Prozesse auf dem Prüfstand

Die Veranstalter ASM Assembly Systems, Asys Group, Balver Zinn, Christian Koenen, kolb Cleaning Technology, Rehm Thermal Systems und Zevac luden unter dem Motto „Validierung von Prozessen“ das 19. Mal zum EE-Kolleg ein und boten erneut eine informative Plattform für die Elektronikbranche.

Prof. Dr.-Ing. habil. Thomas Zerna, Technische Universität Dresden, Institut für Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik

Charakterisierungsmethoden für die Prozessvalidierung in der Elektronikfertigung

Einführend ging es um die Begriffserklärung der Prozessvalidierung inklusive Bezugnahme zur Elektronikproduktion. So beinhaltet die Prozessvalidierung den wissenschaftlich fundierten Nachweis bei der Entwicklung und Durchführung eines Prozesses, dass dieser unter Voraussetzung definierter Eingangsgrößen, Umgebungsbedingungen und Prozessparameter inklusive korrekter Eingangsdaten qualitätsgerechte Produkte hervorbringt, bei gleichzeitiger Einhaltung zuvor spezifizierter Mengen und Eigenschaften der entstehenden Neben- und Abfallprodukte sowie der Energiebilanz. Der Prozess muss in seiner Gesamtheit betrachtet: Bereits beim Entwurf ist der Prozess auf gegebene Eingangsgrößen anzupassen, um gewollte Ausgangsgrößen zu erhalten. In der Produktion sollten Eingangsgrößen, Prozessparameter und Ausgangsgrößen überwacht, und Trends rechtzeitig erkannt und gegebenenfalls eingegriffen werden. Dazu sind Mess- und Charakterisierungsmethoden u.a. zur Bewertung von Prozess- und Produkteigenschaften, klare Vorgaben für Akzeptanzkriterien von Materialien, Komponenten, Prozessparametern sowie fundierte Kenntnisse über Ursache-Wirkungs-Beziehungen, nötig. Mit praktischen Beispielen zur Anwendung der Röntgenradiografie, Computertomografie zur Überprüfung verdeckter Strukturen, Ultraschallmikroskopie als Qualitätssicherung bei der Herstellung spezieller Wafer oder Thermomoire-Messung zur prozessbezogenen Wareneingangskontrolle, wurde das Thema veranschaulicht und vertieft.

Alois Mahr, Zollner Elektronik AG

Schrauben – Eine einfache Verbindungstechnik?

Am Beispiel Leistungselektronik BMW i3/i8 wurden die kritischen Komponenten mit ihren Anforderungen an die Dichtigkeit sowie TecSa beim Schraubprozess dargestellt. Über 200 Schraubstellen verschiedenster Art bei mechanischen Bauteilen, elektronischen Baugruppen sowie Stromanbindungen liegen vor, welche eine aktive Überwachung des Schraubvorgangs fordern. So ist bereits bei der Produktgestaltung auf die Anordnung, Erreichbarkeit und Ausprägung der Schraubstellen zu achten. Zur Realisierung der Anforderungen ist ein komplexes Schraubsystem inklusive abgestimmter Software notwendig, was anhand eines Multi- und Einzelschraubsystems verdeutlicht wurde. Grundlage zur gezielten Prozessoptimierung ist die intelligente Auswertung der gesammelten Daten mittels Datenaufbereitungssoftware. Entscheidender Faktor hierfür stellt die Verknüpfung und intelligente Auswertung dieser Daten dar. Da eine Schraube sehr komplex sein kann sollte zur gesamtheitlichen Realisierung die Produkt- und Prozessentwicklung Hand in Hand zur Sicherung einer optimalen und nachhaltigen Serienproduktion gehen. Bei bestimmten Beschraubungen besteht die Möglichkeit, einmal nachzuschrauben.

Dr.-Ing. Thomas Ahrens, Trainalytics GmbH

Warum jammern alle über die Leiterplattenqualität?

