Wie durch Lotpasteninspektion der Druckprozess optimiert wird
Dr. Julia Traut, SmartRep GmbH
Kontrolle – das war in den 2010er Jahren der Hauptgrund, warum SMD-Linien SPI- und AOI-Systeme benötigten. Doch über diese bloße Gatekeeperfunktion sind moderne Inspektionssysteme längst hinaus. War die Prüfung auf unzureichende Padbenetzung bzw. falsche Bauteilplatzierung in den Jahren bis 2020 noch das Hauptkriterium für ihre Integration in SMD-Linien, rückt diese Funktion 2025 in den Hintergrund. Heute geht es darum, den SMD-Prozess prädiktiv zu analysieren und die Ergebnisse in Echtzeit für die automatische Steuerung des Produktionsprozesses zu nutzen: Noch bevor der Prozess aus dem Ruder läuft, noch bevor Fehler entstehen, erkennen moderne Algorithmen die Trends und leiten Gegenmaßnahmen ein.
In diesem Artikel werden anhand von Praxisbeispielen der Druckprozess und seine Optimierungsmöglichkeiten durch die Auswertung von 3D Inspektionsdaten in den Blick genommen. Eine Checkliste gibt Anhaltspunkte, wie durch Erkenntnisse aus 3D-Inspektionsergebnissen und automatisierter Prozesssteuerung der First-Pass-Yield maximiert werden kann.
Zahlen statt Grauwerte
Eine alte SMD-Weisheit: Der Druck ist der anfälligste Schritt im Produktionsprozess. Hier entstehen die meisten Fehler und hier haben sie, wenn unbemerkt, die größten Auswirkungen. Deswegen braucht es die Lotpasteninspektion – so weit, so klar.
Die automatische 2D Inspektion des Lotpastendrucks funktionierte vor allem auf Basis eines Bildvergleichs. Die 3D Inspektion aber wurde zum Game-Changer: Denn nicht nur das Volumen der Padbedruckung wird ermittelt, sondern es werden alle Parameter in Messwerten erfasst: Zahlen statt Grauwerte.
Messwerte haben nun den entscheidenden Vorteil, dass Prozessfenster exakter definiert werden können. Durch Zahlen können Grenzen gesetzt und Automatisierungen eingerichtet werden. Der Game-Changer für die Prozessoptimierung: Zahlen können analysiert, Werte prognostiziert und mit Histogrammen in Bezug gesetzt werden. Durch eine automatisierte Trendanalyse können bereits Gegenmaßnahmen eingeleitet werden, bevor die Grenze überschritten wird. Welche Verbesserungen dies in der Praxis ermöglicht, soll im Folgenden an ein paar Beispielen aus erfolgreichen Koh Young 3D Installationen der SmartRep GmbH erläutert werden.
Gino Waldvogel programmiert bei der RAWE Electronic GmbH ein 3D SPI: „Das Koh Young System ist nicht nur schnell, sondern reduzierte durch die 3D Messtechnik auch den Bedienereingriff: Bei der vorherigen 2D Fehlererkennung war es schwer, zu sehen, ob die bedruckte Fläche eben ist oder ob sich Spitzen bilden. Die Koh Young 3D-Systeme messen hier exakte Volumen-Werte. Das Pastendepot wird automatisch ausgewertet.“ Weil die Pseudofehlerrate gegen Null tendiert, wird das Personal entlastet und es entstehen Freiräume, den Druckprozess genauer unter die Lupe zu nehmen: „Durch die 3D-Auswertung haben wir festgestellt, dass wir unseren Druck optimieren sollten: So konnten wir Ausfällen von ICs vorbeugen, indem wir mehr Lötzinn an die Pins brachten.“
Ähnliche Erfahrungen hat SMT-Teamleiter Patrick Lutter bei Proemion gemacht, wie er nach einer Koh Young SPI Installation berichtete: „Wenn man bei einem 0201-Bauteil einen leicht versetzten Druck hat, – mit dem bloßen Auge ist das kaum sichtbar – hat man dann später im Prozess einen Grabsteineffekt“, nennt er ein Beispiel. An dieser Stelle könne das SPI nicht nur Fehler detektieren, sondern sehr genau den Prozess regeln, „indem es den Druck nachjustiert, so dass wir dann wieder in der Mitte und nicht am Rand des Prozessfensters sind. Damit sinkt das potenzielle Fehlerrisiko für nachfolgende Prozessschritte.“
Außerdem habe er durch die SPI-Daten viel über das Drucksystem gelernt: „Wir mussten leider feststellen, dass die Rakelrichtung Einfluss auf das Ergebnis hat. An den SPI Inspektionsergebnissen kann man für jedes Board sehen, wie es gerakelt wurde, so präzise sind die Messungen der Lotpastendepots“, sagt Lutter. Neben Versatz werden mit dem SPI auch Formfehler geprüft. Daraus konnte das Unternehmen Rückschlüsse für die Schablonen ziehen: „Wir haben den Schablonenrahmen verändert: Wir haben nun einen Rahmen mit höherer Spannkraft, dadurch ist die Schablone stabiler, liegt besser auf und das Druckergebnis ist besser“, erklärt Stefan Vey, der diese hochprofessionelle Prozessanalyse bei Proemion verantwortete – ein absolutes Best-Practice-Beispiel, wie 3D Inspektionsdaten zur Prozessoptimierung genutzt werden können.
