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Perfekt gedruckt – fehlerfrei produziert Spea, Buseck

SRI perfektioniert Pastendruck durch Inspektion
Perfekt gedruckt – fehlerfrei produziert Spea, Buseck

Die Firma SRI produziert auf vier Fertigungslinien Baugruppen für die Basisstationen für den Mobilfunk. Um die Baugruppen möglichst fehlerfrei zu fertigen, wurde eine ausgeklügelte Teststrategie eingeführt. In ihr spielen Scanner-AOI-Systeme von Spea zur Inspektion des Pastendrucks eine wichtige Rolle. Der Leiter AOI-Technologie Bruno Ascher-Bettenburg erläutert diese Rolle hier.

Die Firma SRI in Durach bei Kempten ist eine 100%ige Siemens-Tochter. Ursprünglich wurden hier die Richtfunksysteme des Konzerns gebaut. Vor rund sechs Jahren wurde auf Baugruppen für Basisstationen für den Mobilfunk umgestellt. Zur Zeit wird auf vier Fertigungslinien produziert. Die Linien sind teilweise nach den Anforderungen der letzten Jahre entstanden. Zusätzlich wurde neues Equipment gekauft. In den Linien 2 und 3 stehen am Anfang zwei DEK-Drucker, dann folgt die Pasteninspektion mit Spea-AOI-Systemen, daran schließen vier Stationen mit Siplace-Bestückern an, abschließend sorgen noch zwei neue Rehm-Lötöfen für die Verbindung. Die Linie 1 ist aus dem vorhandenen Equipment entstanden, das bereits aus den vergangenen Jahren vorhanden war, die Linie 4, ebenfalls mit einem Spea-AOI-System, wird überwiegend für Muster eingesetzt. Auf den Linien 2 und 3 läuft die Massenproduktion. „Wir fertigen sehr viele Muster für unsere Entwicklung, die in Ulm angesiedelt ist“, erklärt Ascher-Bettenburg. Dadurch habe man teilweise sehr kleine Fertigungslose von 10 oder 20 Stück. Die Entwicklung benötige diese Prototypen zum Testen, sie werden dann im Werk Durach produktionsreif gemacht. „Wir haben eine große Abteilung, IE Industrial Engineering, mit etwa 50 Technikern und Ingenieuren im Haus, die überwiegend damit beschäftigt sind, die Entwicklungen über die Prototypen in die Produktion überzuführen“, berichtet er.

