Die Gesamtkostenrechnung zählt

Siemens A&D EA, München

Um den Bedarf seiner Kunden mit mittleren und niedrigen Volumina genau zu erfassen, hat Holger Liebetruth, Leiter Produktmarketing, und sein Team, eine umfassende Untersuchung durchgeführt. Basierend auf den Ergebnissen, konnten wichtige Informationen über die Fertigungsumgebung, die Bedürfnisse dieser Kundengruppe und deren Einfluss auf die Cost-of-Ownership gewonnen werden. Es kristallisierte sich deutlich heraus, dass die meisten Elektronikfertiger in diesem Segment in sehr variablen Fertigungsumgebungen und mit raschen Auftragswechseln arbeiten. Sie wünschen schnelle und flexible Bestückautomaten, die einfache Offline-Rüstwechsel und schnelle Produktwechsel umsetzen und die nahezu jedes Teil in der modernen Elektronikfertigung verarbeiten können. Die Befragung zeigte weiterhin, dass für diese Elektronikfertiger die Gesamtkostenrechnung sehr wichtig ist: Elektronikfertiger, vor allem mit mittleren und niedrigen Volumina, brauchen niedrigste Cost-of-Ownership bei höchster Qualität. Wie dies erfolgreich umgesetzt werden kann, zeigt Siemens mit seinen Siplace-Bestücklösungen.

Am Anfang der Rechnung steht sicherlich immer die Frage nach dem Einstiegsinvestment, und hier ist Modularität gefragt. Mit Siplace lässt sich dieser Anspruch leicht umsetzen, denn dank des modularen Aufbaus der Bestückautomaten können Anwender die Maschinen individuell und bedarfsgerecht zusammenstellen. Die Basismodelle der D-Serie und X-Serie decken mit unterschiedlichstem Zubehör an Hard- und Software das gesamte Spektrum der Elektronikfertigung ab. Sie werden mit ein bis vier Portalen gebaut und mit unterschiedlichen Köpfen ausgestattet – vom hochflexiblen „Twin Head“ über die schnellen 6- und 12-Segment-Collect&Place-Bestückköpfe bis hin zum 20-Segment-C&P-Bestückkopf, der in der X-Serie zum Einsatz kommt.

Kompetente Berater des Teams unterstützen Kunden dabei, die richtige Konfiguration und auch Finanzierung zu finden. Diese sind von vielen individuellen Faktoren abhängig. Sebastian Weckel, Leiter Siplace Portfolio Management nennt ein Beispiel: „Braucht ein Kunde allerhöchste Leistung sowie ein Bauteilspektrum, das bis hin zu 01005 reicht, wird möglicherweise eine Linie aus X4 und X3 seine Bedürfnisse am besten abdecken.“ Kleinere Fertigungen, die mehrmals täglich umrüsten und vor allem Flexibilität brauchen, entscheiden sich für die D-Serie und diversem produktionsförderndem Zubehör. Doch egal welche Maschine und Ausstattung der Anwender wählt, die Kunden des Unternehmens erhalten maßgeschneiderte Qualität und zahlen nur genau das, was sie auch für ihr Geschäft tatsächlich brauchen.

Auch die Bedürfnisse bezüglich Maschinengröße und -verbrauch von Elektronikfertigern mit kleinen und mittleren Volumina sind für das Team nur wenig überraschend. Rund drei Viertel aller befragten erachten die Größe der Bestückautomaten als sehr wichtig. Die Flächenkosten spielen im Rahmen der Betriebskosten die wichtigste Rolle. Oft gibt es wenig Platz und der vorhandene muss teuer bezahlt werden. Wohl dem, der viel Leistung auf wenig Fläche erzielt. Für Maschinen, die mindestens 4,18 m2 (D1) bei einer Leistung von bis zu 15 000 Bauelementen pro Stunde bzw. maximal 6,7 m2 (X-Serien-Maschine) bei einer Leistung von bis zu 90 000 BE/h benötigen, eine Selbstverständlichkeit. Verschiedenste Untersuchungen zeigen, dass Siplace durchschnittlich rund zehn Prozent mehr Output pro Quadratmeter erzielt als die Mitbewerber. Manchmal brauchen andere Automatenhersteller zwei oder sogar noch mehr Maschinen, um die gleiche Leistung zu erzielen.

