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Best Practices bei der Herstellung von Sensorsystemen

Die Sensorik und Messtechnik kann in den kommenden Jahren mit Wachstumsraten von jährlich 17 Prozent rechnen. Gleichzeitig steht die Branche unter einem großen Technologie-, Konkurrenz- und Preisdruck, den kleine und mittelständische Hersteller kaum allein bewältigen können. Dieser Beitrag beschreibt, wie hier Best Practices genutzt werden können.

Laut Branchenverband AMA profitiert die Sensorik und Messtechnik derzeit stark von der zunehmenden Digitalisierung der Industrie. Laut einer Prognose von Roland Berger wird sich die Zahl der verkauften Sensoreinheiten bis 2020 sogar verdoppeln. Die Marktstudie erwartet allerdings einen starken Wandel der Branche. Durch die zunehmende Konkurrenz im Markt und die wachsende Nachfrage nach günstigen Produkten insbesondere im Bereich Konsumelektronik wächst demnach der Kostendruck auf die Hersteller und die Preise werden jährlich um 8 Prozent sinken. „Um weiterhin profitabel zu sein, müssen die Unternehmen eine strategische Neuausrichtung prüfen und ihr Geschäftsmodell an das neue Marktumfeld anpassen“, warnt Michael Alexander, Partner von Roland Berger.

Den Weg von der Entwicklung zur Fertigung effizienter machen

Die überwiegend klein und mittelständisch geprägte deutsche Mess- und Sensorik-Branche steht unter besonderem Druck: Während heutige Sensoreinheiten vorrangig zur Übertragung einzelner physikalischer Messgrößen dienen, werden die Systeme künftig wesentlich komplexer, intelligenter und leistungsstärker sein. Die Entwicklung solcher Sensoriken wird technologisch deutlich anspruchsvoller: Es geht um mehr Funktionen auf kleinstem Raum, sie müssen möglichst energieeffizient große Datenmengen verarbeiten können und wesentlich robuster sein. Die Abnehmer erwarten vielfältigere und kundenspezifischere Produktvarianten in geringfügigeren Mengen.

Die Trends aus Miniaturisierung, höherer Packungsdichte sowie steigender Komplexität aus Elektronik und Software verursachen auf dem Weg von der Produktidee bis zur Serienfertigung vielfältige Probleme. Dabei könnte der Produkteinführungsprozess erheblich verkürzt werden, so die Erfahrungen des Montage-Dienstleisters und Elektronikfertigers Ihlemann AG. Dabei gilt: Je früher Best-Practice-Erfahrungen berücksichtigt werden, umso größer ist die Zeit- und Kostenersparnis. Ihlemann nennt dafür drei Hauptansatzpunkte: Den Weg von der Produktidee bis zur Serienfertigung verkürzen, die Durchlaufzeiten in der Fertigung beschleunigen und die Produktions- und Montagekosten senken.

Sensorsysteme, PCB-Layout
Bild 1: Durchkontaktierung zu dicht am Pad
Bild 2: Pads zu kurz, Lötmeniskus nicht formbar
Bild 3: Falsche Bauform/Shape

Design-Evaluierung des PCB-Layouts

Noch in der Designphase, also vor dem ersten Bestellen der Leiterplatte, kann durch eine softwaregestützte virtuelle Bestückung geprüft werden, ob die maßgeblichen Standards, die Vorgaben der Bauteilhersteller sowie die maschinenspezifischen Designrichtlinien der Fertigung eingehalten werden. Die virtuelle Bestückung erkennt typische Designfehler, wie Probleme durch zu geringe Abstände von Bauelementen, Probleme mit Durchkontaktierungen oder Mängel beim Aufbau der Leiterplatte.

„Nach unseren Erfahrungen werden durch die Design-Evaluierung etwa 95 Prozent der Designfehler erkannt. Die restlichen 5 Prozent betreffen lediglich kundenspezifische Sonderentwicklungen“, berichtet Bernd Richter, Vorstand der Ihlemann AG. Nach der virtuellen Bestückung erstellt der Fertigungs-Dienstleister einen ausführlichen Report und gibt Hinweise zur Beseitigung der festgestellten Probleme und zur Fertigungsoptimierung. Dazu gehören auch Hinweise zum Materialmanagement, denn oft können problematische Bauteile durch Alternativen ersetzt werden. Hier berücksichtigt Ihlemann neben der Funktionalität auch Aspekte wie gesetzliche Normen, die langfristige Verfügbarkeit / Obsoleszenz-Management sowie die Materialpreisentwicklung.

