Präzise bestücken Prozess- und Maschinenfähigkeit ... - QZ-online.de

Präzise bestücken
Prozess- und Maschinenfähigkeit in der Elektronikfertigung
Der Nachweis von Prozess- und Maschinenfähigkeitskoeffizienten ist heute für jede Fertigung
fast zum Muss geworden. Die Vorschriften für deren Bestimmung sind insbesondere von der
Automobilindustrie geprägt worden. Da heute in einem Automobil die Elektronik mit ca.
30 % Wertanteil vertreten ist, dürfte klar sein, dass solche Forderungen nach Qualitätsfähigkeit
keinen Bogen um die Fertigung der Elektronikbaugruppen machen.
Es entsteht die Frage, ob die zum großen Teil von der mechanischen Fertigung geprägten
Vorschriften einfach übernommen werden können, oder ob zumindest Adaptionen (wenn
nicht gar neue Vorschriften) vorgenommen werden müssen. Eng verbunden mit der Erarbeitung
von neuen bzw. adaptierten Vorschriften ist die Forderung, aus den Messergebnissen
nicht nur eine einfache Schlussfolgerung über einen guten bzw. schlechten Prozess zu treffen,
sondern konkrete Verbesserungen abzuleiten.
Typische Fehler in der Elektronikfertigung
Ziel einer Elektronikfertigung ist es, dem Kunden fehlerfreie und vor allem zuverlässige Produkte
auszuliefern. Diese Produkte sind in der Regel mit den verschiedensten Bauelementen
bestückte und verlötete Leiterplatten die im Folgenden kurz Baugruppe genannt werden. Die
Erfüllung beider Forderungen ist natürlich selbstverständlich. Während man aber die ordentliche
elektrische Funktion einer Baugruppe relativ einfach nachprüfen kann, ist die Kontrolle
der Zuverlässigkeit auf indirekte Nachweise angewiesen. So funktionieren alle in der
Abbildung 1 gezeigten Lötstellen aus elektrischer Sicht. An der linken Lötstelle ist das Lötzinn
nur sehr schwach angeflossen. Eine kurze Lebensdauer ist damit vorprogrammiert, die
Lötstelle wird sehr schnell brechen und die Baugruppe beim Kunden ausfallen. Auch die
rechts erkennbare Lotperle führt nur selten direkt zu einem funktionalen Fehler.
Diese und viele andere ähnliche Fehler müssen erkannt und beseitigt werden. Diese Fehlersuche
erfolgt in der Regel mit Hilfe einer optischen Betrachtung und dem Vergleich der Bilder
mit einem Fehlerkatalog. Prüfergebnis ist Lötstelle „gut“ bzw. Lötstelle „schlecht“, also eine
qualitative bzw. attributive Beurteilung. Solche Qualitätsmerkmale dominieren in einer Elektronikfertigung.
Abbildung 1 Lötfehler
Erkannte Fehler werden repariert. Dies ist meistens teure Handarbeit. Für eine optimale Auslieferqualität
sollten jedoch Fehler gar nicht erst auftreten und dies nicht nur aus Kostengründen.
Es muss in den an Montage der Baugruppen beteiligten Prozessen alles getan werden,

damit Fehler gar nicht erst entstehen. Wie komplex dies ist, soll der in Abbildung 2 gezeigte
Grabsteineffekt demonstrieren. Wirken die Kräfte der Oberflächenspannung des flüssigen
Lots während des Lötprozesses hauptsächlich nur auf einer Seite der quaderförmigen Bauelemente
bzw. kurz Chip genannt, können diese aufstehen, so dass ein Bild ähnlich eines
Grabsteins entsteht. Als direkte Verursacher kommen dabei hauptsächlich in Frage:
• ein fehlerhaftes Layout der Leiterplatte,
• ein fehlerhaftes Drucken der Lotpaste,
• ein versetztes Bestücken des Bauelementes,
• Löten mit einem von der Vorgabe abweichenden Temperatur-Zeitprofil.
Für einen konkret aufgetretenen Fehler ist es meist unmöglich, den wirklichen Verursacher zu
finden.
Abbildung 2 Beispiel eines Grabsteineffekts
Abbildung 3 Beispiel eines fehlbestückten QFP-Bauelements

Für eine optimale Qualitätssicherung steht u.a. als Werkzeug die Prozessfähigkeitsanalyse zur
Verfügung, um die fehlerverursachenden Prozesse zu optimieren. Es ist dabei sehr wichtig,
dass messbare Prozessmerkmale gefunden werden, die eine hohe Korrelation zu möglichen
Fehlern aufweisen. An Hand des Einzelprozesses automatische Bestückung und dessen Genauigkeit
soll diese Problematik näher betrachtet werden. Abbildung 3 verdeutlicht dies auf
extreme Art. Eine solche fehlerhafte Bestückung, muss unmöglich und nicht nur unwahrscheinlich
gemacht werden.
