieren in Frage. Inline bedeutet in diesem Fall, dass der Programmierprozess direkt in die Produktionslinie des Herstellers integriert wird, das heißt, es ist kein Offline-Programmierschritt erforderlich. In der Regel sorgt der Inline-Programmierprozess besonders in Produktionslinien mit höchstem Durchsatz, in denen die Taktzeiten im Sekundenbereich liegen, für eine erhebliche Kostensenkung. Im Bereich der Mobiltelefone wird der Herstellungsbedarf für das Jahr 2003 auf nahezu eine Milliarde Stück geschätzt. Das Wachstum bei den Internet-fähigen Kommunikationsprodukten wird im gleichen Zeitraum voraussichtlich ähnliche Werte erzielen. Die Marktbedingungen für diese Geräte erfordern eine maximale Kosteneffizienz und Produktivität in der Produktion. Die Produktionslinien müssen somit einen sehr hohen Durchsatz, sprich geringe Taktzeiten, erreichen. Um die künftige Produktionsnachfrage befriedigen zu können, wird eine Taktzeit von unter zehn Sekunden angestrebt. Die Integration des Programmiervorgangs in die Produktionslinie bringt natürliche Vorteile für viele Anwendungen im Bereich der Großserienfertigung mit sich. Durch das Inline-Programmieren werden die typischen Prozessschritte des Offline-Programmierens eingespart und eine erheblich bessere Ausbeute erzielt. Inline-Programmierung bedeutet lediglich die Integration des Bausteinprogrammierens in einen vorhandenen Prozessschritt innerhalb der Fertigung. Das könnte beispielsweise während der Entnahmephase eines Bausteins von der Zuführeinheit zum Bestückautomaten sein. Durch diesen Just-in-Time-Prozess werden sowohl die Lagerbestände programmierter Bausteine als auch die Vorlaufzeit von unprogrammierten Bausteinen enorm reduziert, woraus sich wiederum ein deutlicher Kostenvorteil ergibt. Zusammengefasst bietet das Inline-Programmieren folgende Vorteile:

•vereinfachte Lagerhaltung

•weniger Warenbewegung

•eliminieren von Produktionsschritten

•Just-In-Time-Programmierung

•geringere Vorlaufzeiten

•mehr Cashflow

•unmittelbare Reaktion auf Software-Änderung

•Umprogrammierung veralterter Software-Stände

•Kosteneffizienz und Produktivität

Besonders Hersteller von Mobiltelefonen machten sich diese Vorteile für ihre Anwendungen zu Nutzen und begannen damit, Flash-Speicher mit Hilfe ihrer automatischen Testsysteme inline, also während der Fertigung und damit genau zum benötigten Zeitpunkt, zu programmieren. Inzwischen hat sich das Inline-Programmieren bei vielen anderen Großserien-Herstellern mit ähnlichem Anwendungsprofil als bedarfsgerechte und wirtschaftliche Lösung durchgesetzt, so zum Beispiel bei Herstellern von Motherboards für PCs, digitalen Set-Top-Boxen, externen Modems, Automobilelektronik usw.. Ein anderes Beispiel für ein Inline-Programmiersystem ist der Proline-Roadrunner von Data-I/O. Dieses ist das erste seiner Art und stellt eine Lösung dar, mit der sich der Programmiervorgang ohne zusätzlichen Platzbedarf in die Produktion integrieren lässt. Der Roadrunner wird direkt auf der Zuführeinheit des Fine-Pitch-SMT-Bestückautomaten montiert. Das System kann mit seinem Pick&Place-Kopf vier Bausteine gleichzeitig aufnehmen und ist mit einem Programmiersystem ausgestattet, das vier Programmierstationen besitzt. Für das Programmieren von beispielsweise vier 32-MBit-Flash-Speichern werden etwa 25 Sekunden benötigt. Vom Roadrunner gelangen die Bausteine über den Zuführmechanismus zum Entnahmepunkt des SMT-Bestückautomaten. Mit dieser Methode lässt sich eine Taktzeit von etwa zehn Sekunden pro Platine bei Einsatz eines 32-MBit-Flash-Speichers erzielen. Mit dem Proline-Roadrunner können Großserien-Hersteller, die Flash-Speicher in ihren Produkten einsetzen, die Programmierung inline integrieren. Engpässe bei der Bausteinprogrammierung von komplexen Flash-Speichern können vermieden werden. Durch den Einsatz mehrerer Systeme kann bei Bedarf die Taktzeit jederzeit verkürzt werden. Da das Gerät direkt an den Bestückautomaten angedockt wird, muss die Produktionslinie weder angehalten noch in irgendeiner Weise modifiziert werden. Deshalb spricht man auch von einer Online-Methode.

Den Herstellern elektronischer Produkte stehen eine Reihe von Programmiermethoden zur Auswahl. Im Entscheidungsprozess für eine bestimmte Programmiermethode sollten individuelle Fertigungsbedingungen wie Durchsatz, Bausteinmix, Gehäuseformen und Qualitätsanforderungen einbezogen werden, um durch die richtige Wahl eine maximale Produktivität und eine optimierte Kostensituation zu erzielen. Die drei geläufigsten Programmiermethoden sind: manuelles Programmieren, automatisches Offline- sowie automatisches Inline-Programmieren. Im Allgemeinen ist eine manuelle Lösung die beste Wahl bei kleinen Serien mit Bausteinen, die problemlos manuell gehandhabt werden können. Eine automatische Offline-Lösung ist in der Regel die wirtschaftlichste Variante bei größeren Serien im Low- bis High-Mix-Bereich. Eine automatische Inline-Lösung erweist sich häufig in der Großserienproduktion mit kleiner Bausteinvielfalt, in der geringere Taktzeiten sowie geringe Kosten in einer Produktionslinie erforderlich sind, als geeignete Lösung zur langfristigen Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit.

EPP 175