Die Erkenntnisse aus der Design-Evaluierung ermöglichen zudem eine kürzere Fertigungsvorbereitung, denn technologisch ist weitgehend sichergestellt, dass beim Übergang von der Prototypen- zur Serienphase keine zeit- und kostenaufwendigen Korrekturen mehr erforderlich sind.

Lötroboter

Eine neue Sicht auf die Prototypenphase

Die technologischen Unterschiede zwischen Prototypen- und Serienfertigung werden durch kompaktere Designs und kleinere Bauteile zunehmend größer. Da im traditionellen Prototypenbau viele Bauteile manuell bestückt werden, wirkt sich die zunehmende Miniaturisierung immer stärker aus.

Die Bestückung in der Prototypenphase erfolgt üblicherweise auf Musterbaumaschinen. Datenformate, Prozesse und technische Parameter unterscheiden sich daher von den Serienmaschinen. Trotz einer erfolgreichen Inbetriebnahme eines traditionell hergestellten Prototypen ergeben sich durch die größer werdenden Unterschiede zwischen Prototypen- und Serienfertigung nach der Prototypenphase steigende Entwicklungsaufwände. Deshalb empfiehlt die Ihlemann AG die Fertigung von Prototypen bereits auf High End Bestückungsautomaten. Hier werden Anforderungen wie Design for Manufacturing (DfM) oder Design for Cost (DfC) bereits an die Erstellung von Prototypen gestellt. Das hat zur Folge, dass bereits vor der Nullserie alle Vorbereitungen der Serienproduktion abgeschlossen sind. Dadurch kann ein ganzer Prozessschritt eingespart und der doppelte Aufwand für die Vorbereitung der Prototypen- und Serienfertigung entfallen.

Flexible Leiterplatte
Package-on-Package

Kürzere Durchlaufzeiten in der Fertigung

Um die Stillstandszeiten teurer Fertigungslinien auf ein Mindestmaß zu reduzieren, wurden früher hohe Stückzahlen und möglichst wenige Produktwechsel angestrebt. So musste eine Fertigungslinie für die Umrüstung auf eine neue Baugruppe mit 100 und mehr Bauteilen oft bis zu zwei Stunden angehalten werden. Bei der Ihlemann AG betragen die Stillstandszeiten heute nur noch einen Bruchteil dieser Zeit. Möglich wurde dies durch moderne Bestückautomaten und einer Neuorganisation der Fertigung. Damit kleinere Lose und häufige Bestelländerungen auch wirtschaftlich darstellbar sind, mussten auch die damit verbundenen Prozesse angepasst werden.

Das Umrüsten auf ein neues Produkt besteht vor allem aus dem Bereitstellen der benötigten Bauteile und der Eingabe der Bestückungsdaten für den nächsten Auftrag. Dafür musste die Fertigungslinie in der Vergangenheit angehalten werden und solange stillstehen, bis alle Bauteile fertig vorbereitet waren.

Ihlemann hat die Fertigungslinie mit neuen Modulen und zusätzlichem Rüstequipment modernisiert. Die jetzt verfügbare höhere Rüstkapazität wird für eine gestiegene Anzahl unterschiedlicher Bauelemente genutzt. Die Umrüstung für das nächste Fertigungslos kann bereits parallel zur Bestückung der vorherigen Baugruppen erfolgen. Dafür werden die Bauteilversorgungsstationen (Feeder) auf einem Wechselwagen mit den Bauteilen vorgerüstet.

