Ihlemann AG Best Practices bei Gerätedesign und Montage

Bild 1. Nach der virtuellen Bestückung des PCB-Layout erstellt der Fertigungs-Dienstleister einen ausführlichen Report und gibt Hinweise zur Beseitigung der festgestellten Probleme und zur Fertigungsoptimierung.
Bild 1. Nach der virtuellen Bestückung des PCB-Layout erstellt der Fertigungs-Dienstleister einen ausführlichen Report und gibt Hinweise zur Beseitigung der festgestellten Probleme und zur Fertigungsoptimierung.

Bei der Entwicklung elektronischer Geräte können bis zu 20 Prozent an Zeit und Kosten eingespart werden, wenn man diese Maßnahmen trifft: frühzeitige Design-Evaluierung, veränderte Prototypenphasen, kürzere Fertigungszeiten, neue Testkonzepte und erweiterte Montage-Dienstleistungen.

Bekannte Trends wie Miniaturisierung, höhere Packungsdichte sowie steigende Komplexität verursachen auf dem Weg von der Produkt­idee bis zur Serienfertigung vielfältige Probleme. Dabei könnte der Produkteinführungsprozess an sich erheblich verkürzt werden – so die Erfahrungen bei Ihlemann. Der ZVEI spricht von der Parallelisierung von Design, Produktion der Prototypen und Industrialisierung für die Serie (DfX – Design for Excellence). Dabei gilt: Je früher Best-Prac­tice-Erfahrungen berücksichtigt werden, desto höher fallen die Zeit- und Kostenersparnisse aus.
Aus Sicht des EMS-Dienstleisters gibt es dabei folgende Hauptansatzpunkte:

  • eine Design-Evaluierung des PCB-Layout vor Abschluss der Designphase
  • die frühzeitige Anwendung von Serienstandards bereits in der Prototypenphase
  • die Nutzung neuer Technologien und Methoden für kürzere Durchlaufzeiten in der Fertigung
  • eine bessere und schnellere Fehler­erkennung und -korrektur durch variable Testkonzepte
  • bessere Verzahnung von Fertigung, Montage und Funktionstests, um die Auslieferung zu beschleunigen

Design-Evaluierung des PCB-Layout

Noch in der Designphase, also vor dem ersten Bestellen der Leiterplatte, kann durch eine Software-gestützte virtuelle Bestückung geprüft werden, ob die maßgeblichen Standards wie IPC-A-610 »Acceptability of Electronic Assemblies«, ferner die Vorgaben der Bauteilhersteller sowie die maschinenspezifischen Designrichtlinien der Fertigung eingehalten werden. Die virtuelle Bestückung erkennt typische Designfehler wie

  • Probleme mit Bauelementen: beispielsweise zu geringe Abstände von Bauelementen zueinander, falsche Padgrößen und Bohrungen sowie Aufschwimmen von Bauteilen durch eine falsche Padgestaltung und falsche Bauformen aufgrund von falschen Artikelnummern (Stücklistenfehler)
  • Probleme mit Durchkontaktierungen: Zu geringe Bohrdurchmesser zum Beispiel verhindern die Kapillarwirkung und das Aufsteigen des Lots. Eine weitere Quelle ist Lötzinnabfluss bei den Vias direkt in SMD-Pads.
  • Aufbau der Leiterplatte: Fehlende Wärmefallen in Innenlagen an den Durchsteigern/Bohrungen mit Verbindungen zu Masseflächen verhindern wegen nicht ausreichender Durchwärmung einen vollständigen Lötdurchstieg.

»Nach unseren Erfahrungen werden durch die Design-Evaluierung etwa 95 Prozent der Designfehler erkannt. Die restlichen 5 Prozent betreffen lediglich kundenspezifische Sonderentwicklungen«, berichtet Bernd Richter, Vorstand der Ihlemann AG. Nach der virtuellen Bestückung erstellt der Fertigungs-Dienstleister einen ausführlichen Report (Bild 1) und gibt Hinweise zur Beseitigung der festgestellten Probleme sowie zur Fertigungsoptimierung. Dazu gehören auch Hinweise zum Materialmanagement, denn problematische Bauteile können oft durch Alternativen ersetzt werden. Hier berücksichtigt der Dienstleister neben der Funktionalität auch Aspekte wie gesetzliche Normen, die langfristige Verfügbarkeit (Obsoleszenz-Management) sowie die Materialpreisentwicklung.

Die vorgeschlagenen Designkorrekturen können in dieser frühen Phase des Produkteinführungsprozesses noch relativ einfach umgesetzt werden. Werden die Korrekturen nicht berücksichtigt, treten sie spätestens in der Serienfertigung als verdeckte Fehlerquellen auf. Das führt beispielsweise dazu, dass automatisierte Lötprozesse wie Selektivlöten durch nachträgliche Handlötstellen ergänzt werden müssen. Das erhöht die Fehlerquote, führt zu steigenden Kosten und verzögert die Auslieferung.

Die Erkenntnisse aus der Design-Evaluierung ermöglichen zudem eine kürzere Fertigungsvorbereitung, nachdem technologisch weitgehend sichergestellt ist, dass beim Übergang von der Prototypen- zur Serienphase keine zeit- und kostenaufwändigen Korrekturen mehr erforderlich sind.

Eine neue Sicht auf die ­Prototypenphase

Dafür aber werden die technologischen Unterschiede zwischen Prototypen- und Serienfertigung durch kompaktere Designs und kleinere Bauteile zunehmend größer. Da im traditionellen Prototypenbau viele Bauteile manuell bestückt werden, wirkt sich die zunehmende Miniaturisierung immer stärker aus. Die erforderliche Positionsgenauigkeit eines SMD-Bauteils von beispielsweise 50 µm ist per Hand nicht zuverlässig einzuhalten. Befinden sich die Bauteile in der Paste nicht exakt an der richtigen Stelle (x, y und Höhe), ergeben sich mangelhafte Lötstellen mit Fehlerraten von häufig 20 bis 30 Prozent.

Die Bestückung erfolgt üblicherweise auf Musterbaumaschinen. Datenformate, Prozesse und technische Parameter unterscheiden sich daher von den Serienmaschinen. Trotz der erfolgreichen Inbetriebnahme eines traditionell hergestellten Prototypen ergeben sich durch die größer werdenden Unterschiede zwischen Prototypen- und Serienfertigung nach der Prototypenphase steigende Entwicklungsaufwände. Deshalb empfiehlt der EMS-Dienstleister die Fertigung von Prototypen bereits auf High-End-SMD-Bestückungsautomaten. Hier werden Anforderungen wie Design for Manufacturing (DfM), Design for Testability (DfT) und Design for Cost (DfC) bereits an die Erstellung von Prototypen gestellt. Das hat zur Folge, dass bereits vor der Nullserie alle Vorbereitungen der Serienproduktion abgeschlossen sind. Es kann also ein ganzer Prozessschritt eingespart werden und der doppelte Aufwand für die Vorbereitung der Prototypen- und der Serienfertigung entfällt.