E P C ERSA Process Control

Transkript

1 E P C ERSA Process Control ERSA Technologietage Oktober 2008 Wertheim Meinrad Eckert ERSA GmbH, Wertheim Meinrad.eckert@ersa.de,

2 Die Goldenen Regeln des Maschinen Lötens * Arbeiten Sie von Anfang an richtig, sind Sie sich über die Folgen Ihrer Arbeitsschritte bewusst. * Maschinenlöten ist ein Prozess und wie alle Prozesse erzeugt er zuverlässige Ergebnisse, wenn er genau kontrolliert wird. * Design, Handhabung, Bestückung sind Bestandteile des Lötprozesses und müssen genau überwacht werden. * Verwenden Sie keine Materialien, die bei Lötbarkeitstests schlechte Ergebnisse aufzeigten. * Schlechte Lötbarkeit der Leiterplatten und Bauteile ist die Ursache für 60 % aller Lötfehler. * Nacharbeit ist teuer, unrentabel und unnötig. Fehlerfreies Löten erspart die meisten Kosten. * Alles, was Lötfehler reduziert, bedeutet Kosteneinsparungen (beginnt bereits beim Design!). * Lötprobleme werden nicht durch mehr Nacharbeit und Inspektionen gelöst, sondern durch Überwachung und Kontinuität der richtigen Lötparameter. * Jeder Mitarbeiter, der mit dem Lötprozess zu tun hat, sollte optimal eingewiesen sein. * Operieren Sie mit vorbeugenden Maßnahmen und nicht mit korrigierenden Eingriffen Seite 2

3 Mögliche Fehlerquellen im Lötprozess Lötanlagen bedingt Baugruppen bedingt (Leiterplatte + Bauteile) Gleiche Fehlerbilder! Um anlagenbedingte Fehlerbilder auf ein Minimum zu reduzieren, ist die Stabilität des Lötsystems eine elementare Voraussetzung. Nur auf dieser Basis können reproduzierbare Prozesse sichergestellt werden. Seite 3

4 Definition der Prozessfenster 80 C 225 C 230 C 260 C 280 C L ö t w ä r m e b e s t ä n d i g k e i t Baugruppe Lot Flussmittel Prozessfenster ist variabel! L ö t w ä r m e b e d a r f SnAgCu: Reflow min C Welle min C Seite 4

5 Definition der Prozessfenster 245 C 210 C 179 C SnPbAg Good Joint **Component Specific T *Machine T Cold Joint Liquidus Solidus Window For Success 245 C 230 C 217 C SnAgCu Good Joint **Component Specific T *Machine T Cold Joint Liquidus Solidus Nicht akzeptabel!: Window For Success Kann die Maschine helfen? *Machine T : Querprofil & Maschinentoleranzen **Component Specific T : T zwischen größtem & kleinstem Bauteil Seite 5

6 Erhöhung der Prozesstemperatur? 260 C Window Good For Joint Success 230 C 217 C SnAgCu Component Specific T Machine T Cold Joint Liquidus Solidus Die Erhöhung der Prozesstemperatur ist Baugruppenspezifisch! VORSICHT bzgl. der Bauteile! Low Quality Maschinen: 1. Temperaturerhöhung ABER Vorsicht auf die Bauteilspezifikationen, ODER 1. Niedrigere Geschwindigkeit ABER Reduzierung des Durchsatzes! Seite 6

7 Die Folgen von zu hohen Prozesstemperaturen 225 C 255 C 240 ºC 255 ºC Quelle: Philips CFT Seite 7

8 Systemstabilität und Toleranzen Jeder industrielle Prozess unterliegt Toleranzen. Diese sind beim bleifreien Löten besonders kritisch, da sie die ohnehin schon engen Prozessfenster weiter einschränken. Aus diesem Grund sind die Anforderungen an ein modernes Lötsystem, in Bezug auf niedrige Toleranzen, besonders hoch. Seite 8

9 Definition der Prozessfenster / Toleranzen 245 C SnAgCu Good Joint Window For Success 230 C 217 C *Machine T Cold Joint Liquidus Solidus Transportgeschwindigkeit Medien Temperatur Medien Geschwindigkeit Seite 9

10 Neue Generation für geringes T und sichere SMT Prozesse Hotflow 3/20 Seite 10

11 Multijet System Neu entwickeltes Düsensystem 10 Heizzonen mit jeweils 700 Strömungsdüsen je Zone! Seite 11

12 Multijet System dt < 2 C - 4 bis 10 C/s Exit-temperature <40 C dt < 2 C über die gesamte Zonenbreite Seite 12

13 Power Kühlung Temperaturregelung Reflowzone Aktive Kühlzone Kondensatmanagement Seite 13

14 Mittenunterstützung Auto Flip Funktion Massenarme Mittenunterstützung Seite 14

15 Die Auswirkungen von Toleranzen auf die Prozessstabilität 245 C SnAgCu Good Joint Window For Success 230 C 217 C *Machine T Cold Joint Liquidus Solidus Transportgeschwindigkeit Medien Temperatur Medien Geschwindigkeit Seite 15

