Die Maschinenfähigkeit. higkeit von Reflowanlagen. Dr.-Ing. Heinz Wohlrabe Technische Universität Dresden Institut für Elektronik-Technologie

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1 Die Maschinenfähigkeit higkeit von Reflowanlagen Dr.-Ing. Heinz Wohlrabe Technische Universität Dresden Institut für Elektronik-Technologie

2 Was sind Fähigkeitskoeffizienten für die SMT?? Allgemeine Definition: Die Prozessfähigkeit wird durch eine Qualitätsfähigkeitskennzahl beschrieben, mit der die Fähigkeit eines Prozesses zum Ausdruck gebracht wird, ein bestimmtes Merkmal in gleichbleibender Weise innerhalb der vorgegebenen Spezifikationsgrenzen (Toleranzgrenzen) zu erzeugen....

3 Was sind Fähigkeitskoeffizienten für die SMT?? Einfach eine mathematische Gleichung wie die nachfolgenden klassischen Definitionen?? C p = = T o T u 6σ Merkmal muss messbar sein!! C pu x 3σ T u C po = T o x 3σ Merkmal muss ( ) C = Minormalverteilt, sein!! pk C pu C po Eine Angabe einer Fähigkeitskennziffer ohne eine Toleranz- oder Spezifikationsangabe ist wertlos!!!

4 Was sind Fähigkeitskoeffizienten für die SMT?? Eine einfache Vorstellung?? c p <1,33 c pk <1,33 c p <1,33 c pk <1,33 c p >1,33 c pk <1,33 c p >1,33 c pk >1,33

5 Was sind Fähigkeitskoeffizienten für die SMT?? oder etwas anders?? C p <1 C p =1 C p >1 C pk <1 C pk <1 C pk >1

6 Was sind Fähigkeitskoeffizienten für die SMT?? Statistischer Terror?? Nicht so extrem + + ( b b ) Aber auch nicht 3σ : SOx C mk SO Min SO ( b b ) SOx SPC Max = pad pin x 3σ SOx Show Program for Costumers Max pad pin / 2 + SO / 2 SO x ; p= 1 1 2πσ 2 B e 2 1 µ B T 1 r r B r 2π µ cos( ϕ ) 2 2 σ B 2 σ B σ B re e d ϕ d r

7 Toleranzgrenzen Spezifikationen Toleranzen sind produktgebunden bestimmtes Merkmal = Produktmerkmal Verletzung Fehler (aber gleitend) Spezifikationen sind nicht produktgebunden bestimmtes Merkmal = virtuelles Merkmal Verletzung Fehler Zuordnung nicht eindeutig Einhaltung kein Fehler

8 Toleranzgrenzen Spezifikationen Beispiel Bestücker Spezifikation 50 µm/4 sigma 0,1 /4sigma 400 µm Pitch sicher bestückbar 300 µm Pitch nicht sicher bestückbar µm Pitch auch bei Nichteinhaltung bestückbar Beispiel Löten Spezifikation 5K/4 sigma Nichteinhaltung führt zu Lötfehlern??

9 Prozessfähigkeit und Fehlerquote Prozessfähigkeiten Beurteilung des Fehlerquote in allg. Theoretische Sprechweise Automodell: C pk = Prozesses DPM Fehlerquote = Schrammen 1 Vorsicht nicht 1350!! 3 sigma qualitätsfähig 1,33 bedingt 31,67 4 sigma qualitätsfähig 1,67 nur qualitätsfähig gültig 0,287 wenn: 5 sigma 2,00 qualitätsfähig 0, sigma Normalverteilung exakt gegeben - Aber : Nachweis ist unmöglich!! Fehlerquotentrend ist Es werden Produktmerkmale betrachtet allgemeingültig bei Spezifikationen unzulässig!!

10 Ziele der Forderung nach hohen Fähigkeitswerten Prozesse robust (kleinere Störungen führen nicht sofort zu Fehlern) Fähigkeitstest = Elchtest für Prozesse stabil Maschinen und Fehler (fast) unmöglich, d.h. auch in Extremsituationen Prozesse?!

11 Überlagerung der Einzeleigenschaften möglich?? Σ=???

12 Was sind Fähigkeitskoeffizienten für die SMT?? Die Betrachtung eines Auditors: 1. Lotpastendruck c pk =1,23 p lp = 142 DPM 2. Bestückung 1 c pk =1,41 p b1 = 12 DPM 3. Löten 1 c pk =1,34 p l1 = 29 DPM 4. Dispensen SO 1 NICHT c pk =1,44 p d =!!! 8 DPM 5. Bestückung 2 c pk =1,50 p b2 = 3 DPM 6. Löten 2 c pk =1,21 p l1 = 178 DPM Summe 372 DPM Wie wollt ihr damit 200 DPM Gesamtfehlerquote schaffen???

