Die Teilnehmer von "Design for Manufacturing" auf der Ersa Dachterrasse am Standort Wertheim
Ersa

Mehr Qualität in der Elektronikfertigung

Techseminar „Design for Manufacturing“ vermittelt wertvolles Know-how für Baugruppenfertigung

Wertheim, 03.06.2022 | Zur Neuauflage des „Design for Manufacturing“-Technologieseminars begrüßte Gesamtvertriebsleiter Rainer Krauss die Teilnehmer verschiedenster Unternehmen (von Automotive über Engineering und Modellbahnbau bis Engineering) im Ersa Seminarzentrum in Wertheim. Zwei Tage waren angesetzt, um fertigungsgerechte CAD-Konstruktion, Leiterplattentechnologie und Produktionsprozesse zur wirtschaftlichen Fertigung zuverlässiger elektronischer Baugruppen eingehend zu beleuchten.

Drei ausgewiesene Experten der Elektronikfertigung konnten als Referenten gewonnen werden, um die komplexe Materie anschaulich zu vermitteln: Arnold Wiemers, Technischer Direktor der LeiterplattenAkademie GmbH aus Berlin, Helge Schimanski, Gruppenleiter Modul-Services am Fraunhofer ISIT, und Jürgen Friedrich, Leiter Anwendungstechnik bei der Ersa GmbH, der zum Auftakt ins Thema einführte. Obwohl allesamt seit vielen Jahren tief im Thema, treffen selbst Experten wie die drei Referenten bei der Baugruppenfertigung immer wieder auf neue Herausforderungen, die es zu bewältigen gilt. So breit das Teilnehmerfeld der Veranstaltung, so einig war man sich beim gemeinsamen Ziel – „Produktion qualitativ hochwertiger Baugruppen in allen Anwendungsfeldern auf wirtschaftlicher Basis, die später im Feld zuverlässig ihren Dienst verrichten“. Dafür benötigt man zuerst ein fertigungsgerechtes Design und flexible Fertigungslinien im passenden Umfeld, um große Serien ebenso wie kleine Losgrößen effizient und in Topqualität fertigen zu können.

„In speziellen Bereichen wie E-Mobilität oder Raumfahrt wird eine Baugruppe bis aufs kleinste Detail durchleuchtet und getestet, weil eben sehr hohe Anforderungen an die Anwendung, die unter verschiedensten klimatischen Bedingungen erfolgt, gestellt werden – eine Reparatur im All etwa ist durchaus denkbar, allerdings ist das mit astronomischen Kosten verbunden“, sagte Jürgen Friedrich. Daher müssen komplexe Qualitätsfaktoren in der Baugruppenfertigung berücksichtigt werden, um innerhalb eines definierten Prozessfensters – thermisch und chemisch – zu einem reproduzierbar einwandfreien Ergebnis zu kommen, das auch den physikalischen Randbedingungen in puncto Materialmix (Metall, Plastik, Keramik) entspricht. Als wichtige Qualitätsfaktoren sind daher zu berücksichtigen: Leiterplatte, Bauteile, Bediener, Prozess, Anlagen und Umfeld – eine Lötmaschine, so gut die Hardware auch sein mag, ist noch kein Erfolgsgarant.

Jürgen Friedrich führt als Leiter Anwendungstechnik bei der Ersa GmbH ins Thema „Design for Manufacturing“ ein
Jürgen Friedrich führt als Leiter Anwendungstechnik bei der Ersa GmbH ins Thema „Design for Manufacturing“ ein

Qualität beginnt in der Konstruktion

Einflüsse einzelner Arbeitsschritte auf die Fertigbarkeit und Zuverlässigkeit elektronischer Baugruppen in Konstruktion, Fertigung und Prüfung wurden aufgezeigt – etwa die Auswirkung des LP-Layouts auf den Lotdurchstieg von THT-Bauteilen oder die Abhängigkeit der späteren Zuverlässigkeit vom Design der Leiterplatte. Es gab Empfehlungen, wie sich Baugruppen unter fertigungsgerechten Gesichtspunkten designen, Materialien und Bauteile auswählen und Fertigungsprozesse beurteilen lassen. „Ein optimales LP-Layout ist das Fundament, um leistungsfähige und zuverlässige PCBs herzustellen. Qualität beginnt in der Konstruktion – es lohnt sich, hier Know-how aufzubauen“, betonte Jürgen Friedrich.

Arnold Wiemers, Technischer Direktor der LeiterplattenAkademie in Berlin, übernahm direkt mit seinen Ausführungen zu Basismaterialien, CAD-Design und Leiterplattentechnologie. „Für die Produktion elektronischer Systeme müssen die drei Disziplinen CAD-Design, Leiterplattenfertigung und Baugruppenproduktion aufeinander abgestimmt miteinander arbeiten“, erklärte der ausgewiesene PCB-Experte, der vorausschauendes Wissen elementar hält für eine effiziente Baugruppenfertigung. Anders gesagt: Der wirtschaftliche Erfolg eines Gerätes ist ohne ein passend definiertes Basismaterial sowie entsprechende Bauteile kaum zu kontrollieren. IoT, Industrie 4.0, autonome Systeme, kollaborierende Roboter – alles undenkbar ohne ordnungsgemäß funktionierende elektronische Baugruppen.

