Im Einklang mit Qualität und Durchsatz

DEK Printing Machines, Bad Vilbel

Hilfreich zum Einschätzen der Fertigungssituation sind einige Kennziffern des Unternehmens. So erzielt der Konzern einen jährlichen Umsatz von rund 6 Mrd. Euro. Per anno sind das circa 2,5 Millionen Rechner wie PCs, Server, Workstations und OEM-Produkte, die das Licht der Welt in Augsburg erblicken. Arbeitstäglich im 3-Schicht-Betrieb dürften das etwa 12.000 Rechner sein, oder monatlich übers Jahr gerechnet rund 200.000 Mainboards. Auf den zehn Linien der Baugruppenfertigung, wobei die neunte dem Muster- und Prototypenbau aber auch dem Abbau von Fertigungsspitzen vorbehalten ist, werden jährlich etwa 1,7 Mrd. Komponenten verarbeitet. Der Automatisierungsgrad wird mit 97% angegeben. Insgesamt sind in der Baugruppenfertigung 275 Mitarbeiter tätig.

Es handelt sich um die typische heute en vogue strukturierte Fertigung mit wirtschaftlicher Oberflächenmontage (SMT, Surface-Mount Technology), ergänzt durch Insertion der bedrahteten Bauteile (oft auch Exoten genannt). In den SMT-Linien wird bekanntlich zu Prozess-Beginn erstmal die nackte Leiterplatte entsprechend ihres Layouts mit Lotpaste bedruckt und dann später in diese Pastendepots die SMDs (Surface-Mount-Devices) platziert. Anschließend erfolgt die Reflow-Lötung. Die bedrahteten Bauelemente werden im nächsten Schritt bestückt und per Welle gelötet. Daraufhin erfolgt in den FSC-Linien eine Endmontage (Final Assembly). Die solcherart gefertigten Baugruppen kommen dann beim Incircuit-Test am Ende der Linie mit einem First-Pass-Yield von hohen 98% an. Ein weiterer elektrischer Funktionstest wird bei dieser hohen fehlerfreien Ausbeute nicht mehr für nötig erachtet, falls die Baugruppen intern weiterverarbeitet werden. Für jede Linie sind übrigens sieben bis acht Mitarbeiter per Schicht vorgesehen.

„Sieben unserer zehn Fertigungslinien sind mittlerweile auf Bleifrei-Technik umgestellt“, erläutert Franz X. Köhler, Team Manager PCA Production Engineering. „Seit zwei Jahren fertigen wir bleifreie Mainboards in nennenswerten Stückzahlen.“ Bei den bleifreien Baugruppen konnte der Bleianteil von früher 12 auf jetzt 3 Gramm reduziert werden. Das Problem ist hier nicht die Leiterplatte oder die Lotpaste, sondern die Supply Chain der Komponenten, die bisher immer noch nicht alle Bauteile in völliger Bleifrei-Ausführung liefern kann. Am Rande bemerkt: es gibt hier in der RoHS-Direktive der EU auch Interpretationsunterschiede in der Definition des „homogenen“ Materials, die noch zulässige geringe Restmengen zur Folge hat sowie einige Ausnahmeregelungen.

Immerhin lässt sich festhalten, würde man alle Mainboards bei FSC in Augsburg ab sofort ohne Blei im Lot (Lotpaste plus Barrenlot) fertigen – auch unter Berücksichtigung der noch nicht völlig bleifrei verfügbaren Komponenten – so würden dafür pro Jahr rund 20 Tonnen weniger Blei in die Umwelt entlassen. Gelötet wird in Stickstoff-Atmosphäre, der verwendete Fluxer basiert auf Wasser, so dass in dieser Hinsicht keinerlei Sicherheitsbedenken wie bei Ethanol-Lösungsmittel in der Fertigung besteht (Ex-Schutz etc.). Weitere Vorsorgen für den Umweltschutz werden in der Reduzierung der Halogene sichtbar. So wurde der Anteil der Chloride und Bromide in den Baugruppen von früher 12% auf heute unter 0,15% herunter gebracht. Sie erfüllen damit die Anforderungen des global akzeptierten Standards JPCA-ES-OA-1999.

