Durchsatz garantiert

Universal Instruments, Bad Vilbel

Der Schritt von durchschnittlichem zu konstant hohem Produktionsausstoß ist gewaltig. Er wird zu einer ernsten Herausforderung für den Verantwortlichen der Produktion, wenn die Kunden zu den führenden Automobilherstellern der Welt gehören. Bekannt dafür, die höchsten Standards zu fordern und unbarmherzige Liefertermine vorzugeben, zählen sie zu den am schwersten zufriedenzustellenden Kunden überhaupt.

Vor einer solchen Herausforderung sah sich auch Jean-Marie Deschamps, Produktionsmanager bei C-MAC Electromag in Ronse, Belgien. 1997 wurde Electromag von der kanadischen C-MAC übernommen. Kerngeschäft des Unternehmens ist die Elektronikherstellung, das Werk in Ronse ist eins von neun (davon vier in Europa), die zusammen den Bereich Mikroelektronik bilden. Im Wesentlichen beschäftigt sich dieser Bereich mit der Herstellung von Hybriden – elektronischen Baugruppen, die Dickfilmtechnik, SMT-Komponenten und Keramiksubstrate in sich vereinen.

Obwohl in Ronse eine breite Palette an Boards – keramische wie FR-4 – bestückt wird, konzentrierte sich Deschamps zu-nächst auf ein existierendes Produkt, dessen Stückzahl erhöht werden sollte, sowie ein neues Produkt, das im Laufe des Jahres 2001 aufgelegt werden soll. Die existierende Baugruppe ist eine hybride Schaltung für Xenon-Scheinwerfer, die bei Wagen der Oberklasse derzeit angesagt sind. Noch dieses Jahr wird außerdem mit der Fertigung einer Steuerung für variable Einspritzdüsen in Dieselmotoren begonnen. Die geplanten Stückzahlen, insbesondere für das neue Produkt, lagen deutlich über der bei C-MAC Electromag üblichen Größenordnung. Deschamps stand also vor der Aufgabe, eine neue Fertigungslinie aufzubauen, auf der diese beiden Hybrid-Gruppen laufen konnten.

Die Xenon-Lampenschaltung ist eine doppelseitige Keramikeinheit. Die Leiterbahnen werden als Dickfilm aufgebracht. Dann wird Lotpaste aufgedruckt, das Substrat einseitig bestückt und im Reflow-Ofen gelötet. Anschließend wird der Prozess für die andere Seite wiederholt. Das Board ist 125 x 150mm groß und trägt zwölf diskrete Schaltkreise, die jeweils 30 Komponenten enthalten (= 360 Komponenten pro Board). Für die Lampenschaltung werden Komponenten von 0603s bis hin zu 44-Pin PLCCs, für die Dü-sensteuerung 0402s bis zu 64-Pin QFPs verwendet.

„Es sind keine sonderlich komplizierten Produkte“, erklärt Deschamps, „aber wir wollten sichergehen, dass die Maschinen, die wir kauften, auch zukünftige Produkte verarbeiten konnten – eins der geplanten Produkte wird auch µBGAs enthalten. Aber noch wichtiger war, dass sicherge-stellt ist, eine Bestückungsleistung von wenigstens 25 000 Komponenten pro Stunde (cph) aufrechterhalten zu können – über 24 Stunden am Tag und fünf Tage in der Woche.“ Das stellte für das Unternehmen eine erhebliche Steigerung der Bestückungsleistung dar. Bis zu diesem Zeitpunkt war man in der Produktion mit fünf Stand-alone-Bestückern zurechtgekommen, die etwa 3000 bis 5000 cph schafften.

Um die anstehenden Aufgaben bewälti-gen zu können, entschied man sich für eine modulare Lösung: ein schneller Chipshooter gefolgt von einem flexiblen Bestücker. „Der flexible Bestücker sollte die gesamte Bauteilpalette handhaben können, eine hohe Genauigkeit bieten und doch mit dem schnellen Chipshooter Schritt halten“, erläutert Deschamps. Die Linie sollte mit einem Lotpastendrucker und einem Konvektions-Reflow-Ofen komplettiert werden, alle durch Förderbänder verbunden.

Die Wahl des Lieferanten fiel dabei auf den amerikanische Hersteller von Bestückungsmaschinen Universal Instruments. „Universal bietet einen lokalen Support in Belgien“, erklärt Eddy Vincent, ein Managementkollege von Deschamps, „und da wir wußten, dass Universal auch in anderen C-MAC Betrieben schon gute Arbeit geleistet hatte, sprachen wir mit dem belgischen Repräsentanten.“ Wichtig war eine Garantie auf die Er-füllung der Durchsatzvorgaben. „Wir ga-ben Universal einfach die Produktspezifikationen und nannten den gewünschten Produktionsausstoß“, sagt Deschamps. Universal schlug als Lösung seinen flexiblen Einkopfbestücker GSM-1 kom-biniert mit einen High-Speed-Bestücker (HSP) 4796 für die zahlreichen kleineren Komponenten vor.

