PWI verbessert Lötprozesse

Miles Moreau, KIC, San Diego, USA

Typischerweise führt man den Arbeitsschritt zur Erstellung eines Wärmeprofils regelmäßig zur Überprüfung der korrekten Ofenfunktion, bei jeder Ofenumstellung oder beim Einrichten eines neuen Prozesses durch. Dieses Vorgehen ist jedoch mit einigen Problemen verbunden:

• Die Profilerstellung ist zeitraubend und unterbricht die Produktion; bei Datenverlust (z. B. bei einem fehlerhaften Download) wird noch mehr Zeit be-nötigt, und ein weiterer Lauf zur Profil-erstellung ist nötig.

• Aktuelle Software zur Profilerstellung ist kompliziert und erfordert zur Einarbeitung des Bedieners umfassende Schulung. Die Einrichtung eines Profilers ist ebenfalls kompliziert und muss für jeden neuen Ofen wiederholt werden.

• Die Einstellung eines Ofens ist nur über Versuchsläufe möglich; zur Ermittlung eines akzeptablen Profils für neue Produkte sind mehrere Profilerstellungsläufe erforderlich.

• Für die engen Prozessfenster bei blei-freien Löttechniken wird es sehr schwierig, mit herkömmlichen Verfahren der Profilerstellung ein akzeptables Profil zu finden.

Diese Probleme verlängern die Stillstandszeiten der Fertigungslinie; Stillstandszeiten bedeuten aber, dass die Produktionsanlagen nicht optimal genutzt werden. Viele dieser Schwierigkeiten lassen sich durch eine genauere und schnelle Messung und Auswertung der Prozessparameter lösen. Schon Lord Kelvin sagte: „Kann man das Objekt einer Betrachtung messen und in Zahlen ausdrücken, dann weiß man etwas darüber; kann man es aber nicht mit Zahlen beschreiben, dann weiß man nicht genug darüber.“ Man muss also nach dem folgenden Konzept vorgehen: Problem definieren, seine Parameter messen und anschließend an der Verbesserung des Prozesses arbeiten, um das Problem zu mindern oder zu beseitigen. Neue Untersuchungen des thermischen Prozesses im Rahmen eines solchen Vorgehens zeigten, dass sich die Leistung des Reflow-Prozesses erheblich verbessern lässt, was direkt zu geringeren Fertigungskosten führt.

So besitzt z.B. ein von KIC entwickelter Profiler der neuen Generation eine robustere Hardware-Konfiguration als herkömmliche Profiler und eine komplett neu entwickelte Software-Plattform. Der Profiler liefert die Daten in Echtzeit, während er den Prozess durchläuft; gleichzeitig zeichnet er die Daten auch intern auf. Sobald der Lauf des Profilers durch den Prozess beendet ist, wird das intern aufgezeichnete Profil automatisch drahtlos heruntergeladen. Dabei werden sämtliche Lücken geschlossen, die möglicherweise durch eine unterbrochene Übertragung des Echtzeit-Profils entstanden sein könnten. Dank dieser neuen Funktion ist jeder Lauf zur Profilerstellung vollständig; die Produktion muss niemals angehalten werden, um einen solchen Lauf wegen Datenverlustes zu wiederholen. Zudem hat KIC eine Software zur automatisierten Einstellung des Reflow-Prozesses entwickelt, die die Schwächen der herkömmlichen Steuerungsverfahren für thermische Prozesse behebt. Die Forderungen an dieses Programmpaket waren:

• Benutzerschnittstellen der neuen Generation,

• Suchmaschine für Ofenrezepte,

• direkte Kommunikation mit der OfenController-Software und

• intelligente Techniken zur Automatisierung des Ofen-Einstellprozesses.

Diese Software zeichnet sich durch minimale Einstellarbeiten und eine vereinfachte Bediener-Schnittstelle aus, die ein zeitraubendes Board-Mapping erübrigt. Sie bietet eine intuitive Bedienung, erfordert nur sehr wenig Schulung und wird mit einer aktualisierbaren Datenbank mit Hunderten gängiger Lotpasten geliefert; mit ihr kann der Bediener die Spezifikationen für die benutzte Lötpaste automatisch wählen. Eine Reihe von Bildschirmfenstern mit einfachen grafischen Erläuterungen und animierten Anweisungen führen den Bediener schrittweise durch den gesamten Prozess der Profilerstellung. Wird die Software auf einem der Öfen ausgeführt, die mit der Software kommunizieren können, dann wechselt sie automatisch die Einstellpunkte des Ofens.