Prozessfähigkeitsbeurteilung mit attributiven Merkmalen
Die Bewertung des Gesamtprozesses muss sich an den Interessen des Kunden orientieren.
Dies bedeutet in erster Linie natürlich, dass die Bewertung an Hand von aufgetretenen Fehlern
erfolgen sollte. Für die dominierenden attributiven Qualitätsmerkmale sind die bekannten
Berechnungsmethoden für die Fähigkeitskoeffizienten nicht nutzbar. Eine in der Literatur
genannte Methode ([1]) ist die Überschreitungsanteilmethode. Dabei muss die mittlere Fehlerquote
p für das zu untersuchende Merkmal ermittelt werden. Dann gilt:
C
pk
u v
− p
u v
1−
p
= (1)
3
1
Quantil der Normalverteilung
mittlere Fehlerquote in DPM Prozessfähigkeiten C pk =
1350 1
31,67 1,33
3,4 1,5
0,287 1,67
0,00095 2,00
Tabelle 1: Fehlerquoten und daraus resultierende Prozessfähigkeiten bei attributiven Merkmalen
Tabelle 1 zeigt praktische Konsequenzen aus dieser Berechnungsvorschrift. Dies bedeutet,
dass bei einer Forderung von C pk >1,33 die praktisch ermittelte Fehlerquote kleiner als 31
DPM sein müsste. Die (statistisch) gesicherte Ermittlung von Fehlerquoten in diesem Zahlenbereich
erfordert jedoch Probenumfänge von mindestens 500000. Fordert man die klassischen
six-sigma von Motorola, so sind mindestens 5 Millionen zu prüfende Objekte einzuplanen.
Zum Vergleich: für messbare Merkmale reicht ein Stichprobenumfang von ca. 50 bis 100 in
der Regel aus.
Bei Lötstelleninspektionen ist es durchaus möglich, solche Probenumfänge zu realisieren.
Folgende Argumente sollte man bei einer praktischen Umsetzung in der Baugruppenfertigung
sehr sorgfältig bedenken:
• Fähigkeitskoeffizienten werden sehr oft zu Vergleichen herangezogen. Solche Vergleiche
sind nur objektiv, wenn die Vergleichsbasis die gleiche ist. Bei messbaren Merkmalen ist
dies die Toleranzfeld- bzw. Spezifikationsbreite. Bei attributiven Merkmalen ist es eine
exakte Fehlerdefinition. Hier gibt es aber zwischen verschiedenen Unternehmen zumindest
marginale Unterschiede und ein Abgleich dieser Definitionen für Vergleiche ist so
gut wie unmöglich, denn neben einer Anpassung der Definition müssten auch die erfassten
Fehler umbewertet werden. Ein weiteres Problem ist der auftretende Fehlerschlupf,
sowie die Existenz von Pseudofehlern.
• Die Berechnung von Fähigkeitskoeffizienten ist im Kern eine mathematisch-statistische
Analyse. Solche Analysen setzen homogene Grundgesamtheiten voraus. Im Falle der Löt-

stellen wäre dies ein gleicher oder zumindest ähnlicher Grundaufbau der Lötstellen. Lötstellen
von SMD-Widerständen, QFP’s ...(Beispiele siehe Abbildung 4) sind jedoch alles
andere als ähnlich. Es müsste eine Trennung vorgenommen werden, was dann die Anzahl
der zur Verfügung stehenden Daten pro Analyse wieder stark reduziert.
• Werden Fähigkeitskoeffizienten auf der Basis von Produktdaten ermittelt, so ist eine Vergleichbarkeit
nur gegeben, wenn gleiche oder zumindest ähnliche Produkte verwendet
werden. Auch hier ist sonst eine Trennung der Daten notwendig.
• Um die geforderten Prüfumfänge zu realisieren, ist es teilweise notwendig, Daten aus einem
langen Zeitraum zusammenzufassen. Damit können u.a. Qualitätsschwankungen
verwischt werden.
• Da es relativ fest geprägte Vorstellungen für Mindestwerte der Fähigkeitskoeffizienten
gibt, besteht die große Gefahr, dass viele Fertigungen zu unrecht als qualitätsunfähig
abgestempelt werden, da Qualitätsniveaus bei Fine-Pitch-SMD’s von 3,4 DPM für eine
der Motorola konformen six-sigma Forderung kaum erreichbar sind. Eine Kompromissmöglichkeit
besteht darin, die Fehler für Fähigkeitsanalysen erst nach den in der SMD-
Fertigung kaum vermeidbaren Reparaturprozessen zu erfassen.
