Optimierte Druckprozesse dank enger Lieferantenkooperation
Die Optimierung von Einzelprozessen in der Elektronikfertigung ist eine permanente Herausforderung für EMS- und OEM-Unternehmen. Dabei soll die Bestückung von Bauteilen immer genauer, effizienter und schneller werden. Gerade aber bei der Genauigkeit spielen viele unterschiedliche Parameter eine entscheidende Rolle. Dies gilt besonders für den Lotpastendruck als Eingangsprozess in der Fertigung.
Dabei spielt es keine Rolle, ob ein vollautomatischer oder manueller Drucker eingesetzt wird. „Die ersten Ungenauigkeiten können schon beim Druck der Lotpaste entstehen, die man in den anschliessenden Prozessen nur bedingt korrigieren kann“, weiss Anton Hacklinger, Geschäftsführer der High Q Electronic Service GmbH aus München. Daher ist es nach Aussage von Hacklinger umso wichtiger, schon zum Start der Produktion den Druckprozess so genau wie möglich einzurichten, da bei der Herstellung elektronischer Baugruppen bis zu 64% aller Fehler im ersten Arbeitsschritt verursacht werden.
Gerade die Entwicklung von SPI-Systemen in den vergangenen Jahren verdeutlicht, dass Elektronikfertiger verstärkt auf die Optimierung des Druckprozesses achten. „High Q konzentriert sich auf die Fertigung von Prototypen sowie von kleinen und mittelgroßen Serien. Daher fertigen wir nicht inline, da wir sehr viele Produktwechsel haben. Ein SPI wäre ein zusätzlicher Arbeitsschritt, der die Produktionszeit verlängert. Aus diesem Grund haben wir uns für einen anderen Schritt entschieden“, erklärt Hacklinger.
Die Überlegung dahinter war umso einfacher: Je leistungsfähiger und genauer die Schablone ist, desto weniger Ungenauigkeiten entstehen und desto weniger Nacharbeiten werden verursacht. Hacklinger errechnet, dass ca. 1% der Materialkosten einer elektronischen Baugruppe durch die Druckschablone verursacht wird. Wird allerdings eine zu alte oder qualitativ schlechte Schablone verwendet, hat dies wiederum einen direkten Einfluss auf die Kosten der Nacharbeit. So können sich die Kosten der Nacharbeit auf bis zu 25% der Gesamtkosten belaufen.
„Es ist leider immer noch eine Tatsache, dass eine Vielzahl der in der SMT-Fertigung auftretenden Fehler auf mangelhafte Lötstellen zurückzuführen sind, die ihre Ursachen im Lotpastendruck haben“, stellt Thomas Lehmann, Leiter CAD/CAM Kundenbetreuung der Christian Koenen GmbH fest. Um diese Fehler zu vermeiden, wählte die High Q Electronic Service GmbH Christian Koenen als Lieferant aus. „Wir haben uns schon sehr früh dafür entschieden, mit der Christian Koenen GmbH zusammenzuarbeiten. Diese Zusammenarbeit besteht seit 10 Jahren“, bestätigt Hacklinger, denn der Münchner Bestückungsdienstleister suchte von Beginn an einen Lieferanten, mit dem ein enger Austausch in Bezug auf die Minimierung der Nacharbeit möglich war.
„Dank unserer kontinuierlichen Weiterentwicklung erhalten unsere Kunden einen deutlichen Mehrwert: Die Steigerung der Fertigungsleistung durch Reduktion der Fehlerquoten beim Druck sowie eine deutlich erhöhte Schablonenperformance sprechen für sich“, erklärt Christian Koenen geschäftsführender Gesellschafter der Christian Koenen GmbH. Mehr als zwanzig Parameter wirken sich bereits beim Lotpastendruck auf die Qualität und die Performance der gesamten Elektronikfertigung aus. Dabei spielt es keine Rolle, ob es sich um eine Linien- oder Insel-Produktion handelt. Aus diesem Grund ist ein angepasstes Schablonenlayout in Verbindung mit einem optimalen Auslöseverhalten beim Drucker entscheidend für den Produktionsverlauf.
