Die LED-Bestückung ist ein attraktiver Wachstumsmarkt. Europäische Elektronikfertiger profitieren dabei auch von ihrer Nähe zu den großen Automotive-OEMs und Zulieferern. Im Interview mit der EPP benennt Norbert Heilmann, Technology Scout beim Equipmenthersteller ASM Assembly Systems, die Herausforderungen in LED-Bestückprozessen in Automotive-Anwendungen.
Herr Heilmann, wie wichtig ist der LED-Markt in Europa für ASM?
Seit vielen Jahren eröffnet der LED-Boom den Elektronikfertigern neue Markt- und Wachstumschancen – und damit natürlich indirekt auch uns als Equipment-Lieferant für diese Unternehmen. Während die europäischen EMS bei Consumer-Produkten und einfachen Leuchten nicht groß partizipieren können, bestehen in anspruchsvollen Anwendungen im Automotive-Bereich große Potenziale – nicht zuletzt wegen der Nähe zu den Zulieferern und führenden Automotive-OEMs. Und gerade für diesen Markt braucht es künftig Fertigungskapazitäten: Aufgrund der schnell wachsenden Leistungsfähigkeit, der flexiblen Steuerungsmöglichkeiten und den vergleichsweise niedrigen Kosten gehören LED-Front- und Rückscheinwerfer künftig in allen Fahrzeugklassen zum Standard. Allerdings wird die Komplexität der LED-Bestückung in diesen Anwendungen gern unterschätzt. Die Prozesse unterscheiden sich von denen anderer Bauteile und Anwendungen.
Wie äußert sich das und welche Konsequenzen
hat dies für Equipment-Hersteller wie ASM?
Kennzeichnend für einen Wachstumsmarkt ist ja, dass immer mehr Elektronikfertiger die Potenziale erkennen und sich den OEMs und Zulieferern als neue Fertigungspartner für die LED-Bestückung anbieten. Die Überlegung vieler Elektronikfertiger dabei ist: Themen wie das Leuchtklassen-Management, die Aufnahme der empfindlichen LED-Komponenten oder das Anbringen von Klebepunkten haben die großen Bestückautomatenhersteller gelöst und die Maschinenfähigkeiten und Bestückgenauigkeiten auf den Datenblättern erscheinen ausreichend für LED-Bestückprozesse. Grundsätzlich stimmt das, aber bei anspruchsvollen LED-Anwendungen mit Optiken sind einige spezifische Besonderheiten zu beachten. Wer diese nicht erkennt, wird fehlerhaft programmieren, ungenau bzw. wenig effizient bestücken und dies sogar noch fehlerhaft messen. Auch deshalb bieten wir hier mit Partnern, aber auch in unseren SMT Center of Competence viele Workshops und Trainings speziell zur LED-Bestückung an, in denen wir unsere langjährigen Erfahrungen mit diesen Prozessen und der Automobilbranche an die Elektronikfertiger weitergeben.
Können Sie die von Ihnen erwähnten Besonderheiten an Beispielen verdeutlichen? Welche Folgen hat das?
Ein gutes Beispiel sind hier die Passmarken. In gängigen SMT-Anwendungen sind die auf die Leiterplatten geätzten oder gelaserten Passmarken der Referenzpunkt für die Bestückung von Bauteilen.