Helge Schimanski vom Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie (ISIT) in Itzehoe, das auf Qualität, Zuverlässigkeit sowie Aufbau- und Verbindungstechnik elektronischer Baugruppen und Komponenten abzielt, nahm sich unter anderem die Treiber der Miniaturisierung, neue Bauformen-Trends passiver und aktiver SMD-Bauelemente und das Löten temperaturempfindlicher Bauteile vor. Am ISIT werden gerade auch die Treiber der Miniaturisierung intensiv untersucht – ein Trend, der von Anwenderseite getrieben wird. „Bauelementgrößen 0402, 0201 oder kleiner erfordern hochpräzise Prozesse in allen Schritten der Baugruppenfertigung, um am Ende auch zuverlässige Anwendungen zu erhalten“, sagte der Leiter des ISIT-Applikationszentrums für innovative Baugruppenfertigung. Nach den Vorträgen stand am Abend Networking und fachlicher Austausch auf dem Programm – dazu ging es per Shuttle nach Hasloch, wo die Teilnehmer den Eisenhammer und damit den Ursprung des Kurtz Ersa-Konzerns kennenlernten. Beim gemeinsamen Abendessen im Herrenhaus war der Dialog bestimmt von Baugruppen, Basismaterialien wie FR4 und Lötwärmebeständigkeit.

Arnold Wiemers, Geschäftsführer der LeiterplattenAkademie in Berlin, referiert über CAD-Design, Leiterplattentechnologie und Basismaterialien für die Elektronikfertigung
Arnold Wiemers, Geschäftsführer der LeiterplattenAkademie in Berlin, referiert über CAD-Design, Leiterplattentechnologie und Basismaterialien für die Elektronikfertigung
Helge Schimanski vom Fraunhofer ISIT, sprach über Bauelementetrends, Herausforderungen bei der Verarbeitung neuer Bauformen und fertigungsgerechtes Leiterplattendesign
Helge Schimanski vom Fraunhofer ISIT, sprach über Bauelementetrends, Herausforderungen bei der Verarbeitung neuer Bauformen und fertigungsgerechtes Leiterplattendesign

Einfache Prozesse, großer Nutzen

Den zweiten Tag eröffnete Helge Schimanski mit dem spannenden Thema „Fertigungsgerechtes Leiterplattendesign“ – er zeigte unter anderem auf, dass auch vermeintlich einfache Prozesse wie das Nutzentrennen einen enormen Einfluss auf die Zuverlässigkeit elektronischer Baugruppen haben. In seinen weiteren Ausführungen erklärte Schimanski die Zuverlässigkeit von Lötstellen keramischer SMT-Bauteile in Abhängigkeit von Padlayout und Lotvolumen sowie die Prozessierung von mikro- und niedrig-Silber-legierten Loten. Abschließend führte Schimanski in einem spannenden Vortrag die Zuhörer in die Welt fortschrittlicher Fehleranalysen ein. Die Möglichkeiten, die dem Fraunhofer ISIT in seinen modern ausgestatteten Laboren hier für die Schadensanalytik zur Verfügung stehen, basieren grundsätzlich auf qualifizierten, neutralen Bewertungsmethoden. Ziel ist hier immer die Fehlerursachenforschung in enger Zusammenarbeit aller Beteiligten.

Im zweiten Teil der Thematik Leiterplattentechnologie erklärte Arnold Wiemers Dokumentationsprozesse für Multilayer-Leiterplatten, die in den heutigen Trace-basierten Fertigungsumgebungen die Basis für alle nachfolgenden Fertigungsschritte bilden. Technologien für die Entwärmung elektronischer Baugruppen, hohe Stromtragfähigkeiten, Design von Wärmefallen sowie die Nutzengestaltung runden das Know-how um das breite Spektrum der Leiterplattentechnologie ab.

In seinem Vortrag „Prozessführung in Lötprozessen“ erklärte Jürgen Friedrich die Prozessfenster für sichere Lötprozesse. Im Wesentlichen geht es bei der Thematik stets darum, die für das Löten erforderliche Lötwärme sicher in die Baugruppe zu transferieren, auf der anderen Seite aber die Grenzen der Lötwärmebeständigkeit auf sicherem Abstand zu halten. Hier hat das Design der Leiterplatten und Baugruppen eine elementare Bedeutung – das heißt, das Fundament für die Qualität und Zuverlässigkeit eines elektronischen Gerätes wird bereits in der Konstruktion und nicht erst in der Fertigung gegründet. Im letzten Vortrag des Seminares erklärte Helge Schimanski Forschungsergebnisse aus dem Bereich niedrigschmelzender Lote auf Basis von Zinn-Wismut, die in Zusammenarbeit mit dem Halbleiter-Hersteller Nexperia erarbeitet wurden. Das Ergebnis überrascht, denn die Zuverlässigkeit dieser niedrigschmelzenden Lote ist in den durchgeführten Untersuchungen und Temperaturbereichen mit denen der weitverbreiteten SAC-Lote vergleichbar. Diese sehr positiven Ergebnisse tragen hoffentlich dazu bei, die weitere Verbreitung dieser Lote in der Industrie zu forcieren.

Am Ende zweier gehaltvoller Tage reisten die Teilnehmer nach Hause – mit großem Elan, das frisch vertiefte Know-how zeitnah der eigenen Elektronikfertigung zugutekommen zu lassen. Trends wie weiter anhaltende Miniaturisierung und Großformate etwa für den 5G-Mobilfunkstandard behalten die Referenten im Auge, um neue Entwicklungen in einem künftigen Technologieseminar weiterzugeben.

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