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Sichere Prozesse für die Elektronikfertigung

Systemeinsatz in der Bestückung

Sichere Prozesse für die Elektronikfertigung

Die Elektronikindustrie hat besondere Anforderungen an die Fertigungs-IT. Dazu gehört neben der Integration hochtechnisierter Anlagen ein hohes Informationsaufkommen. Um der Elektronikfertigung bestmöglich Rechnung zu tragen, sollte ein Manufacturing Execution-System zudem die Leiterplattenbestückung unterstützen.

Bild: Hekatron Technik GmbH

Manufacturing Execution-Systeme (MES) unterstützen als zentrale Datenbasis Produktionsbetriebe durch das Erfassen und Auswerten fertigungsrelevanter Daten. Sie dienen als Brücke zwischen der zeitkritischen Fertigung und dem langfristig planenden Enterprise Resource Planning-System (ERP). Der Austausch zwischen Produktionsebene und MES sollte in Echtzeit erfolgen, um sowohl das Material als auch den Maschinenstatus oder Ressourcen wie Werkzeuge und Hilfsmittel aktuell im Blick zu behalten. Die horizontale Integration sorgt dabei für eine schnittstellenfreie Verbindung aller IT-Anwendungen in der Fertigung. Grundsätzlich können entsprechende Systeme in nahezu jeder Branche eingesetzt werden. Dies ist insbesondere in der Elektronikbranche von Vorteil, da etwa die Leiterplattenbestückung oft nicht ohne Zusammenspiel mit Verfahren wie Spritzguss oder Metallverarbeitung betrachtet werden kann.

Elektronikfertigung mit Fokus auf Bestückung

In der Elektronikfertigung muss produktionsnahe IT mit spezifischen Herausforderungen umgehen können. Die Leiterplattenbestückung ist dadurch charakterisiert, dass viele Bauteile unterschiedlicher Hersteller automatisiert in hoher Geschwindigkeit von oft mehr als 100.000 Bauteilen je Stunde auf einer Leiterplatte bestückt werden. Dabei ist mit einem hohen Datenaufkommen zu rechnen, da für jedes Bauteil der Einbauplatz und weitere für die Rückverfolgbarkeit relevante Daten erfasst werden. Zudem ist die Materialbestandsführung aufwändig, da elektronische Bauteile aufgrund des ‚Moisture Sensitive Levels‘ (MSL) teilweise dynamischen Verfallzeiten unterliegen: Durch die diffusionsoffene Bauweise der Bauelemente reagieren sie empfindlich auf Feuchtigkeit, was beim Verarbeiten berücksichtigt werden muss. Der MSL gibt an, in welchem Zeitraum das Bauteil nach Öffnung der luftdichten Verpackung verbaut werden muss. Dies ist mit enormem Planungs- und Überwachungsaufwand verbunden – schließlich sollen die Verwurfskosten möglichst niedrig sein.

Ohne softwareseitige Unterstützung ist eine effiziente Leiterplattenbestückung somit nur schwerlich möglich. Sowohl für die Abbildung der dynamischen Verfallzeiten als auch in Hinblick auf die Bestückung der Kommissionierwägen bis hin zur Rückverfolgbarkeit oder ‚Traceability‘ ist die Identifikation, Verwaltung und Auswertung von Material in der Elektronikindustrie ein entscheidender Faktor. Eine integrierte Lösung kombiniert dazu im besten Fall übergreifende Standardfunktionen mit Branchenprozessen der Elektronikbranche, um Leiterplattenbestückung zu unterstützen. Ein Beispiel: Zur Optimierung von Rüstzeiten kommen in der Elektronikfertigung sogenannte Kommissionierwägen zum Einsatz. Für deren Nutzung ist zum einen die Bestandsverwaltung mit MSL und zum anderen die Korrelation zu den Aufträgen wichtig. Je nach Auftragsvorrat wird unterschiedliches Einsatzmaterial benötigt. Ein MES ermöglicht, die Verfügbarkeit des benötigten Materials über die Bestandsverwaltung zu prüfen, um Material für die Kommissionierung freizugeben.

