Zusammenarbeit an integrierten Linien- und Fertigungslösungen

Automatisierte Optimierung von Druckprozessen

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Der Schablonendruck ist in der SMT Prozesskette nach wie vor die häufigste Ursache für Fehler und reduzierte Durchsatzraten. In der künftigen, smarten Elektronikfertigung sollen innovative Technologien wie Expertensysteme den Druckprozess kontrollieren und permanent optimieren. Erste Praxiseinsätze wie beim niederländischen LED-Spezialisten RENA Electronica zeigen das große Potenzial dieser neuartigen Systeme.

Unsere Analysen haben gezeigt, dass weit über 70 % aller Fehler in der SMT ihre Quelle im Druckprozess haben. In den ersten Produktionsläufen von neuen Produkten oder bei Prototypenfertigungen liegen diese Zahlen sogar noch höher. Damit war uns klar: Den größten Hebel auf Produktivität und Effizienz der gesamten Linie haben wir, wenn wir beim Druckprozess ansetzen“, so Ralf Maas, SMT Process Engineer bei RENA Electronica.

Der LED-Spezialist wurde vor über 35 Jahren gegründet und als Familienunternehmen geführt. In den letzten Jahren legte man das Management schrittweise in die Hände eines neuen Management-Teams, modernisierte Fertigung und Vertrieb und expandierte mit hochwertigen, entwicklungsintensiven Produkten sehr erfolgreich in neue Märkte.

Sprung zur Smart Factory

„Um eine hochqualitative, schnelle und flexible SMT-Abteilung zu etablieren und das Umsatzwachstum voranzutreiben, entschieden wir uns, in eine neue SMT-Linie zu investieren. Wir sind fest überzeugt, dass operative Exzellenz in einem High-Mix-Low-Volume-Markt nur dann erreicht werden kann, wenn wir neben dem besten Equipment auch über das beste Personal und die besten Workflows verfügen. Mit dem ASM-Equipment und der ASM-Software legen wir den Grundstein für eine smarte SMT Fertigung“, sagt Jochem Winkelman, General Manager von RENA.

Heute ist RENA Mitglied im SMT Smart Network, ein informelles Kompetenznetzwerk von innovativen Unternehmen aus aller Welt, den SMT-Lösungsanbieter ASM organisiert und vorantreibt. Im SMT Smart Network finden sich große und kleine Unternehmen, die ihre Fertigungen schrittweise aber gezielt in Richtung Smart SMT Factory entwickeln wollen. Dabei wollen sie im Netzwerk von den Erfahrungen anderer Unternehmen profitieren. „Bei Industrie 4.0 dreht sich alles um Information und Wissen und darum, dieses Wissen zur rechten Zeit zur Verfügung zu haben. Informationen zu teilen ist für uns ebenfalls ein wesentlicher Zug von Industrie 4.0. Zunächst vor allem in unserem Unternehmen, aber auch über seine Grenzen hinaus. Deshalb investieren wir auch nicht länger in einzelne Maschinen und Fertigungsinseln. Wir suchen nach integrierten Lösungen für die SMT-Linie und die gesamte Fertigung, und investieren in ein Netzwerk von Experten und Partnerschaften“, erklärt Jochem Winkelman.

Umfangreiche Prozessoptimierungen

Die Zusammenarbeit beider Unternehmen begann vor etwas mehr als zwei Jahren. Die Niederländer investierten in eine flexible SMT-Linie mit Siplace SX Bestückautomaten und DEK Drucker. Besonderes Augenmerk wurde auf die Kontrolle des Druckprozesses gelegt. Dabei wollte Winkelman ganz gezielt über die klassischen Technologien wie eine Closed-Loop-Kontrolle durch SPI-Systeme (Solder Paste Inspection) hinausgehen: „Natürlich verfügen wir an der Linie über echte Experten, die Druck- und Bestückparameter zuverlässig bestimmen können. Aber das kostet Zeit und bleibt fehleranfällig – zumal in unserem Drei-Schicht-Betrieb nicht immer alle Experten vor Ort sein können. Traditionelle Closed-Loop-Systeme kontrollieren lediglich die manuellen Voreinstellungen, warnen bei Toleranz-
überschreitungen und steuern dagegen. Wir aber wollten mehr und intelligentere Unterstützung– insbesondere im Bereich NPI.“ Und so wurde RENA einer der ersten europäischen Anwender von ASM ProcessExpert, dem ersten Inline-Expertensystem für die SMT-Fertigung.

Ein innovatives SPI-System …

ASM ProcessExpert ähnelt in der ersten seiner beiden Grundkomponenten – der ASM ProcessLens – zunächst einmal klassischen SPI-Systeme. So kombiniert ASM ProcessLens optische 2D- und 3D-Messverfahren, um die Qualität der aufgebrachten Lotpastendepots zuverlässig zu prüfen. Wie in vielen modernen Highend-SPI-Systemen wird auch hier mit dem Moiré-Streifenprojektionsverfahren gearbeitet. Aber dann beginnen die Besonderheiten: In ASM ProcessLens werden die Lichtstreifen von einem Chip mit 8 Millionen Mikrospiegeln projiziert – und jeder dieser Spiegel ist elektronisch exakt steuerbar. So arbeitet der von ASM adaptierte Digital Light Projector (DLP) fehlerfrei und deutlich präziser, flexibler und schneller als herkömmliche 3D-SPI-Systeme mit Piezo-Elementen. Die von der Kamera aufgezeichneten Lichtreflektionen an den Lotpastendepots erlauben eine präzise Visualisierung und Messung der Druckqualität.

