Design for Manufacturing

Dr. Hans Bell, Rehm Thermal Systems GmbH: Eröffnung und Einführung

Ohne passive und aktive Bauelemente wäre eine elektronische Baugruppe unvorstellbar. Doch stellt die enorme Vielfalt, Vielgestalt und Evolution mit Blick auf die Miniaturisierung immer neue Herausforderungen an den Fertigungsalltag. Mit einer Zeitreise durch die Welt der Bauelemente, beginnend 1947 mit dem ersten Transistor bis zum heutigen Bauelemente-Konsum weltweit, begann der Vortrag. So steht die Branche durch den anhaltenden Trend zur Miniaturisierung vor der Herausforderung anspruchsvoller Prozesse, nicht nur im Hinblick auf den Pastendruck. Hier muss die herstell- und montagegerechte Gestaltung in der Produktentwicklung frühzeitig ansetzen, wozu ein Umdenken nötig ist. Ziel ist es, Produkte von Anfang an so zu gestalten, dass Montagezeiten und Kosten reduziert, und Probleme in der Produktion vermieden werden.

Günter Grossmann, EMPA

Aktive Ermüdungsversuche an Mikrovias

Die Motivation der Untersuchung lag auf der zunehmend hohen Anzahl von Mikrovias auf einer Leiterplatte, deren Ausfallrisiko damit steigt. Dazu wurde die Produktion und Zuverlässigkeit von Mikrovias in Leiterplatten unter die Lupe genommen, mit dem Ziel, systematische Qualitätsprobleme sowie die Auswirkungen der Strombelastung auf die Lebensdauer zu erkennen und ein beschleunigtes Testverfahren zu entwickeln. Nach einer materialseitigen Betrachtung wurden die Testverfahren genauer angesehen. Der Testaufbau an der EMPA sollte einen aktiven Temperaturwechseltest mit kontrolliertem Temperaturhub erzeugen. Zusammenfassend war zu vernehmen, dass passive Zyklen größtenteils die Realität abbilden und sehr kontrolliert sind, bei langer Testdauer. Doch sind bei Vias mit aktiven Zyklen beschleunigte Tests möglich. Die Stromstosstests sind zwar schnell und nahe der Realität, aber schwierig zu kontrollieren. Aktive Zyklen mit kontrolliertem Temperaturhub vereinen die Vorteile beider genannten Verfahren. Die Lebensdauertests sind mit den zwei Zielsetzungen möglich: Eine Untersuchung des Materialverhaltens mit konstantem Hub sowie Lebendauertests mit konstantem Strom.

Wilfried Neuschäfer, Neuschäfer Elektronik GmbH

Es muss nicht immer Starrflex sein – Lötbare Verbindungstechnik

Zur Einführung wurden kostengünstige Verformungstechniken für starre Leiterplatten vorgestellt, anschließend ging es zu den Möglichkeiten an Verbindungstechniken, die vom Unternehmen angeboten werden. Die Ausgangsidee lag in einfachen Bauteilen, mit deren Hilfe Leiterplatten kostengünstig dreidimensional verformt werden können. Die Short-Jumper waren die ersten Verbindungsteile, die patentiert wurden und die Grundlage weiterer Patente lieferten. Als elektrisches Verbindungsteil über Ritzkante wird die Lösung im Gurt angeliefert, ist automatisch bestückbar und lässt sich nach dem Lötprozess verformen, um starren Leiterplatten eine räumliche Struktur zu geben. Eine stabile Ausrichtung im gebogenen Zustand ist garantiert. Sie bestehen aus einem Trägerkupfer, wodurch sich ein weiter Temperaturbereich ergibt und die Strombelastung bei ca. 1 Ampere, abhängig von der Umgebungstemperatur, liegt. Um nur einige der präsentierten Verbindungstechniken zu nennen, die Bent-Jumps. Sie fungieren als Stromleiter auf der Leiterplattenkante und werden gemeinsam mit den Bauteilen automatisch bestückt. Ihr Einsatzbereich liegt bei der 90-Grad-Biegung zweier gefräster Leiterplatten. Als platzsparende Kurzverbinder eignen sich Mini-Corner-Jumps als mehrpolige, platzsparende Winkelverbindung, die Power-Jumps gelten als Hochstromverbinder über eine Ritzkante. Fazit: Es gibt alternative Verbindungstechniken zu Starrflex.