Eine neue Suchmaschine für Ofenrezepte erstellt Vorhersagen, wie sich Änderungen der Bandgeschwindigkeit und der Ofen-Einstellpunkte auf ein Temperaturprofil auswirken werden. Dieses Werkzeug erzeugt und evaluiert Milliarden von potentiellen Ofenrezepten und wählt automatisch dasjenige aus, das am besten zum spezifizierten Prozessfenster passt. Die Suchmaschine für Ofenrezepte ist so ausgelegt, dass sie das Profil im Prozessfens-ter zentriert; sie kann das optimale Pro-fil in ungefähr einer Minute finden. Au-ßerdem kann das Werkzeug Ofenrezep-te für die maximale Bandgeschwindigkeit ermitteln.

Ein weiteres wichtiges Merkmal der Suchmaschine für Ofenrezepte ist die Bewertung der gefundenen Profile mit Hilfe des Process Window Index (PWI). So kann der Anwender das Leistungsverhalten unterschiedlicher Prozesse vergleichen und sicher sein, dass er das stabilste und zuverlässigste Profil für ein gegebenes Produkt einsetzt, das sich mit seinem Ofen erreichen lässt.

Die automatisierte Einrichte-Software war der nächste Entwicklungsschritt bei der Steuerung von Reflow-Prozessen, weil man durch sie für die Einstellung des Ofens keinen Spezialisten oder erfahrenen Bediener mehr benötigt. Durch die Defi-nition des erforderlichen Prozessfensters und der Produktionsparameter erhält der Prozessingenieur die volle Kontrolle über die thermischen Prozesse. Anschließend kann er die tägliche Aufgabe der Profilerstellung an die Mitarbeiter der Fertigungslinie delegieren und sich darauf verlassen, dass diese Arbeit genau nach seinen Vorgaben ausgeführt wird. Mit dieser Software kann auch ein weniger erfahrener Bediener nach kurzer Einführung einen Ofen für einen zuvor definierten Prozess einstellen, indem er einfach ein Produktrezept mit zuvor erstelltem Profil aus einem Menü auswählt. Anschließend wechselt die Software automatisch das Ofenrezept (Ofen-Einstellpunkte und Bandgeschwindigkeit).

Das Laden des richtigen Ofenrezepts für ein zuvor eingerichtetes Produkt ist einfach. Die eigentliche Herausforderung ist die Ermittlung des richtigen Ofenrezepts. Ein angelernter Bediener kann aber auch diese Arbeit mit der automatisierten Einrichte-Software nach ungefähr einer StundeSchulung ausführen. Der Bediener muss weder die Profilerstellung für thermische Prozesse, noch Begriffe wie Spitzentem-peratur, Time-Above-Reflow oder Max-Slope, und auch nicht den Temperatur-Einstellpunkt der Zone oder die Bandgeschwindigkeit verstehen beziehungsweise kennen. Eine Reihe von Video-Animationen zeigen dem Bediener den Ablauf des Einstellprozesses für den Ofen. Der Bediener muss lediglich wissen, wie man Thermokoppler auf einer Leiterplatte befestigt, die Leiterplatte durch den Ofen fährt und sie am anderen Ende entnimmt. Dazu muss er lediglich entscheiden, welches Produkt verwendet, wo die Thermokoppler auf der Leiterplatte platziert und welches voreingestellte Prozessfenster für das Profil angewendet werden soll. Die Software nutzt die bereits beschriebene Suchmaschine für Ofenrezepte und liefert das beste Profil, das sich mit dem Ofen er-reichen lässt. Eine herkömmliche Soft-ware zur Wärmeprofilerstellung läuft im Hintergrund und ist für Ingenieure gedacht; in sie gibt man die Grenzwerte der Prozessfenster ein, sichtet die vom Bediener ausgeführten Profile und betrachtet die daraus resultierenden Ofenrezepte, die von der Ofenrezept-Suchmaschine erzeugt wurden.

