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Effiziente Strategie zahlt sich aus Martin Rößner, Hubert Ebert, Jumo GmbH & Co. KG und Stefan Meißner, Göpel electronic GmbH

Kontrolle der Baugruppen-Fertigungsqualität bei Jumo stützt sich auf AOI
Effiziente Strategie zahlt sich aus Martin Rößner, Hubert Ebert, Jumo GmbH & Co. KG und Stefan Meißner, Göpel electronic GmbH

Das im hessischen Fulda ansässige Unternehmen Jumo hat für sich den Anspruch formuliert, bestmögliche Produkte zu fertigen. Die mittelständische Elektronik-Firma ist in den letzten Jahrzehnten stetig gewachsen und hat sich aus kleinsten Anfängen zu einem international tätigen Unternehmen entwickelt. Jumo versteht sich als Lieferant von elektronischen Baugruppen und Systemen sowie als kompetenter Fertigungsdienstleister. Gleich ob es sich um Anzeigeninstrumente, elektronische Regler, Geräte der Mess- und Regeltechnik, Sicherheitseinrichtungen oder um EMS-Dienstleistungen (Electronic Manufacturing Services) bzw. elektronische Baugruppenfertigung handelt, hohe Produktqualität und ein umfassendes Dienstleistungspaket sind Grundpfeiler der Unternehmensphilosophie. Zur Überwachung und Absicherung der Fertigungsqualität investierte man nun erneut in ein AOI-System für die optische Inspektion der Baugruppen, Komponenten und Lötstellen.

Gerade im Bereich der Herstellung von bestückten Leiterplatten sind die Auftraggeber aus verständlichen Gründen äußerst sensibel. Eine eventuell schlechte Auslieferqualität durch fehlerhafte Flachbaugruppen wäre fatal auf diesem hart umkämpften Markt. Das Szenario hier zeichnet sich sowieso durch immer neue Technologien in der Fertigung und bei den Bauelementen sowie ständig steigenden Anforderungen und höherer technischer Komplexität aus.

Vor einigen Jahren bereits kam man in Jumos Abteilung Leiterplattentechnik zur Erkenntnis, dass eine sinnvolle Ergänzung zu den elektrischen Prüfungen In-Circuit-Test (ICT) und Funktionstest erforderlich ist. Hubert Ebert, Leiter dieser Abteilung, wurde zur treibenden Kraft im Hinblick auf die Investition in ein AOI-System. Man entschied sich damals für ein OptiCon BasicLine von Göpel electronic, ein Stand-alone-System zur manuellen Beladung, das als erste AOI-Konfiguration im Unternehmen eingesetzt wird.
Inspektionskapazität um Faktor Fünf höher
Eine hohe Wirtschaftlichkeit wurde natürlich angestrebt, wobei sich die Nutzung dieses AOI-Systems als die richtige Strategie erwies. Es ist nicht die einzige Prüftechnik, die in der Fertigungskontrolle angewendet wird, doch auf jeden Fall ein tragendes Element. Jumo fertigt Baugruppen mit Losgrößen von 5 bis 10.000. Die dahinter deutlich werdende hohe Produktvielfalt führt dazu, dass in der Fertigung teilweise relativ oft umgerüstet wird. Ein hohes Maß an Flexibilität in der Inspektion der Baugruppen ist deshalb fundamental wichtig.
Auf der Suche nach Möglichkeiten, die Qualitätskontrolle der Produktion ständig weiter zu verbessern, verfeinerte Jumo seine Prüfstrategie. Die Kernfrage, ob ein AOI-System voll in die Fertigungslinien integriert werden sollte, wurde dadurch beantwortet, dass bei der hier vorliegenden Low-Volume/High-Mix Produktionsumgebung die hohe Flexibilität eigentlich nur durch einen optimierten Offline-Einsatz des optischen Inspektionssystems gewährleistet werden könnte. Außerdem ist eine AOI-Insellösung gerade dann sehr sinnvoll, wenn Baugruppen aus verschiedenen Fertigungslinien geprüft werden müssen, sich aber spezielle In-Line-Lösungen hier nicht als wirtschaftlich erweisen.
Weil das AOI-System nur noch für die Inspektionsaufgaben in der Fertigung eingesetzt wird, konnte die Prüfkapazität „um den Faktor Fünf“ erweitert werden, wie Produktlinienleiter Hubert Ebert erläutert. Die Programmierung erfolgt auf einem separaten Platz offline und wirkt sich deshalb nicht nachteilig auf die Maschinenauslastung aus. „Flexibilität steht im Vordergrund“, merkt Produktions-Gruppenleiter Martin Rößner an. „Wir hatten allerdings Ideen in der Anwendung, die ursprünglich mit der OptiCon BasicLine nicht umzusetzen waren. Daher fragten wir bei Göpel electronic nach einer ausgeklügelten Lösung an, die uns mit einem speziell konfigurierten System OptiCon AdvancedLine 4M geboten wurde“.