Rainer Taube, Taube Electronic GmbH

Design für die zuverlässige Verarbeitung von µ-Components

Unter µ-Components versteht das Unternehmen Bauteile mit Rastern ≤ 500 µm und Anschlussflächen auf der Unterseite, ein Bauteiltyp welcher ständig zunimmt und die Elektronikfertigung vor neue Herausforderungen stellt. Derzeit befindet sich das Leiterplattendesign in einem Übergang von zweidimensionalen Lagenmodellen zum dreidimensionalen volumen- und materialorientierten Design. Dies erfordert in einer Baugruppenfertigung eine präzise Anschlussflächendimensionierung sowie eine ebenso genaue Dimensionierung der Lötstoppmaske und der Pastendepots. Um Lotabfluss zu vermeiden, muss die wegführende Leiterbahn deutlich schmaler sein, als die Anschlussfläche, alle ableitenden Kupferstrukturen sollten von der Anschlussfläche im Abstand von 50 µm durch Lötstopplack bedeckt sein. Des weiteren darf es keine ungefüllten Vias in Anschlussflächen oder Thermalpads geben. Die maximale Höhe der Lötstoppmaske sollte genauso festgelegt sein, wie die Kupferschichtdicken. Grundsätzlich gilt, µ-Components müssen automatisch an bzw. auf der Leiterplatte bestückt werden.

Thoralf Meiburg, Microelectronic Packaging Dresden GmbH

Fertigung im Reinraum – Herausforderungen bei der Herstellung von Kamerasensoren

Um Funktionssicherheit zu garantieren sind bei sehr kleinen Komponenten gewisse Reinheitsanforderungen Grundvoraussetzung. Nachweislich haben Partikel ≤ 0,5 µm das Nasa Hubbel Weltrumteleskop nahezu unbrauchbar gemacht, so dass jede Verunreinigung größer dieses Werts die komplette Baugruppe zerstört. Die Ursachen einer Verunreinigung liegen hier im Detail und finden ihre Quellen in der Umwelt, der Fertigung und letztendlich dem Menschen. So wird im Unternehmen durch einen Laminarstrom sowie doppeltem Fußboden und Decke, einem Überdruck und Klimatisierung, die Reinraumumgebung vor Verunreinigungen geschützt. Zur Unterstützung werden regelmäßige intensive Reinigung, Schleusen, Schutzfangmatten, glatte Oberflächen sowie langsame Bewegungsabläufe in Verbindung mit spezieller Kleidung benötigt. Die Reinigung findet in drei Schritten bis zur Feinreinigung  10 µm statt. Spezialkleidung mit Haube, Mundschutz, Handschuhen sowie Schuhen sind ESD-geschützt. Auch und gerade die Fertigungsumgebung steht unter einem erhöhten Reinheitsgebot, um jegliche Verschmutzung an den Baugruppen zu vermeiden. Bis 2017 sollen im Unternehmen die Mikrolinsensysteme bis zu 2,5 µm-Partikelgröße schützbar sein.