Für LEDs in Scheinwerfern oder anderen Anwendungen mit Optiken ist das anders: Bei modernen Scheinwerfern reden wir über ein komplexes optisches System, auf das die LED mechanisch exakt ausgerichtet werden muss. Deshalb ist der Mittelpunkt des Zentrierstiftes für die Optik die entscheidende Referenz im Bestückprozess. Im Prozess werden erst die globalen Passmarken genutzt, dann die Passmarken für die einzelnen Nutzen und zuletzt der Bohrungsmittelpunkt für die Aufnahme des Zentrierstiftes. Erst diese abgestufte Ausrichtung und die Referenz auf die Optik erlauben es, die LEDs mit der für die Anwendung erforderlichen Genauigkeit zu bestücken. In Worten klingt auch das noch trivial, aber in der Praxis erwachsen daraus einige Herausforderungen. Während eine Passmarke per se auf Lesbarkeit und eine exakte Positionierung ausgerichtet ist, stimmt dies für Zentrierstiftbohrungen nicht immer. Die unterschiedlichen Verfahren wie Bohren, Fräsen oder Stanzen zeigen unterschiedliche Fehlerbilder an den Rändern: Ausfransungen, ein wellenförmiger Verlauf bis hin zu in das Loch hineinragenden Spanresten. Dem Zentrierstift macht das nichts. Für das Visionsystem unserer Bestücklösungen sind das aber Besonderheiten, die Fehler erzeugen können und daher bei Beschreibung und Programmierung beachtet werden müssen. Beispiel: Wird der hineinragende Span vom Visionssystem als Rand interpretiert, werden die LEDs ungenau zur optischen Achse ausgerichtet.
Warum ist die exakte Ausrichtung – wir reden ja nur über wenige µm Abweichung – so wichtig?
Die Anforderungen an die Genauigkeit der Ausrichtung zur optischen Achse wird sogar noch steigen. Bei kommenden Scheinwerfergenerationen werden die Leuchtweiten nochmals deutlich steigen. Das geht einher mit einer immer komplexeren Steuerung, um durch das Ab- und Zuschalten von LEDs ein Blenden anderer Verkehrsteilnehmer zu vermeiden oder die Ausrichtung bei Kurvenfahrten zu verbessern. Bei einer wachsenden Reichweite werden so aus wenigen µm Abweichung auf der Leiterplatte viele Dezimeter Streuung im Lichtkegel des LED-Scheinwerfers.
Gibt es noch andere Faktoren, die berücksichtigt werden müssen?
Ja, gewiss. Wer LEDs anwendungsgerecht präzise bestücken will, muss den gesamten Prozess und alle beteiligten Materialien und Maschinen optimieren. Dabei wirkt der Kostendruck unter dem die Automobilbranche steht alles andere als positiv.
Was meinen Sie damit?
Die Qualitätsunterschiede bei den LEDs sind groß, gleichzeitig haben in der hochvolumigen Fertigung auch kleine Änderungen bei den Materialkosten großen Einfluss auf die Wettbewerbsfähigkeit der Zulieferer. Da ist die Versuchung groß, Kosten im Materialeinkauf zu senken – gerade wenn neue Fertiger über günstige Angebote in den Markt einsteigen wollen.
Aber: Diese Strategie ist durchaus riskant und kann sich durch sinkende Erträge im Fertigungsprozess rächen. Denn mitentscheidend für die Qualität einer LED ist die Phosphor-Konverterschicht, die das blaue Licht des LED-Chips in weißes Licht umwandelt. Die Oberfläche der LED-Chips hat daher zwei Bereiche – mit und ohne Konverterschicht. Für die Bestückung und die Ausrichtung auf die optische Achse wird vom Bestückautomaten nicht auf den Chip-Mittelpunkt, sondern auf die optische Mitte, also den Mittelpunkt der mit der Konverterschicht bedeckten Fläche, referenziert. Hierfür bieten die Programmiertools und digitalen Visionsysteme unserer Bestückautomaten ganz spezifische Einstellungen, beispielsweise die Beleuchtung mit blauem Licht. All diese Features bringen aber wenig, wenn billig gearbeitete LEDs unsaubere Kantenverläufe, Ausfransungen oder Lücken in der Konverterschicht-Fläche aufweisen. Die Ausrichtung auf den Mittelpunkt dieser Konverter-Fläche ist übrigens auch ein Problem für die Messmittel, die üblicherweise in der Elektronikfertigung die Maschinenfähigkeiten nachweisen. Richtet der Bestückautomat – für die Anwendung korrekt – die Bestückung der LEDs auf die optische Mitte aus und erfassen Messmittel und Messmethode aber die Positionierung über die physikalische Mitte der LED-Komponenten, werden beim Verifizieren der Bestückgenauigkeit Äpfel mit Birnen verglichen.