Das Jumo-Team entwickelte eine spezielle Lösung für den Transport der Prüfobjekte. Die Mitarbeiter konzipierten ein universelles Trägersystem für mehrere Baugruppen mit oberflächenmontierten (SMD) und bedrahteten (THT) Bauteilen. Dieses Trägersystem wird an ein Bandmodul angedockt, über welches die Baugruppen entnommen und in das AOI-System befördert werden. Während der Inspektion der Leiterplatten befüllt ein Mitarbeiter das nächste Trägersystem, deshalb kann das AOI-System ohne Verzögerungen durcharbeiten.
Dass man sich bei Jumo erneut für ein AOI-System aus dem Hause Göpel electronic entschied, hatte verschiedene Gründe. Zum einen hatte man mit dem ersten Gerät, der OptiCon BasicLine, sehr gute Erfahrungen gemacht. Zum anderen hatte man festgestellt, dass das System OptiCon AdvancedLine die beste Kameratechnik und geringste Pseudofehlerrate offerierte. Und zu guter Letzt war es auch „der hervorragenden Kommunikation mit den Göpel-Mitarbeitern“ zu verdanken, dass man in Fulda hohe Kundentreue bewies. Vor der Entscheidung für das neue System kamen Jumo-Fertigungsmitarbeiter nach Jena zu Göpel electronic und brachten Baugruppen mit simulierten Fehlern mit. Die Ergebnisse aus dieser Verifikation des Inspektionssystems bestätigten, was man bei Jumo im Prinzip vorher schon wusste: „Eventuell auftretende Schwierigkeiten konnten stets schnell und sicher gelöst werden“, wie Hubert Ebert anmerkt.
In-Line-AOI-System als Stand-alone-Lösung
Man entschied sich bei Jumo gezielt für ein System OptiCon AdvancedLine 4M, also ein In-Line-AOI-System mit einer 4-Megapixel-Kamera. Diese Kamera und die Bildverarbeitung waren der ausschlaggebende Punkt, denn mit dieser Technik können Inspektionsaufgaben vorgenommen werden, die bisher nicht zu realisieren waren. Dies sind im Wesentlichen:
  • Prüfung von SMDs und THT-Bauteilen in einem Arbeitsgang – es erfolgt keine Einzel-Baugruppen-Prüfung mehr, sondern eine Komplettprüfung, da hierdurch der Automatisierungsgrad weiter erhöht wird. Die Stückzahlen der inspizierten Baugruppen beweisen das: So wurde die Zahl der geprüften Objekte im Vergleich zum Offline-System (OptiCon BasicLine) nahezu verdreifacht. Bisher wurden übrigens bereits mehr als 120 Inspektionsprogramme auf der neuen OptiCon AdvancedLine aufgesetzt.
  • Erweiterte Inspektionsmöglichkeiten mit der 4M-Kameratechnik – die mehrfarbige Top-Beleuchtung gestattet die kontrastreiche Darstellung farbiger Polaritätsmerkmale. Außerdem ist es möglich, auch kleinste Bauteile auf deren Anwesenheit und Polarität zu untersuchen. Weitere Charakteristiken sind die noch genauere Lötstelleninspektion sowie die OCR-Schrifterkennung.
Durch spezielle Programmierungen (z.B. Fensterprogrammierung) und Einstellungsmöglichkeiten sind nun auch spezielle Kontrollen möglich. Beispielsweise realisiert Jumo die sichere Prüfung von so genannten „weißen Bauteilen“, wobei am Rechner einfach ein Fenster über das Gehäuse gelegt wird – und damit die Anschlüsse klar zu erkennen sind. Weiterhin werden Opto-Arrays, SMD-Dioden oder Bauteile mit palladiumlegierten Pins inspiziert.
Bei diesen Inspektionsdurchgängen werden in erster Linie die Lötstellen, Polung und OCR-Beschriftung untersucht. Hier ist es völlig gegenstandslos, ob es sich um SMDs oder THT-Bauteile handelt. Eine spezielle Kameratechnik wird für die bedrahteten Komponenten nicht benötigt, weil das 4M-Kamerasystem alle Details sehr gut erkennt. Es besteht zwar eine etwas erhöhte Varianz, hier werden dann beispielsweise Bilder von Dioden mit mehreren Bildern hinterlegt.
„Ein AOI-System ist im Prinzip nur eine Prozesshilfe – die Fertigungsqualität muss stimmen“, verdeutlicht Hubert Ebert die bekannte Tatsache, dass man Qualität in Produkte nicht „hineinprüfen“ kann, sondern das Ergebnis einer sorgfältigen Fertigung ist. Zur Verifikation der Qualität in der Baugruppenfertigung setzt man bei Jumo vier verschiedene Konfigurations-Varianten ein. Zwei davon werden hier kurz geschildert.