Henryk Maschotta, Thales Transportation Systems GmbH

Linienkonzept für Low Volume and High Mix inklusive Prozessfreigabe an kritischen Bauelementen

Die Thales Transportation Systems setzte sich zum Ziel, die aus ihrer Sicht kritischen Vibrationen ausgesetzten Bauelemente wie bspw. BGAs mit verdeckten Lötstellen, auf eine Voidquote von 10 % zu realisieren. Die Lösung sollte im Dampfphasenlöten mit Vakuum gefunden werden. Dabei galt es einige Herausforderungen umzusetzen: Die Dampfphase sollte als Inline-System in die Linie integriert werden, mindestens einer der Öfen in der Linie mit „Kaltdurchlauf“, wobei der Linientakt nicht durch den Dampfphasen „Kaltdurchlauf“ beeinflusst werden durfte. Die Entscheidung fiel auf eine Condenso XP. Hier musste jedoch der Warenträger optimiert werden und eine Sonderlösung entstand. Das Ergebnis konnte sich sehen lassen: Alle Baugruppen haben die Tests bestanden und funktionieren auch nach dem mechanischen Stresstest. Die Sonderlösung Warenträger wurde prozesssicher installiert und die Maschine erfolgreich in die Linie implementiert. Es konnte eine Prozessfreigabe für Bahn-Sicherungstechnik durchgeführt werden, die Hüllkurven bestimmt und im Managementsystem hinterlegt.

Katrin Hundhausen, Atempau.se

Was wir brauchen, um langfristig gut arbeiten zu können

Motiviert, gesund und zufrieden arbeiten? Eine Momentaufnahme in Deutschland zeigt, das Fehltage um 4 % auf gut 12 Arbeitstage gestiegen sind. Psychosoziale Krankheiten sind dabei mittlerweile Krankheitsursache Nummer 3 und weiter steigend. Auch macht sich eine sinkende Arbeitszufriedenheit der Deutschen bemerkbar, in Europa auf Platz 18 vor Slowakei, Ukraine, Bulgarien und Russland. 2/3 der Arbeitnehmer machen Dienst nach Vorschrift, 1/4 hat bereits innerlich gekündigt und nur 1/6 fühlen sich ihrem Unternehmen wirklich verbunden. Der Grund hierfür findet sich in einer fachlichen, organisatorischen und menschlichen Überlastung. Und nachdem in 50 Jahren die Bevölkerung um 10 Mio. Menschen schrumpfen, und es 6 Mio. mehr ältere Menschen (60+) geben soll, werden wir länger arbeiten müssen, als Folge der demographischen Entwicklung. Ein Grund mehr, langfristig gut arbeiten zu können. Motiviert, gesund und zufrieden arbeiten sieht für jeden anders aus, und es spielen Verstehbarkeit, Machbarkeit und Sinnhaftigkeit eine wichtige Rolle. Auch der Stressfaktor ist nicht zu übersehen, doch wenn sich Stress und Entspannung in gesundem Maß abwechseln, erhöht sich langfristig die Leistungsfähigkeit. Als Basis einer langfristigen guten Arbeit stehen die Gesundheit sowie ein gutes Stressmanagement.

Klaus Weßing, Gigaset Communications GmbH

Denkfabrik – Design for Manufacturing. Potenzial durch Standardisierung

Technologien wandeln sich und die Planungsgenauigkeit in der Produktion nimmt weiter ab. Ein Grund, warum Plattformstrategien an Bedeutung zunehmen. Eine der Anforderungen an deutsche Industrieunternehmen liegt in der Beherrschung hoher Variantenvielfalt in Produktentwicklung und -fertigung. Auch das Wertschöpfungssystem von Gigaset muss sich einer hohen Marktschwankungsbreite sowie Qualitätsanforderungen aus dem Markt stellen. Daher sind Standards und Plattformen erforderlich, denn Standardisierung sichert Nachhaltigkeit und Erfolg. Das Unternehmen konnte seine Produktvarianz trotz Standardisierung sicherstellen. Design of Manufacturing ermöglicht es, Anforderungen an die Produktion in den frühen Designphasen eines neuen Produktes aufzunehmen und somit frühzeitig richtige Entscheidungen bereits in der Entwicklung zu treffen. Die montagegerechte Gestaltung in den frühen Designphasen wird durch DfM zum Enabler für niedrige Produktionskosten und -zeiten in der Fertigung. Ausgangspunkt für eine erfolgreiche Umsetzung ist die konsequente Standardisierung und Plattformgestaltung, die über Time-to-Market, schnellere Serienanläufe, Lieferantenintegration, Erhöhung der Prozesssicherheit, null Fehler in der Montage sowie Senkung der Herstellkosten zu erreichen sind.

