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Prozessverbesserungen durch 3D SPI

Julia Traut • 7. Juli 2023

KEBA in Lahnau nutzt SPI und AOI-Systeme von Koh Young für seine zwei SMT-Linien. Neben der erwarteten Kontrollfunktion überraschte SMT-Leiter Stefan Bittner, was er durch die SPI-Messergebnisse alles über den Schablonendruck und das Leiterplatten-Design lernen sollte. Im Interview beantwortet er uns 6 Fragen rund um die Systeme.

Bediener am Koh Young AOI bei KEBA Lahnau. ©KEBA

Inspektionsprogramme werden zwischen den KEBA-Standorten Linz und Lahnau ausgetauscht ©KEBA

KEBA fertigt Eigenprodukte. Sie arbeiten also eng mit der Entwicklung zusammen. Welche Erkenntnisse konnten Sie durch die Einführung eines 3D SPIs seit 2018 gewinnen?

Mir war am Anfang nicht bewusst, dass das SPI so viele Erkenntnisse zum Leiterplattendesign liefern könnte. Zum Beispiel hatten wir hier und da mal Grabsteineffekte. Durch das SPI konnten wir analysieren, dass dies mehr mit dem Design als mit dem Druck zusammenhängt: Der Lötstopplack und die Geometrie der Pads nehmen Einfluss auf die Grabsteinbildung. Wenn beide Pads nicht die gleiche Größe haben oder noch ein dicker Kupferlayer angebunden ist, dann trägt das zur Grabsteinbildung bei.


Bei welchen Bauteilen haben Sie noch genau hingeschaut und die Prozessparameter analysiert?

Zum Beispiel beim Thema BGA; da setzt man oft 03-Pitches zwischen den Balls ein: Wir können nun durch das SPI verifizieren, dass wir eine saubere Pastenhöhe gesetzt haben und es keine Brückenbildungen gibt. Wir konnten dabei im Vorfeld zusammen mit der Entwicklung ziemlich viel verifizieren. Kürzlich haben wir ein neues Produkt mit richtig feinen BGAs produziert und sind jetzt ohne Fehler durch – das hat uns wirklich Zeit gespart.


Warum haben Sie das Koh Young 3D SPI beschafft?

Die Strukturen auf den Leiterplatten werden immer kleiner und es ist weithin bekannt, dass 60 Prozent der Fehler im Druck entstehen. Deswegen war klar: Hier müssen wir investieren, um unseren Prozess zu optimieren. Wir haben deshalb einen Kriterienkatalog aufgesetzt, was für uns wichtig ist, und führende Anbieter am Markt daraufhin getestet.


Was waren wichtige Kriterien für KEBA in Lahnau?

Wir haben eine hohe Produktvarianz: Die Programmierung muss daher schnell und offline möglich sein. Außerdem waren schneller Support und eine gute Ersatzteile-Verfügbarkeit hoch bewertete Kriterien im Benchmark: SmartRep ist nur eine gute Stunde von uns entfernt – da sind Ersatzteile und ein Servicetechniker schnell vor Ort.


2022 folgte ein weiteres SPI und KEBA investierte in zwei AOI-Systeme von Koh Young. Wieder haben Sie sich den kompletten Markt angeschaut. Weshalb sind Sie wieder bei Koh Young gelandet?

Für uns war eine geringe Pseudofehlerrate wichtig. Wir fahren Dreischicht, deswegen stellt sich die Frage: Wie intensiv muss ich die Anlagen betreuen? Durch verschiedene Zugriffslevels, eine einfache Bedienung und die Möglichkeit des Offline-Debuggings können wir unser Personal gut managen. Denn 900 neue Programme müssen erst einmal geschrieben werden. Da hat uns auch die Funktion des Auto-Programmings gefallen.


Welche Synergien ergeben sich dadurch, dass Sie SPI und AOI vom selben Hersteller nutzen?

Gerade läuft bei uns ein größeres Projekt rund um Traceability. Im Zuge dessen werden wir perspektivisch auch die KSMART-Welt zur Verknüpfung und Auswertung der Daten von SPI und AOI nutzen. Außerdem profitieren wir aktuell von der standortübergreifenden Aufstellung des Maschinenparks mit Koh Young-Systemen. Denn KEBA in Linz kann uns bei Kapazitätsspitzen aushelfen, weil wir die Programme einfach übertragen können. Die österreichischen Kollegen hatten sich in einem eigenen Benchmark ebenfalls für Koh Young entschieden. Das erweist sich nun als großer Vorteil, weil wir uns auch wissenstechnisch innerhalb der Unternehmensgruppe austauschen können.

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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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