Technologien und Prozesse
Die Konferenz und Fachausstellung „ Elektronische Baugruppen und Leiterplatten EBL" in der Schwabenlandhalle in Fellbach hat sich im Rahmen der Material-, Fertigungs- und Zuverlässigkeitsbetrachtung von elektronischen Baugruppen als die führende Präsentations- und Diskussionsplattform im deutschsprachigen Raum etabliert.
Auch in diesem Jahr ist es gelungen, aktuelle und zukünftige Schwerpunktthemen sowie Anwendungsergebnisse aus Industrie und Wissenschaft im Tagungsprogramm abzubilden, und so den Kongressteilnehmern Erkenntnisse und Werkzeuge für die tägliche Arbeit mitzugeben. Die Baugruppenindustrie, basierend auf Leiterplattentechnologie, Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik, stand dabei im Fokus. Eine nachhaltige Umorientierung in Richtung hochwertiger Systemintegrationstechnologien für verschiedenste, unter Umständen völlig neue Anwendungsgebiete, ist angesagt und erfordert ein Umdenken. Die Sichtweise zur Bereitstellung von Komponenten, Substraten und Subsystemen muss von der reinen Hardware-Orientierung zur vermehrten Einbeziehung der Bedingungen bei der Endnutzung der Produkte führen. Immer unter der Voraussetzung, dass Technologien und Prozesse hochwertig, qualitätsgerecht, zuverlässig und kostengünstig ausgeführt werden. Die Anforderungen neuer Anwendungsfelder an eine Elektronikbaugruppe hinsichtlich Funktionalität, Integrationsdichte und Zuverlässigkeit unterscheiden sich grundsätzlich von bereits etablierten Produktbereichen. Und so sind entscheidende Kriterien zur Realisierung kostengünstiger und zuverlässiger Gesamtsysteme neben neuen Materialien, fortschrittlichen Designtools oder anwendungsorientierten Aufbautechnologien auch eine richtige Teststrategie für Komponenten und Systeme.
Prozess- und Produkt- prüfung
Speziell bei Automotive-Anwendungen sind die anspruchsvollen Qualitätsanforderungen besonders zu betonen. Derzeit erfolgt die Einführung der bleifreien Aufbau- und Verbindungstechnologie, ein Schritt mit vielen Herausforderungen, um die Qualitätsziele zu erreichen. Prozessanpassungen im Lotpastendruck, Lötprozess und der Inspektion ermöglichen eine Fertigung auf qualitativ hohem Niveau. Doch erfordern die reduzierten Prozessfenster eine genauere Kontrolle jedes einzelnen Fertigungsschrittes. Einen großen Anteil an einer stabilen Produktionsqualität hat die Lotpasteninspektion zur Druckkontrolle und Prozessoptimierung. Darüber hinaus rückt die Lieferantenentwicklung mehr ins Licht, sowohl die Leiterplattenhersteller bezüglich der Benetzbarkeit und Oberflächengüte als auch die Bauelementehersteller und Lotpastenlieferanten.
Die größten Kosten entstehen dem Leiterplatten- oder Baugruppenhersteller, wenn ein Produkt kurz nach Inbetriebnahme in der Endumgebung ausfällt. So wurde unter anderem auch ein Hochtemperatur-Testverfahren zur Bewertung der Auswirkungen des Bleifrei-Lötprozesses auf die Leiterplatten-Zuverlässigkeit vorgestellt. Da an die Elektronikbaugruppen hohe Zuverlässigkeitsanforderungen gestellt werden, versucht man bereits in der Leiterplattenherstellung eine fertigungsbegleitende Qualitätskontrolle sicher zu stellen. Der Klimaschrank-Test erwies sich zur fertigungsbegleitende Prüfung ungeeignet, und so musste ein neues Prüfverfahren her: das IST (Interconnect Stress Test) Verfahren beruht auf dem Einsatz eines speziell konstruierten Testcoupons mit zwei Daisy-Chain-Strukturen. Der Heizkreis dient zum Erhitzen des Testcoupons über rechnerkontrollierten Gleichstrom, während gleichzeitig über den Messkreis und einer hochempfindlichen 4-Draht-Widerstandsmessung der Schleifenwiderstand überwacht und aufgezeichnet wird. Das IST-System kann 6 Coupons gleichzeitig testen, wobei jeder Coupon individuell bestromt und analysiert wird. Überschreitet der Widerstand des Heiz- oder Messkreises einen vom Anwender einstellbaren Schwellwert, bricht das System den Test lediglich für diesen Coupon ab, während die restlichen weiter getestet werden. Das Verfahren zeichnet sich durch den automatischen Prüfablauf unter kontrollierten, vergleichbaren Bedingungen aus. OEMs nutzen diesen Test zur Qualifizierung ihrer Leiterplattenlieferanten.