Dr.-Ing. Jan Kostelnik, Würth Elektronik GmbH & Co. KG

Multi-Funktionale Boards (MFB) mit embedded Components

Die Funktions- und Systemintegration bei Leiterplatten steigt zunehmend, da der Trend zur Miniaturisierung in der Elektronik weiter voran schreitet. Insofern gewinnt die effiziente Nutzung der kleiner werdenden Gehäuse mit einer integralen Leiterplattenlösung an Bedeutung. Das Multifunktionale Board (MFB) erfüllt heute bereits mechanische, elektrische, thermische, optische, fluidische sowie induktive Eigenschaften. Das Wärmemanagement übernimmt dabei Twinflex, deren Technologie die elektrischen Leiterfunktionen konsequent von der mechanischen Trägerfunktion trennt. Der Redner stellte Twinflex für eine Hoch-Temperatur Automotive Applikation vor, deren Entwicklung in 1995 startete, und eine hohe Komponenten- und Verdrahtungsdichte sowie einen niedrigen thermischen Widerstand aufweist. Zur Eliminierung von zusätzlichen Kontaktstellen und Verbindungen, sprich Lötstellen, findet sich der Ansatz für Embedding und MFB. Als neue AVT für integrierte Bauelemente wurde die Chip-in-Polymer Technologie vorgestellt, eine gemeinsame Entwicklung mit dem Fraunhofer IZM, Berlin. Ein Paradigmenwechsel bringt neue Entwicklungen hervor wie bspw. das modulare Sensorsystemkonzept mit Selbstausrichtungsmechanismen.

Norbert Bauer, Murata Elektronik GmbH

Herstellung und Verarbeitung von passiven Komponenten

MLCC sind Vielschicht-Keramikkondensatoren, die sich gegenüber allen anderen Kondensatoren durch eine wesentlich kompaktere Bauweise auszeichnen, auch wenn ihr Aufbau normalen Keramik-Kondensatoren entspricht. Chip-ähnlich als SMD-Bauteile strukturiert, können sie aus tausend und mehr extrem dünner Lagen (metallisierte Keramikträger) bestehen, bei Bauhöhen von 2,5 mm. Ihr Kapazitätsbereich liegt im Nano- und Mikrofarad-Bereich bis hinauf zu mehreren hundert Mikrofarad. Die Vielzahl einzelner Keramikkondensatoren ist übereinander geschichtet und über Anschlussflächen in Parallelschaltung gemeinsam kontaktierbar. Auch hier fordert die Miniaturisierung ihren Tribut, so dass voll beherrschbare Prozesse die Kleinsten der Kleinen handeln müssen. Mittels einer 100 % Prüfung sollten Fehler, die bereits zu Beginn der Wertschöpfungskette entstehen, eliminiert werden. Ausführlich diskutiert wurde über die Beständigkeit von MLCC-Chips gegenüber einwirkenden Biegekräfte und Lösungen vom Unternehmen vorgestellt. Zur Verdeutlichung demonstrierte der Redner die kritischen Punkte in der Verarbeitung. Abschließend ging es zum gemeinsamen Embedding von passiven und aktiven Komponenten in einer Leiterplatte, im Zuge dessen eine Innovation des Unternehmens, der embedded RFID tag, vorgestellt wurde.