13 Warum klappt diese Betrachtungsweise nicht : 1. Normalverteilung exakt gegeben??? 2. Verwendung von Spezifikationen!!! 3. Existenz von vielfältigen Wechselwirkungen!! z.b. das Einschwimmen

14 Qualität t von LötstellenL Was ist eine gute Lötstelle?? Eine gute Lötstelle hat: eine ausreichende elektrische Funktion (gemessen durch den elektrischen Widerstand der Lötstelle) und eine ausreichende mechanische Festigkeit (gemessen durch die Scherkraft) und eine gute Zuverlässigkeit unter Feldbedingungen (gemessen durch die Lebensdauer) und ein gutes optisches Aussehen (gemessen durch???)

15 Qualität t von LötstellenL Widerspiegelt Qualität Elektrische Funktion gemessen durch den elektrischen Widerstand der Lötstelle äußerst ungenügend Vorteile: - Messung ist relativ einfach - ein hoher Widerstand zeigt eine schlechte Lötstelle - es ist ein variables Merkmal wieder! Nachteile: - die Toleranzen müssen definiert werden (es existiert zusätzlich eine Abhängigkeit zum konkreten SMD- Komponententyp) UNGEEIGNET!! - ein kleiner Widerstand ist nur ein Teilbeitrag für eine gute Lötstelle Für Fähigkeitsanalysen

16 Qualität t von LötstellenL Zuverlässigkeitsfunktion (unter Feldbedingungen) gemessen durch die Lebensdauer einer einzelnen Lötstelle oder durch die Test charakteristische ist zerstörend Lebensdauer N f, den Formparameter b und die Mindestlebensdauer N 0 in einer Lötstellenmenge und zeitlich zu lang!! Vorteile: - ist das wichtigste Qualitätsmerkmal einer Lötstelle - es ist ein variables Qualitätsmerkmal UNGEEIGNET Nachteile: - die Bestimmung ist nur mit beschleunigten zerstörenden Tests möglich - die Tests sind sehr kostspielig - eine relativ lange Nachweisdauer (trotz Beschleunigung)

17 Qualität t von LötstellenL Mechanische Funktion gemessen durch die Scherabrisskräfte eines oder mehrere Lötstellen Vorteile: - variables Qualitätsmerkmal - Toleranzen sind bekannt Nachteile: Test ist zerstörend!! - Tests geben nur eine Teilinformation der Qualität der Lötstelle UNGEEIGNET! - es ist ein zerstörender Test - die gemessenen Kräfte sind nicht frei von Einflüssen der Substrate und der Komponenten - Tests sind aufwendig

18 Qualität t von LötstellenL Die optische Beurteilung der Lötstellen Vorteile: - normalerweise Test genutzt ist in der bedingt Praxis (kurze Kontrollzeiten) - es existiert eine gute Korrelation zwischen den optische Beurteilungskriterien und den anderen Merkmalen (Widerstand ; Zuverlässigkeit, mechanische Festigkeit) Nachteile: geeignet! Problem: nicht messbare - es ist ein attributives Merkmal!!! - verschiedene Grenzen zwischen guten und schlechten Lötstellen - Existenz von Durchschlupf und Pseudofehlern (attributive) Merkmale

19 Qualitätsmerkmal nicht messbar was nun?? c pk u = 1 p 3 p u 1-p ermittelte mittlere Fehlerquote Quantil der Normalverteilung Fehlerquote in DPM Prozessfähigkeiten C pk = allg. Beurteilung des Prozesses nicht qualitätsfähig 31,67 1,33 bedingt qualitätsfähig 0,287 1,67 qualitätsfähig 0, ,00 qualitätsfähig

20 Qualitätsmerkmal nicht messbar was nun?? Genauigkeiten der Koeffizienten Ermittelter Wert c pk =1,33 attributiv messbar n= unten oben unten oben ,11 1,54 1,310 1, ,18 1,48 1,318 1, ,22 1,45 1,321 1, ,25 1,42 1,324 1, ,28 1,39 1,326 1, ,30 1,37 1,327 1, ,31 1,36 1,328 1,332

21 Qualitätsmerkmal nicht messbar was nun?? Die ermittelte Fehlerquote setzt sich zusammen aus: Von der Verwendung attributiver Merkmale Äusserst für inhomogene Fähigkeitsanalysen Menge! wird abgeraten! Verwendung für Berechnungen von Das sind keine Schrammen!! Fähigkeitskoeffizienten sehr Verwendung nur, wenn die Suche nach fraglich! adäquaten messbaren variablen Merkmalen erfolglos bleibt!