Die Christian Koenen GmbH eröffnete 2008 das hauseigene Labor für Forschung und Entwicklung, das Application Center. Die technische Einrichtung ermöglicht den Kunden die Auslagerung der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zur Verbesserung der Druckprozesse. Des Weiteren können im Application Center entscheidende Informationen gesammelt werden, um die Schablonen einer kontinuierlichen Weiterentwicklung zu unterziehen. Das dadurch entstandene Expertenwissen rund um den Druckprozess wird allen Kunden zur Verfügung gestellt. „Gerade bei schwierigen Leiterplattenlayouts ist die Prozessberatung für uns wichtig. Denn besonders in solchen Fällen ist die Erfahrung des Lieferanten ausschlaggebend, inwieweit wir einen fehlerfreien Fertigungsprozess starten können“, erklärt Hacklinger.
Eine große Bauteilevielfalt und die Mischung aus großen und kleinen Bauformen, ergeben für die Lotpastenschablone eine hohe Varianz in den Öffnungsgrößen. Eventuell sind dabei unterschiedliche Schablonendicken erforderlich, die dem speziellen Pastenbedarf und der unterschiedlichen Bauteile Rechnung tragen. Genau hier beginnt die Betrachtung der kritischen Punkte, die bei der Definition der richtigen Schablone berücksichtigt werden müssen.
Gerade komplexe Baugruppen mit einem umfangreichen Bauteilespektrum stellen hohe Anforderungen an die Planung und Durchführung des Fertigungsprozesses. Dabei ist es sehr wichtig, im Vorfeld die richtigen Entscheidungen zu treffen, die eine einwandfreie Produktion erlauben. Das beginnt bei den Toleranzen der Leiterplatte, geht über ein stabiles Öffnungslayout der Druckschablone, der richtigen Lotpastenauswahl und endet erst mit dem fehlerfrei gefertigten Produkt.
Besonders anspruchsvoll sind die Lotpastendepots für sehr kleine Bauteile. Hier besteht eine Diskrepanz zwischen dem wirklichen Pastenbedarf der Lötverbindung und der reproduzierbaren Druckbarkeit kleiner Lotpastenmengen. Es gilt die Grundregel: die Öffnungen in der Schablone so groß wie möglich und dabei so klein wie nötig zu dimensionieren, denn große Öffnungen sind leichter druckbar. Somit müssen verschiedene Berechnungen bzgl. des Füllverhaltens der Schablonenöffnungen im Druckprozess, sowie das Auslöseverhalten der Paste als auch die Wahl der richtigen Pastenklasse im Vorfeld durchgeführt werden, um eine Entscheidung treffen zu können, wie die Schablone optimal gefertigt werden kann.
Dabei passen die Experten der Christian Koenen GmbH den Druckprozess anhand der Kundenparameter und der eingesetzten Materialien an, denn die Kombination aus Lotpaste und Drucker ist für die meisten Ungenauigkeiten in der Elektronikfertigung verantwortlich. Dabei spielen verschiedene Parameter eine Rolle, wie die Druckqualität der Lotpaste, die eingesetzte Hardware, die Druckparameter, das Know-how des Maschinenbedieners sowie das Produktionsumfeld. Hinzu kommen häufige Fehlerquellen wie qualitativ schlechte Leiterplatten, Leiterplattenverzug außerhalb der Toleranzen, zu enge Layouts auf Grund einer immer weiter fortschreitenden Miniaturisierung sowie der Bauteilmix, der schlussendlich auf die Leiterplatte platziert werden soll.
Dabei müssen unterschiedlichste Optionen, wie die Erstellung unterschiedlicher Materialstärken innerhalb der Druckform (Stufenschablone) bzw. definierte Oberflächenverfahren wie CK-Elektropolieren, Plasmaschicht und die Gestaltung der Rakelseite eingebracht werden. „Hierbei spielt auch die Qualität und Beschaffenheit der Leiterplatte eine wesentliche Rolle, wie beispielsweise die Lötstopplackhöhe über dem Pad, gefüllte Vias und deren Planarität, Leiterplattenverzüge, Kennzeichnungsdruck usw.“, zählt Lehmann auf.