Diese Art des Erkenntnisgewinns durch Datenanalyse ist die Kernidee der Koh Young-Technologie und eine der Schlüsselkompetenzen für die Transformation zur SmartFactory. Die kompletten Anwenderberichte und ausführlichen Analysen dazu finden Sie auf www.smatrep.de/referenzen.
Self-Check:
Sie wollen einen Mehrwert aus Ihren SPI-Daten ziehen? Dann hilft Ihnen dieser Fragenkatalog, für einen Self-Check:
- In welcher Form werden SPI Daten ausgegeben?
Moderne SPI-Systeme bieten verschiedene Möglichkeiten des Datenexports an, sodass die SPI Daten in BI-Systeme (Business Intelligence) übertragen werden können. Koh Young geht hier noch einen Schritt weiter und bietet mit KSMART ein SPC-Tool an, das die Datenauswertung live und in Echtzeit mit weltweitem Zugriff via Webbrowser liefert.
- Werden die SPI-Daten grafisch ausgewertet und wichtige KPIs abgefragt?
Damit Sie aus Ihren SPI-Daten schnell Erkenntnisse über den Druckprozess gewinnen können, müssen die Daten auf einen Blick kritische Punkte, Trends und Top5 Fehler anzeigen. Koh Young bietet hier mit seinen KSMART Tools nicht nur übersichtliche Real-Time-Charts, sondern ermöglicht auch das gezielte Eingreifen.
- Welche Maßnahmen leiten sich aus der Datenanalyse ab?
Wenn Leiterplatten vom SPI als „nicht gut“ qualifiziert werden, sollte eine Prozessverriegelung bzw. der Transport in ein „schlecht“-Magazin heute überall Standard sein. Die Frage ist daher: Was passiert, wenn Leiterplatten als „gut“ klassifiziert werden, sich aber eigentlich am Rande des Prozessfensters bewegen?
Die smarte Lösung: Das SPI und der Drucker kommunizieren und regeln sich ohne Bedienereingriff selbst, indem beispielsweise eine Reinigung angestoßen oder die Druckgeschwindigkeit angepasst wird. Koh Young nennt dieses Tool KPO – Koh Young Process Optimizer für den Drucker. Dieses Tool ist mehr als ein Closed Loop zwischen Drucker und SPI. Es ermittelt die optimale Druckereinstellung für neue Produkte und bietet eine Echtzeit-Feinjustierung des Druckers, die zahlreiche Parameter, beispielweise die Viskosität der Lotpaste über die Produktionszeit, berücksichtigt. Auf Basis von fortschrittlichen, diagnostischen Algorithmen wird der Prozess damit permanent nachjustiert und so immer in der Mitte des Prozessfensters gehalten.
Synergien und M2M
Wie die Best-Practice-Beispiele gezeigt haben, bringt die Datenauswertung von Inspektionssystemen enormen Erkenntnisgewinn und ist Auslöser für Prozessoptimierungen. Die nächste Stufe ist nun, diese Datenbasis zur M2M-Steuerung zu nutzen: Auf Basis der SPI Inspektionsdaten wird mit KPO von Koh Young der Druckprozess in Echtzeit feinjustiert.
Was am SPI einen so großen Mehrwert bringt, kann natürlich auch auf das AOI und den Bestück- und Lötprozess adaptiert werden. Durch die Datenzusammenführung von SPI und AOI ergeben sich zusätzliche Synergien in der Prozessanalyse. Inspektionssysteme in SMD-Linien sind also weit mehr als bloße Gatekeeper. Auf Basis ihrer Daten kann prädiktiv der Prozess feinjustiert werden.
Über SmartRep:
Die Firma SmartRep ist ein technisches Vertriebsunternehmen von Hightech-Investitionsgütern für die Elektronikfertigung. Seit über 15 Jahren ist SmartRep Distributor für 3D Inspektionssysteme von Koh Young in Deutschland, Österreich und der Schweiz.