Durch die Reduzierung der Strukturgrößen und Erhöhung der Packungsdichte steigen die Anforderungen an Leiterplatten und Baugruppen. Um Baugruppen in geforderter Qualität mit hoher Zuverlässigkeit herstellen zu können, muss die Produktbeschaffenheit den Anforderungen entsprechen, da die Folgen minderwertigen Materials einen Ausfall der Baugruppe bedeuten kann. Aufgrund des schnellen technischen Fortschritts sind Normen und Richtlinien eine wichtige Unterstützung in der gesamten Wertschöpfungskette eines Baugruppenherstellers zur Sicherstellung einer qualitätshohen Fertigung. IPC J-STD-001 als einziger weltweit anerkannter Industriestandard für Lötmaterialien und -prozesse ist die Basis zum Verständnis der gesamten Prozess- und Qualitätsnormen des IPC. Er bindet nicht nur die Anforderungen an Material und Vorprodukte mit ein, sondern durch das Requirement Flowdown auch die Leiterplatten. Die beiden Richtlinien IPC-A-600 (Abnahmekriterien für Leiterplatten) und IPC-6012 (Qualifikation und Leistungsspezifikation für starre Leiterplatten) bilden die Basis für die Prüfung und Qualitätsbewertung von Leiterplatten um eine qualitätshohe Fertigung zu erhalten. Da Folgekosten für Materialfehler nicht planbar sind, sollte der Wert solch Eingangsprüfung klar erkennbar sein. Insofern heißt es: Nicht jammern, sondern proaktiv handeln.

Björn Jereczek, NXP Semiconductors Germany GmbH

EMV-gerechtes Leiterplattendesign

Hauptdarsteller dieser Präsentation war eine Funkmaus, ein Projekt, dessen Probleme im Leiterplattendesign, in der Bestückung sowie im Testprozess zeitkritisch zu lösen sein sollten. Die Ursachen für die Schwierigkeiten waren in einer lieblosen Platzierung der Bauteile zu finden, was wiederum zu ineffektiven Kondensatoren, durchtrennten Leiterbahnen sowie einer zu langen Antennenverbindung führte. Die Herausforderung konnte nur durch eine vollkommen neue Bauteilplatzierung und Layout, einer vernünftigen Spannungsversorgung sowie einem möglichst homogenen Antennendesign gelöst werden. Das Ergebnis brachte Qualität und Unversehrtheit der digitalen Datenströme, sprich Signalintegrität. Das neue Design zeigte im Vergleich zum alten starke Verbesserungen mit einer Zunahme von ca. 28dB sowie über 2,5 cm mehr Platz für den Betrieb des Kartenlesers. Oben drauf war noch eine Kostenreduktion durch die Platzierung der Komponenten auf der Oberseite zu verbuchen.

Werner Fink, Elmeric GmbH

Gedruckte Elektronik – Anforderungen und Prozesse

Die gedruckte Elektronik ermöglicht eine Herstellung der Elektronik-Bauteile mit teilweise völlig neuen Eigenschaften. Das Drucken organischer Elektronik birgt als kostengünstiges Massenherstellungsverfahren enormes Einsparpotential und realisiert eine weitreichende Marktdurchdringung. So werden im Anwendungsbeispiel Bedienerblenden mit vielen Touch-Elementen in einem Druckvorgang beliebig viele Touch-Übertragungselemente gedruckt, die elektrisch leitend sind und durch ihre Elastizität Toleranzen zur Frontscheibe ausgleichen. Mittels Siebdruckprozess im Nutzen werden das Material der Einzelelemente sowie Bestück- und Klebeprozess überflüssig. Als Bindeglied zwischen Drucktechnik und Elektrochemie ist das Unternehmen u.a. in der Lage, durch anforderungsspezifische Materialauswahl und Prozessentwicklung druckfähige Elektrodenmaterialien zu entwickeln, Prototypen gedruckter Batterien herzustellen oder die Batterieperformance an die Applikationsanforderung anzupassen. Vorgestellt wurden gedruckte Energiespeicher und Antennensysteme sowie die Funktionsintegration auf Kunststoff mit ihren Design-, Kosten- und Funktionsvorteilen.