Toleranzen und Spezifikationen
Für die Berechnung von Fähigkeitswerten mit messbaren Qualitätsmerkmalen benötigt man
Grenzwerte. Diese Grenzwerte können die Toleranzgrenzen des zu analysierenden Qualitätsmerkmals
sein. Teilweise werden diese Toleranzen auch als Spezifikationen bezeichnet. Bei
der Bewertung von Elektronikfertigungen müssen diese Begriffe sehr sorgfältig definiert werden,
denn fehlerhafte Grenzwerte bzw. Fehlinterpretationen führen unter Umständen zu falschen
Aktionen.
Der Kunde fordert von seinem Bestückautomaten, dass er damit ein möglichst großes Spektrum
von verschiedenen Bauelementen mit möglichst hoher Taktrate genau genug auf die
Leiterplatte bestücken kann. Die Erfüllung der Kundenforderung sollte nun vom Hersteller
des Bestückautomatens bei Lieferung nachgewiesen werden.
Abbildung 4 Beispielbauelemente
Abbildung 4 zeigt einen kleinen Ausschnitt aus diesem Spektrum. Im hinteren Teil der Abbildung
sind zwei QFP-Schaltkreise (Quad-Flat-Pack) zu sehen. Ein Maßstab für die notwendige
Genauigkeit beim Bestücken ist der Abstand der Abschlüsse (Pins), der sogenannte Pitch.
Beim linken Schaltkreis beträgt dieser Pitch 1000 µm, rechts ist er 400 µm. Der aktuelle mi-

nimale Pitch ist 300 µm. Die im Vordergrund sichtbaren Bauelemente sind sogenannte Chips,
die in der Regel Widerstände oder Kondensatoren enthalten. Links sind Chips mit einer Größe
von 3,2*1,6 mm 2 zu sehen, rechts betragen diese Maße 1,0*0,5 mm 2 . Das aktuelle praktische
Minimum beträgt 0,6*0,3 mm 2 . Jedes dieser Bauelemente hat nun offensichtlich andere Genauigkeitsanforderungen
für das Bestücken. Die Erfüllung der Kundenforderung sollte nun
vom Hersteller des Bestückautomaten bei Lieferung nachgewiesen werden.
Pinbreite b pin
Padbreite b pad
Side-overhang SO x
Pad
Pin
Toe-overhang
Bauelementekörper
Abbildung 5 Qualitätsanforderungen an das Bestücken eines QFP-Bauelementes
Für das QFP-Bauelement illustriert Abbildung 5 diese Forderungen. Hauptzielgröße ist der
Side-overhang, das Hinüberschauen der Pins über das Pad. Als Toleranzgrenze (SO max ) ist ein
Wert von 25% der Pinbreite (b pin ) vorgegeben. Um diese an das konkrete Bauelement gebundene
Forderung zu erfüllen, muss der Bestückautomat den Bauelementekörper an eine vorgegebene
Koordinate auf die Leiterplatte bestücken. Gelingt dies, liegen alle Pins zentrisch auf
den Pads. Jede Abweichung von der Idealposition wird als Versatz bezeichnet. Dabei können
Versätze in x-Richtung (∆x), in y-Richtung (∆y) und eine Verdrehung (∆Θ) auftreten.
Für ein gegebenes Bauelement besteht für kleine Winkel ein näherungsweiser Zusammenhang
zwischen den Genauigkeiten des Bestückautomatens und dem Side-overhang in x-Richtung
(y-Richtung analog).
SO
l be
x
≈
1
∆x
+ l
2
be
1
∆Θ −
2
( b − b )
pad
Größe des Bauelements
Pin
Es ist ersichtlich, dass nicht nur die Genauigkeiten des Bestückautomatens eine Rolle spielt.
Dabei ist besonders die Padbreite auf der Leiterplatte, die immer größer als die zugehörige
Pinbreite ist und durch den Kunden selbst festgelegt wird, zu beachten. Berücksichtigt man
weiterhin, dass es sehr viele geometrisch verschiedene Bauelementetypen gibt, so ist es nicht
sinnvoll, vom Hersteller der Bestückautomaten zu fordern, dass er für einen Großteil dieser
Vielfalt die Qualitätsfähigkeit detailliert nachweist.
