‚Wir gehen in die Tiefe‘ gab Tipps für die Zukunft

Vermeiden von Lötfehlern

Dr. Karin Hergert, Rehm Thermal Systems, vermittelte im ersten „Löten auf dem Weg zur Perfektion – Vermeidung von Lötdefekten“ titulierten Vortrag, was perfekte Lötverbindungen sind und wie diese realisiert werden können. Anhand von Beispielen typischer Fehler wie Lotbrücken, -perlen, Bauteilversatz, -abwesenheit, Nichtlötungen, Tombstoning, Wicking, Graping und Voids zeigte sie auf, was nicht perfekt ist und wie diese Fehler entdeckt werden können. Zudem ging sie auf die möglichen Ursachen und entsprechenden Vermeidungsmaßnahmen ein. Dr. Karin Hergert erklärte dabei, wie sich Anpassungen des Lötprofils auf die Fehlerraten auswirken. Hier gibt es oft gegensätzliche Effekte, beispielsweise wirken sich geringere Temperaturgradienten günstig bei Tombstones, Wicking und Lötperlen aber ungünstig auf das Graping aus.

Optimieren der Produktion

Angeregter Austausch am Stand von ASMPTAdrian Teuber und Fabian Autenrieth, ASYS Group, forderten alle dazu auf: „Optimize Your Production“ und verdeutlichten an Beispielen aus der Produktion und deren Umfeld, wie dies realisierbar ist. Die Material- sowie die dazugehörigen Datenströme werden aufgrund der zunehmenden Vielfalt in der Elektronik immer komplexer, was u. a. zu größeren und unübersichtlichen Lagern, langen Wegen und weiteren Problemen führt. Sie zeigten anhand der Anwendungsfälle Milkrun-Prinzip, Magazin- und Rollenhandling auf, dass die Logistik-Automatisierung basierend auf Softwaretools eine Lösung ist. Sogar die Umstellung des Pastendruckers (EKRA Serio 6000) und der gesamten SMT-Linie auf ein neues Produkt kann dank moderner Tools inzwischen vollautomatisch erfolgen, wobei zudem alles protokolliert wird und die Produktionsdaten mit dem Leitsystem ausgetauscht werden. Diese neuen Möglichkeiten basieren auf einer Allianz von Herstellern, deren Maschinen und produktionsunterstützende Systeme dank standardisierter Schnittstellen fähig für das Pulse PRO Linienmanagement sind. Das Konzept von Pulse PRO bietet eine einfache, bidirektionale Kommunikation über das integrierte Messengersystem, Fernüberwachung für kritische Prozesse mittels frei platzierbarer Kamera zur Übertragung von Livevideos auf Mobilgeräte, komplette Maschineninformationen wie Seriennummer, Softwareversion und Kontakt zur Supporthotline auf einen Blick sowie eine zugriffsgeschützte Dateiablage für die zentrale Ablage von maschinenspezifischen Dokumenten. Adrian Teuber und Fabian Autenrieth empfahlen, bei der Optimierung der Produktion Schritt um Schritt vorzugehen.

Mit Lötmitteln den CO₂-Fußabdruck reduzieren

Bei der Firma Kolb wurde die Produktpalette der Reinigungssysteme und -chemie für die Elektronikfertigung vorgestelltMarco Dörr von der Firma Stannol zeigte ausgehend von der Firmenhistorie auf, wie durch die Auswahl der richtigen Lötmittel eine Reduzierung des CO2-Fußabdruckes in der Elektronikfertigung erfolgen kann und was bei der Umstellung zu beachten ist. Bereits 2014 hat Stannol den ersten nachhaltigen Lötdraht entwickelt, 2018 folgte die Entwicklung der Fairtin Kriterien und im Jahr 2020 ist unter der Bezeichnung ‚greenconnect' ein komplett ‚grünes' Produktportfolio vorgestellt worden, bei dem der Aspekt der Nachhaltigkeit im Mittelpunkt steht. Nun ist das Unternehmen dabei seine erste CO2-Bilanz zu erstellen.

