Automatische Kalibration

Juki Automation, Solothurn

Die Elektronikindustrie erfährt immer noch ein starkes Wachstum beim Einsatz von Leuchtdioden (LEDs). Seit den 60er Jahren haben sich die Leistung und Lichtausbeute von LEDs alle 1,5 Jahre verdoppelt, was einem Verlauf analog dem Mooreschen Gesetz entspricht. Moderne LEDs bieten viele Vorteile gegenüber Glühlichtquellen, einschließlich Sparsamkeit, Langlebigkeit, geringer Größe, schneller Schaltbarkeit und Robustheit. Dies erklärt die verbreitete Verwendung von LEDs für Fahrzeug-Beleuchtungseinheiten, Warnsignale, Anzeigesysteme und andere wichtige Beleuchtungsanwendungen.

Durch diesen Trend stellt sich dem LP-Bestücker eine bedeutende neue Herausforderung. LED Hersteller verpacken oberflächenmontierte LEDs klassifiziert nach einer Helligkeits-Kennnummer (BIN). Diese besteht aus einem mehrstelligen Code der die Helligkeit und Farbe der LED angibt. Der BIN Code befindet sich auf dem Etikett der Spule. Er stellt ein extra Feld der Bauteilkennung (PN) dar. Zwei Spulen der gleichen LED PN haben nicht zwangsläufig auch die gleiche BIN. LEDs mit gleicher PN und BIN sehen gleich aus wenn sie leuchten. Passt die BIN jedoch nicht, kann die Helligkeit und/oder Farbe des abgegebenen Lichts deutlich abweichend sein. Das Vermischen unterschiedlicher BINs in einem Artikel ist meist nicht akzeptabel. In anderen Fällen erlaubt das Produktdesign gewisse Kombinationen unterschiedlicher BINs (Farbe oder Helligkeit) oder gibt eine Kombination der LED BIN und angrenzender Bauteile (meist Widerstände) vor. Die Vorgaben wechseln von Produkt zu Produkt und stellen damit einen logistischen Alptraum für jeden LP-Bestücker dar.

Wenn das Vermischen der BINs bei der Fertigung solche Kopfschmerzen bereitet, warum verpflichtet man dann nicht die LED Hersteller, nur eine bestimmte BIN pro Bauteil-PN zu liefern? Dies ist eine durchaus logische Frage. Die Antwort hängt dabei von drei Faktoren ab, die großen Einfluss auf das Betriebsergebnis eines jeden LP-Bestückers haben: Materialverfügbarkeit, Lieferzeit und Kosten. Ziel der LED-Hersteller ist natürlich die Gleichmäßigkeit der Endprodukte zu erhöhen, doch derzeit ist es noch unmöglich, kostengünstig eine bestimmte BIN mit hoher Gleichmäßigkeit von Los zu Los zu produzieren.

Um für jede LED PN eine spezifische BIN zu liefern, bliebe dem LED Hersteller nur die Alternative einer manuellen Sortierung. Dies führt natürlich zu erhöhten Kosten. Eine solche Sortierung kann zum drei- bis vierfachen Preis für LED-Bauteile führen. In einem dazu durchgerechneten Beispiel betrug der Aufpreis zur Ermittlung spezifischer LED BINs für ein Kombiinstrument im Automobilbereich nach Schätzung über 70.000 Euro pro Jahr auf einer einzigen SMT-Linie. Rechnet man dies auf eine typische Fertigung mit vier bis sechs SMT Linien hoch, so werden die Materialkosten astronomisch hoch.

Ein weiterer wichtiger Aspekt: LED Hersteller können die langfristige Verfügbarkeit einer spezifischen BIN in großen Stückzahlen nicht garantieren. Aufgrund dieser Einschränkungen können es sich die Leiterplattenbestücker normalerweise nicht leisten, spezifische BINs zu beschaffen.

Stattdessen müssen sie effektive interne Strukturen errichten um unterschiedliche BINs innerhalb der Fertigung zu steuern. Glücklicherweise gibt es Industrienormen wie die NEMA SSL 3–2010, die BIN Strukturen vorgeben und die Gleichmäßigkeit bei den Herstellern fördern. Dies hilft dem LP-Bestücker, da er immerhin die jeder Spule zugeordnete BIN sicher bestimmen kann. Auf einer Spule mit SMT LEDs ist der BIN Code üblicherweise in einem Barcode oder einer 2D Matrix auf dem Herstelleretikett enthalten, um das Auslesen der Daten durch ein Materialverfolgungssystem zu ermöglichen.