22 Übertragung von messbaren Merkmalen auf attributive Merkmale???

23 Übertragung von messbaren Merkmalen auf attributive Merkmale???

24 Beurteilung der Qualität eines Lötofens Mögliche Verursacher: Lotpastendruck Bestückung Temperaturprofil... Lötfehler sind ein Abbild der Qualität des Gesamtprozesses! Eine alleinige Beurteilung des Lötprozesses auf dieser Basis ist unfair!!

25 Was geht denn nun??? Erfassung, Überwachung und Regelung von Maschinenparametern! z.b. Temperaturprofil Ergebnisse solcher Analysen sind immer Maschinenfähigkeiten und keine Prozessfähigkeiten!!! Achtung: Ergebnisse von und nach den USA werden immer als Prozessfähigkeiten ausgewiesen!!

26 Messung von Temperaturprofilen Warum wird dies jetzt so interessant?? - kleineres Prozessfenster (bleifrei)!! - spezielle Temperaturprofile gefordert! Nach erfolgreichem Fähigkeitsnachweis kann sich die Fehlersuche bei auftretenden Problemen auf andere Verursacher konzentriert werden!!

27 Messung von Temperaturprofilen :00 01:00 02:00 03:00 04:00 Bestimmung von Peak, Gradienten, Zeit über Liquidus... für jede Kurve! Wiederholung (Minimum 20 mal) Berechnung der Koeffizienten

28 Messung von Temperaturprofilen Probleme: Jeder Temperatursensor wird einzeln ausgewertet! Überlagerung ist nicht zulässig! Gesamtfähigkeit ist Minimum aller Einzelwerte! Zeitaufwand (ca. 10 h für 20 Messungen) Festlegung der Toleranzen

29 Toleranzgrenzen bei Temperaturprofilen Toleranzangaben werden in der Regel nicht vorgeben! Warum : Eine komplette Übereinstimmung von konkreten Profilen mit dem Idealprofil ist kaum realisierbar unterschiedliche Verläufe der Profile auf den Baugruppen an verschiedenen Messstellen sind physikalisch bedingt und damit nicht vermeidbar teilweise werden sogar unterschiedliche Sollprofile für kleine und große Komponenten vorgegeben; das reell gefahrene Profil ist dann immer ein Kompromiss zwischen beiden Vorgaben es ist nicht nachweisbar, das eine Verletzung der Toleranzgrenzen überhaupt zu Fehlern führt

30 Toleranzgrenzen bei Temperaturprofilen Der Sollwert bei den Temperaturprofilen ist nicht eindeutig bestimmt! die kritische Maschinenfähigkeit c mk ist nicht sinnvoll ermittelbar!!

31 Toleranzgrenzen bei Temperaturprofilen Gesamteinschätzung: Methodik spiegelt am Besten die Fähigkeit eines Ofens an Hand von messbaren Merkmalen wieder! Praktikabilität jedoch auf Grund des Zeitaufwands nicht gegeben!

32 Anbringung von zusätzlichen unabhängigen Temperaturwächtern in den Ofen in jeder Zone

33 Ziel der Untersuchung Kann die Messung der Temperaturen auf der Baugruppe zur Überwachung des Ofens und zum laufenden Nachweis der Qualitätsfähigkeit durch Erfassung der Wächtertemperaturen ersetzt werden???

34 Durchführung Wiederholung der Messungen (n-mal) mit verschiedenen Profilen und unter verschiedenen Bedingungen (z.b. Last) Synchronisation und Überlagerung der Wächterkurven und der Temperaturverläufe auf dem PTP für alle Messungen Nachweis einer signifikanten Korrelation zwischen den Temperaturverläufen Auswertung und Fehleranalyse

35 Messung der Profile mit dem PTP

36 Beispielmessung Treppenprofil :00 01:00 02:00 03:00 04:00

37 Erster Schritt Konstantes Treppenprofil Überlagerung der synchronisierten kompletten Kurven (also nicht nur der charakteristischen Punkte) der Temperaturverläufe und Auswertung der Abweichungen! Maß der Übereinstimmung ist die Standardabweichung!

38 Vergleich der Standardabweichungen am PTP 2,00 1,80 1,60 1,40 Temp. 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 00:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 Zeit Inhalt 10 Messungen incl. Lastmessungen größere Abweichungen nur beim Einfahren und beim Abkühlen!

