Elektronische Systeme in Autos stellen in der Fertigung immer höhere Anforderungen, zudem schreitet die Elektronifizierung vieler Funktionen rasch voran. Die Fahrzeughersteller implementieren immer weitere elektronische Sicherheitssysteme und andere Lösungen, die hohe Qualität, Zuverlässigkeit sowie Umweltfreundlichkeit aufweisen müssen. In diesem Spannungsfeld ein gesundes Gleichgewicht zwischen Kosten und Fertigungsqualität herzustellen, stellt eine hohe Herausforderung für jeden Hersteller in diesem Markt dar.
Welche Möglichkeiten könnte es geben, um dieses drängende Problem zu lösen und dabei die Gewinnsituation zu verbessern? Die Antwort dazu liegt in einer effizienten Fortentwicklung der in der Fertigung stattfindenden Backend-Prozesse, die auf der sogenannten Press-Fit-Technik beruhen. Dabei handelt es sich um eine bewährte lötfreie elektrische Verbindungstechnik, bei der die dazu passenden kleinen Metallstifte (Pins) in die Durchkontaktierungen (Plattierungen) der Leiterplatte (PCB) eingepresst werden.
Das Press-Fit-Verfahren ist somit eine Alternative zur Löttechnik, ein seit vielen Jahrzehnten in der Elektronikindustrie kostengünstiger, gut beherrschter und zuverlässiger Standardprozess zum Verbinden von Komponenten mit den Leiterbahnen der Boards. Allerdings hatte die Einführung der bleifreien Löttechnik bei den Elektronikherstellern höhere Kosten zur Folge, nicht zuletzt auch durch die Anwendung neuer und teurerer Kunststoffe in den Schaltungen, wie Flüssigkristallpolymer (LCP), Polyphenylensulfide (PPS) sowie Polyphthalamide (PPA). Diese wärmefesteren Materialien sind nötig, um den höheren Löttemperaturen im bleifreien Prozess zu widerstehen.
Ein einzelner Pin-Fehler kann zu
Funktionsstörungen in Fahrzeugen führen
Das Press-Fit-Verfahren bietet in diversen Anwendungen gegenüber dem Einlöten der Komponenten deutliche Vorteile. Allerdings stellt es wegen der immer komplexer werdenden Boards eine zunehmend größere Herausforderung dar, die Zahl der Fehler so gering wie möglich zu halten. Selbst ein einzelner Fehler beziehungsweise eine Funktionsstörung kann in Fahrzeugen zu fatalen Unfällen sowie in der Folge zu Hundertausenden von extrem kostspieligen Rückrufen führen, ganz zu schweigen von den Image-Verlusten. Somit ist es absolut nötig, Fehler in der Verarbeitung der Pins so früh wie möglich im Prozess zu lokalisieren und zu beseitigen. Verantwortungsvolle Equipment-Lieferanten wie Koh Young arbeiten bereits mit großer Umsicht daran, die Press-Fit-Technik durch präzise Inspektionssysteme für die Anwender in jeder Hinsicht sicher beherrschbar zu machen.
Die Press-fit-Technik zeichnet sich dadurch aus, dass in die voll plattierte PCB-Durchkontaktierung ein Metallstift mit einem etwas größeren Durchmesser eingepresst und so die elektrische Verbindung hergestellt wird. Damit lassen sich die üblichen Lötprobleme wie kalte Lötstellen, Brückenbildung und andere Defekte vermeiden – und diese Methode ist an sich sehr zuverlässig. Wie aus der Tabelle auf Seite 29 ersichtlich ist, haben Press-Fit-Verbindungen eine statistisch geringe Ausfallrate von nur 0,005. Mit diesem Wert sind solche Kontaktstellen um circa den Faktor 10 zuverlässiger als Lötstellen. Aufschlussreich in diesem Zusammenhang ist auch, dass das mittlere Wachstum des Markts für Press-Fit-Equipment nach Angaben des Marktforschungsunternehmens Marketsandmarkets pro Jahr zwischen 2016 und 2022 rund 4,9 % beträgt und im Jahr 2022 ein Volumen von 276,7 Mio. US-Dollar erreichen soll,
Die Verbindungen mit den Press-Fit-Pins werden oft erst am Ende eines Assemblierungsprozesses hergestellt, weil dann hier die Elektronikmodule eingesteckt werden. Stellen sich am Ende dieser Stufe im Produktionsablauf allerdings Fehler heraus, dann muss die PCB/Backplane zumeist einer langwierigen Rework-Prozedur unterworfen oder Bauteile in manchen Fälle sogar aussortiert und dem Ausschuss zugeführt werden. Deutlich wird: Die Elektronikhersteller müssen an diesen Stellen bereits zuvor sehr sorgfältige Inspektionen durchführen, um solche Defekte zu vermeiden.
Natürlich gibt es unterschiedliche Prüf- und Testmethoden in der Fertigung, beispielsweise manuelle Inspektion, elektrischer Test, Röntgenkontrolle und anderes mehr. Allerdings sind einige dieser Prüftechniken aufgrund der hohen Board-Komplexität nicht mehr sinnvoll einsetzbar. Tatsächlich gibt es auch Baugruppen, die 100.000 und mehr elektrische Verbindungen aufweisen, die mit Press-fit-Technik hergestellt wurden.
