Maschineninterne Druck- verifizierung versus Inspektion DEK Printing Machines GmbH, Bad Vilbel

Deming vertrat die Auffassung, dass 90% aller Fehler letztendlich auf eine gemeinsame Ursache oder permanente Probleme zurückzuführen sind, die bei einer dauerhaft unakzeptablen Prozessqualität vorliegen. Damit ist klar, dass ein einfaches Aussortieren fehlerhafter Produkte das zugrundeliegende Problem nicht beseitigt. Vielmehr sollte, so forderte Deming, die Inspektion dazu dienen, statistisch relevante Daten zu erheben. Mit diesen Daten können dann Bereiche mit Verbesserungsbedarf erkannt und die Wirkung der Verbesserungsmaßnahmen auf den gesamten Prozess überwacht werden. Mit anderen Worten: Die Inspektion sollte dazu dienen, die Abhängigkeit von ihr zu verringern.

Auf das Beispiel des Schablonendrucks angewendet, würde Deming die Anwendung der automatischen Inspektion zur Sicherstellung eines „beherrschten Prozesses“ befürworten. Zum Beispiel erlaubt die Inspektion der Lotpasten-Depots beim ersten Los einer Leiterplatte, etwa durch ein 2D-Inspektionssystem, die Erfassung von Daten zu Pastenvolumen, Schablonenausrichtung und Zustand der Schablonenöffnungen. Mittels eines Tools zur statistischen Prozesskontrolle können diese Daten genau ausgewertet werden, um Fehler beim Setup sowie Tendenzen des Prozessverhaltens zu erkennen. Die SPC Ergebnisse können dann verwendet werden, um den Prozess bereits vor Beginn der Volumenproduktion zu optimieren. Das schließt auch die Festlegung der idealen Intervalle für die Schablonenunterseiten-Reinigung und die Lotpasten-Ergänzung mit ein.

Ist der Prozess einmal so optimiert, kann der Schablonendruck guten Gewissens ohne Stückprüfung gefahren werden. Nein – nicht wirklich. Um nur eine Sache zu nennen: Demings Theorie besagt, dass 10% der Fehler nicht auf unzureichende Prozesskontrolle oder schlechtes Produktdesign zurückzuführen sind. Ganz klar, Demings Ansatz zur Sicherstellung korrekter Prozessparameter, die den Bedarf an Inspektion minimieren, ist auch heute noch gültig. Die Produktion hat sich jedoch ganz wesentlich verändert, seit Deming mit seiner Forschungsarbeit begann, die die Einschätzung der japanischen Produktionsindustrie auf der ganzen Welt revolutionierte. Sie führte letztendlich zur Postulierung seiner 14 Regeln. Heute sind beispielsweise die Hersteller in weit höherem Maße in der Verantwortung für die wahren Kosten von Feldausfällen, die auf Design- oder Fertigungsfehler zurückzuführen sind. Entsprechend war der Druck noch nie so groß wie heute, dass keine fehlerhaften Produkte das Werk verlassen.

Wie um das noch zu unterstreichen, haben sich die Inspektionsverfahren und Technologien vervielfacht, die dem Hersteller elektronischer Baugruppen heute zur Verfügung stehen. Innerhalb einer Produktionslinie setzen heute die Hersteller typischerweise mehrere automatische optische und Röntgen-Prüfsysteme ein. Oft werden nach jedem wesentlichen Prozessschritt spezielle optische Prüfungen durchgeführt, beginnend bei der optischen Inspektion der Lotpaste nach dem Schablonendruck, über die Inspektion der Bauteilplatzierung bis zur Lötstellenkontrolle nach dem Reflowlöten. Würde Deming hier zustimmen? Er war nicht gegen die Inspektion als solche – eher gegen die ungeeignete Verwendung der Ergebnisse.

Obwohl sich die Zeiten geändert haben, beeinflussen Demings Ideen weiterhin das „Warum“ und „wie“ der Lösungsansätze in den Entwicklungsabteilungen. Ist es industrieweit akzeptiert, dass Qualität nicht in ein Produkt „hineingeprüft“ werden kann? Kann die Prozessinspektion getrennt werden von der Stückprüfung, die verhindern soll, dass fehlerhafte Produkte das Werk verlassen? Und falls die Stückprüfung akzeptabel ist, ist es dann erforderlich, für jedes einzelne Produkt alle quantitativen Daten zu erfassen?

Diese Überlegungen haben bereits die Eigenschaften und Anwendungstheorien existierender Inspektionssysteme beeinflusst. So kann beispielsweise DEKs 2Di Pasteninspektions-System verwendet werden, um statistische Daten zur Speisung von SPC-Tools zu erfassen. Es erlaubt dem Anwender aber auch, Prozessalarme auszulösen, wenn voreingestellte Grenzwerte überschritten werden. Wenn das System ein nicht ausreichendes Pastenvolumen erkennt, das durch das Zusetzen einer Schablonenöffnung verursacht wird, so kann das protokolliert werden oder es wird eine Warnung an die Prozessüberwachung ausgegeben. Der Anwender kann sogar festlegen, dass der Prozess angehalten wird, sobald ein Grenzwert überschritten wird. Das System kann auf zuwenig oder zuviel Lotpastenvolumen ebenso reagieren wie auf Brückenbildung oder schlechte Schablonenausrichtung. Die Schablone selbst wird auf Verschmierungen oder zugesetzte Öffnungen geprüft. Auch hier können Alarme ausgelöst werden, sobald die Überschreitung von Grenzwerten erkannt wird.