Bekanntlich ist der Lotpastendruck ein Schlüsselprozess in SMT-Linien, von dem gesagt wird, dass er im Zusammenhang mit dem Lötvorgang für schätzungsweise bis zu 60% der fertigungstypischen Defekte die Ursache sein kann. Ob es nun so viele Prozente sind oder auch weniger, darüber kann man trefflich diskutieren – und das ist sicher auch von vielen spezifischen Umständen in einer Fertigungsumgebung abhängig. Fakt ist aber zweifelsohne, dass dieser Schritt eine zentrale Bedeutung mit großen Auswirkungen auf die gesamte Baugruppenfertigung hat. „Die Fehler oder Defekte, die hier entstehen“, gibt Franz X. Köhler mit Nachdruck zu bedenken, „können später einfach nicht mehr gut gemacht werden.“ Also gilt es hier, soweit wie möglich bereits alle erdenklichen Fehlerquellen im Ansatz auszuschließen bzw. soweit wie möglich zu minimieren.

Eine wichtige Maßnahme bei der Minimierung von Fehlereinflüssen im Pastendruck wurde in der FSC-Fertigung durch die laserkontrollierte Höhenmessung der Pastenrolle realisiert, die sich auf der Druckschablone vor dem Rakel bildet. Hierbei wird kontinuierlich die Höhe dieser Lotpastenmenge exakt gemessen, die der Rakel vor sich herschiebt, und dabei in die Schablonenöffnungen füllt. Damit ist, wie Team-Manager Köhler feststellt, schon mal sicher gestellt, dass stets genügend Paste auf der Schablone aufgetragen wird, nicht zuviel und auch nicht zu wenig. Und damit ist bereits auch eine wichtige Vorsorge dafür getroffen, dass in der Regel in die Schablonenöffnungen die richtige Pastenmenge gelangt. Deutlich wird das übrigens auch an der exzellenten Quote der auf Anhieb als fehlerfrei (First-Pass-Yield) erkannten Mainbords im Incircuit-Test.

„Diese automatische Überwachungsdosierung der Lotpaste auf der Schablone ist natürlich auch noch“, wie Franz X. Köhler ausführt, „ein weiterer Schritt zum praktisch bedienerlosen Pastendruck in der Fertigung.“ Hinzu kommt, dass sich damit wegen der gut kontrollierten Pastenmenge auch die Reinigungsaktionen für die Schablonenunterseite sehr gut optimieren, und sich diese Zyklen gut an das jeweilige Board anpassen lassen. In Kombination mit der dann noch nach Bedarf optimierten Druckkontrolle der Lotpaste im Produktionstakt werden die hervorragenden Ergebnisse aus diesem Prozessschritt in den Linien sicher gestellt. „Weil wir ja bereits seit über zwei Jahren Bleifrei-Paste im großen Stil verarbeiten, wissen wir auch, dass insbesondere im Zusammenhang mit der Pb-freien Fertigungstechnik diese HawkEye-Pastendruckkontrolle von sehr hoher Wichtigkeit für besonders gute und reproduzierbare Ergebnisse ist“, verdeutlicht der Team-Chef.

Noch einige weitere interessante Erfahrungen und Beobachtungen können zu diesem entscheidenden Thema angemerkt werden. So hat man bei FSC festgestellt, dass die herkömmlichen eutektischen Blei-Zinn-Pasten verschiedener Hersteller sich sehr ähnlich und auch stabil verhalten, jedoch der Vergleich der bleifreien Pasten aus jüngster Zeit bemerkenswerte Ergebnisse zeigte. „Wir konnten über unsere Kontrollen feststellen, dass die bleifreien Pasten sich jetzt etwas anders als früher verhalten, wo wir öfter mal Teilbedruckungen sahen. Auch bei den sich ja laufend etwas ändernden klimatischen Bedingungen gibt es jetzt ein viel gleichmäßigeres Fließverhalten der von uns untersuchten Bleifrei-Pasten vor dem Rakel. In Bezug auf die Prozesssicherheit sind sie also besser geworden“, kommentiert Franz X. Köhler diese Bobachtung.