Um die Herstellervorgaben zur Rückverfolgbarkeit und Qualität zu erfüllen, wird ein höheres als das übliche Maß bei der Validierung des SMT Liniensetups angestrebt. Statt der einfachen Validierung nur auf Basis der Bauteil-PN ist eine Validierung erforderlich, die auf der LED BIN basiert um sicherzustellen, dass entsprechend den Designvorgaben nur passende BINs auf einer LP plaziert werden. Dies bedingt eine ganz neue Herausforderung – die dynamische Linienvalidierung. Warum dynamisch? Weil das Aufrüsten der richtigen BIN auf der Maschine zu jeder beliebigen Zeit abhängig ist von den anderen BINs die schon auf der Maschine gerüstet sind oder von den bereits teilweise bestückten LP, die sich beim Nachfüllen von Spulen in der Maschine befinden könnten. Die geforderte Lösung beinhaltet somit auch Systeme die die Maschine physikalisch daran hindern, weiter zu bestücken wenn die Gefahr einer BIN-Vermischung oder eines PN Fehlers gegeben ist.

Die Rückverfolgbarkeit jeder Bauteil-Losnummer (LN) aller aufeinanderfolgenden LPs ist gefordert. Herkömmliche Methoden werden dieser Forderung nicht gerecht. Um die Einhaltung der Designvorgaben des Kunden nachzuweisen müssen die Daten zur Rückverfolgbarkeit auch den BIN Code für jede einzelne LED auf jeder LP beinhalten. Die IFS-X2 Software für die Elektronikindustrie enthält Module zur Linienvalidierung und Rückverfolgbarkeit von LN Codes die auch die LED BINs bei der SMT Bestückung mit berücksichtigen.

„Wo man Müll hineinsteckt kommt auch Müll raus” – dieses Schlagwort gilt definitiv auch für die IFS-X2 Software. Mögliche Quellen für Datenverlust und Fehler wurden wo immer möglich eliminiert. Bei der Verfolgung nummerierter Produkte ist eine gängige Quelle für Datenverlust die Notwendigkeit, alle LP Seriennummern an Scanpunkten entlang der Fertigungslinie zu erfassen. In diesen Fällen ist die Seriennummer der LP üblicherweise als Barcode oder 2D Matrix dargestellt. Durch Qualitätsprobleme beim Druck und der Anbringung der LP Seriennummer oder wenn Scanner entlang der Linie beim Produktwechsel nicht sauber justiert werden, kann diese leicht verfehlt werden.

Das Risiko eines Datenverlusts ist umso größer, je vielfältiger die Fertigung ist, mit häufigen Produktwechseln und einer großen Vielzahl von LP Formen. Der Barcode jeder LP die in die Maschine kommt wird in der Zentrierstation durch den Scanner am Bestückkopf ausgelesen. Dies bringt einen großen Vorteil. Durch das Auslesen des Barcodes in der Zentrierstation direkt vor dem Start des Bestückvorgangs wird sichergestellt, dass nur zu 100 % korrekte Daten aufgezeichnet werden. Würde der Barcode beim Eintritt in die Maschine ausgelesen, bestünde immer noch die Möglichkeit einer manuellen Entfernung oder eines Austauschs der LP im Eingangspuffer, was die Daten der Rückverfolgbarkeit verfälschen würde. Mit dieser Kombination von Hard- und Software erzielt JUKI eine Rückverfolgbarkeit bis auf die Bauelementebene in einem geschlossenen Regelkreis.

So kann dem Kunden eine 100 % Erfassungsrate der LP Seriennummern garantiert werden. Die Barcode Kameras helfen auch dabei, den weiteren Produktdurchlauf zu stoppen wenn das IFS-X2 System eine vorgeschaltete Abweichung im Linien-Setup oder mögliche BIN Diskrepanzen entdeckt und verhindern so fehlerhafte Produkte. Ein weiterer gängiger Fehler entsteht durch Fehler der Bediener beim manuellen Einsetzen von Feedern an den Feederplätzen der Bestückungsmaschine. Zur totalen Fehlervermeidung beim Auf- und Nachrüstvorgang kann die RFID Funktechnologie genutzt werden, um die Bestückungseinrichtungen auf intelligente Feeder umzurüsten. Zur automatischen Registrierung und Identifikation der Feeder an jedem Steckplatz wird ein kostengünstiges RFID Etikett auf jedem Feeder und eine RFID Empfangsantenne auf jeder Feederbank angebracht.