Bernhard Lange, Texas Instruments Deutschland GmbH

IC Gehäuse – Trend und Einfluss auf die Leiterplatten-Entwicklung

Mehrere IC Chips in einem Gehäuse, System in IC Gehäuse, haben den Vorteil, dass die PCB Komplexität reduziert wird, mehr Funktionen in einem Bauteil möglich sind und sich verschiedene Siliziumprozess-Technologien in einem Gehäuse befinden. Als IC Gehäuse für die Fertigung wurden leadless Bauteile (QFN), BGA-Bauteile mit 0,65 bis 0,3 mm Pitch sowie Bauteile mit großen thermischen Anschlussflächen, vorgestellt. Doch welchen Einfluss hat dies auf die Leiterplattenentwicklung? Die Miniaturisierung des Bauteil-Anschlussabstandes geht einher mit der Notwendigkeit, die Leiterbahnbreiten auf dem PCB zu reduzieren, um ein entsprechendes Layout zu ermöglichen. Die Genauigkeit der Lötstopp-Maskenpositionierung ist kritischer bei BGA / OFN Pads und kleineren Bauteil-Anschlussraster. Der IC-Gehäuse-Leiterplattenabstand ist kleiner geworden, bedingt durch geringeres Lotvolumen. Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Gehäusematerials ist oftmals unterschiedlich als der des Leiterplattenmaterials. Dies führt bei Temperaturwechseln zu mechanischem Stress in der Lötstelle. Bevorzugt anfänglich an den Bauteilecken beginnend, bis die Lotverbindung bricht. Aus Sicht des Redners hängt ein Durchbruch dieser Technologie derzeit noch an der Leiterplatte, deren Dicke extrem wichtig für einen Erfolg ist.

Matthias Haubner, Epcos AG

Tesla meets SMT: Design und Herstellung eines Trafos

Die EHR – Ecore High Robustness Serie, welche u. a. als DC/DC Wandler eingesetzt wird, realisiert verbesserte thermische Robustheit, hat einen kurzen magnetischen Pfad sowie einen großen magentischen Querschnitt. Die thermische Anbindung wird über Ferritoberfläche realisiert, die Arbeitstemperatur liegt bei – 40 bis 150 °C. Der Spulenkörper mit versetzten Pins gilt als AOI optimiertes Design, die User-Pins werden durch „inhouse bending“, umgesetzt. Die Erfolgsfaktoren beim Design und der Herstellung eines Trafos liegen in der Festlegung des fertigungsgerechten Designs in einem sehr frühen Stadium, der Berücksichtigung AVT relevanter Anforderungen im Design, der Kommunikation mit dem Verarbeiter sowie im hohen Maß der Automatisierung. Blickt man auf die AVT, müssen die zunehmend großen Bauelemente in der SMD, der Wärmeeintrag der Lötstellen, die Lötbarkeit und Lötwärmebeständigkeit, AOI bei komplexen Aufbauten berücksichtigt, und über alternative Verarbeitungsprozesse nachgedacht werden.

Kurt-Jürgen Lang, Osram Opto Semiconductors GmbH

LED spezifische Verarbeitungsprozesse in der SMT

Die LED-Produktion teilt sich in Front-end, wo alle Prozessschritte auf Waferebene angewandt werden für gleichzeitig bis zu 100.000 Chips. Beim Back-end-Vorgang erfolgt die Prozessierung in Rolle-Rolle, im Nutzen oder als Einzel-Bauteil. Im Allgemeinen sind alle SMD LEDS kompatibel mit den vorherrschenden SMT Prozessen, so dass bekannte Technologien bei der Bestückung verwendet werden können. Bei der Bestückung muss sichergestellt werden, dass die Bins nicht vermischt werden, was durch eine intelligente Fertigungslogistik realisiert wird. Grundlegende Empfehlungen zum Lotpad, dem Schablonendesign sowie Reflow-Lötprofil können in dem entsprechenden Datenblatt der LEDs gefunden werden. Standard beim Löten ist der Einsatz von Konvektions-Durchlauföfen mit zirkulierender Zwangsumlüftung unter Luft oder bevorzugt Stickstoffatmosphäre. Bei der Entwicklung von Schaltungen gilt der Position und Ausrichtung der LED auf der Leiterplatte besondere Beachtung, denn in deren Abhängigkeit kann die mechanische Belastung der LED variieren. (dj)