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Prototypen auf High-End-SMD-Bestückungsautomaten

Die technologischen Unterschiede zwischen Prototypen- und Serienfertigung werden zunehmend größer. Viele Probleme lassen sich erst beim Übergang von der Prototypen- zur Serienphase erkennen. Deshalb nutzt die Ihlemann AG eine High-End-Anlage der Serienfertigung auch für den Prototypenbau. Wenn es an der maschinengerechten Zuführung von Bauteilen mangelt, kommt der 3D-Druck zum Einsatz.

Die Prototypenfertigung auf Serienmaschinen hat aus Sicht der Ihlemann AG vor allem deshalb Vorteile, weil von Anfang an die höheren Qualitätsanforderungen der Serie greifen. Herausforderungen wie Design for Manufacturing (DfM), Design for Testability (DfT) und Design for Cost (DfC) werden bereits bei den Prototypen berücksichtigt.

Demgegenüber steht die fertigungsgerechte Auslegung der Leiterkarte beim traditionellen Prototypenbau nicht im Vordergrund. Die Anpassungen an die unterschiedlichen Datenformate, Prozesse und technischen Parameter der Serienmaschinen führen dann später zu einem zusätzlichen Aufwand und oft zu unnötigen Verzögerungen.

SMD-Fertigung, Prototypenbau
Die Programme für die Prototypenfertigung sind identisch mit der Serienfertigung. So entsteht kein doppelter Vorbereitungsaufwand und die Fertigung von Stückzahlen kann schneller starten.

Bauteilrollen-Prototypenfertigung

Eine hohe Bestück-Geschwindigkeit allein reicht allerdings nicht aus, denn als EMS-Dienstleister hat sich Ihlemann auf die High-Mix-, High- und Low-Volume-Fertigung ausgerichtet mit sehr unterschiedlichen Anforderungen an die Produktion. Im Tagesgeschäft geht es u.a. um kleine und große Fertigungslose für immer komplexere elektronische Baugruppen. So müssen bei „Package on Package“ zwei oder mehr BGA-Chip-Gehäuse (Ball Grid Array) präzise übereinander angeordnet werden. Die neuen USB-C-Stecker sollen seitlich auf die Leiterplatte gesteckt werden. Und bei „Pin in Paste“ werden bedrahtete Bauelemente ebenso automatisiert bestückt wie SMD-Bauteile. Schließlich soll der Bestückungsautomat sowohl 0,3 mm kleine Bauteile als auch 38 x 120 mm große Trafos in einem Bearbeitungsprozess verarbeiten. Zusätzlich wird die Fertigungsorganisation herausgefordert von kurzfristigen Bestellungen, engen Lieferterminen und steigenden Qualitätsanforderungen. 

SMD-Fertigung, Leiterplattenbestückung
Datenformate, Prozesse und technische Parameter der Serienmaschinen unterscheiden sich grundlegend vom traditionellen Prototypenbau. Die späteren Anpassungen führen zu einem zusätzlichen Aufwand und oft zu unnötigen Verzögerungen.
SMD-Fertigung, Flying Probe
Mit dem Flying Probe können bei Prototypen mit relativ wenig Aufwand Bauteilwerte vermessen, Spannungen geprüft oder Messreihen durchgeführt und so Baugruppenfehler schneller erkannt werden.

Fertigungsrelevante Fehler werden frühzeitig erkannt

Ihlemann testet mit der softwaregestützten Designevaluierung bereits die Prototypen auf fertigungsrelevante Fehler. So sind für die Fertigungs- und Testprozesse in der Serie beispielsweise Mindestgrößen von Baugruppen notwendig. Für den Wellenlötbereich sind Mindestabstände zu berücksichtigen, die über die Anforderungen der Prototypenphase hinausgehen. Durch eine Röntgen- und AOI-Prüfung untersucht Ihlemann, wie die Lötstellen beschaffen sind, ob die verwendete Lotpaste geeignet ist, ob Lotpastenanpassungen notwendig sind oder ob Öffnung und Blechstärke der Schablonen optimal sind.

Da bei frühen Prototypen die Fehlerquellen sehr vielfältig sein können und die Fehleranalyse entsprechend aufwendig ist, setzt Ihlemann außerdem den Flying-Probe-Test (FBT) zur Fehlereingrenzung ein. Er kann in der Protypenphase die Entwicklungsverifikation wirksam ergänzen. Die notwendigen Prüfprogramme für Prototypen sind mit den geeigneten Daten (ODB++) relativ schnell erstellt und ermöglichen, dass mit geringem Aufwand Bauteilwerte vermessen, Spannungen geprüft oder Messreihen durchgeführt und so Baugruppenfehler schneller erkannt werden können. Eine weitere Anwendung ist die Übertragung von Firmware auf fertige Baugruppen. Da während der Prototypenphase oft noch keine fertige Firmware vorliegt, muss dies nach der Null-Serienfertigung erfolgen. Durch die Integration in den FPT kann hier ein ganzer Arbeitsschritt eingespart werden.

Schließlich basiert auch die Erstmusterprüfung bereits auf dem VDA-Standard „Produktionsprozess- und Produktfreigabe“ (PPF). So erhält jeder Kunde für seine Prototypen einen ausführlichen Report über Auffälligkeiten und mögliche Einschränkungen bei der Fertigungseignung seiner Baugruppe. Damit ist technologisch weitgehend sichergestellt, dass zeit- und kostenaufwendige Korrekturen von Entwicklung und Layout beim Übergang von der Prototypen- zur Serienphase vermieden werden können. Zudem entfallen doppelte Grundkosten für die Vorbereitung der Prototypen- und Serienfertigung. Durch diese Vorgehensweise werden auch alle Anforderungen an die Traceability frühzeitig berücksichtigt.

SMD-Fertigung, 3D-Druck
Für einen Stecker fehlte die maschinengerechte Verpackung. Mit einem 3D-Drucker wurde deshalb ein eigener Bauteilträger (Tray) mit 90 Fächern als Zuführung für die SMD-Bestückungsautomaten hergestellt.

Wenn Bauteile nicht maschinentauglich sind

Sollen bei den Prototypen alle Bauteile maschinell verarbeitet werden, ergeben sich allerdings einige Hürden. Je spezieller ein Bauteil und je geringer die Stückzahl, umso häufiger fehlt es an einer maschinengerechten Standardverpackung für die SMD-Fertigung. Im herkömmlichen Prototypenbau werden diese Bauteile dann per Hand bestückt. Hier geht Ihlemann einen anderen Weg.

Die Verarbeitung von Steckern aus der Industrieelektronik sind ein typisches Beispiel. Wegen der geringen Stückzahlen bietet der Hersteller keine Verpackung für die maschinelle Verarbeitung. Die Handbestückung stellt sich als problematisch dar, weil die exakte Positionierung und die immer gleichbleibende Ausrichtung und Andruckstärke nicht garantiert werden kann. Deshalb hat Ihlemann einen eigenen Bauteilträger (Tray) für die Zuführung zur SMD-Bestückungslinie entwickelt. Das Tray enthält bis zu 90 Fächer in der entsprechenden Bauteilgröße. Die Außenmaße der Zuführung entsprechen den Vorgaben der Maschine. Diese Bauteilträger werden mit einem CAD-Programm entworfen und durch einen 3D-Drucker innerhalb von 7 Stunden ausgedruckt.

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