Verschärft wird die Situation noch dadurch, dass diese kleinen Metallstiftchen im Zuge der Miniaturisierung ständig kleiner werden. Mit den traditionellen Prüfmethoden kann man nicht mehr länger zerdrückte oder verbogene Pins sicher erkennen. An dieser Stelle kommt nun die automatische optische Inspektion (AOI) der gesamten Baugruppe ins Spiel. Die AOI-Kamera scannt selbständig die Boards/Backplanes und entdeckt dabei die meisten kritischen Defekte wie fehlende Pins sowie jene, die nicht den Spezifikationen entsprechenbeziehungsweise verbogen oder beschädigt sind. Damit ist ein AOI-System die optimale Lösung, die hilft, in der Fertigung die hohen Qualitäts-Anforderungen an die Baugruppen und Backplanes zu erfüllen.
Pin-Inspektion mit der Leistung von 3D-AOI
Koh Young hat die zunehmende Wichtigkeit der exakten Inspektion in diesem Fertigungsbereich erkannt und speziell dafür sein 3D-Pin-Inspektionssystem KY-P3 entwickelt. Der 3D-Pin-Inspektor KY-P3 identifiziert natürlich die üblichen Fehler wie fehlende Stifte oder potenzielle Pin-Offsets, zudem auch Abweichungen von der Coplanarität, indem der genaue Abstand von Pin zu Pin exakt gemessen wird. Genauso wie bei den anderen AOI-Systemen des Unternehmens wird hier die von Koh Young patentierte Moiré-Technologie eingesetzt, die Schattenbildung in der optischen Inspektion verhindert.
Dabei wird zuerst die gesamte Baugruppe profilometrisch in der Z-Achse erfasst und dann über die Anwendung des Höhen-Schwellenwerts die genauen Informationen über die Gestalt von Pins sowie die Form der Spitzen extrahiert. Aus diesen erfassten Daten gewinnt das System KY-P3 exakte Messungen über Pin-Höhen und Offsets mit CAD-Genauigkeit, die somit bereits von Beginn der Inspektionsprozedur an als exakte Informationen über den Pin zur Verfügung stehen.
Neben den vielen Inspektionsmöglichkeiten liegt die Stärke des Systems KY-P3 in den akkuraten Höhenmessungen der Metallstifte. Diese hochgenaue Messung ist spezifiziert mit einer geringen Abweichung von nur 0,75 % bis zu Pin-Höhen von 25 mm. Bei Höhenmessungen an Pins mit abgewinkelten oder spitz zulaufenden Kontaktenden sind die Anforderungen allerdings höher verglichen mit den üblichen Metallstiften, die flache Spitzen aufweisen.
Das System KY-3P arbeitet mit einem Algorithmus für den Höhenmessbereich, dabei wird eine minimale sowie maximale Höhe festgelegt und davon die durchschnittliche Höhe berechnet. Setzen die Elektronikhersteller beispielsweise einen relativ weiten Höhenbereich an, dann erhalten sie sehr genaue Höhenwerte für scharfe Nadelspitzen.
Das exakte Extrahieren der Informationen über die Spitzen der Metallstifte ermöglicht genaue Messungen des Pin-Offsets. Die Elektronikhersteller verwenden einen definierten vertikalen Abstand unterhalb der Pin-Spitze als Ebene für die Messungen, die dann für den gesamten Pin gilt. Der berechnete Mittelpunkt der Messebene dient somit als Referenz für die Messungen der absoluten und relativen Abstände der Pins zueinander. Im Ergebnis ermöglicht das System KY-P3 hiermit den Elektronikherstellern, die höchst mögliche Genauigkeit bei der Justierung des Press-Fit-Equipments zu erreichen – und dies ist entscheidend für die Fertigung von PCBs, die hohe Qualitätsforderungen entsprechen müssen.
In der Fertigung besteht immer ein starker Trend zur Verbesserung der Profitabilität, nicht zuletzt aufgrund der Wettbewerbssituation und des Kostendrucks. Die von Koh Young vorgesehene Synergie zwischen dem System KY-P3 und seiner Softwaresuite Ksmart erlaubt den Anwendern, insgesamt ihre Fertigungsprozesse deutlich zu optimieren.
Einpressverfahren lässt sich in Echtzeit
überwachen und analysieren
So können Unternehmen die Performance ihres Press-Fit-Equipments mit dem Softwaremodul RTM@Ksmart in Echtzeit überwachen und analysieren, anhand der Cpk-Werte sortiert nach Bauteil, Auftrag oder der verwendten Press-Fit-Vorrichtung. Mit dem Statistik Softwaremodul SPC@Ksmart können Anwender umgehend die analysierten Daten visualisieren, beispielsweise anhand relevanter Indices wie Rate der Ausbeute, Not-Good-Analyse (NG Analysis), Analyse nach Parts per Million (ppm), Gage R&R, Offset-Werten und vieles mehr.
Das System KY-P3 erzeugt einen genauen und zuverlässigen Satz von Messdaten mit dem die Anwender die Vorrichtung an der Press-fit-Maschine zum Einpressen der Kontakte optimieren und die Arbeitstoleranzen reduzieren können, um ihre hohen Anforderungen an Cpk – genauer gesagt Cpk 2.0 Level – zu erfüllen. Deutlich wird also: Mit der Kombination aus der Software-Suite Ksmart und dem Inspektionssystem KY-P3 sind die Elektronikhersteller in der Lage, ihre Produktivität deutlich zu erhöhen, den Return-on-Investment (ROI) zu verbessern und zudem mit dieser gut aufeinander abgestimmten Konfiguration eine Smart Factory zu realisieren. ■
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