„Die Pastendruckkontrolle mit der HawkEye-Option hat sich bei uns sehr bewährt. Gibts tatsächlich einmal Druckprobleme, können vielleicht 10 bis 15 Boards kurz durchschlüpfen, das kommt auf das Leiterplatten-Layout an. Sie werden dann abgefangen.“ Bis zu einem Pitch-Abstand von 0,5 mm habe man erfahrungsgemäß sowieso keine Schwierigkeiten zu befürchten. Drucke man dann die ausgesonderten, fraglichen Leiterplatten gleich im Drucker nach, decken sich die Druckbilder aufgrund der hohen Wiederholgenauigkeit der DEK-Drucker exakt. Damit sei das Abwaschen der fehlerhaft bedruckten Leiterplatten bei FSC in der Fertigung auch kein relevantes Thema. „Wir haben festgestellt, dass sich die nachgerüstete Option für die Pastenkontrolle in der Linie für uns ziemlich schnell und gut rechnet“, so der Team-Manager.

„Wir müssen auch nicht unbedingt alle bedruckten Leiterplattenbereiche zu 100% inspizieren, sondern können uns oft auf die eigentlich kritischen Bereiche konzentrieren. Das sind, wie man sich vorstellen kann, die Finepitch-Regionen oder jene Lötstellen, die später durch die Bauteile wie BGA, Fip-Chip oder CSP verdeckt werden.“ Wie Franz X. Köhler weiter ausführt, „ist hier natürlich die Pastendruckkontrolle vor dem Bestücken und Verlöten der Komponenten eine besonders wichtige Station der Verifikation dieses Prozessschritts.“ Weiterhin als kritisch haben sich zwei Regionen auf Leiterplatten herausgestellt: Große Öffnungen der Schablonen, die auch großen Pastenverbrauch zur Folge haben, und andererseits sehr kleine Durchbrüche mit sehr geringen Abmessungen. Die Programmierung des Kontrollsystems wird als sehr einfach und rasch geschildert. „Wir ziehen hier, entsprechend der Inspektionsbereiche und Baueile, einfach Fenster über die im Layout auf der grafischen Benutzeroberfläche abgebildete Leiterplatte – den Rest erledigt der Drucker.“

Wie der Teamleiter verdeutlicht, wurden im Umfeld der Bleifrei-Umstellung, die ja amtlich erst ab Juli 2006 vorgeschrieben ist, aber aus Gründen des Umweltschutzes und der Wettbewerbssituation schon Jahre vorher vorgenommen wurde, größere Investitionen in den Maschinenpark getätigt. Dabei stand auch die Ablösung einiger Pastendrucker auf der Tagesordnung. „Weil wir langjährige Erfahrungen mit den DEK-Druckern haben und mit Prozessergebnissen und Support durchs Unternehmen stets sehr zufrieden waren“, erklärt Franz X. Köhler, „führten wir auch intensive Gespräche mit diesem Lieferanten und haben uns letztlich auch geeinigt.“ Kurze Taktzeiten, hohe Qualitätsansprüche sowie die fallweise Unterstützung durch den innovativen Maschinenlieferanten stehen hier als herausragende Kriterien der Entscheidung im Vordergrund.

Im Zusammenhang mit der Pastendrucker-Investition erfolgt dann auch die Entscheidung für die Installation der Option HawkEye zur Pastendruckkontrolle im Linientakt. Derzeit geht gerade bei FSC die Evaluierung eines Pastendruckers zu Ende, es handelt sich um DEKs Horizon 01i. Nachdem man bereits ausgiebig in Reflow- und Wellenlötmaschinen investiert hatte, gelten die nach dem Pastendruck kommenden Überlegungen der weiteren Optimierung der Bauteil-Bestückung.

Abschließend gefragt, wie kam es, dass DEK sozusagen als Premium-Maschinenlieferant so intensiv in die Gespräche über die Ablösung der momentan eingesetzten Pastendrucker eingebunden wurde? „Wir sind seit vielen Jahren zufriedener DEK-Kunde und wissen aus dieser Erfahrung, was wir von diesem Lieferanten langfristig erwarten können – und da gibt es nichts, was letztlich gegen solche ein Entscheidung spricht“, resümiert Franz X. Köhler die Erfahrungen in den Augsburger Fujitsu Siemens Computers-Fertigungslinien.