Das Unternehmen arbeitet intensiv daran, auf Linien- und Fertigungsebene, Fertigungslinien besser auszusteuern und damit Kundenaufträge schneller durchzuführen. Dies wird beispielsweise erreicht mit externer Rüstung, Rüstreihenfolgenoptimierung, diversen Schnittstellen in der Fertigungsplanung und der Steuerung des Unternehmens beim Kunden. Dadurch verringern sich Durchlaufzeiten und es werden Fehler vermieden, was die Kosten senkt.

Auch in punkto Bestückleistung sind die Wünsche von Elektronikfertigern klar. Nicht die in Hochglanzprospekten vieler Anbieter häufig weit übertriebenen Daten sind gefragt, sondern die reale Bestückleistung. Denn die Kosten pro real bestücktem Bauelement müssen niedrig sein. Damit zählt in der Praxis das gesamte Linienkonzept und nicht die einzelne Maschine. Beispiel: Leiterplattentransport – für viele Anbieter ein notwendiges Übel, das keinerlei wertschöpfende Funktion erfüllt und der in den Hochglanzbroschüren demzufolge gerne unterschlagen wird. Umso mehr gilt es, das Augenmerk auf dieses Element zu richten und durch den Transport verursachte unproduktive Nebenzeiten so gering wie möglich zu halten und maximale Flexibilität zu bieten. Siplace hat dafür den so genannten flexiblen Doppeltransport entwickelt, der im synchronen und asynchronen Modus eingesetzt werden kann. Die Flexibilität des Doppeltransports unterstützt gerade hoch variable Fertigungsumgebungen mit häufigen Produktwechseln. Er lässt sich nur mit einem Mausklick im Software-Menü binnen einer Sekunde für ein neues Produkt vom Einfachtransportmodus auf den Doppeltransportmodus umstellen, denn alle Wangen des Transports sind beweglich. Damit lässt sich der flexible Doppeltransport für die Bestückung von gleichzeitig zwei Leiterplatten oder aber von breiten Leiterplatten einstellen. Die Fertigung kann so optimal auf jedes beliebige Produkt eingestellt und anpasst werden.

Mit der gleichen Methode kann der flexible Doppeltransport von Synchronmodus zu Asynchronmodus gewechselt werden. Im asynchronen Modus wird eine Leiterplatte im Automaten bestückt, während die nächste bereits in den Bestückbereich einfährt. Auf diese Weise geht die Transportzeit nicht in die Realleistung ein. Im synchronen Modus werden zwei Leiterplatten zur gleichen Zeit in den Bestückbereich transportiert und dort wie eine große Leiterplatte behandelt. Das eignet sich besonders dann, wenn der Anwender Ober- und Unterseite gleichzeitig bestücken will und der Bestückinhalt beider Seiten unterschiedlich groß ist. Damit vereinigt der synchrone Doppeltransport vom Prinzip her zwei Linien in einer, was Effizienzsteigerungen um bis zu 30 Prozent ermöglicht.

In diesem Zusammenhang wird noch ein weiteres Umfrage-Ergebnis sehr wichtig: Elektronikfertiger beschäftigt die Frage nach der maximalen Leiterplattengröße, um allen Kundenanforderungen gerecht werden zu können. Mehr als 90 Prozent der Leiterplatten bleiben unter 500 mm Länge und 460 mm Breite und diesen Bereich decken alle Maschinen des Unternehmens standardmäßig ab. Zusätzlich können jedoch alle Maschinen mit den zusätzlichen Optionen „Lange Leiterplatte“ und „Breite Leiterplatte“ ausgestattet werden. Das heißt, auch Leiterplatten bis zu 610 mm Länge und bis 430 mm Breite können verarbeitet werden.

Intelligente Fertigungs- und Rüstkonzepte und damit die Verbesserung der Cost-of-Ownership manifestieren sich auch in der einfachen Umsetzung von Offline-Rüstwechseln und darin, dass schnelle Produktwechsel ermöglicht werden. Nur Bestück- systeme, die eine externe Bauelementebeschreibung zulassen, können da wirklich mithalten. Mit der externen Vision-Teaching-Station beispielsweise, können Elektronikfertiger die Aufgabe des zeitaufwändigen „manuellen“ Beschreibens von komplexen Bauelementen deutlich vereinfachen und beschleunigen. Mit ihr lassen sich extern, genauso wie bei den Visionsystemen in der Maschine, in kürzester Zeit Form und Maße der neuen Bauelemente erfassen und an die Software Siplace Pro weitergeben. Dies erhöht die Produktivität deutlich – vor allem bei Elektronikfertigern, die häufig neue Produkte in kleinen Serien herstellen müssen. Ein Wizard unterstützt den Programmierer Schritt für Schritt bei der Beschreibung neuer Gehäuseformen. So kann eine neue Bauteilform an der externen Vision Teaching Station in nur wenigen Minuten beschrieben und in der Software hinterlegt werden. Bei OSC (Odd Shaped Components) können so bis zu 80 Prozent der Programmierzeit eingespart werden.