Im einen Fall (Bild mit Variante 2) werden die mittelgroßen Baugruppen (350 x 250 mm) parallel am Eingang mit zwei Magazinen gepuffert. Sie laufen anschließend seriell in das AOI-System. Nach der Bewertung der erkannten Defekte durch das Bedienpersonal per Tastaturcodes werden die Baugruppen am Ausgang parallel in Gut- und Schlecht-Sortierung (Pass/Fail) ausgegeben. Die Variante 3 (siehe Bild) für große Baugruppen mit 600 x 400 mm sieht die Beladung mit einem Magazin vor. Die Ausschleusung nach der Gut/Schlecht-Erkennung erfolgt räumlich etwas anders. Die als schlecht erkannten Baugruppen (Fail) werden direkt am Arbeitsplatz des Operators ausgegeben, die guten Boards (Pass) wie gehabt am Ausgang dieser Inspektions-Konfiguration.
Der Erfolg gibt Recht
Dass man sich bei Jumo erfolgreich mit dem Thema Prüfstrategie befasst hat, beweisen die sehr geringen Rücklaufzahlen fehlerhafter Baugruppen. Hubert Ebert bemerkte hierzu: „Die Produktqualität stimmt. Dies wird durch den sehr hohen First Pass Yield bestätigt – auch ein Resultat der Anwendung des OptiCon-Systems“.
Dabei spielen Software und integrierte Bauteilbibliothek eine beachtenswerte Rolle. Bei dem AOI-System OptiCon BasicLine wurden alle Bauteile unter der Rubrik „Bauformen“ hinterlegt. Bei der OptiCon AdvancedLine hingegen werden sämtliche Komponenten als Teilenummern abgelegt und als Gehäuseformen gespeichert bzw. in verschiedene Klassen unterteilt. „Mit der Hilfe von Göpel“, so Martin Rößner, „konnten jedoch alle Bauteilnummern aus den Bestückautomaten in das System OptiCon AdvancedLine übertragen werden, obwohl es keine Daten-Kompatibilität zwischen den Systemen gab“.
Bei der Fehlerabdeckung hat man bei Jumo mittlerweile durchschnittlich circa 97 % erreicht – ergo kann zum Teil auf eine Prüfung mit dem elektrischen In-Circuit-Test verzichtet werden. Und dies unterstreicht das ehrgeizige Ziel der angestrebten Null-Fehler-Strategie, die man sich bei Jumo vorgenommen hat. Wobei der ICT auch nur ein Teil der gesamten Prüfstrategie ist, zu dem oft auch noch ein Funktionstest gehört. Seit kurzem befasst man sich bei Jumo auch mit dem Boundary-Scan-Test, bevorzugt als integrierter Bestandteil eines ICT. Der Einsatz des AOI-Systems ist demnach Teil einer effizienten Prüfstrategie im Verbund mit Funktions- und In-Circuit-Test. In bestimmten Fällen der Baugruppen wird die Fehlerabdeckung beider Prüfsysteme gegenübergestellt, um doppelte Prüfungen zu vermeiden. „Alles in allem fahren wir mit dieser Strategie hervorragend und sind durch unseren Drei-Schicht-Betrieb für die heutigen Marktanforderungen äußerst flexibel aufgestellt“, unterstreicht Hubert Ebert.
Rundum zufrieden
Die Baugruppenfertigung bei Jumo stellt sich als ein sehr zufriedener AOI-Nutzer dar. Die Systembetreuer heben die Vorteile des Einsatzes als Insel-Lösung hervor, weil das hier eingesetzte System sehr flexibel und universell an allen Stellen der Baugruppenfertigung einsetzbar ist. Außerdem ist es möglich, größere Baugruppen (etwa 600 x 400 mm) problemlos zu inspizieren. Die hohe mögliche Bauteilvielfalt durch die vielfältigen Bibliothekseinträge und der einfache CAD-Daten-Import sind weitere Pluspunkte, wie Martin Rößner erläutert.
Zusammenfassend kurz die Aufzählung der wesentlichen Punkte, welche die Vorteile des OptiCon AdvancedLine von Göpel electronic auszeichnen: sehr einfache Prüfprogrammerstellung; 4MegaPixel-Kameratechnik mit unterschiedlichen Auflösungen und Laserhöhenmesssystem; hohe Flexibilität durch Stand-alone-Einsatz; Inspektion von Bleifrei-Lötstellen; gleichzeitige Inspektion von SMDs und bedrahteten Komponenten; gutes Preis-Leistungs-Verhältnis; hohe Fehlerabdeckung; Prototypen können inspiziert werden – und sehr gute Unterstützung des Systemlieferanten bei Support und Schulung.
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