Anbindung von Bestückungsautomaten

Ein zentrale Aufgabe in der Leiterplattenbestückung ist die Anbindung von Bestückungsautomaten. IT-seitig müssen dazu die im Automaten generierten Daten ausgelesen und zur weiteren Verarbeitung aufbereitet werden. Am Beispiel der Rückverfolgbarkeit wird deutlich, welche Informationsprozesse ineinander greifen: Kommissionierwägen werden mit Bauteilrollen bestückt, der Verbrauch und die Zuordnung des Einsatzmaterials zum Einbauplatz wird im Bestückungsautomaten geregelt. Die Charge der Rolle und die Zuordnung zum Auftrag sind dem MES bekannt, die eindeutige Zuordnung des einzelnen Bauteils erfolgt erst mit Hilfe der ausgelesenen Daten aus dem Bestückungsautomat. Letztendlich stellt das System so die Rückverfolgbarkeit der einzelnen Bauelemente sicher, da hier alle relevanten Daten in einem System zusammenlaufen.

Erfassung von Prozessdaten für Bestückung und Löten

Eine weitere Systemaufgabe betrifft das Überwachen von Prozessdaten, etwa zum Feuchtigkeitsgehalt der Luft oder der Temperatur innerhalb des Bestückungsautomaten. Auf diese Weise können Bauelemente, die ungünstigen Umgebungsbedingungen ausgesetzt waren, rechtzeitig aussortiert beziehungsweise die Bestückung abgebrochen werden. Auch in einem nachgelagerten Prozessschritt kann etwa in einem Reflow-Lötofen die Temperatur überwacht werden, um sicherzustellen, dass Bauelemente oder Lötstellen nicht durch zu hohe Temperaturen beeinträchtigt werden. Durch diese Prozessverriegelung wird sichergestellt, dass die Bauelemente einwandfrei verarbeitet werden, was Ausschuss und Kosten reduziert.

Systemeinsatz in der SMD-Bestückung

Den Einsatz eines MES in der Elektronikfertigung illustriert ein Referenzprojekt bei der Hekatron Technik GmbH zur Anbindung von ‚Surface Mounted Devices‘-Bestückungslinien (SMD): Um den wachsenden gesetzlichen Anforderungen an die Rückverfolgbarkeit gerecht zu werden und Verbesserungspotenzial innerhalb seiner Fertigungsprozesse sichtbar zu machen, entschied sich der Elektronikhersteller im Sommer 2013 für die Software ‚Hydra‘ des Mosbacher Anbieters MPDV zur Unterstützung des kompletten Herstellungsprozesses von Flachbaugruppen und Gerätemontage im Sulzburger Werk der Hekatron. Die Umsetzung einer Schnittstelle zu den Bestückungsautomaten diente als Auftakt zu einem mehrstufigen Einführungsprojekt.

Unter anderem sollen mit dem integrierten System zahlreiche Insellösungen und komplexe Schnittstellengebilde abgelöst werden, um eine einheitliche Plattform zur Steuerung und Überwachung der Wertschöpfungskette vom Wareneingang bis zum fertigen Produkt zu implementieren. Dabei werden Daten etwa zu Aufträgen, Materialchargen, Qualitätsentscheiden oder Prozessparametern zentral abgelegt und für Auswertungen bereitgestellt. Einen Beleg für das Datenaufkommen liefert eine kürzlich in Betrieb genommene SMD-Linie, die bis zu 60.000 Bauteile pro Stunde bestückt. Josef Kohmann, Leiter Industrial Engineering bei Hekatron, resümiert: „Die erfolgreiche Umsetzung der komplexen Anbindung der ersten SMD-Bestückungslinie hat uns gezeigt, dass wir auf das richtige System gesetzt haben. Wir werden nun sukzessive den kompletten Herstellungsprozess in der Elektronikfertigung in Hydra abbilden.“