Die Beschreibung neuer Bauelemente wird offline – mit der digitalen Kamera und Software der Maschine – erstellt, also parallel zum laufenden Betrieb. Da die Kamera der Vision Teaching Station exakt der Kamera im Bestückautomaten entspricht und die Beleuchtungsebenen identisch sind, werden die Bauteile beim späteren Betrieb an der Maschine zuverlässig gemessen. Ohne die Produktion der Linie zu unterbrechen, können so neue Produkte vorbereitet werden. Das extern vorbereitete Bestückprogramm wird dann schnell und einfach auf die Linie gespielt, Produkteinführungszeiten werden deutlich verkürzt. Elektronikfertiger, die im Schnitt einmal pro Woche einen Produktwechsel durchführen, mit etwa fünf OSC pro Produkt, können jetzt etwa drei Stunden wöchentlich einsparen. Hochgerechnet auf 64 Stunden Produktionszeit pro Woche entspricht das einer gesteigerten Linienproduktivität von fünf Prozent.

Erfolgreiche Elektronikfertiger bieten exzellente Leistungen im Bereich Produktions-Support, wie z.B. Design-for-Manufacture und Design-for-Test. In der Studie des Unternehmens wird deutlich, dass diese befragten Unternehmen durchschnittlich etwa drei Mal pro Tag und Linie umrüsten. Und so ist es nicht weiter verwunderlich, dass knapp 80 Prozent von ihnen die Möglichkeit des externen Vorrüstens nutzen und offline anstatt am Fertigungsequipment programmieren. Denn damit steht die Linie nur wenige Minuten oder gar nur Sekunden bis zum Wiederanlauf der neuen Produktreihe. Da punktet einfachste Bedienbarkeit. Damit lässt sich viel Geld sparen, sei es durch weniger Einarbeitungskosten oder auch durch schnelleres NPI (New Product Introduction). Für einfachste Bedienbarkeit setzt das Unternehmen auf einheitliche Teile, eine gemeinsame Plattform und intuitives Lernen. Auch das Windows basierte Software-Paket erleichtert die Bedienbarkeit der Siemens Bestücktechnik und beschleunigt gleichzeitig die Rüstwechsel. Während beim Wettbewerb Personal immer wieder auf neue Maschinentypen trainiert werden muss, gilt bei Siplace-Maschinen, einmal gelernt, immer ein Fachmann.

Die komfortablen Wechseltische tragen ihren Teil dazu bei, wie Sebastian Weckel bekräftigt: „Vor dem Umrüsten können Elektronikfertiger mit unseren Maschinen die Tische schon im Vorfeld die einzelnen Bauteil-Förderern komplett vorbreiten. Sie müssen dann beim Wechsel nur den Bauelementetisch austauschen und die Bauteilrollen an- spleißen. Das schaffen die Bediener locker in etwa 10 bis 15 Minuten, ohne Fehler zu machen.“

Genauso einfach anzuwenden ist die NPI-Lösung Virtual Product Build. Sie ermöglicht es, offline zu programmieren, offline zu rüsten und zu überprüfen sowie offline mit der Pro-Software Fehler zu beheben. Das erhöht die Maschinenauslastung und reduziert den Ausschuss. Im Regelfall geschieht das Programmieren des Bestückautomaten auf Basis von ASCII- oder CAD-Daten. Im nächsten Schritt müssen Rüstprogramme generiert und Förderer gerüstet werden. Die Pro-Software geht dabei sogar noch einen Schritt weiter. Sie verwendet die Funktionen des Virtual Product Build, mit dessen Hilfe die Programmierer die eingescannte Leiterplatte über eine programmierte Leiterplatte legen können, um Fehler bei den Bestückwinkeln oder Polaritäten zu beheben. Überprüfung und Fehlerbehebung im Programm erfolgen ebenso offline, ohne dass kostbare Produktionszeit beansprucht wird oder eine Leiterplatte gefertigt und damit Ausschuss produziert wird. Die verschiedenen Softwarefunktionen unterstützen die Leiterplattenprogrammierung und Bauelementedefinition.

