Patentrezept für die erfolgreiche Fertigung von morgen

Intelligente Automatisierung mit Roboter-Handling

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Die Elektronikfertigung, besonders in Europa, muss sich im Wesentlichen vier Herausforderungen stellen: high mix / low volume; high quality; low cost; und kurze Time to Market. F&S Bondtec stellte auf der SMTconnect 2019 in Nürnberg einen Ansatz vor, der alle Aspekte gleichzeitig gut abdecken kann: eine intelligente Automatisierung mit Roboter-Handling für den Bauteiltransport, aber Fertigungsequipment, das mit niedriger individueller Automatisierung auskommt.

Siegfried Seidl, F&S Bondtec Semiconductor GmbH, Braunau/Inn, Österreich

F&S Bondtec aus Braunau am Inn, bekannt als führender Anbieter von Desktop-Equipment zum Drahtbonden und Testen, zündete ein regelrechtes Feuerwerk an Neuvorstellungen bei der SMTconnect 2019 in Nürnberg. Sie zielen alle auf die Herausforderungen, vor denen die europäische Elektronikindustrie mit ihren Hochlohnstandorten seit Jahren steht:

  • High mix / low volume: Eine große Produktvielfalt für spezifische Kundenanforderungen resultiert in geringen Stückzahlen, also Losgrößen. Eine Lagerhaltung ist kostenintensiv, also unrentabel und auch wegen der oft kurzen Produktlebensdauer nicht darstellbar. Dies ist ein klassisches Problem für Produzenten vor allem in Hochlohn-Ländern.
  • High quality: Nur Produkte mit hoher Wertschöpfung lassen sich in Hochlohnländern profitabel herstellen, daher müssen sie auch hohe Qualitätsanforderungen erfüllen. Das geht typisch nur mit automatischem Equipment, läuft dort aber wieder in das Problem mit schlechten Ausbeuten wegen des Fertigungshochlaufs. Bei kleinen Losgrößen wiegt dieser Aspekt umso schwerer.
  • Low cost: Trotz hoher Wertschöpfung ist man immer unter Druck, die Kosten niedrig zu halten. Die Konkurrenz aus Niedriglohnländern wird zwar auch immer teurer, steigert aber auch die Qualität ständig
  • Time to Market: Neue Produkte und Produktanpassungen versprechen Gewinn. Dazu müssen sie aber schnell produktionsreif entwickelt werden. Das ist nicht unbedingt eine europäische Stärke.

High mix / low volume

F&S Bondtec, sehr erfolgreicher Hersteller von Drahtbondern und Bondtestern aus Braunau in Österreich, fährt seit vielen Jahren bestens mit einer Strategie von extrem flexiblen Drahtbondern, die im mittleren Leistungsbereich vollautomatisch arbeiten können und dabei mit minimaler Automatisierung auskommen. Die Desktop Micro Factory Serie 56XX, mit beinahe 1.000 installierten Geräten auf dem Markt bestens etabliert, lässt sich innerhalb von Minuten durch den Benutzer von Dünndraht-Ball-Wedge-Bonden auf Dickdraht oder dicke Bändchen umrüsten.

Weil sie beliebig viele Bondprogramme komplett abspeichern kann, ist die Maschine sofort wieder einsetzbar, kann also mühelos ein Dutzend unterschiedliche Bauteiltypen am Tag verarbeiten. Für höhere Produktionsvolumina ist das Schwestermodell, die Familie 58XX prädestiniert, die mit der gleichen Philosophie arbeitet. Ein Wechsel zu einem anderen Bauteiltyp braucht üblicherweise nur eine andere Bauteilaufnahme, die innerhalb weniger Minuten montiert ist, aber keinen Umbau einer automatisierten Zulauf- oder Ablaufstrecke.

Die gleiche Philosophie steckt auch in der neu entwickelten Bonderserie 86XX. Hauptunterschied ist der wesentlich größere Arbeitsbereich von 720 x 512 mm in einer robusten und kostengünstigen Portalbauweise. Auch hier lassen sich die Bondköpfe leicht durch den Kunden austauschen oder durch Testköpfe ersetzen; die Maschine kann somit eine enorme Spannbreite unterschiedlichster Bauteile bearbeiten. Die Arbeitsfläche kann z. B. mit einer großen Anzahl kleinerer Bauteile befüllt werden und erfordert daher nur selten einen Bediener. Andererseits lassen sich damit auch riesige Bauteile, wie Batteriemodule in der e-Mobility, prozessieren. Die große Arbeitsfläche ersetzt damit also auch ein Stück weit die automatisierte Bauteil-Zufuhr und -Abfuhr, was wiederum dem raschen Typwechsel zugutekommt.

Die Drahtbonder aller drei Serien 56XX, 58XX und 86XX arbeiten das einmal eingelegte Bauteil komplett automatisch mit gespeicherten Bondprogrammen ab, ganz wie klassische Vollautomaten. Das bedeutet auch, dass die Fertigungsqualität völlig unabhängig von der Bedienperson ist, also auch kleinste Losgrößen problemlos produziert werden.

High quality

Das Thema Bondqualität nimmt im Unternehmen sehr breiten Raum ein. Schon seit Jahren bietet der Hersteller eine Reihe von Testgeräten in verschiedenen Leistungsstufen an. Schon das Einstiegsgerät, der Pulltester LT 101, macht manuelle Bondtests zu sehr günstiger Investition möglich. Die Bedienung ist beeindruckend rasch zu erlernen; trotzdem ist das Gerät voll computergesteuert und kann an Datenbanken angeschlossen werden, um alle Messdaten zu speichern, und es erlaubt automatische Auswertungen. Damit nicht genug, kann man den Messkopf einfach durch eine Mikroskopkamera ersetzen für Inspektionen, Fotos und sogar Messauswertungen mit Hilfe der zusätzlich mitgelieferten Auswertesoftware.

