Referenten des Seminars (v. l.): J. Weber, Dr. H. Bell, Ch. Hippin, Prof. Dr. M. Nowottnick, Dr. F. Schiefelbein, Prof. Dr. K.-D. Lang, H. Öttl, Dr. P. Wild
Digitale Transformation – eine Herausforderung für die EMS-Industrie
Nach der offiziellen Begrüßung durch Dr. Paul Wild, Rehm Thermal Systems GmbH, Blaubeuren, eröffnete Johann Weber, Zollner Elektronik AG, Zandt, mit einem Beitrag zur Digitalisierung die Vorträge. Er verdeutlichte zunächst, warum die Digitale Transformation alle betrifft und somit auch eine Herausforderung für die EMS-Industrie ist: „Die Digitale Transformation ist für wettbewerbsorientierte Unternehmen keine Option, sondern eine Pflicht. Die Digitale Transformation wird die Prozesse sowie unser Privat- und Wirtschaftsleben massiv verändern.“ Johann Weber erläuterte ausgehend von den globalen Megatrends, was die ZVEI-Mediathek Watts On an Informationen zur Digitalen Transformation und was der ZVEI hierzu an weiteren Informationen (u. a. Leitfäden) bietet. Weiterhin ging er auf die Elektronik-Design-Chain sowie auf die digitalen Planungsprozesse auf Prozessebene (DFX) als auch auf Produktebene (PCN/OM) bis hin zur digitalen Fabrikplanung ein. Zudem erläuterte er die Bedeutung der Traceability und den Digitalen Zwilling.
An Beispielen zeigte er auf, wie die Digitale Transformation bei EMS-Unternehmen in die Praxis umgesetzt und realisiert werden kann. Johann Weber merkte an, dass das Management hierzu entscheidend beiträgt – als Vorbild und mit der Ressourcenentwicklung. Denn für die Digitale Transformation sind die Weiterbildung sowie der Wissenstransfer in Netzwerken besonders wichtig.
Zum Abschluss bedankte sich Johann Weber bei Dr. Hans Bell für die langjährige vertrauensvolle Zusammenarbeit und überreichte ihm die Partnerschaftsurkunde der Zollner Elektronik AG und den Pokal.
Augmented Reality in der Elektronikfertigung
Dr. Frank-Peter Schiefelbein, Siemens AG, Berlin, beschrieb, was inzwischen mit modernen Datenbrillen und Augmented Reality in der Produktion realisierbar ist und welcher Nutzen damit verbunden ist. Bislang wird noch fast alles mittels Tastatur, Schalter, Maus oder Touchscreen bedient. Die Aufmerksamkeit des Werkers ist dabei nicht auf die eigentliche Arbeit sondern auf die Mensch-Maschine-Schnittstelle gerichtet, wodurch Fehler verursacht werden können. Mit entsprechenden Datenbrillen können Informationen direkt ins Arbeitssichtfeld eingeblendet und die Werker in die Lage gebracht werden, ihre Hände nur für die eigentlichen Arbeiten einzusetzen. So können die Produktivität gesteigert und Fehler vermieden werden. Zudem ist damit die Flexibilität höher und aufgrund der größeren Vielfalt an bearbeitbaren Prozessen wird die Arbeit attraktiver.
Schiefelbein erläuterte die aktuellen Entwicklungen bei Datenbrillen und Augmented Reality, wobei er u. a. auf das Projekt Glass@Service einging und die resultierende neue Datenbrille beschrieb. Anhand von Beispielen aus dem Logistik- und Elektronikfertigungsbereich (Kommissionierprozesse im Lager, SMD-Bestückungsautomaten rüsten, Gerätemontage mit visueller Inspektion) verdeutlichte er die sich damit eröffnenden Möglichkeiten. Er ging auch auf noch offene Fragen hinsichtlich Arbeitsschutz, Ergonomie und Datenschutz ein und verglich abschließend Wunsch und Realität der ‚Augmented Reality‘. So ist derzeit z. B. eine robuste Erkennung von Objekten und Gesten nur sehr eingeschränkt möglich und eignet sich die Sprache für Artikelnummern nur bedingt. Auch eine automatische kontextabhängige Informationsbereitstellung ist mittels verfügbarer Open-Source-SW und KI nur beschränkt umsetzbar.
System in Package – Hochwertige Aufbautechnologie auf allen Integrationsebenen
Die Entwicklung von der Mikroelektronik über Mikrosysteme hin zu Smart Systems und durch KI zunehmend intelligenteren Produkten betrachtete Prof. Dr. Klaus-Dieter Lang, Fraunhofer IZM, Berlin. Die Forderungen nach Multifunktionalität und Systemzuverlässigkeit bei angepassten Formfaktoren und geringen Kosten wirken als Treiber für die Systemintegrationstechnologien. Für die Realisierung neuronaler Netzwerke etc. werden Wafer Level-Technologien eingesetzt. Für GPUs Chipstapelaufbauten mit TSVs. Beides sind Beispiele für System-in-Package (SiP)-Lösungen.
Allerdings ist die SiP-Integration weit mehr als nur eine weitere Packaging-Lösung, denn SiP sind jeweils auf die Anwendung ausgerichtet und erfordern den Einsatz neuer Materialien kombiniert mit neuen Prozessen.