Marco Dörr verglich zuerst wasser- mit lösemittelbasierenden Flussmitteln. Erstere sind keine Drop-in-Lösung, denn Wasser benötigt für die Verdunstung deutlich mehr Wärme, d. h. eine längere und höhere Vorwärmung in der Lötanlage, was mit einer höheren Temperaturbelastung für die Bauteile verbunden ist. Sie haben trotzdem einen wesentlich besseren CO2-Footprint. Zudem sind die Transportkosten und der Einkauf wasserbasierender Flussmittel günstiger. Mit Solar PV EF160 Bio PV ist von Stannol inzwischen ein neues Flussmittel auf den Markt gebracht worden, das im Unterschied zu früheren alkoholbasierten Flussmitteln zu 95% biobasiert und damit fast CO2-emissionsfrei ist. Nach einem Einblick in den weltweiten Zinnverbrauch ging Marco Dörr auf die Wiederverwendung von Zinn aus Abfällen ein. Diese ist kein Problem, denn analytisch ist kein Unterschied des aufbereiteten zum Primärzinn feststellbar. Bei Primärzinn werden 2,18t CO2 pro Tonne Sn emittiert, bei Sekundärzinn dagegen nur 0,024t CO2 also 98,9% weniger. Empfohlen wurde, für das Wellen- und Selektivlöten Flussmittel auf Wasserbasis zu verwenden und die Anlagen mit grünem Strom zu betreiben. Ansonsten sind Flussmittel auf Basis von organischem Ethanol einzusetzen. Nachhaltig sind die Fairtin und die Greenconnect Produkte.

Low temperature soldering reduziert den Wärmebedarf

Niedrig schmelzende Lote können, wie Helge Schimanski, Fraunhofer ISIT, Itzehoe, darlegte, beim Löten Vorteile mit sich bringen. Denn damit können offene Lötverbindungen vermieden werden, die bei den höheren Löttemperaturen des SAC-Reflowlötprozesses aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) von Leiterplatte und Bauteilen durch Verwölben entstehen können. Beim Löten mit niedrigeren Temperaturen ist der Verwölbungseffekt geringer. Das Low Temperature Soldering (LTS) mit SnBiX-Loten ist allerdings nur möglich, wenn es zu den Betriebstemperaturen der Elektronik passt. LTS-Untersuchungen mit einer Auswahl von Bauteilen ergaben im Vergleich mit SAC keine wesentlichen Unterschiede sowohl bei der Benetzung als auch bei den Eigenschaften der resultierenden Lötverbindungen. Abhängig von der verwendeten LTS-Lotpaste müssen eventuell die Schablonenöffnungen angepasst werden, wie Helge Schimanski an einem Beispiel verdeutlichte.

Basis der Digitalisierung und neue technologische Herausforderungen

Gute Laune herrschte am Stand von RuhrzinnDigitale Informationen sind nichts Neues. Denn es gibt sie seit 3,5 Mrd. Jahren und zwar in Form der quaternär codierten Erbinformationen, der DNA-Doppelhelix. Mit einer Serie von Bildbeispielen zeigte Prof. Dr. Mathias Nowottnick, IEF/IGS der Universität Rostock, auf, wie sich die Technologie entwickelt hat. Die technologische Basis der Digitalisierung beginnt mit der antiken Rechenmaschine von Antikythera. Das erste Produkt der Neuzeit ist die 1673 von Gottfried Wilhelm Leibniz erfundene mechanische Rechenmaschine. Die erste druckende Rechenmaschine gab es um 1905 und den ersten Taschenrechner 1920. Der erste funktionsfähige Digitalrechner ist von Konrad Zuse und Helmut Schreyer 1941 konstruiert worden. Danach ging es getrieben durch die Halbleitertechnik – integrierte Schaltungen wurden 1959 erfunden – immer schneller. Intel stellte 1972 den 8 Bit Mikroprozessor mit ca. 3500 Transistoren vor und Gordon Moore sagte 1975 eine Verdopplung der Komplexität integrierter Schaltkreise alle 2 Jahre voraus, was sich bestätigt hat. Inzwischen werden im Halbleiterbereich Strukturen im Nanometerbereich sowie 3D-Aufbauten realisiert und auch sonst in der Elektronik ist die Miniaturisierung und Integration weit fortgeschritten, z. B. bis hin zu smarten Sensoren und Aktoren in Mikrosystemtechnik. Nun geht die Entwicklung hin zu Quantencomputern. Die technologischen Herausforderungen sind allerdings gewaltig. Und in neuen Produkten bzw. Anwendungen finden sich zudem neue Lote, Mikrofluidik und elektro-optische Leiterplatten.

