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Markierungslaser und Nutzentrenner in Einem

Julia Traut • 7. November 2022

SmartRep und Cicor entwickeln eine vielseitige Laser-Lösung
Aus Traceability-Gründen muss Cicor eine Vielzahl unterschiedlicher Materialien beschriften und suchte dafür eine entsprechende Prozessmaschine. Nach langer Suche wurde das Unternehmen bei SmartRep und LPKF fündig: Ein 15-Watt Laser-Nutzentrenner erfüllt die spezifischen Anforderungen und bietet darüber hinaus viele weitere Vorteile.

Langlebige, klar erkennbare Markierungen auf den unterschiedlichsten Materialien: Auch Beschriftungen sind kein Problem für den CuttingMaster von LPKF

©LPKF

Langlebige, klar erkennbare Markierungen auf den unterschiedlichsten Materialien: Auch Beschriftungen sind kein Problem für den CuttingMaster von LPKF

©LPKF

„Wir haben einen Laser-Nutzentrenner, der zu 90 % Prozent nicht als solcher eingesetzt wird, sondern als Markierungslaser“, sagt Dr. Bernd Schauwecker, Head of Engineering bei Cicor, RHe Microsystems GmbH in Radeberg. Was ungewöhnlich klingt, macht den Prozessingenieur sehr glücklich. Über ein Jahr waren Bernd Schauwecker und sein Team auf der Suche nach einer Prozessmaschine, die den spezifischen Anforderungen gewachsen ist. Denn ein normaler Markierungslaser, das zeigten die Tests und Analysen, erfüllte nicht den Zweck: „Wir haben nicht nur standardmäßig eine Leiterplatte zu beschriften, sondern wir müssen auch Keramiken, Kovar-Gehäuse und Deckel sowie sehr dünne Flex-Leiterplatten beschriften – also eine Vielzahl von unterschiedlichsten Materialien. Wir sind ein Jahr auf der Suche gewesen und haben nichts gefunden, das uns zufriedenstellte.“


Zusammen mit Andreas Keller von der SmartRep GmbH sei dann eine Idee entstanden: Man könnte einen Laser mit nur 15 Watt von LPKF einsetzen. Der Nutzentrenner-Hersteller aus Garbsen bei Hannover bietet Laser-Gravieren bereits als „Add-On“ seiner Nutzentrennsysteme an. Die Software-Voraussetzungen waren also vorhanden, und LPKF erklärte sich bereit, diese auszubauen.


Vakuumtisch für Folienbeschriftung

Eine weitere wichtige System-Voraussetzung war eine Vakuumansaugung: „Das ist bei der Beschriftung von dünnen Folien essentiell wichtig“, so Schauwecker. Da LPKF seine CuttingMaster-Serie dahingehend erweitert hatte, stand der ungewöhnlichen Lösung nichts mehr im Wege.


„Weil Cicor in Radeberg breit aufgestellt ist – von SMD- und Chip-Bestückung, Vakuumlöten, unterschiedlichsten Verkapselungstechnologien bis hin zum Dünn- und Dickdrahtbonden und den Möglichkeiten einer hochgenauen Optik-Fertigung in einer Reinraumumgebung sowie einer Dickschichttechnologie auf Al2O3 und AlN Keramiken – bietet der CuttingMaster noch eine Vielzahl weiterer Anwendungsmöglichkeiten für das Unternehmen“, analysiert Andreas Keller und freut sich über den Mehrwert dieser gemeinsam erarbeiteten Lösung: „Neben der Trennung von flexiblen Leiterplatten werden wir ihn auch benutzen, um einen sogenannten Löt-Stopp-Rahmen zu lasern. Diesen brauchen wir, um Chips beim Löten in der Form zu halten. Damit das Lot nicht irgendwo hinläuft, benutzen wir die Möglichkeit, einen kleinen Graben in das Gehäuse rein zu lasern – als Begrenzung für das Lot“, erklärt Schauwecker. Dabei biete die Software von LPKF mit einer Schwerpunktanalyse eine große Hilfestellung: „Durch die Schwerpunktanalyse bekommen wir diesen Laserrahmen sehr präzise gesetzt, was uns in der weiteren Bearbeitung beim Löten und beim Drahtbonden sehr hilft.“


Qualitätsvorteil: Lasern statt Labels

„Viele unserer Konkurrenten arbeiten klassischerweise mit Labels“, sagt Schauwecker. Cicor in Radeberg baut u.a. komplexe Industrieelektronik: „Wir haben Produkte im Bereich Luft- und Raumfahrt und zunehmend in der Medizintechnik. Da wird bei vielen Anwendungen absolute Traceability gefordert: Wir müssen sicherstellen können, welche Substrate in welche Baugruppe kommen und demzufolge wird es dann auch beschriftet. Labels können abfallen. Das Lasern der Markierung ist dauerhaft und somit der bessere Schritt.“