In der Praxis hat sich deshalb ein anderer Weg bewährt. Für jeden Bestückautomaten wird
weltweit die Genauigkeit für (x- und die y-Richtung, sowie für die Rotation) in folgender
Form beispielhaft angegeben:

30 µm/3 sigma
Interpretiert bedeutet dies folgendes:
Bei einem Toleranzfeld von ±30 µm und einem Nominalwert des Versatzes von Null ist die
Differenz des festgestellten mittleren Versatzes bis zur nächstliegenden Toleranzgrenze kleiner
als das dreifache der ermittelten Standardabweichung des Versatzes. Eine starke Ähnlichkeit
zur Berechnung des C pk -Wertes ist festzustellen. Diese Art der Angabe von Qualitätsfähigkeiten
wird bei Bestückautomaten und auch für andere Ausrüstungen der Elektronikfertigung
wie z.B. für Lotpastendrucker als Spezifikation bezeichnet. Eine direkte Beziehung zu
einem konkreten Produkt gibt es nicht mehr. Dieses Toleranzfeld ist somit an ein virtuelles
Produkt gebunden. Durch diese Loslösung vom konkreten Produkt ist es aber wichtig, dass
hier die Begriffe Toleranzen und Spezifikation klar auseinandergehalten werden.
Daraus leitet sich nun die konkrete Forderung ab, dass der Hersteller des Bestückautomaten
die Einhaltung der Spezifikation beim Kunden nach. Diese Einhaltung gilt für das obige Beispiel
als erfüllt, wenn unter Nutzung des Toleranzfeldes von ±30 µm ein C pk -Wert >1 erreicht
wird.
Auf folgende Besonderheit sollte man achten. Für den Multiplikator für sigma gibt es keine
Vorgabe. So ist es möglich, statt der obigen Definition auch 40 µm/4 sigma (Erfüllung bei
C pk >1,33) oder 60 µm/6 sigma (C pk >2,0) anzugeben. Zur Erfüllung aller dieser Spezifikation
darf der Bestückautomat bei einem zentrierten Prozess mit einem mittleren Versatz von Null
maximal eine Standardabweichung von 10 µm haben. Somit sind diese drei genannten Spezifikationen
fast identisch. Marginale Unterschiede treten erst auf, wenn mögliche systematische
Versätze mit betrachtet werden. Es ist deutlich sichtbar, dass leichte Unterschiede zur
gewöhnlichen Interpretation der C pk -Werte vorhanden sind. Leider werden diese möglichen
kleinen Variationen auch dazu benutzt, um den Kunden einen six-sigma Prozess zu suggerieren,
obwohl die anderen Spezifikationen die gleiche Prozessleistung bringen würden.
Messung der Genauigkeit
Ein wichtiger Punkt für die Durchführung von Prozessfähigkeitsanalysen ist die Frage, wie
wird gemessen? Idealerweise sollte man die entscheidenden Produktmerkmale messen. Dies
wäre z.B. der Versatz des bestückten Schaltkreises in Abbildung 3. Eine solche Messung ist
zwar möglich, aber es sollten folgende Punkte bedacht werden:
Diese Messung ist nur über ein optisches Antasten der Pinkanten und der Padkanten möglich.
Als Problem wird sofort ersichtlich, dass die Padkanten auf der Leiterplatte kaum sichtbar
sind. Somit sind Messgenauigkeiten von max. 10 µm erreichbar. Diese Messmittelfähigkeit ist
nicht ausreichend.
Stellt man bei einer solchen Messung fest, dass die Genauigkeiten ungenügend sind, so kann
dies drei Ursachen haben, ein schlechter Bestückautomat, ungenaue Leiterplatten und/oder
schlechte Bauelemente. Eine Entmischung der Verursacher ist kaum möglich. Zielgerichtete
Korrekturmaßnahmen können nicht eingeleitet werden. Auf Grund dieser Nachteile hat sich
in der Praxis die in Abbildung 6 dargestellte Herangehensweise durchgesetzt. Die reale
Leiterplatte wird durch eine hochgenaue Glasplatte ersetzt. Bestückt werden Nachbildungen
von realen Bauelementen, die vorzugsweise aus Glas (für QFP-Bauelemente) bzw. Keramik
(für Chips) gefertigt sind. Dadurch werden zwei Quellen von Ungenauigkeiten eliminiert.
Diese bestückte Glasleiterplatte ist als virtuelles Produkt mit der man die Einhaltung der Spezifikation
überprüfen kann, zu betrachten.

Gemessen wird optisch durch Bilderkennung. Es sind Messgenauigkeiten von 1..2 µm und
Messzeiten von etwa 1s pro Bauelement erreichbar.