39 Vergleich der Standardabweichungen 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 an den Wächtern 00:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00

40 Vergleich einer Leerlauf- und einer Lastmessung :00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00

41 Zweiter Schritt Anheben der Treppe Differenzkurven Übereinstimmung

42 Differenzen Wächter - PTP der verschiedenen Treppenprofile und deren Standardabweichungen 5 0 Eine Änderung der Temperaturen an den Wächtern zieht eine (fast) gleichartige Änderung auf der Baugruppe nach sich!!!

43 Überprüfung der Stabilität eines Ofens Prinzipieller Ablauf 1. Messung der Temperaturen einer Zone mindestens 50mal. 2. Bildung von Unterstichproben (n=5) für die gemessenen Werte und Berechnung einer Mittelwert- und einer Standardabweichungsregelkarte (z.b. nach Bosch H. 9) 3. Konstruktion und Führung der Karten Gibt es eine Verletzung der Eingriffsgrenzen, so hat die Zone (und damit der Ofen) keine ausreichende Stabilität 4. Berechnung der Maschinenfähigkeiten (nur bei gegebener Stabilität) und Vergleich mit den Mindestwerten der Fähigkeiten.

44 Überprüfung der Stabilität eines Ofens Einzelwerte ohne Spezifikationsgrenzen 161, , ,

45 161 Überprüfung der Stabilität eines Ofens Mittelwertkarte 160,75 160,5 160,

46 Überprüfung der Stabilität eines Ofens Standardabweichungskarte 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,

47 Stabilität nicht gegeben - Was nun??? Suche nach den Gründen für die Instabilität Findet man keine Ursachen: Benutzung von Regelkarten mit erweiterten Eingriffsgrenzen (anwendbar für Prozesse mit kleinen Mittelwertschwankungen) Solche Karten werden z.b. bei OPEL verwendet! 2. Benutzung eines anderen Typs von Fähigkeiten Anstatt of C mk T mk benutzen; Berechnung analog! (z.b. Minimum C m =2,0 T m =2,33) Die Forderung für die Mindestfähigkeit ist eine Stufe höher! (benutzt durch MERCEDES )

48 Überprüfung der Stabilität eines Ofens Einzelwerte mit Spezifikationsgrenzen

49 Überprüfung der Stabilität eines Ofens C m -Wert (2,5K) C m -Wert (5K) Zone 1 2,51 5,01 Zone 2 2,09 4,17 Zone 3 3,14 6,27 Zone 4 2,06 4,11 Zone 5 3,38 6,75 Peak 1 3,30 6,60 Peak 2 2,47 4,94 Zielwert C m -Wert 1,67 T m -Wert 2,00 Trotz nicht gegebener Stabilität kann der Fähigkeitsnachweis erfolgen!!

50 ,5 161 Überprüfung der Stabilität eines Ofens Mittelwertkarte mit erweiterten Grenzen 160, ,

51 Fehleranalyse Beurteilung von Messsystemen: Genauigkeit Linearität Stabilität Wiederholgenauigkeit Homogenität Vergleichspräzision

52 Fehleranalyse - Genauigkeit Gemessener Mittelwert Tatsächlicher Mittelwert Fehler liegt in der Größenordnung von ca. 0, K Da keine Sollwerte überprüft werden kann er hier vernachlässigt werden!!

53 Fehleranalyse - Wiederholgenauigkeit Temp. 2,00 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 1,00 Messwerte enthalten den Messfehler mit!!! 0,00 0,90 00:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 0,80 Zeit 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 00:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00

54 Wesentliche Ergebnisse Unabhängige statistische Überwachung jeder Zone On-line Nachweis der Maschinenfähigkeit von Reflowöfen ohne Produktivitätsverlust Möglichkeit einer Tracebility Methodik ist aber kein Ersatz der Ersteinstellung von Temperaturprofilen

55 Ausblick Bisher gelöst Bestückung (Messung Genauigkeit incl. Kalibrierung im Feld) Dispensen (Genauigkeit, Kalibrierung) Lotpastendruck (Genauigkeit, Kalibrierung) Lötprozesse Weitere Aufgaben: Druckmasken Leiterplattenstrukturen Bonden... Spezielle angepasste Standards für die Bestimmung von Fähigkeitskoeffizienten in der Baugruppenfertigung

56 Weitere Informationsmöglichkeiten: Tutorial Steigerung der Qualität durch Prozessfähigkeitsanalysen in Nürnberg Tagesseminar Maschinen- und Prozessfähigkeit von Bestückausrüstungen der SMT am ZµP (Zentrum für Mikrotechnische Produktion am Institut für Elektronik-Technologie der TU Dresden

57 Dankeschön und Fragen??