Um die geforderten hohen Bestückungs-raten zu gewährleisten und trotzdem fle-xibel zu bleiben, wurde der GSM-1 mit einem Flexjet-Kopf ausgerüstet. Der Flex-jet ist ein universeller 7-Spindelkopf mit 20 mm Spindelabstand und integrierter Kamera, der ein breites Komponentenspektrum verarbeiten kann. Mit einem einzelnen Kopf erreicht man bei Komponenten #12 mm² Taktzeiten von 0,36 s, was einer Rate von 10 000 cph entspricht. Selbst bei Komponenten bis 32 mm² (z.B. QFPs), die eine höhere Bestückungsgenauigkeit erfordern, kommt man auf Taktzeiten von 1 s bzw. 3600 cph. Die in den Kopf in-tegrierte Kamera überwacht alle sieben Nozzles. Korrekturen der Komponentenposition werden „on-the-Fly“ vorgenommen. Da die Notwendigkeit entfällt, extra über eine Kamera im Maschinenbett zu fahren – was der normale Vorgang bei anderen Bestückern ist – erhöht sich die Geschwindigkeit. Fine-Pitch-Leiterplatten und Array-Komponenten müssen allerdings noch über eine aufwärts gerichte-te Kamera, die feinere Details auflösen kann, geführt werden.

Electromag nutzt den Chipshooter für die meisten Komponenten auf 8- oder 12-mm-Gurten, während der GSM die anderen Bauteile, einschließlich al-ler ICs, bestückt. Die Kapazität der Linie in der Bauteilzuführung ist so ausgelegt, dass sie normalerweise das gesamte Material für alle Produkte, die auf der Linie laufen, vorhält. „Wir arbeiten in Batches“, erklärt Des-champs, „zuerst werden alle Boards des kompletten Batches aufder Oberseite bestückt und am Ende der Linie in einem Puffer gelagert. Dann wechseln wir die Druckschablone, ändern das Bestückungsprogramm und bestücken die Unterseite. Wollen wir andere Produk-te verarbeiten, brauchen wir gewöhnlich nur wenige Sekunden zum Umkonfigu-rieren der Linie. Müssen wir auch die Feeder wechseln, haben wir die Linie in etwa 20 Minuten umgerüstet.“

Die Bestückung von Keramiksubstrat hat, trotz der Zerbrechlichkeit des Materials, kei-ne Probleme ergeben. Es hat sich herausgestellt, dass es unnötig ist, die Bestückungskraft der Maschinen extra auf die Fragilität des Materials einzustellen. Tatsächlich erleichtert das Keramiksubstrat in mancher Hinsicht die Arbeit. So kann wegen der ho-hen Materialsteifigkeit auf die Unterstützung der Boardunterseite, die bei den dünneren FR-4-Substraten einsetzt wird, verzichtet werden.

Die Linie wurde im März 2000 installiert. „Da wir vorher keinerlei Erfahrung mit Equipment von Universal hatten, schickten wir einige Techniker zu einer einwöchigen Schulung in Programmierung und Wartung nach Deutschland,“ bemerkt der Produktionsmanager. Universal verfügt in seiner deutschen Niederlassung über ein komplett ausgestattetes Schulungszentrum für Europa. Die Techniker von Electromag wurden in der Grund-wartung der Linie geschult. „Aber, wir können jederzeit einen Support-Ingenieur von Universal anfordern, wenn wir vor einem ernsteren Problem stehen – das war aber bisher noch nie der Fall“, fügt er hinzu.

Und wie arbeitet die Linie nach einigen Monaten Betrieb? Die Ingenieure sind sehr zufrieden. „Der Ausstoß ist genau so, wie Universal es versprochen hat“, erklärt Deschamps. „Die Linie leistet zwischen 27 000 und 34 000 cph, und wir haben sie 24 Stunden pro Tag mit die-ser Rate in Betrieb.“ Bei einer neuen High-Volume-Line wären durchaus ei-nige schmerzhafte Anfangsprobleme zu erwarten gewesen, aber er bestätigt, dass diese nicht aufgetreten sind. Es gab lediglich zwei kleinere Probleme. Eins davon führte zu einer geringfügi-gen Modifikation des Transportsystems zur Anpassung an die Keramiksubstrate, das andere bezog sich auf das Line-Balancing. Dank eigener Produktionserfahrung hat C-MAC Electromag ein et-was besseres Line-Balancing erreicht, als ursprünglich von Universal angesetzt war, indem einige der Chip-Kompo-nenten (0603 und ähnliche) vom HSP auf die GSM gelegt wurden. Die Flexibili-tät der GSM machte dies zu einer ein-fachen Aufgabe.

EPP 168