Deming würde vermutlich den sich abzeichnenden Ansatz gutheißen. Wahrscheinlich würde er sogar für eine Neudefinition dieser Aktivitäten plädieren: Eine Routineprüfung von Prozessparametern gegen festgelegte Grenzwerte nach jedem wichtigen Prozessschritt kann eher als Verifizierungsprozess angesehen werden denn als vollgültige Inspektion.

Die Umsetzung dieses Konzepts in der ersten Generation bestand darin, ein Standard-Inspektionssystem mit der Fähigkeit auszustatten, Grenzwerte zu erkennen. Ein System wie das 2Di kann dem Bediener in der Produktionsumgebung diese Informationen auf einfache Weise zur Verfügung stellen und so mithelfen, fehlerhafte Prozesszustände zu erkennen. Die Basis ist aber immer noch die- selbe Datenmenge, die eine quantitative Analyse des Prozesses ermöglicht. Außerdem stammen diese Daten von Einzelaufnahmen, die von den entsprechenden Inspektionsstellen gemacht wurden. Bei dem Zeitdruck, unter dem heutige Baugruppenhersteller stehen, haben sie kaum die für die Überprüfung erforderlichen Sekunden übrig. Das hat zum Ergebnis, dass die Prüfabdeckung ernsthaft eingeschränkt ist.

Einen Lösungsansatz bietet die Betrachtung der Methoden, die menschliche Prüfer anwendeten, als diese Art der Inspektion noch anwendbar war. Diese Prüfer würden mit geübtem Blick die neu produzierten Leiterplatten überfliegen. Sie erfassten keine quantitativen Daten der Leiterplatten, die ihren Prüfplatz passierten – aber sie erfassten mit hoher Genauigkeit, ob eine geprüfte Leiterplatte gut oder schlecht ist. Natürlich haben die Vorherrschaft von Finepitch-Bauelementen mit hoher Pinzahl sowie passive SMT-Bauelemente mit extrem kleinen Abmessungen bei den modernen Leiterplatten die Möglichkeiten des menschlichen Auges weit überfordert – gar nicht zu reden von der Dauerbelastbarkeit und Wiederholgenauigkeit des menschlichen Gehirns. Aber der Denkansatz ist interessant: An Stelle einer vollumfänglichen Inspektion könnte eine einfache „gut“- oder „schlecht“-Bewertung machbar sein – in einem Bruchteil der Zeit.

Die Automatisierung dieser Vorgehensweise erfordert einen völlig anderen Ansatz als das Protokollieren großer Mengen statistischer Daten jedes Pastendepots oder jeder Lötstelle. Systementwickler müssen beispielsweise die wenigen, kritischen Merkmale eines Pastendepots isolieren, die bestimmen, ob dieses Depot eine gute Lötstelle ergeben wird. Das System muss mit erheblich reduzierten Eingangsdaten arbeiten. Dafür sind andersartige Bildanalyse-Methoden und -Algorithmen erforderlich. Um diese Daten mit einer Geschwindigkeit zu erfassen, die es erlaubt, wesentliche Teile der Leiterplatte zu erfassen, sind neue Bildverarbeitungssysteme erforderlich, die Video-Datenströme verarbeiten können. Die Erfassung von Einzelbildern der entsprechenden zu prüfenden Stellen ist hier einfach nicht mehr ausreichend schnell.

Die nächste Generation automatischer Verifizierungslösungen erfordert also eine völlig neue Vorgehensweise, neue Parameter und neue Ansätze bei der maschinellen Bildverarbeitung und Analyse. Ein derartiges System, DEKs HawkEye Druck-Verifizierungssystem, wurde auf Basis dieser Überlegungen entwickelt. Das auf der diesjährigen Productronica auf Stand 305 in Halle A4 vorgestellte HawkEye-System arbeitet parallel zu dem Inspektionssystem 2Di. Es wurde zur Verifizierung von Leiterplatten entwickelt, deren Produktionsprozesse bereits unter 2Di qualifiziert und optimiert wurden. Es läuft auf derselben Hardware wie das 2Di. Da die Eingangs- und Ausgangsdaten jedoch weniger komplex sind, kann eine größere Leiterplattenabdeckung in kürzerer Zykluszeit erreicht werden, ohne dass dafür eine höhere Rechenleistung erforderlich wäre.