Lang stellte Beispiele verschiedener SiP-Lösungen einschließlich einer SiP-Toolbox vor. Im Rahmen des Projekts PeKOS werden die Technologien (Maschinen und Prozesse) für das 600 mm-Panel Level-Packaging entwickelt. Insbesondere für die heterogene Integration bietet sich die Panel Level-Technologie als Plattform an, was u. a. am Beispiel einer SiP-Lösung für 5G sowie eines Photonic Transceivers verdeutlicht wurde. Zu den Herausforderungen für die Zukunft gehört v. a. die Standardisierung. Auch hier gibt es schon Lösungsansätze, für die Beispiele aus aktuellen Förderprojekten vorgestellt wurden.
Herausforderungen der letzten 20 Jahre
Christoph Hippin, Endress+Hauser SE+Co. KG, Maulburg, erläuterte die technischen Herausforderungen der letzten 20 Jahre in der Elektronikfertigung anhand von gemeinsamen Projekten. Der abnehmende THT-Anteil und der Wunsch, THT- und SMT-Bauteile in einem Prozess löten zu können und so weniger Prozessschritte zu benötigen, waren die Motivation für das Back-Side-Reflow (BSR) bzw. für die Entwicklung einer BSR-Lötanlage. Die erste Anlagengeneration ist für den bleihaltigen Prozess entwickelt worden: Das Reflowlötsystem V6 wurde dafür mit einem Kühlaggregat ausgerüstet. Bei der zweiten Generation wurde das Reflowsystem VX mit Querstromkühlern verbessert. Die dritte Generation wurde für den bleifreien Prozess ausgelegt.Sie basiert auf der VXP mit Querstromkühlern und Zonensteuerung.
Hippin beschrieb die Anlagenentwicklung, die am Fraunhofer ISIT erfolgte. Ergebnis war eine Temperaturdifferenz von 35 K zwischen Ober- zur Unterseite. Er ging auch auf die in Verbindung mit BSR entwickelte Softlock-Technik ein, mit der die Fixierung der THT-Bauteile ohne extra Prozessschritte nur mittels Leiterplatte erfolgen kann. Problematisch sind neben den höheren LP-Herstellkosten die Genauigkeit der Bohrungen und die Toleranzen der THT-Bauteilpins. Sie ist eine Alternative zu BSR-Prozess mit UV-Klebung (Lotpastendruck, Wenden, UV-Kleber-Dispensen, THT-Bestückung, UV-Aushärtung Wenden, SMD-Bestückung, Reflowlöten). BSR kann auch für andere Anwendungen wie Stufenlötung mit hoch- und niedrigschmelzenden Loten eingesetzt werden.
Als weitere Herausforderungen schilderte Christoph Hippin die Probleme und Anforderungen bei der Verarbeitung von QFN-/DFN- sowie von SOD- und SOT-Bauformen. Er ging dabei insbesondere auf die Bauteiltoleranzen, Layouteinflüsse sowie Versatz, Verdrehung, Lotspalt und Verkippung ein. Vieles hierzu findet sich im gemeinsam erstellten Rehm Reflow-Technologiebuch Band 4 zur Miniaturisierung.
Vielfältige Einsatzmöglichkeiten von Bismut-Loten
Ausgehend von den ungewöhnlichen physikalischen Eigenschaften des Bismuts und der maximalen Betriebstemperatur von BiSn-Lötverbindungen zählte Prof. Dr. Mathias Nowottnick, Universität Rostock, die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von Bismut-Loten auf. Die niedrigschmelzenden Bismut-Lote (Bi-Sn-Eutektikum-Schmelzpunkt 139 °C) ermöglichen eine umweltfreundliche Baugruppenmontage mit niedrigen Löttemperaturen. Die resultierenden Lötverbindungen zeigen auch nach 2000 h bei 110 °C nur geringe Veränderungen. Denn BiSn-Lötverbindungen sind thermisch relativ (homolog) hoch belastbar und bis ca. 110 °C sind die Lötverbindungen auch chemisch (IMP) stabil.
Für Anwendungen bei höheren Temperaturen von 200 °C bis 250 ° kommen flüssige bzw. temporär flüssige Lötverbindungen (TLSD) mit Bi-Loten infrage. Nowottnick erläuterte u. a. anhand von Demonstratoren mit Leistungskomponenten, was dabei die Herausforderungen sind. So müssen die Kupferoberflächen durch Diffusionsbarrieren gegen das Ablegieren beim (Dauer-)Kontakt mit flüssigem Lot geschützt werden.
Eine weitere Alternative für Hochtemperaturanwendungen ist das Flüssigphasen-Sintern (TLPS) mit einem Cu/BiSnAg-Gemisch als Sinterpaste. Er erklärte wie das Flüssigphasen-Sintern i. e. das isotherme Löten funktioniert und zeigte dazu Schliffbilder und REM/EDX-Aufnahmen der so erzeugten Verbindungen. Die isotherme Erstarrung kann zur Erhöhung der Aufschmelztemperatur genutzt werden. Isothermes Löten mit BiSn-Loten erfordert keine Diffusionsbarriere.
Konsequenzen der Miniaturisierung
Neben den externen Experten beteiligten sich auch Experten der Rehm Thermal Systems GmbH, Blaubeuren, mit Beiträgen am Seminar. So referierte Helmut Öttl über das richtige Lötverfahren und gab dabei einen Überblick über die angebotenen Möglichkeiten und die Auswahlkriterien. Dr. Paul Wild sprach über aktuelle Anforderungen an thermische Prozesse – Ziele und Strategien. Dr. Hans Bell verdeutlichte Konsequenzen der fortlaufenden Miniaturisierung anhand von zahlreichen Beispielen aus der Praxis. An die Vorträge schlossen sich ein Get-together sowie Firmenrundgänge an.