Damit ist aber nur die erste Hälfte der Produkteinführung abgedeckt. Die andere Hälfte ist die Offline-Rüstung. Siplace Pro generiert Rüstprogramme mit vielen Grafiken für die Offline-Rüstung. Darin sind die Förderergröße, Bestückposition und ein Bild des Bauelements mit der Polaritätskennzeichnung zur Prüfung des Abholwinkels zu sehen. Der Bediener ist somit in der Lage zu prüfen, ob Bauelementedefinition, Förderergröße und Abholwinkel stimmen. Er kann alle Fehler offline markieren, während auf der Maschine ein anderer Auftrag ausgeführt wird. Die Möglichkeit, Bestückplan und das eingescannte Bild der Leiterplatte (als Bitmap) über die programmierte Leiterplatte zu legen, unterstützt die Prüfung der Bauelemente-Definition, der Bauelemente-Ausrichtung und der korrekten Zentrierung. Der Röntgentest ermöglicht zusätzlich das Prüfen der richtigen Bestückung und Ausrichtung von BGAs, Steckverbindern, Micro-BGAs, CSPs(Chip Scale Packages) und anderen Bauelementen. Schließlich lässt sich anhand der Grafiken in den Rüstprogrammen prüfen, ob die richtigen Bauelemente in der korrekten Ausrichtung aufgenommen werden. Insgesamt ermöglichen diese Werkzeuge, etwa 98 Prozent der Fehler offline zu beheben, bevor ein realer Fertigungslauf gestartet wird. Das Konzept von Virtual Product Build versetzt also Anwender in die Lage, Programme zu prüfen und Fehler zu beheben, ehe Bauelemente bestückt werden. Auf diese Weise kann der Prozessingenieur seine Aufmerksamkeit auf den kommenden Produktionsstart richten, anstatt sich lange mit Bestückfehlern aufhalten zu müssen.

In die Gesamtrechnung geht sicherlich zum großen Teil auch die geringe Ausschussquote bestückter Leiterplatten positiv mit ein. Hier gilt nur höchste Maschinenqualität produziert höchste Produktqualität. Diese erzielen Anwender mit führender Maschinenqualität und Funktionalitäten, wie z. B. dem digitalen Visionsystem und der Rüstverifizierung. So ermöglicht es die digitale Technik, industrietaugliche Sensoren mit besonders hoher Auflösung und breitem Bauelementespektrum einzusetzen. Dadurch lassen sich sowohl 01005 als auch große Bauelemente prüfen und bei voller Bestückgeschwindigkeit mit höchster Genauigkeit platzieren. Als Equipment-Anbieter für den gesamten Bestückprozess sorgt das Unternehmen zusätzlich mit dem Inline AOI Siplace OS, dass Elektronikfertiger die SMT-Prozesse stets in Griff haben. Damit können etwaige Fehlertrends schon erkannt werden, bevor sie wirklich auftreten und die Serienfertigung betroffen ist. Diese Maßnahmen führen dazu, dass Maschinen des Unternehmens bei Elektronikfertiger gewählt werden auf Grund ihres hervorragenden First-Pass-Yield-Wertes.

Als wichtiger Faktor für eine gute Cost-of-Ownership wird der Wertverlust von Bestückautomaten heute noch sehr gerne unterschätzt. Der Grund: Er wird erst nach einigen Jahren spürbar. Während die meisten Bestückautomaten anderer Hersteller nach etwa fünf Jahren am Markt kaum mehr zu verkaufen sind und die Herstellerfirma sie meistens auch nicht in Zahlung nimmt, übernimmt das Unternehmen jede seiner Maschinen und bezahlt selbst für einen fünf Jahre alten Bestückautomaten noch einen nennenswerten Betrag. So können Elektronikfertiger mit einer deutlich verringerten Investition ihren Maschinenpark regelmäßig auf den neuesten Stand bringen. Es gilt also für Elektronikfertiger genau rechnen. Erst wenn die gesamte Cost-of-Ownership auf Basis der IPC/SEMI-Cost-of-Ownership-Faktoren betrachtet wird, können sich die wirklichen Kosten über den ganzen Lebenszyklus hinaus erschließen. In seiner Kampagne „Quality cuts Cost“ zeigt Siemens, dass hohe Qualität nicht im Widerspruch zu günstigen Kosten steht, sondern diese im Gegenteil erst möglich macht. Das Team errechnet – fundiert auf Basis der IPC- und SEMI-E-10-Kriterien – jedem Elektronikfertiger seine individuelle Cost-of-Ownership und beweist auch hier seine führende Position.

EPP 413