Durchsatz beim Schablonendruck

In der Großserienproduktion elektronischer Baugruppen ist der Durchsatz eine kritische Größe und die Zykluszeit ein Indikator für den erreichbaren Durchsatz. Das gilt für einzelne Leiterplatten oder kleine Chargen, besonders im Benchmark-Vergleich. Unter realen Produktionsbedingungen sind jedoch weitere Faktoren wie die Druckgeschwindigkeit, die Schablonenreinigung, die Inspektion sowie der Produktwechsel zu berücksichtigen. Diese Faktoren üben einen erheblichen Einfluß auf die tatsächlichen Produktionsergebnisse aus.

Die Firma DEK Printing Machines hat diese Faktoren in die Weiterentwicklung ihrer Produkte einfließen lassen. DerDEK 265 Infinity ist die Weiterentwicklung einer bewährten Schablonendrucker-Familie. Mit dieser Maschine hat der Hersteller versucht, die wachsenden Anforderungen der Anwender bezüglich Qualität und Durchsatz zu erfüllen.

Durchsatz ist definiert als Anzahl der uneingeschränkt funktionsfähigen Produkte, die innerhalb eines definierten Zeitraums das Band verlassen. Es ergibt keinen Sinn, Bestückungsanlagen möglichst schnell laufen zu lassen, um einenhohen Durchsatz zu erreichen, wenn da-raus resultierend Fehler auftreten, die die Ausbeute reduzieren. Die Folge sind meist erhebliche Kosten für Nacharbeit oder Verluste durch das Entsorgen unbrauchbarer Baugruppen. Der beste Weg zu höherem Durchsatz führt damitnicht über eine möglichst hohe Ge-schwindigkeit der Bestücklinie. Ein sorgfältiger Blick auf den Prozeß offenbart vielmehr die Leerlaufzeiten einzelner Maschinen.

In der Erkenntnis, daß für den Durchsatz im Schablonendruck weitere Faktoren zählen, hat der Hersteller seine Entwicklungsschwerpunkte so gesetzt, daß vor allem Kontinuität des Prozesses und Effektivität gesteigert wurden. Zykluszeiten beschreiben den Prozeß nur annähernd genau. Die isolierte Betrachtung ignoriert meist den eigentlichen Zweck der Prozeßoptimierung, nämlich, Paste oder Kleber auf das Board zu bringen. Zwar ermöglicht es die Betrachtung der Zykluszeiten, Schablonendrucker zu vergleichen und zu beurteilen, wie schnell das Leiterplattenhandling und die -ausrichtung erfolgen.

Bleibt die eigentliche Druckzeit unberücksichtigt, ist die Zykluszeit konstant. Sie ist abhängig vom Maschinen-Design, nicht aber von der Leiterplatte. Im Gegensatz dazu ist die Druckzeit, also die Zeit für die Bewegung des Druckkopfs, variabel und abhängig von der Größe der Leiterplatte und der für den Pastenauftrag optimalen Geschwindigkeit. Herkömmliche Rakel müssen langsam geführt werden, um das Rollen der Paste und damit ein gleichmäßiges Pastenvolumen in allen Schablonenöffnungen sicherzustellen.

In Fine-Pitch-Anwendungen beträgt die typische Druckgeschwindigkeit etwa25 mm/s bei Standardlotpaste, bei High-Speed-Pasten ist sie eventuell etwas höher. Der DEK 265 Infinity hat eine spezifische Zykluszeit von 8s. Um einen Benchmark-Test durchzuführen, wird ein Zyklus von 10s und eine Leiterplattenbreite von 250 mm zugrunde gelegt. Der Druckkopf benötigt weitere 10 s, um diese Breite zu bedrucken. Unter Berücksichtigung der Transportzeit, der Ausrichtung des Drucks sowie der Schablonentrennung und des Weitertransports resultiert eine Gesamtzeit von etwa 20 s oder mehr. Die sich somit ergebende Zeit pro Leiterplatte bestimmt den Durchsatz im Schab-lonendruck.

Mit der Entwicklung des ProFlow-Direkt-Imaging-Systems lassen sich mit Standardlotpasten perfekte Drucke bei 150 mm/s resultieren. Damit gewinnen die Prozeßfaktoren an Bedeutung, die beim herkömmlichen Druckprozeß wenig Einfluß auf die Gesamtzeit pro Charge hatten. Für die genannten Benchmark-Bedingungen (10 s Zykluszeit, 250 mm Plattenbreite) beträgt die Gesamtprozeßzeit inklusive der 1,7 s Druckzeit mit dem ProFlow weniger als 12 s pro Leiterplatte. Daraus resultiert ein erheblich höherer Durchsatz.

Eine lästige Hürde im Druckprozeß ist die Schablonenreinigung. Bei Fine-Pitch-Boards erfordert die Dichte der Pads besondere Beachtung. Selbst kleine Mengen an Paste, auf der Schablonenunterseite verschmiert, können den nächsten Druckzyklus beeinträchtigen und auf der nächsten Leiterplatte Lotbrücken verursachen. Beim konventionellen Rakeldruck ist es nicht ungewöhnlich, daß die Reinigung der Schablonenunterseite alle fünf, drei oder gar alle zwei Leiterplatten erforderlich ist.