Baugruppenfertigung und Verbindungstechnik
Wichtige Aspekte sind der Schablonendruck und das Löten, deren Handling von immenser Bedeutung für die Qualität in der Baugruppenfertigung ist. Schon bei der Umstellung von bleihaltigen auf bleifreie Lote wurde der Schwerpunkt auf SnAgCu-basierenden Loten gelegt. Daraus resultierten aufgrund der steigenden Löttemperatur höhere Anforderungen an das Substratmaterial, die Padoberflächen und auch an die Bauelemente. Um die sich daraus ergebenden Mehrkosten bei Material und Energie zu reduzieren, wurde intensiv nach alternativen Legierungssystemen geforscht. So liegen die zu erforschenden Optimierungspotenziale bei der Erhöhung der Zuverlässigkeit im Bereich Hochtemperaturanwendungen wie beispielsweise für Automobilanwendungen sowie bei der Reduzierung der Prozesskosten. Hier ergeben sich die Kosten unter anderem durch die höheren Löttemperaturen und den dadurch erforderlichen höher temperaturstabilen Materialien bei Leiterplatten und Bauelementen. Es wurden Untersuchungen angestellt, inwieweit alternative bleifreie Legierungen eingesetzt werden können, die nicht nur kostengünstiger sind, sondern auch eine signifikante Reduzierung der Löttemperatur ermöglichen. Nach Grundsatz- und Zuverlässigkeitsuntersuchungen konnte die Legierung SnBiAg für die bleifreie Aufbau- und Verbindungstechnik qualifiziert werden. Die Leiterplatten und Bauelemente stehen unter weniger Stress, und nicht nur die Energiekosten sondern auch die Gesamtkosten konnten gesenkt werden. Den Reflowöfen wird bei geringeren Wartungskosten eine höhere Lebenserwartung zugeschrieben und die Reparaturlötung wird einfacher, um nur einige der Vorteile zu nennen. Jedoch findet diese Legierung keine Anwendung bei bleihaltigen Bauelementen und es besteht Handlungsbedarf bei Bauelementen und Leiterplattenoberflächen, die Diffussionsbarrieren haben.
Als Hilfe beim Löten wurde über die ersten Erfahrungen der neuen DVS-Fachausbildung „Weichlöten in der Elektronik" berichtet. Basis des Kursangebotes sind die neuen DVS-Richtlinien 2620, 2621, 2623 und 2624, womit die Lötfachausbildung in die fügetechnische Ausbildungsumgebung des DVS eingebunden ist und die Anforderungen nach Qualität der Inhalte und der Abschlussprüfungen erfüllt. Das Programm zur Ausbildung von Handlöt-Arbeitskräften und Lötfachkräften für Mitarbeiter der Elektronikfertigung steht mit erfahrenen Ausbildern und Prüfern, Kurs- und Prüfungsunterlagen, Trainingsmaterial und Prüfstücken zur Verfügung. Ein Partner im Verbund Lötschulung, ob Ersa in Wertheim, Hannusch in Laichingen, Rafi in Ravensburg, Trainalytics in Lippstadt, Zollner in Zandt oder der ZVE in Oberpfaffenhofen, steht bereit. Hierbei handelt es sich meist um Fortbildung bzw. Einarbeitung von Handlöt-Arbeitskräften gemäß Richtlinie DVS 2620, aber auch um berufsbegleitende Fortbildung von Lötfachkräften nach Richtlinie DVS 2621. Eine weitergehende Ausbildung zur Hebung des Technologie-Know-hows in den herstellenden Unternehmen sowie der Entwicklung elektronischer Produkte ist in Arbeit.