Ein wichtiges Merkmal der automatisierten Einrichtesoftware ist eine Schnittstel-le, über die sie mit dem Ofen-Controller kommunizeren kann. Ein weiteres ist die Fähigkeit, den Process-Window-Index eines Profils zu berechnen. Damit kann man sicherstellen, dass ein Ofenrezept für ein gegebenes Produkt das Optimum darstellt. Die Kombination aus vereinfachter Bedienerschnittstelle, Profiler/Ofencontroller-Schnittstelle, der neuen Suchmaschine für Ofenrezepte und dem Process-Window-Index ermöglicht es auch ei-nem angelernter Bediener, einen Reflow-Lötofen optimal einzustellen.

EPP 168

Der Process-Window-Index (PWI) ist ein Maß dafür, wie gut ein Profil in den vom Benutzer definierten Prozess-Grenzwerten liegt. Dazu werden die Prozess-Profile danach bewertet, wie gut ein gegebenes Profil zu den kritischen statistischen Daten eines Prozesses passt. Ein Profil, mit dem sich Produkte ohne Überschreitung irgend eines kritischen statistischen Wertes eines Prozesses verarbeiten lassen, liegt im Prozessfenster. Die Mitte des Prozessfensters wird als 0 und der äußerste Rand des Prozessfensters als 99 % bewertet. Ein PWI von 100 % oder mehr bedeutet, dass das Profil die Produkte nicht innerhalb der Spezifikation verarbeiten kann. Ein PWI von 99 % besagt, dass das Profil Produkte innerhalb der Spezifikation verarbeiten kann, aber am äußersten Rand des Prozess-fensters arbeitet. Ein PWI von weniger als 99 % lässt darauf schließen, dass das Profil innerhalb der Spezifikation liegt und zeigt dem Anwender, welcher Prozentsatz des Prozessfensters benutzt wird: Der PWI sagt dem Anwender also, wie stabil ein Profil ist. Je kleiner der PWI, umso besser ist das Profil. Die meisten Benutzer streben einen PWI von unter 80 % an. Der Process-Window-Index bietet dem Anwender vier entscheidende Vorteile:

Profile lassen sich einfach vergleichen, und der Anwender kann sich darauf verlassen, dass er das beste, mit seinem Prozess erreichbare Profil benutzt. Vor der Einführung des PWI für die Profilanalyse war der Vergleich von Profilen subjektiv; der Anwender konnte niemals sicher sein, das beste Profil für sein Produkt zu haben. Heute kann man Vergleiche zwischen einzelnen Linien im Werk, zwischen Prozessen in verschiedenen Werken und zwischen Prozessen auf unterschiedlichen Anlagen ausführen. Der PWI bietet eine hervorragende Möglichkeit zur Prozessverbesserung, und sein Einsatz ist ein wichtiger Schritt in Richtung auf eine Nullfehler-Produktion.

Mit dem PWI lässt sich der Profil-Erstellungsprozess erheblich vereinfachen. Beim Einsatz von modernen Werkzeugen zur Profilerstellung werden alle statistischen Daten eines Profils auf eine einzige Zahl reduziert – den PWI – der selbst für völlig unerfahrene Anwender verständlich ist. Dadurch lassen sich bedeutende Ein-sparungen bei Schulungskosten erreichen; außerdem sinkt die Zahl der durch Bedienerfehler verursachten Defekte. Dies bedeutet auch, dass ein unerfahrener Bediener innerhalb weniger Minuten einen Ofen mit dem optimalen Profil einrichten kann, wofür ein erfahrener Ingenieur früher viele Stunden gebraucht hätte.

Weil der PWI das Leistungsverhalten des gesamten Profils abbildet, ist er ein wesentlich besserer Indikator für die Fähigkeiten des Prozesses, als die Verfolgung eines einzelnen statistischen Parameters. Der PWI liefert damit hervorragende Daten für SPC und andere QS-Überwachungsprogramme. Zugleich vereinfacht er die Datenerfassung und senkt die Prozessüberwachungs-Kosten.

Der PWI ermöglicht es durch die Reduzierung der Prozessqualität auf eine einzige Zahl, dass ein Computer auf der Suche nach der optimalen Lösung innerhalb von kürzester Zeit große Zahlenmengen verarbeiten kann.