Zahlreiche Untersuchungen haben gezeigt, dass diese Versätze normalverteilt sind. Somit ist
es möglich mit den gemessenen Versätzen in der gewohnten Art und Weise Fähigkeitskoeffizienten
zu berechnen [1]. Als Grenzwerte werden dafür die Spezifikation der untersuchten
Maschine. Für eine solche Messung benötigt man ca. 30 min. Somit hat man eindeutig Kurzzeitfähigkeiten
ermittelt, die als C m bzw. C mk ausgewiesen werden. Da kein konkretes Produkt
analysiert wurde und als Grenzwerte die Spezifikation benutzt wurde, handelt es sich um eine
produktneutrale Kurzzeitfähigkeit.
Ziel einer jeden Fähigkeitsanalyse ist es immer, die Prozessfähigkeit bzw. die Langzeitfähigkeit
zu bestimmen. Dabei sollen alle im Normalbetrieb denkbaren und möglichen Einflüsse in
das Ergebnis mit eingehen. Die Ermittlung erfolgt über ein längere Beobachtung des Prozesses.
Nun kann die Messung mit Hilfe der Glasplatte zyklisch durchgeführt werden. Da jedoch
dafür ideale Komponenten benutzt werden und nur ein virtuelles Produkt analysiert wird, ist
das Ergebnis dieser Langzeituntersuchung keine Prozessfähigkeit im Sinne der Ursprungsdefinitionen,
sondern diese Ergebnisse werden als eine modifizierte Maschinenfähigkeit ausgewiesen.
Abbildung 6 Darstellung des Messprinzips
Praktisches Beispiel
Das folgende Beispiel soll zeigen, wie das vorgestellte Messprinzip in der Praxis angewandt
werden kann.
Bestückautomaten für Chips haben mehrere Bestückköpfe, damit hohe Bestückleistungen (bis
zu 60000 Chips pro Stunde) erreicht werden können. Abbildung 7 zeigt prinzipiell den zur
Überprüfung solcher Bestücker verwendeten Bestückplan. Die 192 Bauelemente werden matrixförmig
angeordnet. Im konkreten Fall werden zwei Bestückköpfe evaluiert. Jeder Kopf
bestückt im Wechsel jeweils eine Zeile. Gleichzeitig wird in den Spalten der Bestückwinkel
variiert. Der untersuchte Automat hat eine Herstellerspezifikation von 100µm/4sigma und lief
nach Aussagen der Betreiber seit 2 Jahren ohne größere Probleme, so dass zunächst keine
Notwendigkeit für eine Fähigkeitsuntersuchung gesehen wurde. Die nachfolgende Analyse
wurde nur durchgeführt, weil ein Kunde Fähigkeitswerte verlangte.

0° 90° 180° 270° 0° 90° 180° 270° 0° 90° 180° 270°
Kopf 2
Kopf 1
Kopf 2
Kopf 1
Abbildung 7 Verwendeter Bestückplan
Abbildung 8 Genauigkeitsatlas für die y-Richtung
Nach der vollzogenen Messung erhält man als erstes Ergebnis den sogenannten Genauigkeitsatlas.
Abbildung 8 zeigt diesen Atlas für die Bestückgenauigkeit in y-Richtung. Er gibt einen
Überblick über die Verteilung von möglichen Versätzen über die untersuchte bestückte Flä-

che. Gemessen wurde an den durch die weißen Rechtecke gekennzeichneten Punkten. Zwischen
den Messpunkten wurde interpoliert. Die Farben geben eine Aussage über die Größe
des Versatzes (Skalierung siehe rechter Bildteil). Ein guter Bestückautomat hat einen mehr
oder wenig „grünen“ Atlas. „Bunte“ (wie im vorliegenden Fall) oder stark rot- bzw. blaulastige
Atlanten zeigen „unfähige“ Automaten.
Im konkreten Fall weist die Verteilung der Farben und damit auch die der Versätze bestimmte
Systeme auf. So ändern sich die Farben systematisch mit jeder zweiten Zeile. Dies weist auf
einen Unterschied zwischen beiden Bestückköpfen hin. Gleichzeitig ist nur in jeder zweiten
Zeile ein spaltenweises systematisches Variieren zu sehen. Dies deutet auf einen Einfluss
durch die Variation des Bestückwinkels für einen Kopf hin.