Flying-Probe-Nadeln

Mehr Flexibilität in der Fertigung

Neben den weiterhin langfristig geplanten und unverändert umsetzbaren Aufträgen nimmt die Zahl der kurzfristigen Bestellungen oder Änderungen deutlich zu. Dank der höheren Rüstkapazität werden in einer Fertigungslinie jetzt gleichzeitig bis zu sechs unterschiedliche Aufträge vorbereitet und abgearbeitet. Dies ist möglich, weil bei den unterschiedlichen Baugruppen häufig der gleiche Materialstamm aus Widerständen, Kondensatoren oder ICs verwendet wird. Die Fertigungslinie kann deshalb in einem Rüstprozess für sechs unterschiedliche Baugruppen vorbereitet und alle Leiterplatten direkt nacheinander bestückt werden. Der Wechsel zwischen den verschiedenen Baugruppen erfordert dank der Vorrüstung nur noch wenige Eingriffe.

Kurzfristige Änderungen bei den Bestellungen wirken sich auch auf andere Prozesse aus. Um möglichst frühzeitig vor der Bestückung Lötpastendruckfehler auf Leiterplatten zu erkennen, werden diese komplett durch eine 3D Solder Paste Inspection (SPI) überprüft. Für die Kontrolle der bestückten Leiterplatten kommt eine 3D-AOI-Technik zum Einsatz. Verdeckte Lötstellen können mittels Röntgentechnik überprüft werden. Es folgen elektrische Funktionstests per In-Circuit- oder Flying-Probe-Tests, um die Funktionsfähigkeit der fertigen Boards sicherzustellen. Bei allen Tests werden die Programme erst unmittelbar vor der Durchführung aufgerufen und haben deshalb keinen Einfluss auf die Fertigungsplanung.

Mit den Veränderungen bei den Fertigungslinien und in den vor- und nachgelagerten Prozessen sieht sich Ihlemann für eine Elektronikfertigung „Just in Time“ gut gerüstet. „Durch Investitionen in moderne Bestückungsautomaten und durch die Umstellung auf Tageskontingente haben wir in der Fertigungslinie eine enorme Flexibilität gewonnen und können beispielsweise Auslieferungen kurzfristig vorziehen und innerhalb eines Tages ausliefern“, fasst Bernd Richter, Vorstand bei der Ihlemann AG, die Vorteile zusammen.

Kreativität auch bei der Montage gefragt

Die Miniaturisierung und die steigende Komplexität bei den Sensor- und Mess-Systemen verändern auch die Gerätekonstruktion und Montage. Bei kleineren Gehäusen werden beispielsweise eingeklemmte Kabel zu einer neuen Fehlerquelle. Wenn beispielsweise Kamera-Module zusammenschrumpfen, stellen sich neue Herausforderungen u.a. bei der Justierung der Optiken. Die Geräte werden außerdem nicht nur kleiner und kompakter. So ersetzt eine enger bestückte Leiterkarte sechs Platinen und die Software übernimmt zusätzliche Funktionen. Hier stellt sich die neue Anforderung, die Software bis kurz vor der Auslieferung noch zu aktualisieren und einen Run-in-Test zu integrieren.

Ihlemann unterstützt bei Bedarf auch die Konstruktion von Gehäusen, um beispielsweise die Integration von Sensorik-, Aktorik-, Elektronik- und Kommunikationsfunktionen auf kleinstem Raum fertigungs- und montagegerecht umzusetzen. Bei der Überführung der Prototypen in die Serienprodukte sind vor allem konstruktive, entwicklungstechnische Fähigkeiten gefragt. Neben der Konstruktion der Gehäuse oder Fragen zur Temperaturstabilität geht es schließlich auch um den Einkauf mechanischer Komponenten oder von Zeichnungsteilen. Hier verweist der Dienstleister auf über 40-jährige Erfahrungen u.a. mit der Beschaffung von elektronischen Baugruppen und Geräten.

Permanente Veränderungen sind nach den Erfahrungen von Ihlemann inzwischen der Alltag in Konstruktion, Fertigung und Montage. „Entscheidend ist, wie die Mitarbeiter solche neuen Anforderungen selbst effektiv lösen können. Wir haben unsere Arbeitsprozesse deshalb vollkommen neu justiert. Für die Mitarbeiter ist es inzwischen völlig normal, ihre Arbeitsschritte jeden Tag mehrmals anzupassen und zu verbessern. Wir sind so in der Lage, die heutigen schnelllebigen und unsicheren Verhältnisse produktiv zu nutzen“, erläutert Bernd Richter.