Ein weiterer Vorteil der Laser-Lösung: auf den Produkten muss nur wenig Platz für ein Label geschaffen werden. „Wir haben Versuche gemacht mit einer Größe von 1,5 x 1,5 Millimeter. Der Laser kann sogar noch wesentlich kleinere Beschriftungen realisieren. Das Problem ist nicht das Realisieren der Beschriftung, sondern das spätere Auslesen“, erklärt der Ingenieur. Das Auslesen solle noch mit einem handelsüblichen Hand-Barcodescanner möglich sein und dieser stoße da eben an seine Grenzen. Die Traceability-Lösung via Gravur ist also nicht nur prozesssicherer, sondern schafft auch Designfreiheit.


Automatisierte Insellösung

Betrieben wird der CuttingMaster 2115P_Ci bei Cicor in Radeberg als automatisierte Insel: Über ein Be- und Entladesystem mit Magazineinheit wird die Leiterplatte in den Markierungslaser gefahren, dort beschriftet und danach wieder ins Magazin zurück gefahren. 

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Die wichtigsten Verfahren sind DPM und Klebeetiketten Eine der bekanntesten Möglichkeiten der Kennzeichnung von Leiterplatten ist die Verwendung von Klebeetiketten (Aufkleber oder auch Labels genannt). Verwendet wird dabei meist ein weißes Trägermaterial, welches vorab mit einer Information in Form eines 1D oder 2D Codes bedruckt wurde. Der nachweisliche Trend der Kennzeichnung geht hin zum DPM-Verfahren. DPM steht hierbei für „Direct Part Marking“. Beim DPM wird die Kennzeichnung dauerhaft auf dem jeweiligen Produkt (Leiterplatte, Baugruppe) aufgebracht. Als DPM-Verfahren hat sich dabei die Laserbeschriftung durchgesetzt. In der Regel kommt dabei ein CO2-Lasersystem zum Einsatz, welches beim Beschriftungsprozess einen Farbumschlag im Lötstoplack erzeugt. Wie wir alle wissen ist nichts wirklich perfekt, so auch hier. Beide Verfahren bringen in ihrer Anwendung und im Hinblick auf den gesamten Produktlebenszyklus entsprechende Vor- und Nachteile mit sich. Wo Licht da auch Schatten: Die Vor- und Nachteile liegen auf der Hand Schauen wir uns mal das Aufbringen von Etiketten näher an. Im ersten Moment und gerade bei kleiner Stückzahl sehen wir oft den Einsatz von Etiketten als eine kostengünstige Lösung. Werden diese von Hand aufgeklebt, müssen wir uns über die Kosten und die Fehlermöglichkeiten sicher Gedanken machen. Daher bringt man heutzutage die Etiketten überwiegend direkt mit dem Bestücker auf. Dies hat zur Folge, dass eine mögliche Datenerfassung erst ab der Mitte des Fertigungsprozesses erfolgt. Alle unsere vorgeschalteten Prozesse werden somit für die spätere wichtige gesamtheitliche Prozessvalidierung nicht erfasst. Wir setzen typisch sog. Labelfeeder ein, die der Bestückungsanlage die Aufkleber wie ein Bauteil zur Verfügung stellen. Dadurch reduzieren wir natürlich den so dringend benötigten Stellplatz auf der Bestückungsanlage um teilweise bis zu sieben Spuren. Dies hat direkte Auswirkungen auf die Rüstungen und könnte im Einzelfall sogar dazu führen, dass wir ein Produkt nicht komplett mit einer Rüstung produzieren können. Zudem erhöhen sich durch das Setzen eines oder mehrerer Etiketten mittels Bestückungsmaschine auch die Taktzeiten, da Etiketten langsamer bestückt werden müssen. Final hat dies Auswirkungen auf unseren gesamten Fertigungsprozess. Die meist vorgedruckten Etiketten müssen bei einem Produktwechsel auch oft umgerüstet werden, da es produktabhängig verschiedene Anforderungen und Einschränkungen gibt. Oftmals ist der Platz auf der jeweiligen Leiterplatte nicht ausreichend vorhanden und so wird lediglich nur ein Barcode auf den Nutzenrand aufgebracht und nicht jeweils auf alle Einzelschaltungen, was nach dem Vereinzelungsprozess zu einer unvollständigen und nicht mehr nachvollziehbaren Prozesskette führt. Eine solche vereinfachte Kennzeichnung deckt zwar manchmal den reinen internen Prozess zur Datenerfassung ab, am Ende müssen wir uns aber alle überlegen, ob dies unserem Anspruch an