Schnelle Realisierung des IIoT durch Retrofitting

Interesse weckte die Vorführung der ONYX-Maschine von ZEVACDie Digitalisierung schreitet in der Produktion nur langsam voran. Ursachen hierfür sind u. a. das in großem Umfang vorhandene ältere und nicht für das IIoT konzipierte Equipment, die heterogene Maschinen- und Prozesslandschaft sowie kein oder nicht genügend Personal mit IIoT-Know-how. Christian Groß von der Firma in.hub warb für die schnelle Realisierung des IIoT – Die Industrielle Digitalisierung im Hier und Jetzt – morgen könnte es dafür zu spät sein. Dabei ging er auf die dafür verfügbaren Produkte seines Unternehmens ein. in.hub ist ein IIoT-Spezialist für Zustandsüberwachung mit dem Schwerpunkt Retrofitting zur Erfassung, Vernetzung und Integration in Cloud- oder Server-basierte IT-Systeme. Christian Groß zeigte auf, dass Retrofitting ein Schlüsselfaktor bei der Digitalisierung ist. Denn Retrofitting mit smarten Sensoren und Schnittstellen für eine Vernetzung über verschiedene Protokolle hinweg ermöglicht, auch die vorhandenen Produktionseinrichtungen in moderne Netzwerke und Systeme zu integrieren und so das IIoT zu realisieren. Damit kann das Ziel erreicht werden, dass die Produkte die Produktion steuern. Das Einrichten der IIoT-Betriebssysteme sollte möglichst einfach und für alle möglich, d. h. Smartphone-like sein. Merkmale moderner Produkte für die Realisierung der digitalen Fabrik sind dementsprechend offene Plattformen, bei denen der Kunde entscheiden kann, was und wie er dies einsetzt. Dazu gehören ein leichter Zugang zu Expertentools und ein Marktplatz mit passenden Applikationen für jede Aufgabe, die einfach zu installieren und zu nutzen sind.

Conformal Coating zum Schutz der Leiterplatte

Für jede Frage offen war man am Stand von Christian KoenenDr. Gerald Katzler von Nidec DriveXpert gab einen Überblick über die Anforderungen und Möglichkeiten des ‚Conformal Coating' – neue Entwicklungen beim Schutz der Leiterplatte – sowie Hinweise zur Auswahl und zum Auftragen des Lackes. So sollte die Schutzaufgabe genau definiert sein, denn diese spezifiziert (weitestgehend) den Lack. Und jeder Lack(typ) hat seine Stärken und seine Anwendungen. Das Reinigen der Leiterplatten verbessert die Haftung und reduziert Delaminationen. Ohne Reinigen zeigen die UV-härtenden Elastomere die geringste Fehlerneigung. Die Blasenbildung ist vom Layout und vom Lackauftrag abhängig. Dieser kann abhängig vom Lackierplan sowie von der Viskosität per Sprühen, Jetten oder Dispensen erfolgen. UV-härtende Lacke haben Vorteile, u. a. 100% Festkörperanteil, kein/niedriger VOC-Anteil und berührfest direkt nach der UV-Bestrahlung – Endaushärtung innerhalb von sieben Tagen. Nidec hat für die Anwendung Motorsteuerung einen UV-härtenden Elastomer-Lack mit schnellerem sekundären Aushärtemechanismus und das Auftragen mit einem Jet-System gewählt, so dass die lackierten Leiterplatten direkt weiter verarbeitet werden können und Produktionsfläche eingespart wird.

Niederdrucksintern von Silberkontakten

Dr. Jörg Meyer, TU Dresden, berichtete über die Technologieentwicklung für zuverlässige Niederdruck-Silber-Sinterkontakte und stellte Ergebnisse aus dem Förderprojekt AgLowPress vor. Dieses diente zur Verfahrens- und Technologieentwicklung einschließlich einer F&E-Anlage für das kraftgeregelte Niederdrucksintern von Silbersinterkontakten für die Leistungselektronik. Die Versuchsaufbauten und -abläufe sowie die damit erreichten Ergebnisse der Sinteruntersuchungen wurden detailliert (z. B. Einflüsse auf Porosität der Sinterverbindung) beschrieben. Die kraftgeregelte Sinteranlage für Niederdruck ist nun funktionsbereit: budatec SP300 für 0,5 bis 300kN, bei max. 350°C, mit N2, H2). Die Tests erfolgten mit einem anwendungsnahe Testsetup mit großer Prozessvariation. Empfohlen wird zum Sintern ein Druck im Bereich von 5 bis 10Mpa für 2 bis 5min und einer Temperatur von 250°C. Weitere Erkenntnisse sind, dass eine niedrigere Temperatur durch höheren Druck kompensiert werden kann und dass der Sinterzeiteinfluss im betrachteten Bereich (2 bis 10min) gering ist. Weiterhin wurde eine Korrelation zwischen den Prozessparametern und der Scherfestigkeit festgestellt.

Digitalisierung der Pumpenfertigung

Über die Digitalisierung der Produktions- und Arbeitsläufe in der intelligenten Pumpenfertigung informierte Stefan Lau, Wilo Group Electronics & Motors, am Beispiel seines Unternehmens und dessen Erfahrungen.