Am anderen Ende der Leistungsskala gibt es vollautomatische Bondtester für Pull- und Schertests, die einige ungewöhnliche Leistungsmerkmale aufweisen. Sie gibt es als Stand-alone-Gerät oder auch als Wechselkopf für die 56XX Familie. Eine patentierte, automatische Winkelkorrektur der Roh-Messwerte nach DVS 2811 und automatisch erstellte Messberichte sind ebenso enthalten. Der Testkopf ist auch auf der Großflächenmaschine 86XX verwendbar.

Jenseits der klassischen Pull- und Schertests bietet das Unternehmen jetzt auch eine völlig neue Technologie für Zuverlässigkeitstests an. Das revolutionäre und patentierte BAMFIT-Verfahren (Bondtec Accelerated Mechanical Fatigue Interconnection Testing) wurde in Zusammenarbeit mit der TU Wien entwickelt, um Lebensdauertests an Leistungsbauelementen drastisch zu beschleunigen. Die konventionellen Power-Cycling-Tests für Dickdrahtbonds sind zwar bewährt und realitätsnah, aber sehr zeitaufwändig und können durchaus Wochen oder sogar Monate in Anspruch nehmen. Das BAMFIT-Verfahren bildet die mechanische Belastung des Drahtbonds nach, die durch die Schaltwechsel und die daraus folgenden Temperaturzyklen verursacht werden. Diese Nachbildung erfolgt durch eine schwingende Klammer, die den Drahtbondfuß in analoger Weise mechanisch belastet, aber mit einer Schwingungsfrequenz von 60 kHz, also 60.000 Mal in der Sekunde, anstatt einer Dauer von mehreren Sekunden pro Zyklus im Power-Cycling-Verfahren.

Der BAMFIT-Test ist somit als halbquantitativer Schnelltest perfekt geeignet, Fertigungsschwankungen oder Prozessvarianten in Minuten statt in Monaten zu beurteilen. Besonders attraktiv daran ist, dass der Testkopf ganz wie die anderen Test- und Bondköpfe auf die Basismaschine 56XX passt und mit weitgehend gleicher Software arbeitet. Er ist einfach zu wechseln, so dass diese neue Technologie ohne Mühe bei vorhandenen Geräten nachrüstbar ist und so eine komplett neue Welt der Qualitätstests eröffnet.

Low cost

Wenn die technologischen Probleme gelöst sind, hat man oft genug mit der Kostenseite zu kämpfen, denn automatisierte Prozesse mögen hochproduktiv und damit kostengünstig sein, aber sie verlangen meist eine riesige Investition in Kapital und – nicht zu vernachlässigen – Zeit. Das Unternehmen setzt hier auf die neuesten technischen Entwicklungen bei Robotern, die sogenannten Cobots, also kollaborative Roboter. Drei Hauptargumente sprechen für sie: kostengünstige Anschaffung und die eingebaute Kollisionsvermeidung; sie können daher ohne Schutzeinhausung gleich neben dem Bediener arbeiten. Und ihre Programmierung könnte nicht einfacher sein: sie werden direkt vom Bediener quasi angelernt, indem der Bediener den Roboterarm führt und der Roboter die gesamte Bewegung abspeichert.

Als Demonstration mit zwei Maschinen, die von einem Roboter versorgt werden, zeigte das Unternehmen in Zusammenarbeit mit der Firma CTS aus Burgkirchen auf der SMTconnect eine Mini-Fertigungsstraße mit einem Drahtbonder 5650. Der wird von einem ABB-Cobot mit kleinen Batteriemodulen bestückt. Nach dem Bonden entnimmt der Cobot die Module und legt sie auf den danebenstehenden Bondtester 5600CS zum nicht-zerstörenden Prüfen der Bondverbindungen. Anschließend legt der Roboter die Module in einem Magazin ab. Der Clou dieser niedrigschwelligen Automatisierung: sie ist beliebig zuschaltbar, der Bediener kann zwischendurch mühelos an die Maschine und andere Bauteile fertigen, falls notwendig. Gerade bei der Neuentwicklung von Bauteilen müssen immer wieder einzelne Musterteile oder Demo-Stück angefertigt werden, die zwingend vom Produktionsequipment stammen müssen. Für eine herkömmliche integrierte Fertigungslinie ist das geradezu ein Alptraum.

Time to Market

Im Blick auf „Time to Market“ ist dieser Ansatz kaum zu überbieten: das Equipment steht quasi immer schon bereit. Bauteilspezifische Anpassungen für andere Produkte (auch in kleinsten Stückzahlen) sind minimal und beschränken sich auf passende Bauteilhalterungen. Die passenden Bondprogramme sind bereits gespeichert und werden ohne Zeitverlust geladen. Nicht zuletzt gibt es auch keine großen Totvolumen von Bauteilen in der Linie.

Das Unternehmen fasst seine Philosophie so zusammen, gerade im Hinblick auf Time to Market: Schlussendlich ist nicht so sehr erfolgsentscheidend, wieviele Bauteile pro Stunde produziert werden. Sondern vielmehr, wie lange es dauert, bis das erste Bauteil aus der Maschine kommt.

www.fsbondtec.at


Foto: F&S Bondtec

 


Foto: F&S Bondtec

Dominik Seidl ist International Sales Manager bei der F&S Bondtec Tech-Equipment GmbH in Braunau am Inn (Österreich).



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