„Wir haben vergangenes Jahr nach einer Möglichkeit gesucht, den Pastendruck innerhalb der Fertigungslinie zu inspizieren und uns am Markt umgeschaut, was es für die Pasteninspektion gibt“, erinnert sich Ascher-Bettenburg. Man sei dann nach „einigen Wirrungen“ auf die Spea-AOI-Systeme gekommen, die mit einem Scanner arbeiten. Bei der Suche ist er mit verschiedenen Systemen in Kontakt gekommen u.a. auch lasergestützten Systemen, die Lotpaste dreidimensional messen. „Das ist alles sehr nützlich, aber man kommt bald in einen Preisbereich in dem die AOI-Systeme an die Druckmaschinen heranreichen und dann wird es wirtschaftlich fragwürdig. Wir haben erkannt, dass wir mit einer 2D-Messung auskommen“, meint er lakonisch. Das Scannersystem kostet nur rund die Hälfte von Kamerasystemen. Der Scanner ist von Epson, die Software von Modus und das Handlingsystem von Asys oder von anderen Herstellern. „Nach meiner Erfahrung kann ich sagen, dass man mit Scanner-AOI-Systemen Pasten sehr gut inspizieren kann. Wenn eine neue Scannergeneration mit gesteigerter Leistung kommt, können wir das System auch schnell aktualisieren. Dies ist kurzfristig aber kein Thema für uns“, führt er dazu aus. Anfang 2002 wurde das Spea-Maschinenkonzept erstmalig in Augenschein genommen. Diese Maschine war aber zu diesem Zeitpunkt noch nicht in der Lage, große Bildformate über 100 MByte zu verarbeiten. „Unsere Boards hatten aber teilweise schon Bilddaten von über 100 MByte und die verwendeten Bitmap-Formate lassen sich auch nicht einfach einschrumpfen. Es hat dann noch zwei Monate gedauert bis die Software angepasst war und dann waren wir sicher, dass man jetzt mit dem System arbeiten kann“, freut sich Ascher-Bettenburg.
Obwohl auf dem Pastendrucker eine optische Prüfung möglich ist, setzt man die separaten AOI-Systeme ein. Grund dafür ist, dass man mit dem integrierten System im Linientakt nur eine ausgewählte Anzahl von Pads inspizieren kann, weil es nicht sehr schnell ist. Ein weiterer, dass Untersuchungen zeigen, rund 70% aller mit dem Löten verbundenen Fehler stammen aus dem Pastendruck. Das kann Ascher-Bettenburg zwar nicht so ohne weiteres bestätigen, er hat das Gefühl, das es „einer dem anderen nachplappert“. Die Fehlerhäufigkeit im Pastendruck ist von einer Vielzahl unterschiedlicher Parameter, wie Paste, Rakeldruck, Geschwindigkeit etc. abhängig, die man solange einstellen muss, bis man ein Optimum gefunden habe. „Der Pastendruck ist bei den heutigen hohen Packungsdichten kein trivialer Prozess und seine Qualität hängt stark von der Bedienperson ab“, weiß Ascher-Bettenburg. Deshalb auch die Überprüfung.
„Wir wollen einen perfekten Pastendruck haben, um am Ende überhaupt ein fehlerfreies Lötergebnis zu erzielen. Wenn wir an dieser Stelle nicht inspizieren, können wir auch nicht feststellen, wo die Fehler entstehen“, fügt er erläuternd an. Direkt vor dem Lötofen sind noch einmal AOI-Systeme installiert, die mit einer Kamera arbeiten und die Bestückung prüfen. Das Schwergewicht dieser Prüfung liegt auf der richtigen Bestückung oder ob Bauteile verrutscht oder verdreht sind. „Diese Prüfung war in der letzten Zeit bitter nötig, da es mit den Bestückmaschinen gehakt hat“, erinnert er sich. Man könne am Abdruck in der Paste erkennen, ob der Versuch gemacht wurde, das Bauteil zu bestücken und ob es dabei oder später verloren wurde. „Bei den winzigen 04/02-Bauteilen, die wir in der Fertigung haben ist das sehr wichtig“ hebt Ascher-Bettenburg hervor. Dies sind die kleinsten Bauteile, die verarbeitet werden, 02/01 stehe bei SRI noch nicht unmittelbar vor der Türe.
Wenn man sich mit den unterschiedlichen Lieferanten von AOI-Systemen unterhalte, dann lobe natürlich jeder seine Maschine und die meisten sagen, eine richtige optische Inspektion könne nur ein Kamerasystem durchführen. „Wenn man die optischen Eigenschaften betrachtet, dann muss man für die Bauteilinspektion wohl zustimmen, aber im Fall der Paste, die in der Regel nur zweidimensional inspiziert wird, kann man mit einem Scannersystem ganz gut arbeiten“, meint Ascher-Bettenburg und erklärt weiter: „Unser Scannersystem arbeitet nach dem Prinzip der Korrelation, d. h. es wird ein Bild eingelernt und die Maschine vergleicht den Prüfling mit diesem eingelernten Bild. Man habe natürlich nicht immer gleich zu Beginn eine perfekte Muster-Leiterplatte als Golden-Board. Es könne aber sein, dass gerade in der eingelernten Leiterplatte Fehler auftreten und einige Pads nicht bedruckt wurden. Das könne passieren, man stolpert aber beim Test darüber. „Man erkennt im Vergleich, dass ein Unterschied aufgetreten ist. Dann wird untersucht woher dieser rührt und man findet dann die Fehler auf dem Golden-Board“, erklärt er dazu. Man müsse sich manchmal etwas Mühe geben, ein perfektes Muster zu bekommen. „Wir wollen mit den Spea-AOI-Systemen derzeit nur feststellen, ob das Board perfekt bedruckt ist. Wir achten nicht auf Brücken oder Verschmierungen, das haben wir im Griff“ erklärt er lakonisch. Diese Prüfschritte müssten auch erst manuell in das Prüfprogramm eingefügt werden. Die Programmierung entspricht mehr einem Zeichenprogramm. Man muss dabei nur den eingelesenen Pastendruck mit den Gerber-Daten der Schablonenhersteller abgleichen. „Da ist teilweise viel Handarbeit nötig, weil manche Gerber-Daten etwas verzerrt sind“, bemängelt Ascher-Bettenburg. Es könne der Effekt eintreten, dass z.B. die rechte obere Ecke deckungsgleich ist, die linke untere versetzt ist und auch die linke obere Ecke nicht ganz passt. Damit kann man die beiden Bilder nicht mit einer einzigen Bewegung übereinanderlegen, damit die Überdeckung stimmt. „Um die Daten anzupassen, haben wir eigene Werkzeuge entwickelt. Es kommt dabei sehr auf das Geschick des Bedieners an. Es gibt Daten, die sind in fünf Minuten angepasst, andere brauchen eine Stunde und länger“, berichtet er.
Zum Feststellen von Lotbrücken sei auch die Information über den Hintergrund wichtig. „Da kümmern sich die Leiterplattenhersteller nicht um die Belange der Inspektion“, bemängelt er. Es sei oft störend, dass der Lötstopplack vom Erscheinungsbild her den selben Eindruck mache, wie die Lotpaste, so dass man zwischen einzelnen Pads die Brückenbildung nicht ohne weiteres feststellen kann. Es sei denn man nehme einen hohen Anteil an Pseudofehlern in Kauf, was jedoch nachteilig sei. „Es gibt Leiterplatten die sind wie geschaffen für AOI, und andere, die sind sehr schwierig zu inspizieren“, schildert der Leiter AOI-Technologie seine Erfahrungen. Die Lötstopplacke seien in der Regel zu dunkel, woran alle AOI-Systeme scheitern, wenn sie mit sichtbarem Licht arbeiten. Das bedeutet aber auch, dass eine Prüfperson eine solche Leiterplatte auch nicht besser spezifizieren kann. „Wir prüfen also weitgehend nur, ob die Leiterplatten an den richtigen Stellen bedruckt sind. Es wurde einmal ein etwa Fünf-Mark-großer Bereich einer Leiterplatte nicht bedruckt, obwohl dies eigentlich nicht passieren dürfte. Es ist dann unser Ziel herauszufinden, woran es liegt“, fasst er zusammen. Natürlich gebe es auch „Fehler“ die man tolerieren könne. Bei BGAs kann z.B. das Pastendepot relativ gering sein, und es kommt in der Regel doch noch zu einer guten Lötstelle. Von einer 3D-Inspektion sei man abgerückt, denn man müsse den Druckprozess selbst im Griff haben und das hat man bei SRI.
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