Benötigt wird eine Kamera, die Videobild-Datenströme liefern kann sowie eine überarbeitete Hochleistungsbeleuchtung. Es ist also möglich, ein existierendes 2Di-System auf die High-Speed-Verifikation aufzurüsten. Lediglich die Kamera, die Beleuchtung sowie die Software müssen nachgerüstet werden. Die Hochleistungsbeleuchtung eliminiert bereits vor der Bildaufnahme durch die Kamera die unwichtigen Daten aus dem Bild. Dadurch können völlig neue Bildanalyse-Algorithmen die Bilddaten der Kamera direkt verarbeiten und so Ergebnisse mit höchster Geschwindigkeit bei minimalen Rechenzyklen liefern. Der Anwender kann die Beleuchtungsstärke noch vor der High-Volume-Produktion optimal anpassen.

Das System kann dem Programmierer oder Prozessingenieur anzeigen, welcher Prozentsatz der Leiterplattenfläche innerhalb der zulässigen Zeit verifiziert werden kann. Diese Zeit wird aus dem Linientakt abgeleitet und kann typischerweise aus den Daten der SPC-Software ermittelt werden, die während der Produkteinführungsphase gewonnen werden. In Abhängigkeit von der Leiterplattengröße und der relativen Komplexität einzelner Schaltungsbereiche kann das System so programmiert werden, dass ausgewählte Bereiche bevorzugt werden. Innerhalb weniger Iterationsschritte kann die optimale Abdeckung ermittelt werden, um die Bereiche mit der höchsten Fehlererwartung im spezifizierten Zeitfenster zu verifizieren. Durch die Vergrößerung des Bildfelds der Kamera können innerhalb gegebener Zeit mehr Bilddaten erfasst werden. DEK arbeitet derzeit an der Erprobung weiterer Varianten digitaler Kameras, um die Verifikationsleistung der Maschinen an den aktuellen und künftigen Produktionsanforderungen auszurichten.

Um das Verifizierungssystem produktionstauglich zu machen, ist natürlich noch eine einfache, grafische Anzeige des gut/schlecht-Ergebnisses erforderlich, verbunden mit einem Signalausgang, um fehlerhafte Leiterplatten aus dem Prozess der Weiterverarbeitung auszuschleusen. Für die Bedienung und Steuerung der HawkEye-Hardware nutzt DEK die grafische Touchscreen-Bediener-schnittstelle Instinctiv V9, die auf den meisten neuen Schablonendrucker-Plattformen standardmäßig verwendet wird. Durch die neue Generation V9 der Bedienerschnittstelle, die offiziell auf der Productronica 2007 der Öffentlichkeit vorgestellt wird, wird diese Unterstützung noch weiter verbessert. System- und Schwellwert-Einstellungen können mittels Drag-and-Drop vorgenommen werden, was die Einstellung der Anzeigen, Warnungen und Alarme deutlich vereinfacht.

Zu den verbesserten Eigenschaften der neuen Generation der Instinctiv V9 gehört die Anzeige des Prozentwerts des auf die Pads aufgebrachten Pastendepots im Setup-Balkendiagramm. Dabei wird die Streuung innerhalb dieses Prozesses deutlich hervorgehoben. Zusätzlich kann das System auch für jeden HawkEye-Analysebereich dasjenige Pad feststellen, das die geringste Pastenmenge aufweist. Die Pads mit der geringsten Pastenmenge werden für jeden Druckzyklus in eine Datendatei im einfachen und kompatiblen CSV-Format abgespeichert. Dadurch können die Bediener mithilfe der Instinctiv-Oberfläche aufkommende Tendenzen erkennen und vor dem Auftreten der ersten Ausfälle reagieren. So können sie beispielsweise einen zusätzlichen Cyclone-Reinigungszyklus für die Schablonenunterseiten durchführen, um ernsthafte Linienstillstände zu vermeiden. Ab der für 2008 geplanten Unterstützung von Instinctiv V9 für das 2Di-System wird der Wechsel zwischen der 2Di-Inspektion und der HawkEye-Verifizierung bald noch einfacher werden. Ab nächstem Jahr erfolgt das dann einfach und schnell über die berührungssensitiven Schaltflächen der neuen V9-Bedienerschnittstelle.

Demings Ansichten über den Einsatz und die Grenzen der Inspektion sind für Elektronik-Hersteller heute so relevant wie eh und je in der Industriegeschichte. Aufgrund des heute herrschenden Marktdrucks benötigt der Baugruppenhersteller jedoch eine sehr große Sicherheit, dass innerhalb der Produktionslinie alle aufeinanderfolgenden Prozesse an allen Baugruppen jeweils vollständig und richtig durchgeführt wurden. DEK wird auf der Productronica die Umsetzung dieser Überlegungen praktisch vorführen. Obwohl es sicher richtig ist, dass bei der Produktion die Qualität der Produkte nicht „hineingeprüft“ werden kann, ist die High-Speed-Verifizierung – im Unterschied zur Inspektion – eine wertvolle Prozess-Ergänzung, die mit großer Wirksamkeit bei der High-Volume-Produktion eingesetzt werden kann.

Productronica: A4.305

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