Neben der Fehlervermeidung sammelt das intelligente Feedersystem während des Auf- und Nachrüstvorgangs automatisch auch genaue Daten zur Rückverfolgbarkeit. Der Einsatz intelligenter Feeder erhöht auch die Produk- tivität da er die manuelle Überprüfung des Rüstergebnisses überflüssig macht. Dies führt zu einer deutlich kürzeren Umrüstzeit, was einer Steigerung der Produktivität entspricht.

IFS-X2 ist direkt in die Software des Bestücksystems integriert. So können kritische Produktionsdaten in Echtzeit von beiden Systemen genutzt werden. Die Maschine wird zum Beispiel sofort stoppen, sobald ein Rüstfehler anhand der PN entdeckt wird. Die Maschine bleibt angehalten bis der Fehler beseitigt ist. Die Integration in die Maschinensoftware erlaubt dem IFS-X2 System auch die exakte Verfolgung des Bauteilverbrauchs, einschließlich aller Fehlpicks und verworfener Bauteile und ermöglicht so ein proaktives Materialmanagement. Das System gibt eine Warnung aus, wenn die Restmenge auf einer beliebigen Spule unter eine vorgegebene Grenze fällt. Wird der Restmengenalarm für eine LED ausgelöst, kann der Bediener wählen zwischen dem sofortigen Ersatz der betreffenden Spule oder der unveränderten Wiederaufnahme der Produktion.

Sind beim Austausch einer Spule mit LEDs noch Leiterplatten in der Maschine, stellt das System sicher, dass die BIN der neuen Spule mit der der ersetzten übereinstimmt. Hat der Bediener versehentlich eine nicht passende BIN gewählt, gibt das IFS-X2 System eine Fehlermeldung aus und hält die Maschine an. So kann die Maschine unmöglich nicht passende BINs auf bereits teilweise bestückte LPs setzen. Sind beim Austausch einer Spule mit LEDs keine LPs in der Maschine, lässt das System jede für dieses Produkt zulässige BIN zu, sofern natürlich die zugehörige PN korrekt ist.

Für jede LP/Seriennummer kann ein Bericht zur Rückverfolgbarkeit erstellt werden, der folgende Daten enthält: Start- und Endzeit des SMT Bestückvorgangs, Bediener-ID, PN und LN für jede verwendete Spule und BIN für jede verwendete LED Spule. Umgekehrt kann auch für jede beliebige Spule ein Bericht zur Rückverfolgung erstellt werden, der alle zugehörigen LP Seriennummern auflistet. Das beschriebene System stellt sicher, dass jedes einzelne Produkt nur korrekte PNs und passende LED BINs enthält. Trotzdem könnte es allein getrennte Fertigungseinheiten noch nicht auf identische Leistung bringen. So wird ein Produkt, das mit BIN Code „A“ bestückt wurde, eine andere Lichtintensität ausgeben als das Produkt mit BIN Code „B“. Um diese Abweichungen innerhalb der Produktlinien auszumerzen, ist ein Prozess zum Funktionstest in die Datenbank der Rückverfolgbarkeit integriert, der mit Hilfe von Algorithmen zur automatischen Kalibration auf Basis der BINs auf den nummerierten LPs arbeitet.

Beim Einbringen der Leiterplatte ins Testsystem wird sofort ihre Seriennummer gescannt. Die Testsoftware zieht alle Daten zur Rückverfolgung für diese spezielle Einheit aus der Datenbank. Das Produkt wird automatisch auf Basis der spezifischen bei der Bestückung verwendeten LED BINs kalibriert. Dies ergibt für jede Einheit eine identische Leuchtcharakteristik.

Optimale Preisgestaltung und Verfügbarkeit von LEDs aufgrund der Beschaffung einer großen Vielzahl von BIN Werten für jede LED PN.

Geringere Inspektions- und Nacharbeitskosten durch die Sicherstellung, dass jedes Produkt die richtigen PN und nur passende LED BIN Codes enthält.

Fehlerfreie und automatisierte Systemleistung durch Einsatz intelligenter RFID Feeder und Überwachung des Produktdurchlaufs.

Kürzere Rüstzeiten.

Berichte und Archivierung der Daten zur Rückverfolgbarkeit gemäß den Vorgaben der Automobilhersteller, einschließlich der LED BIN Daten für jede Produkt-Seriennummer.

Proaktives Materialmanagement wie z.B. Restmengenwarnungen im Fertigungsbereich.

Vermeidung von Produktabweichungen durch automatisierte Kalibration.