Ressourceneffiziente Fertigung
Hier ging es nicht nur um die Schutzlackierung elektronischer Baugruppen, sondern auch um das Reflowlöten und Rework. Die steigende Komplexität von Baugruppen, die zunehmenden Anschlusszahlen bei abnehmendem Rastermass der Speicherbausteinen sowie die engeren Prozessfenster durch bleifreies Löten rücken Reworkmaßnahmen mit ihren technologischen Herausforderungen in den Fokus.
Allgemein besteht ein Reworksystem aus einer Unter- und Oberheizung, wobei die partielle Oberheizung zum Ein- oder Auslöten von Bauteilen typischerweise entweder über Konvektion oder Infrarotstrahlung erfolgt. Die homogene Unterheizung zur Erwärmung der Flachbaugruppen auf eine bestimmte Grundtemperatur funktioniert über Infrarotstrahlung. Eine Splitoptik erleichtert das Aufsetzen einzulötender Bauteile, ein Controller sorgt für reproduzierbare Vorgänge. Bei Heißgasanlagen liegt das Augenmerk auf dem Einsatz einer passenden Düse. Infrarotanlagen weisen eine leichte Adaption mittels Blendentechnik oder optischer Linse auf. Dazu wurden unter anderem Versuchsserien zur Transmission und Reflexion der Infrarotstrahlung an verschiedenen Bauelementetypen durchgeführt. Besondere Aufmerksamkeit wurden der Optimierung eines bleifreien und bleihaltigen Lötprofils und deren Präparation und Dokumentation zuteil, denn hier wird jede unnötige thermische Belastung der Baugruppen minimiert und das Risiko einer unerwünschten Degradation reduziert. Die eingebrachte Wärmemenge bzw. thermische Energie, die über das Lötprofil ermittelt werden, sind ausschlaggebend für eine zuverlässige und qualitativ hochwertige Lötverbindung.
Papierlose Reparatursysteme gibt in der Elektronikindustrie seit mehr als 20 Jahre, doch in vielen Unternehmen existieren Test- und Prüfeinrichtungen unterschiedlicher Hersteller sowie die jeweils dazugehörigen Reparaturarbeitsplätze häufig als isolierte Insellösung nebeneinander. Von einheitlichen Abläufen und Schnittstellen für den gesamten Prüfprozess und einer Verknüpfung mit weiteren Produktionsdaten weit entfernt, wird gerade dies von Kundenseite zunehmend erwartet. Mittlerweile gibt es Traceability-Vorgaben, die eine Dokumentation der Anzahl der Tests und der Durchläufe durch die Reparaturschleife verpflichtend vorschreiben.
Lösungsansätze zielen heute auf ein vollständig integriertes und transparentes Qualitätsdatenmanagement, indem die Prüf- und Reparaturprozesse in den Gesamt-Kontext eines Manufacturing Execution System eingebunden sind. Neuester Ansatz bei integrierten Prüf- und Reparaturkonzepten ist die Dynamic Quality Control, welche Rückmeldungen aus dem Qualitätsdatenmanagement nutzt, um die eingesetzten Prüfverfahren dynamisch zu steuern. Die Prüfstrategie wird optimiert und sorgt für weitere Effizienzsteigerungen im Fertigungsprozess, ohne dass die Produktqualität darunter leidet. (dj)
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