Dr. Frank Wenzhöfer, Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung

Meeresforschung – Messsysteme und -elektronik unter Druck

Die Erdoberfläche hat eine Ausdehnung von 510 Mio. km², 70 % davon bedecken Meere. Um Klimawandel und Umweltveränderungen unseres Planeten besser zu verstehen und die Folgen für den Menschen abschätzen zu können, unternehmen Wissenschaftler Expeditionen in betroffene Regionen der Erde. Dabei müssen gerade Messinstrumente für die Tiefseeforschung einiges aushalten können wie z.B. Korrosion, was zu einer Beeinträchtigung der Funktion eines Bauteils oder Systems führen kann. Daneben wird in tiefen Gewässern ein unglaublicher Druck ausgeübt, so dass die Notwendigkeit besteht, druckneutrale Systeme zu verwenden, um die vielen verschiedenen Lebensräume in der Tiefsee vermessen zu können. Die Systeme werden inhouse entwickelt und hergestellt.

So auch der autonom und kabellos operierende AWI Crawler Tramper, der für ein Jahr am Meeresboden verbleibend, wöchentlich Sauerstoffprofile im Meeresboden messen soll. Dazu musste eine technische Lösung her, die ein vollkommen eigenständiges Agieren der robotischen Plattform während ihres Einsatzes am Meeresboden garantiert und sich möglichst störungsarm auf dem weichen Tiefseeboden bewegen konnte. Während des Einsatzes soll Tramper wiederholt eigenständig und ohne Fernsteuerung eine kurze Strecke fahren, die Messstelle fotografieren sowie Sauerstoffprofilmessungen durchführen. Aufgrund des Langzeiteinsatzes lag der Fokus bei der Entwicklung auf ein höchst sparsames und intelligentes Energie-Managementsystem, was erfolgreich umgesetzt wurde.

Dipl.-Phys. Josef E. Denzel, Airbus Defence and Space GmbH

Compliance-Prozesse im produktbezogenen Umweltschutz

Die Anforderungen an umweltgerechtes Verhalten und umweltgerechte Gestaltung von Produkten sind in den vergangenen Jahren stark gestiegen. Zu den betrieblichen Aspekten zählen z. B. die kompletten Emissionen, Hilfsstoffe und Verbrauchskennzahlen, während die produktspezifischen Aspekte die stoffliche Zusammensetzung des Produktes, den Ressourcenverbrauch beim Betrieb, die Abfallbelastung bzw. Recycling am Ende des Lebenszyklus sowie die potenziellen Gefahren beim Produkttransport beinhalten. Die anwachsenden globalen Regulierungen erfordern eine regelmäßige Analyse, die Auswirkungen sind dann mit Risk- und Opportunity-Management im Unternehmen zu erfassen. Daten zur Compliance-Analyse bedürfen Standards und effizienter IT-Lösungen für einen fehlerfreien Austausch in den Lieferketten. Dabei muss das angesammelte Wissen um Gefahrstoffe stärker in das umweltgerechte Design neuer Produkte einfließen. Ein Schlüsselfaktor zur Absicherung der Produkt-Compliance liegt in der unternehmensinternen Kommunikation in Verbindung mit einer interdisziplinären Zusammenarbeit.

Michael Schlegel, Smyczek GmbH

Traceability mit Bordmitteln oder auch: Wichtiger Schritt auf dem Weg zu Industrie 4.0

Traceability dient der Erfüllung von Normen und Vorgaben, einer eindeutigen Dokumentation aller relevanten Daten inklusive lückenloser Rückverfolgbarkeit mit Vergangenheitsbezug. Industrie 4.0 dagegen zur Vernetzung und komplexen Steuerung in Echtzeit, insofern mit Gegenwartsbezug. Die Einführung sollte u.a. Bauteil- und Prozessprobleme eingrenzen, Bauteilfehlern auf die Spur kommen und Rückrufmengen minimieren. Dass nicht immer ein MES-System für eine vollständige Material- und Prozess-Traceability notwendig ist, konnte man durch die Implementierung von „Bordmittel“ in Kombination mit ERP beweisen. Dadurch ergab sich der Vorteil geringerer Investitionen, eine Steigerung der Komplexität der Recherchen sowie eine optimale Darstellung der verschiedenen Gewerke auf Grund der Verwendung spezifischer Systeme, die Prozessverriegelung war einfach möglich. Die Sekundärnutzung der Daten zum Line-Monitoring ist realisierbar. Als nachteilig erwiesen sich die in der Regel zweistufige Recherchen mit Grobsuche im Zentralsystem sowie eine Detailsuche im „Bordmittel“.