Mit ProFlow konnte aufgrund der besseren Abdichtung zwischen Schablone und Leiterplatte die Gefahr des Verschmierens der Schablone drastisch verringert werden. So stellen viele Anwender fest, daß die Reinigung der Schablonenunterseite um den Faktor fünf oder mehr zurückgenommen werden kann.

Die typische Zeit für einen effektiven vollautomatischen Reinigungszyklus mit Naß- oder Trockendurchgang beträgt 60 s. Ist dieser Vorgang nur alle 50 Boards erforderlich, ergeben sich neue Aspektebeim Gesamtdurchsatz. Der Reinigungsaufwand für eine Charge von 100 Leiterplatten sinkt von 20 min auf gerade mal2 min. Im genannten Beispiel könnendie eingesparten 18 min theoretisch zu einer Mehrproduktion von 85 Leiterplatten führen, vorausgesetzt, die Reinigung erfolgt nach jedem fünfzigsten Board.

Das Vortex-Reinigungssystem, das ohne Papier in einem Durchgang naß/trocken und mit Vakuum reinigt, reduziert die Reinigungszeit gegenüber der herkömmlichen Lösung auf die Hälfte. Dieser Schritt führt zu einem optimierten Reinigungszyklus von 30 s. Damit liegt der Schablonenreinigungs-Zeitaufwand für 100 Boards bei nur 1 min. Theoretisch könnten so annähernd hundert weitere Boards bedruckt werden.

Vorgabe der Entwickler war es auch, die Boards nicht nur auf einen gleichmäßigen Pastenauftrag bei allen Pads sondern auch die Schablone auf Schmierspuren und blockierte Öffnungen hin zu prüfen. Das erhöht zwar die Integrität, aber auch den Zeitaufwand. Es sollte vor allem die Zeit pro Prüfposition drastisch gesenkt werden. Mit der „Green Camera“ können die 25 Prüfpositionen der 250-mm-Leiterplatte des Benchmarks optimal bestimmt werden. In der 265 Infinity werden die 25 Positionen jetzt bei 0,8 s/Position in 20 s geprüft, ohne den notwendigen Prozeßabgleich und die Rückkopplung zu beeinträchtigen.

Zusätzlich kann die integrierte 2Di-Inspektion die Intervalle zwischen den Reinigungszyklen ausdehnen, indem der Reinigungsvorgang nur dann gestartet wird, wenn die Schablonenprüfung tatsächlich Verunreinigungen festgestellt hat. Dieses Beispiel zeigt, daß die Einführung eines rückkoppelnden Inspektionssystems die Prozeßzeit pro Leiterplatte zwar zunächst erhöht, durch die Reduktion des Zeitaufwandes an anderer Stelle wieder kompensiert und den Durchsatz insgesamt verbessert.

Die meisten Lieferanten im Pre-Placement Bereich bieten mehrere Optionen für die Board-Unterstützung, aber in der Produktion großer Stückzahlen, wo Flexibilität und schnelle Produktwechsel wichtig sind, wird ein automatisches Werkzeug bevorzugt. Für seine 265 Infinity hat DEK dasFine-Pitch-Autoflex&Trade-System (FPA) mit neuer Software und schnellerer Aktivierung entwickelt. In einem Gitter von11 mm Rasterweite angeordnete pneumatische Servo-Stifte bilden das eigentliche Werkzeug des Systems. Das Konfigurieren und Aktivieren der einzelnen Stifte wird automatisch aus der Produktdatei gesteuert – ohne Eingreifen des Bedieners. Das ist ein weiterer Fortschritt beim Produktwechsel und damit beim Durchsatz.

Beim 265 Infinity erfolgt das Einsetzen der Schablonen automatisiert. Der Bediener gibt den Schablonenrahmen vor und die Schablone wird sicher in die genaue Posi-tion gefahren. Auch die Produktionsda-teien lassen sich automatisch laden. Optimale Ladezeiten können durch eine Vernetzung der Automaten erreicht werden. Zusätzlich bietet die 265 Infinity Infrarot-Verbindungen zu Laptops oder Palmtops für die drahtlose Übertragung von Dateien im Hintergrund.

Das Equipment Utilisation Program (EUP) ist eine Prozeßsoftware, mit der die bestmögliche Maschinennutzung erreicht und die kontinuierliche Wartung sichergestellt werden. Aufgeteilt in die Bereiche Maschinenüberprüfung, Wartung, Schulung und Prozeß kann die Software Leistung und Kontinuität steigern und durch Reduzierung oder Eliminierung von Maschinenstillstandszeiten zur Verbesserung des Durchsatzes beitragen.

Der Versuch jedoch, genau spezifische Zeiten für Produktwechsel oder Maschinen-nutzbarkeit zu definieren ist unrealistisch, da jede Produktionsumgebung ihre Eigenheiten hat, die es zu berücksichtigen gilt. Nur empirische Tests und Vergleiche werden die tatsächlichen Zeiteinsparungen deutlich machen, die durch automatische Leiterplattenunterstützung, weniger Reinigungszyklen sowie automatisches Schablonenladen und den Transfer der Produktdateien zu erreichen sind. In der Praxis gilt: Je häufiger Produktwechsel stattfinden, um so größer ist die Wahrscheinlichkeit, dabei Zeit zu verlieren. Die Zeitverluste sind sind gering, wenn alle Werkzeuge und Hilfsprozesse optimal konfiguriert und angepaßt sind.

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