200
150
Kopf1 180°
100
y-Versatz [µm]
50
0
-50
Kopf 1 270°
Kopf 1 90°
-100
-150
-200
Kopf 2
Kopf 1 0°
-250
-150 -100 -50 0 50 100 150
x-Versatz [µm]
Abbildung 9 x-y-Plot des Ausgangszustands der Maschine
Zur Verbesserung sind Änderungen an der Maschine notwendig. Dazu müssen die konkreten
Ursachen ermittelt werden. Abbildung 9 zeigt die grafische Darstellung der ersten Messungen
im x-y-Plot unter Einbeziehung der Spezifikation (rote Geraden) der Maschine. Es lassen sich
folgende Probleme der Maschine direkt ablesen.
• Kopf 1 versetzt die Chips stark (ca. 100 µm) in Abhängigkeit vom Setzwinkel
• Kopf 2 versetzt die Chips in systematisch y-Richtung (ca. 180 µm)
Auf der Basis dieser Messergebnisse war es möglich, die Maschine schrittweise zu kalibrieren
und den in Abbildung 10 gezeigten Endzustand zu bringen. Die eingezeichnete Ellipse
charakterisiert den 4-sigma Bereich der Ergebnisse.

120
100
80
60
40
y-Versatz [µm]
20
0
-20
-40
-60
-80
-100
-120
-125 -100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100 125
x-Versatz [µm]
Abbildung 10 Erreichter Endzustand
Praktische Messungen an ca. 3000 verschiedenen Bestückautomaten im Feld ergaben folgende
wesentliche Ergebnisse:
• fast alle Automaten weisen einen statistisch nachweisbaren und damit systematischen
mittleren Versatz in einer oder in mehreren Richtungen auf
• bei 80 % der vermessenen Automaten war dieser mittlere Versatz so groß, dass allein dieser
Fehler zu einer Verletzung der Spezifikation führte; mittlere Versätze von mehr als 100
µm waren nicht selten (Beispiel Kopf 2)
• Unterschiede zwischen den Genauigkeiten einzelner Bestückköpfe sind typisch und führen
zu einer schlechten Gesamtbewertung des Automaten (Unterschiede Kopf 1 und 2)
• bei Automaten, die vorrangig zur Bestückung von Chips eingesetzt werden, waren oft
Unterschiede der Bestückgenauigkeit in Abhängigkeit von den Setzwinkeln der Bauelemente
nachweisbar (Kopf 1)
• bei ca. 20 % der überprüften Automaten war die Bestückgenauigkeit abhängig von den
Bestückkoordinaten; d.h. es waren lineare und nichtlineare Trends über die untersuchte
Fläche feststellbar.
Auf der Basis der Messergebnisse war es wie im gezeigten Beispiel bei ca. 85 % der Automaten
möglich, die festgestellten Versätze zu korrigieren und den Automaten „fähig“ zu machen.
Zeitlich versetzte Mehrfachüberprüfungen von Automaten zeigten auch, dass die Bestückgenauigkeit
sich mit der Zeit wieder ändert. Ausführliche Darstellungen der Fehlerbilder,
Fehleranalyse und -ursachen sowie ausführliche Darstellungen zur Problematik findet
man in [2].
Das gezeigte Messprinzip eignet sich nicht nur zur Beurteilung vom Bestückautomaten. Auch
das Evaluieren von Lotpastendruckern und Dispensern kann hiermit erfolgen.

Produktspezifische Kurzzeitfähigkeit
Das erläuterte Beispiel zeigt, dass mit der vorgestellten Methodik große Qualitätsverbesserungen
erreicht werden können. Es verbleibt jedoch noch ein Widerspruch. Der Betreiber des
analysierten Automaten war im Wesentlichen zufrieden mit der Bestückqualität seines eigentlich
sehr schlechten Automaten. Der Schlüssel für die Auflösung dieses Widerspruchs
liegt in der bisher gemachten produktneutralen Bewertung. Das eigentlich interessierende
Qualitätsmerkmal Side-overhang (siehe Abbildung 5) geht nicht in die bisherige Betrachtung
ein. Es muss also ein Fähigkeitsindex für den Side-overhang berechnet werden.
Dieser Side-overhang ist eine Verknüpfung von Daten aus der Bauelementegeometrie und
Genauigkeitsdaten des Bestückautomaten. Dazu soll zunächst festgelegt werden, dass die geometrischen
Daten konstant sind, also keinen zufälligen Einflüssen unterliegen. Die Variation
des Side-overhangs bei gegebenen Bauelement wird dann nur von den Versätzen des Bestückautomaten
hervorgerufen.
