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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



u

SOx

⎛ SO

≈ Min⎜



2SO

=

Max

+

Max

+


( b − b )

SOx

( b − b )/

2 + SO SO + ( b − b )

pad


SOx

pad

pin

pin

x

;

Max

pad


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

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