Qualität und Liefertransparenz gerecht wird. Immer die Konsequenz aus dem Gesamten dabei beachten. Gewisse technische Einschränkungen sind zudem zu überprüfen. Wir wissen, dass Etiketten kleiner 5x5mm nicht mehr prozesssicher platziert und gelesen werden können. Auf kleinen Etiketten ist natürlich auch weniger Inhalt möglich. Um einen Code muss mindestens ein umlaufender Rand von gut 1mm freigehalten werden um ihn später sauber lesen zu können. Besteht der Wunsch oder die Idee die Etiketten bereits vor der SMT Linie auf die Leiterplatte aufzubringen, müssen wir ein paar weitere Faktoren beachten. Einer davon ist der Druckprozess. Man stelle sich vor, dass ein ca. 100µm dickes Etikett auf die Leiterplatte aufgebracht wird. Eine klassische Druckschablone ist i.d.R. ca. 100-130µm dick. Nun trifft die Schablone auf das 100µm dicke Etikett und verursacht so an und um diese Stelle einen erhöhten Absprung. Dieser führt zu einer ungewollt höheren Aufbringung von Lotpaste, was gerade bei FinePitch zu Fehlern führt. Am Ende ist es auch eine Kostenfrage. Die Kosten für Etiketten steigen mit zunehmender Menge und Varianten. Zudem bedarf es hitzebeständiger und teurer Etiketten (sog. Kapton-Material) für einen prozesssicheren Einsatz im Lötprozess. Nur diese halten einen teilweise zweimaligen Durchlauf durch den Lötofen aus. Eine langfristige Berechnung über die Stückzahlen sollte hier immer vorgenommen werden, um so andere Verfahren wie die Laserbeschriftung auch in Betracht zu ziehen. Ein klarer Vorteil von Aufklebern ist dabei das sehr gute Kontrastverhältnis. Auf ein weißes Etikett wird ein schwarzer Inhalt gedruckt. Auch bei einem späteren Beschichtungsverfahren (Bsp. Schutzlackierung) der Baugruppe kann meist der Inhalt noch sehr gut gelesen werden. Der wichtigste Faktor aber ist, Etiketten können abfallen und somit verlieren Sie alle Informationen. Kommen wir zum DPM-Verfahren und schauen uns dabei die Laserbeschriftung genauer an. Die Laserbeschriftung kommt am Anfang einer SMT Fertigung zum Einsatz. Meist als inlinefähige Anlage direkt in der SMT Linie vor dem Drucker oder als autarke automatisierte „Beschriftungsinsel“ vor der Linie oder bereits im Wareneingang. Die Taktzeiten pro Beschriftung sind sehr kurz. Die Qualität der Beschriftung wird im System gleich nach dem Aufbringen überprüft. Neben dem hohen Durchsatz steht auch die Flexibilität der Kennzeichnung im Fokus einer modernen Laserbeschriftungsanlage. Der Inhalt kann frei definiert und zur Kennzeichnung entsprechend produktspezifisch ausgeführt werden. In der Größe der Kennzeichnung und dem Inhalt sind Sie praktisch frei und so ist eine individuelle Kennzeichnung je nach verfügbarem Platz auf der Leiterplatte umsetzbar. Definitiv verbleibt die Kennzeichnung dauerhaft auf der Leiterplatte und kann nur mechanisch zerstört werden. So sind Sie für alle Fälle auf der sicheren Seite.
von Stefanie Marszalkowski 13. Januar 2021
Die LPKF Laser & Electronics AG blickt zurück auf ein Jahr erfolgreicher Zusammenarbeit mit der SmartRep GmbH: Seit 2019 ist SmartRep exklusiver Partner für die LPKF-Lasernutzentrennsysteme in der D-A-CH Region. SmartRep konnte bereits zahlreiche Anfragen generieren und mehrere Projekte erfolgreich abschließen. Vor allem der Schweizer EMS-Markt zeigte großes Interesse an der Lasernutzentrenntechnologie. „SmartRep hat sich mit seiner langjährigen Erfahrung und guter Branchenkenntnis als die richtige Wahl für einen Vertriebspartner erwiesen“, sagt Thorne Lietz, Senior Sales Manager bei LPKF.
Smarte SMD-Lagerlösungen bei Deltec
von Dr. Julia Traut 17. November 2020
Keine Suchzeiten für Bauteilrollen, geringer Platzaufwand, einfache Bedienung – so lassen sich die Vorteile kurz zusammenfassen, die DELTEC Automotive durch die Umstellung des Lagers für Highrunner-Produkte auf die smarten Regale von INOVAXE erreichte.
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