Analysiert man die statistischen Eigenschaften dieses Side-overhangs bezüglich ihrer Verwendung
zur Berechnung von Fähigkeitskoeffizienten, so ermittelt man auch ohne größere
Analysen, dass keine Normalverteilung vorliegt. Dies liegt zum einem daran, dass der Sideoverhang
durch seine Definition (Betragsbildung) stets positiv ist. Zum anderen ist, verursacht
durch die unterschiedlichen Pad- und Pinbreiten, der Side-overhang bei kleinen Versätzen für
die x-Richtung und die Rotation immer gleich Null. Aus diesem Grund ist es nicht sinnvoll,
nach dieser Definition des Side-overhangs Fähigkeitskennwerte zu berechnen.
Durch einige Modifikationen findet man jedoch eine Möglichkeit [2]. Es wird zunächst per
Definition die Pinbreite auf die Padbreite vergrößert. Als nächstes wird (rechnerisch) zugelassen,
dass der Side-overhang auch negativ werden kann.
1
SOx
' ≈ ∆x
+ l
2
be
∆Θ
Es lässt sich zeigen, dass dieser modifizierte Side-overhang mit folgenden Eigenschaften
normalverteilt ist:
1
E{ SOx}
= SOx
≈ ∆x
+ lBe
∆Θ
2
2
2 2 1 2 2
D { SOx} = σ
SO
≈ σ
∆ x
+ lBeσ
x
∆Θ
4
Um einen vergleichbare Fähigkeitskoeffizienten zu ermitteln, müssen nun nur noch die Toleranzgrenzen
modifiziert werden, um den Einfluss der unterschiedlichen Pin- und Padbreiten
wieder mit zu berücksichtigen.
bPad
− bPin
To
= SOmax
+
2
bPad
− bPin
Tu
= −SOmax
−
2
Mit Hilfe dieser Modifikationen ist es nun möglich, Fähigkeitskoeffizienten bauelementebezogen
und damit produktspezifisch zu berechnen.
C
C
mSOX
mkSOx
To
− T
≈
6σ
u
SOx
⎛ SO
≈ Min⎜
⎜
⎝
2SO
=
Max
+
Max
+
6σ
( b − b )
SOx
( b − b )/
2 + SO SO + ( b − b )
pad
3σ
SOx
pad
pin
pin
x
;
Max
pad
3σ
SOx
pin
/ 2 − SO
x
⎞
⎟
⎟
⎠

Analog dazu erfolgt auch die Berechnung für die y-Richtung des Side-overhangs.
Diese produktspezifischen Fähigkeiten sind für den Produzenten von Baugruppen aussagefähiger
als berechnete Fähigkeiten auf Basis der Spezifikationsgrenzen des Bestückautomatens,
da man direkt ablesen kann, ob mit einem vorhandenen Bestückautomaten bestimmte Bauelemente
im Sinne der Qualitätsfähigkeit bestückt werden können.
Dies soll durch folgendes Beispiel untermauert werden:
Es wird ein Bestückautomat mit folgender typischer Spezifikation betrachtet:
x/y-Richtung: 50 µm/4sigma
Verdrehung: 0,1°/4-sigma
Der Automat hat keine systematische Versätze und erfüllt bezüglich der Standardabweichungen
die Spezifikation.
Bauelement QFP 44 QFP 160 QFP 208 QFP 256 QFP 352
Pitch in µm 800 650 500 400 300
SO max . in µm 94 75 63 50 30
C m 3,7 2,40 2,16 1,52 1,01
Tabelle 2 Berechnete bauelementespezifische Fähigkeitswerte des betrachteten Bestückautomaten
Tabelle 2 zeigt, dass die Erfüllung einer Spezifikation und damit einer ausreichenden produktneutralen
Kurzzeitfähigkeit nicht ausreicht, um jedes Produkt im Sinne der Qualitätsfähigkeit
fertigen zu können. Andererseits ist es auch möglich mit unfähigen Automaten noch gute
Produkte zu fertigen, weil diese konkreten Produkte keine so hohen Anforderungen stellen.
Dies war beispielsweise in der Fertigung mit dem oben analysierten Bestückautomaten der
Fall. Wenn man hier den Schritt zu einem kleineren Pitch gemacht hätte, so wären dann Fehler
offen zu Tage getreten.
Abbildung 11 zeigt ein weiteres Beispiel. Vor der durchgeführten Fähigkeitsanalyse war man
zwar mit dem Qualitätsniveau nicht zufrieden, aber die konkreten Verursacher konnten auf
der schon dargestellten komplexen Wechselwirkungen nicht ermittelt werden. Innerhalb der
Fähigkeitsanalyse mussten erhebliche Korrekturen an den Maschinen vorgenommen werden.
Resultat war eine signifikante Senkung der Fehlerquoten.
SMD-Reflow BS
dpm
60
50
40
30
20
10
49
42
29
8
Posit. ungenau
Grabsteineffekt
0
1.6.-1.9. 4.9.-2.11.