Selbstvalidierung von kritischer Elektronik

Prof. Dr. Mathias Nowottnick (ganz rechts) mit ReferentenAnhand des Förderprojekts SesiM (Selbstvalidierung komplexer elektronischer Systeme in sicherheitskritischen Mobilitätsanwendungen auf Basis von Greybox-Modellen) erläuterte Klaus Wilke, Siemens Technology Berlin, wie die Selbstvalidierung von Elektronik in sicherheitskritischen Anwendungen (Automotive und Bahntechnik) zur Sicherstellung der funktionalen Integrität auf Basis von Computational Intelligence und Machine Learning realisiert werden kann. Für die umfassende Systembeschreibung werden Daten aus der Entwicklung und Fertigung sowie die Betriebs- und die Belastungsdaten im Feld benötigt. Für die Systemoptimierung und den Built-In-Self-Test (BIST) zur Systemdiagnose muss ein Datenfluss für den gesamten Lebenszyklus entwickelt werden. Die Daten werden mittels eines hybriden Systemmodells zur Zustandsüberwachung und Selbstvalidierung und unter KI-Nutzung hinsichtlich Ausfallsicherheit und Manipulationssicherheit ausgewertet. Daraus ergeben sich auch neue Anforderungen an die Daten zur Qualitätssicherung in der Fertigung, also an SPI, AOI und AXI. So müssen auch zuverlässigkeitsrelevante Daten erfasst und die Datenqualität bis hin zur pinspezifischen Datenzuordnung verbessert werden. Weiterhin ist erforderlich, beschleunigte Umweltprüfungen an Testaufbauten und eine Online-Parameterüberwachung sowie Methoden für kombinierte Belastungstests zu entwickeln. Komplexe Elektroniksysteme können zur Modellierung entsprechend der funktionalen Struktur in zuverlässigkeitsrelevante Blöcke aufgeteilt werden, so dass für Test und Simulation eine Synthese des Gesamtsystems und Interaktion der funktionalen Blöcke möglich wird. Auch eine Anomalieerkennung, d. h. ein Algorithmus zur Erkennung von spontanen und schleichenden Abweichungen, wird benötigt. Klaus Wilke veranschaulichte an Beispielen, wie dies in die Praxis umgesetzt werden kann, und ging dabei u. a. auch auf die Lebensdauerprognose anhand der Baugruppendaten, des Systemmodells und der Qualitätsdaten aus der Fertigung ein.

Ansätze zur Optimierung des Präzisionsdrucks

Ausgehend von aktuellen Marktdaten und Technologietrends präsentierte Michael Brianda von der Firma Christian Koenen praxiserprobte Optimierungsvorschläge für den Fine Pitch-Schablonendruck. Häufig sind Unebenheiten auf dem Substrat, wie z. B. durch hohen Lötstopplack eine Herausforderungen für den Fine Pitch-Druck. Auch ein Versatz des Substrates, falsche Padgrößen und Verbiegungen bereiten beim Pastendruck Probleme. Verbiegungen können mit Leiterplattenunterstützungen vermieden werden, allerdings fördern ungünstig gesetzte Unterstützungen die Brückenbildung und ist Vorsicht in der Nähe von Bauteilen geboten. Mit gefrästen Stufenschablonen, einer von Christian Koenen patentierten Technik, können unterschiedlich hohe Pastenaufträge realisiert und so das Pastenvolumen optimiert werden. Das Auslöseverhalten kann mit einer Plasmabehandlung verbessert werden. Rakelwinkel und -geschwindigkeit beeinflussen die Befüllung der Öffnungen mit Lotpaste. Material- und Werkzeugauswahl sowie die passenden Parameter sind entscheidend für den Präzisionsdruck.

Sintertechnologie für Leistungsmodule

Im Schlussvortrag ging Prof. Hans-Jürgen Albrecht von budatec auf die Möglichkeit der ‚Application of Sintering Technology for Power Modules' ein und gab dabei einen Überblick über den internationalen Stand der Sintertechnologie und deren Entwicklung. Dabei verglich er Ag- mit Cu-Sintern sowie diese mit alternativen Verbindungstechnologien wie TLPS bezüglich der Erfüllung der Zuverlässigkeitsanforderungen und bezüglich der Prozessierung. Prof. Hans-Jürgen Albrecht stellte dazu die Ergebnisse entsprechender Analysen in Form zahlreicher Bilder und Diagramme vor. Die Ergebnisse zeigen, dass Silber- und Kupfersinterpasten mit der heutigen Sintertechnologie in Leistungsmodulen als Ersatz für hochbleihaltiges Lot eingesetzt werden können. Die Lebensdauer der damit realisierten Sinterverbindungen erwies sich bei Zyklentests um ein Vielfaches größer und die Verarbeitbarkeit ist akzeptabel.

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