Hier arbeitet die Christian Koenen GmbH sehr intensiv mit den Kunden zusammen und hat vor allem auch die Möglichkeit im eigenen Applikationscenter den Kunden die Optionen vorzustellen und fertige Schablonen intensiv zu testen. Notwendige Messungen, wie beispielsweise Verzugsmessung, können ebenfalls durchgeführt werden, wie auch die Inlineprinter-Fähigkeit inklusive SPI. Jedes Depot kann 3D vermessen und ausgewertet werden.
Gerade das Auslöseverhalten beim Herunterfahren und Trennen der Leiterplatte von der Schablone hat einen entscheidenden Einfluss auf die Qualität der Lotdepots. Beim Laserschneiden der Schablone bilden sich Schmelzrückstände an der Schablonenoberfläche und den Innenwandungen der Öffnungen. „Solche Materialveränderungen sind bei vielen Applikationen, vor allem im Fine-Pitch-Bereich, für unsaubere oder auch unzureichend bedruckte Depots verantwortlich“, erklärt Lehmann. Verschiedene Oberflächenverfahren reduzieren diese Effekte deutlich. Aber auch durch Sonderformen, angepasst an die jeweiligen Bauteile und Prozesse, lässt sich das Auslöseverhalten optimieren. „Den Maschinenbedienern kommt diesbezüglich aber auch eine entscheidende Rolle zu. Der Drucker muss in Bezug auf den Rakeldruck und die Druckgeschwindigkeit richtig eingerichtet werden. Ebenso muss eine gründliche Reinigung der Schablonen erfolgen. Sollten diese Punkte nicht beachtet werden, war die geleistete Vorarbeit umsonst“, führt Lehmann weiter aus.
Hacklinger kann dies nur bestätigen: „Ohne gut ausgebildete, erfahrene Mitarbeiter bringt mir die beste Schablone der Welt nichts. Gerade bei der Insel-Fertigung kommt es auf die Mitarbeiter an. Aber für uns kleine EMSler ist es ebenso wichtig, dass Lieferanten uns bei der Optimierung unserer Prozesse mit ihrer Erfahrung unterstützen.“
Christian Koenen GmbH
Gut ist nicht gut genug - ein Leitspruch, der zur Firmenphilosophie wurde. Das Unternehmen Christian Koenen GmbH ist Technologieführer in der Herstellung von Präzisionswerkzeugen für den technischen Druck.
In der klimatisierten Produktion werden Schablonen für die SMD-, Wafer- und LTCC-Technik sowie Pump-Print™-Schablonen hergestellt. Für die optimale Fertigung des Präzisionswerkzeuges Schablone steht die gesamte Wertschöpfungskette zur Verfügung, von der Auswahl des Materials bis hin zur Rückverfolgbarkeit der Fertigungsprozesse.
Die Christian Koenen GmbH versteht sich als Technologieunternehmen, welches seinen Kunden beratend zur Seite steht und diese bei der Optimierung der Prozesse unterstützt. Das hauseigene Präzisionswerkzeug Schablone untermauert den technologischen Fortschritt.
High Q Electronic Service GmbH
Als inhabergeführter EMS-Dienstleister ist die High Q Electronic Service GmbH der Technologiepartner für die Elektronikproduktion im Herzen von München. Größte Sorgfalt und Präzision sowie höchste Qualität und Zuverlässigkeit sind eine Selbstverständlichkeit bei der Entwicklung, Produktion und Prüfung elektronischen Produkte.
High Q Electronic Service berät seine Kunden auf dem Weg zum Serienprodukt und produzieren Elektronik, von den Prototypen bis zur Serienreife.
Weltweit kommen die von High Q Electronic Service gefertigten Produkte beispielsweise in Funkkommunikationssystemen, Hochfrequenz-Leistungsverstärkern oder in digitalen Telemetrie-Systemen zum Einsatz.
© High Q Electronic Service GmbH (sr)
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