Zeitraum
Abbildung 11 Allgemeine Verbesserung des Qualitätsniveaus durch Fähigkeitsanalysen
(durchgeführt am 3.9.)

Schätzung von Fehlerquoten
Auf der Basis eines ermittelten Prozessfähigkeitswertes C pk kann für das beurteilte Qualitätsmerkmal
eine Fehlerquote geschätzt werden.
( 1−
Φ( )
p ≈ 3 C pk
(2)
(Φ) –Verteilungsfunktion der standardisierten Normalverteilung
Diese Gleichung ist nichts anderes, als die Umkehrung von Gleichung (1). Rein mathematisch
ist gegen diese Berechnung nichts einzuwenden. Deshalb ist auch in der Praxis teilweise eine
Tendenz zu verzeichnen, dass anstatt Fähigkeitskoeffizienten geschätzte Fehlerquoten (ausgedrückt
in DPM; defects per million) angegeben werden. Begründet wird dies, dass für manche
Kunden eine Fehlerquote fassbarer ist, als eine Fähigkeitsangabe. Betrachtet man das unmittelbare
Ziel einer Elektronikproduktion fehlerfreie Produkte auszuliefern, ist dies nachvollziehbar.
Es erhebt sich aber die Frage, wie richtig sind solche Schätzungen.
Voraussetzung für die Anwendbarkeit von Gleichung (2) ist die Normalverteilung. Da bei
dieser Fehlerquotenschätzung im absoluten Randbereich der Verteilung gerechnet wird, muss
nachgewiesen werden, dass auch an den Rändern eine Normalverteilung gegeben ist. Dafür
benötigt man Stichprobenumfänge von mindesten 1 Million. Gelingt es, eine solche Stichprobe
zu realisieren, wird die Aussage des Verteilungstests meistens negativ sein. Schon eine
kleine Abweichung der realen Verteilung von der Idealform in den Randbereichen führt zu
größeren Fehlern bei der Fehlerquotenabschätzung.
Dies ist zunächst eine mathematisch-statistische Begründung. Es gibt jedoch noch weitere
Gründe, solche Angaben anzuzweifeln. Es wurde im letzten Abschnitt herausgearbeitet, dass
es produktbezogene Fähigkeitskoeffizienten gibt. Für einen Großteil von Ausrüstungen der
Baugruppenmontage werden aber produktneutrale Fähigkeiten in Form von Spezifikationen
angegeben. Dies heißt, dass Erfüllung der Spezifikation nicht unbedingt Fehlerfreiheit und
Verletzung der Spezifikation eine größere Fehleranzahl bedeutet. Dadurch kommen weitere in
der Regel unkontrollierbare Ungenauigkeiten in die Fehlerquotenberechnungen hinein.
Man sollte weiterhin beachten, dass die Fertigung von elektronischen Baugruppen mit zahlreichen
Wechselwirkungen durchzogen ist. Der oben erläuterte Grabsteineffekt zählt dazu. So
ist es durchaus möglich, dass ungenau bestückte Bauelemente nach dem Löten sich fast ideal
auf ihrer Sollposition befinden. Auch dies wird durch das Wirken der Oberflächenspannungen
des flüssigen Lotes verursacht.
Deshalb sollte die Verwendung von Gleichung (2) sich auf Trendaussagen beschränken. Ein
Versprechen von maximalen DPM-Raten ist mit großen Unsicherheiten verbunden.

Neue Ziele
Die hier vorgestellten Methoden werden seit 1996 bei verschiedensten Produzenten von
Elektronikbaugruppen angewendet. Schwerpunkte sind dabei Zulieferanten der Automobilindustrie
und der Telekommunikation. So werden im Werk ICN bei Siemens in Berlin auf dieser
Basis regelmäßig Analysen durchgeführt. Hier wird großer Wert auf Fehlervermeidung
gelegt, denn der Wert einer einzelnen Baugruppe entspricht dem eines Mittelklassewagens.
Ziel in den nächsten Jahren ist vor allem die Erschließung neuer Gebiete in der Elektronikfertigung
für Fähigkeitsanalysen. Dazu gehört z.B. die Genauigkeit der verwendeten Leiterplatten.
Literatur
[1] A. Schulze; E. Dietrich: Statistische Verfahren zur Prozess- und Maschinenqualifikation
Hanser Verlag 1996
[2] Wohlrabe, H.:
Maschinen- und Prozessfähigkeit von Bestückausrüstungen der SMT; Verlag Dr. Markus
A. Detert Templin 2. Auflage 2001 ISBN 3-934142-01-X