Productronica, Stand A4.305

www.dek.com & www.fujitsu-siemens.com

EPP 415

Das System HawkEye wurde von DEK zur automatischen Kontrolle des Pastendrucks im vollen Fertigungstakt einer SMT-Linie konzipiert. Das sehr schnelle Visionsystem HawkEye ist in die Zykluszeit so eingepasst, dass es jede frisch bedruckte Leiterplatte mit höchster Geschwindigkeit direkt in dem Schablonendrucker verifiziert. Aufgrund dieser Bewertung kann sofort bei allen Boards automatisch eine Gut-Schlecht-Entscheidung getroffen werden. Fehlerhaft bedruckte Leiterplatten lassen sich somit umgehend erkennen und aussortieren – bevor weitere kostspielige Fertigungsschritte erfolgen.

Das HawkEye-System ergänzt das zweidimensionale, universelle Inspektionssystem 2Di von DEK, das sowohl für die quantitative Bewertung der Leiterplatten-Druckqualität als auch der Inspektion der Druckschablone vorgesehen ist. Parallel-Installationen auf Druckern sind bei Bedarf möglich. Dabei ist 2Di konzipiert für das Einfahren neuer Produkte, und Hawk- Eye kommt dann als Verifikationswerkzeug für den Pastenauftrag in hochvolumigen Fertigungsprozessen zur Anwendung. In der Verifizierungsprozedur von HawkEye wird die Leiterplatte linienweise mit hoher Geschwindigkeit abgetastet. Für unterschiedliche Anforderungen an den Fertigungsdurchsatz gibt es zwei verschiedene Systeme. Das sehr schnelle HawkEye1200 scannt 1200 mm2 je Sekunde (Inspektionszeit für Druckbild z.B. QFP-208 mit 0,4-mm-Pitch nur 0,58 s); HawkEye400 ist ausgelegt für 400 mm2/Sekunde (Druckbild QFP-208 wird in 1,3 s inspiziert). Es handelt sich nach Anbieteraussage um das schnellste derzeit verfügbare Verifikationstool innerhalb der Druckmaschine für den Pastendruck.

Durch die Scanningprozedur wird ein Satz monochromer Bilddaten erzeugt. Der Vergleich dieser Ergebnisse mit den vom Benutzer bei der Programmierung vorher definierten Grenzwerten ermöglicht dem System eine schnelle Entscheidung, ob die jeweilige Leiterplatte an die Bauteilbestückung oder einen anderen nachgeschalteten Prozess in der Fertigungslinie übergeben werden darf – oder auch nicht. Der Anwender kann das Inspektionssystem natürlich so einstellen, dass sowohl komplette Leiterplatten als auch nur bestimmte, kritische Bereiche von Leiterplatten inspiziert werden. Zumeist sind das dann solche, in denen die Bauteildichte besonders hoch ist, oder die Lotpads besonders dicht sitzen wie im Finepitch- oder Ultra-Finepitch-Bereich. Damit kann die Zykluszeit für den Inspektionsprozess so beeinflusst werden, dass sich das System innerhalb des Linientakts optimal nutzen lässt. Zwar kann man Leiterplatten auch manuell-visuell inspizieren – doch dabei ist weder Geschwindigkeit noch Ergebnis oder Fehlerfreiheit gewährleistet. Das Konzept beruht auf einem vereinfachten und dennoch sehr sicheren Inspektionsverfahren, bei dem sich anhand simpler Daten erkennen lässt, ob der Pastendruck auf einer Leiterplatte den Ansprüchen genügt. Genau wie ein Anwender trifft es eine Gut-Schlecht-Entscheidung, allerdings mit höchster Reproduzierbarkeit und Ermüdungsfreiheit im Linientakt. Die Programmierung des Systems, DEK spricht hier von einem Setup, ist sehr einfach. Über die grafische Benutzeroberfläche Instinctiv werden per Mauszeiger die Bereiche auf der Leiterplatte einfach grafisch festgelegt. Dazu müssen noch die Grenzwerte der Inspektionstoleranz angegeben werden – und das ist alles. Den Rest übernimmt HawkEye völlig automatisch. Über das grafische Benutzerinterface werden auch die Meldungen bzw. Reports ausgegeben. Das System kann als Option auf allen vollautomatischen Inline-Schablonendruckern des Unternehmens installiert werden.