….. und eine Datenbank, die nicht vergisst und immer weiter lernt

Die zweite Komponente von ASM ProcessExpert ist ASM Process-
Engine. Eine Software mit moderner Datenbank, die nicht nur alle ASM ProcessLens-Messdaten speichert, sondern umfangreiche Analysen voneinander abhängiger Daten erlaubt. Klingt kompliziert, ist aber im Kern das, was jeder Druckexperte und Operator kennt: Das Druckergebnis hängt vom harmonischen Zusammenspiel vieler Faktoren ab, wie Lotpastentyp, Aperturen, Bauteile, Verschmutzungsgrad, Temperatur, Rakeldruck, Schablonenaufspannung, Tooling-Unterstützung der Leiterplatte und viele mehr.

Um diese Druckparameter zu finden und abzustimmen, unternehmen Anwender beim Einfahren neuer Produkte zunächst Versuche – nach dem Prinzip Trial & Error. Auch ASM ProcessEngine macht solche Versuche. Der Unterschied: Das System, als Computer sehr gut geeignet für multivariate Analysen, braucht nur wenige Versuche – basierend auf einem statistischem Modell werden zeitgleich diverse Druckparameter variiert und erprobt um schnell, zuverlässig und systematisch so genannte Fractional Experiments durchzuführen. Das Ergebnis ist ein aussagekräftiger Vorschlag zur Optimierung.

Ein weiterer großer Vorteil: Das ASM-Expertensystem kann virtuell drucken. In der Funktion DFM Health Check werden die Gerberdaten der neuen Produkte geladen und ASM ProcessEngine findet über virtuelle Drucke die Prozess- und Druckparameter für einen stabilen Druck oder weist auf Bereiche im Design der Leiterplatte hin, die für einen zuverlässigen Druck verändert werden sollten.

„Für die Workflows in unserer Fertigung mit ihren kleinen Losgrößen und sehr häufigen Prototypen-Fertigungen und Produktneueinführungen bietet das Expertensystem enorme Vorteile. Wir können unsere Designs im DFM-Health-Check offline testen – schon bevor die erste Leiterplatte und Schablone überhaupt produziert ist, ohne jede Belastung der Linien. ASM ProcessExpert ermittelt für uns über den virtuellen Druck die richtigen Prozess- und Druckparameter und wir gehen immer mit einem machbaren Druckprozess an den Start – ab der ersten Leiterplatte und ohne zeitraubende Versuche, die Ausschuss erzeugen“, fasst Ralf Maas seine Erfahrungen zusammen.

Mehr als nur Closed Loop

Auch in der laufenden Fertigung bietet das Inline-Expertensystem mehr als klassische Closed-Loop-Systeme. So übernimmt das System – auf Wunsch bzw. auf Einstellung der Anwender – die autonome Kontrolle über den DEK Drucker. So wird der Druckversatz beispielsweise vollautomatisch korrigiert.

Bei der Messung der Druckqualität wird aber systemintern nicht nur zwischen „good“ und „no good“ unterschieden, sondern das System erkennt und korrigiert bereits „schleichende“ Qualitätsveränderungen und greift korrigierend ein – bevor Ausschuss produziert wird. Am sichtbarsten wird diese fortlaufende Optimierung bei der Unterseitenreinigung. ASM ProcessExpert beginnt mit dem voreingestellten oder durch DFM Health Check vorgeschlagenen Reinigungszyklus. Danach aber werden Verschmutzungsgrad und Druckqualität fortlaufend gemessen. Das Ergebnis: Je nach Ergebnis werden die Intervalle bei der Unterseitenreinigung flexibel und automatisch verkürzt oder verlängert. „So können wir mit einem konservativen Reinigungsintervall starten und wissen, ASM ProcessExpert optimiert das Reinigungsintervall zuverlässig auf maximale Linienproduktivität – ohne Kompromisse bei der Qualität“, so Maas.

Deutliche Sprünge bei Produktivität und Durchsatz

Gemeinsam mit ASM durchforstet RENA die Prozesse an und im Umfeld der Linie und sucht gezielt Optimierungspotenziale, die mit smarten Lösungen und veränderten, optimierten Prozessen gehoben werden können. Der Durchsatz im LED-Bereich hat sich durch die neue Linie und die Prozesse verfünffacht und das Unternehmen hat das bei seinen LED Lösungen extrem komplexe Binning- und Leuchtklassenmanagement über ein smartes Materialmanagement in den Griff bekommen. Den größten Effekt auf die Geschwindigkeit und Effizienz von NPI-Prozessen sowie die Qualität und Durchsatzraten aber hat die Arbeit mit ASM Process Expert. Der Preparation-Workflow mit Offline-Teaching, Offline-Programming, virtueller Bestückung und DFM HealthCheck wurde gemeinsam optimiert. Produktneueinführungen, die früher mit Fehlerraten bis zu 30 % (auf Bauteilbasis gerechnet) starteten, beginnen dank intelligenter Unterstützung nun mit Durchsatzraten von 99 % und besser.

productronica, Stand A3.377 + A2.361

www.siplace.com; www.rena-electronica.com

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