Esra Daniel Stoll, Basler AG

Datenbanken – Wer überwacht die Überwacher?

Heute werden von jedem Unternehmen Daten gesammelt und ausgewertet. Es reicht nicht mehr aus, ein paar Tabellen und Beziehungen zu erstellen, sondern es werden komplexe Unternehmensabläufe in Datenbanken abgebildet. Insofern sind Datenbanken der Dreh- und Angelpunkt jeder unternehmerischen Tätigkeit. Alle wichtigen Informationen sind dort abgelegt und sollten nicht nur korrekt, sondern zudem sicher sein. Der Tipp des Redners dazu: Automatisch gesammelten Daten sollten zunächst misstraut und diese kritisch bewertet werden, denn Vertrauen muss, wie zwischen Menschen, erst verdient werden. Mit Testszenarien, manuellen Prüfungen bzw. teilautomatisierten Skripts ist die Richtigkeit und Vollständigkeit der Daten prüfbar. Jedoch besteht das Risiko neuer Bugs in der Datenerfassung mit jedem Software- Update, insofern hieß es testen, testen, testen.

Thorsten Schmidt, Hella KGaA Hueck & Co

Einpresstechnik in Cu/OSP-Oberflächen – eine Variante mit Zukunft

Die Einpresstechnologie ist eine etablierte Verbindungstechnik in allen Automotive-Einbauorten mit über 10 Jahren Felderfahrung. Die Bildung eines Industriearbeitskreises sollte eine Technologiefreigabe für die Werkstoffkombination Einpresstechnik in OSP (Organic Surface Passivation) erwirken. Die Bewertung erfolgte durch optische Analyse auf Basis IPC-A-610E und IEC 60352–5, einer elektrischen Prüfung auf Basis IEC 60352–5, einer mechanischen Prüfung sowie der metallografischen Analyse auf Basis IEC 60352–5. Die Untersuchungsergebnisse ergaben, dass die Umweltuntersuchungen, basierend auf den OEM-Anforderungen, bestanden, die Pin-Oberflächen signifikanten Einfluss auf die Einpresskraft zeigten und sich keine Auffälligkeiten oder neue Fehlerbilder bei der optischen Inspektion ergaben. Im Vergleich zu chemisch Sn waren größere Leiterplattendeformationen und geringere Haltekräfte zu bemerken und trotz der in Querschliffen vereinzelten lokalen Kupferdicken  8 µm ergab sich eine ausreichende Zuverlässigkeit nach Umwelterprobungen, so dass die untersuchten OSP-Typen für Einpresstechnik als gleichermaßen geeignet galten. Ergebnis: OSP-Oberflächen können nach projekt- oder applikationsspezifischer Verifikation in Pilotprojekten genutzt werden, die Basis für einen zukünftigen Serieneinsatz der Leiterplattenoberfläche OSP in Verbindung mit der Einpresstechnik ist geschaffen.

Karl Weinhold, feno GmbH

LED anschaulich – wenn weiß nicht gleich weiß ist

Bei der Produktion von LED-Chips kommt es innerhalb unterschiedlicher Fertigungschargen stets zu Abweichungen. Damit eine konstante Lichtqualität mit gleichem Helligkeitsniveau und einheitlicher Lichtfarbe gewährleistet ist, müssen die LEDs einer Charge bei der Bestückung mittels intelligenter Fertigungslogistik sortiert werden. Sie werden in Bins eingeteilt, ein Binning-Prozess ist speziell bei weißen LEDs von großer Bedeutung. Heute werden LEDS nach der AINSI-Norm klassifiziert, welche Farbwertabweichungen mithilfe der MacAdams-Ellipsen definiert, die die Farbabstände auf den XY-Koordinaten beschreiben. Jedoch können LED-Farben dann gemischt werden, wenn die Einzel-LED nicht sichtbar ist. Die Empfehlungen für die Praxis lautet, kritische Punkte bei Full Distribution nicht aus den Augen zu verlieren und die Reproduzierbarkeit von einzelnen Bins zu hinterfragen sowie zu dokumentieren. Die verschiedenen Lösungsansätze der Hersteller sollten evaluiert, und von den Distributoren die Bins gesammelt werden. (dj)