16 Thermische Beeinflussung durch Änderungen der Geschwindigkeit Vergleich : Soll= 90cm/min; Abweichung= + 3cm/min Set speed: 90 cm/min 0 / - 1,9 C Set speed: 93 cm/min (+ 3 cm/min) T = 1,9 C! Seite 16

17 Thermische Beeinflussung durch Änderungen der Temperatur Vergleich: Solltemp. mit Solltemp. - 5 K Set C: 180, 180, , 180, 250 Set C: 175, 175, 260 (- 5 C) 175, 175, 245 3,9 / - 4,7 C T = -4,7 C! Seite 17

18 Thermische Beeinflussung durch Änderungen der Strömungsgeschw. Vergleich: rpm 100% vs 50% Die Temperatur der einzelnen Heizzonen ist unverändert! Set rpm: 100% Set rpm: 50% 11,6 / - 11,5 C T = 11,5 C! Seite 18

19 Wichtig für den Reflowprozess ist die Messung des Wärmeenergietransfers! Q = c m T Die reine Temperaturmessung der Heizzonen ist nicht aussagekräftig. Bei geänderten Lüfterdrehzahlen bleibt die Temperatur der Zone konstant, es ändert sich aber die übertragene Wärmeenergie. Folglich ändert sich die Temperatur der Baugruppe. Seite 19

20 Definition der Prozessfenster / Toleranzen SnAgCu 245 C Good Joint Window For Success Temperaturprofil Bauteilspektrum 230 C 217 C **Component Specific T *Machine T Cold Joint Liquidus Solidus Seite 20

21 Voraussetzung für einen reproduzierbaren Prozess ist eine stabil arbeitende Maschine, um die Prozessfenster einhalten zu können. Dieser Nachweis ist messtechnisch zu erbringen, erfordert eine gewisse Sorgfalt und ist zyklisch zu wiederholen. Eine Maschinenfähigkeitsuntersuchung ist zwar elementar, stellt aber immer nur eine Momentaufnahme dar. Sie ist kein Garant für die Langzeit Stabilität eines Lötsystems. Seite 21

22 Systeme zur Messung des Energietransfers Über die unterschiedlichen Massen an den Thermoelementen des Messboards kann eine Aussage über den Wärmeenergietransfer im Reflowsystem getroffen werden. Messboard Firma globalpoint ICS GmbH Seite 22

23 Profilvariante - Lineares Temperaturprofil Hotflow 2/20 40x40x0,25 40x40x0,8 40x40x1,5 Seite 23

24 Zur Messung der Stabilität des Temperatur-Zeit-Verlaufes ist es erforderlich mit reproduzierbar herzustellenden Messboards zu arbeiten, d.h. unterschiedliche Messboards des gleichen Typs, müssen gleiche Messergebnisse liefern. Um die Reproduzierbarkeit bestimmen zu können, vergleicht man die Profile aus der laufenden Fertigung mit einem Referenzprofil. Das Referenzprofil muss unter bekannten Bedingungen ermittelt werden, häufig verwendet man hierfür das Profil aus der Maschinenfähigkeitsuntersuchung. Wählt man als Referenzprofil ein Profil aus der laufenden Fertigung, kann die Messung im normalen Betrieb erfolgen, die Fertigung muss nicht unterbrochen werden. Seite 24

25 Bewertung von Reflowprofilen T / C T max T min T Liq t V t L t N t t ges Für den aussagekräftigen Vergleich von Profilen müssen reproduzierbar zu ermittelnde Parameter herangezogen werden. Eine Quotientenbildung erleichtert die Auswertung. Seite 25

26 Kontrolle der Systemstabilität Die Kontrolle der Systemstabilität über die Ermittlung und den Vergleich von Temperatur-Zeit -Verläufen ist zeitaufwendig und damit kostenintensiv. Die Automatisierung dieser Messaufgaben wurde durch das EPC von ERSA realisiert. Seite 26

27 Die Basis von EPC EPC cooling and heating temperature ( C) Reflow zone 80% Reflow zone 25% time EPC nutzt den physikalischen Effekt, dass sich eine konstante Masse bei unterschiedlichen Energietransferraten unterschiedlich schnell erwärmt. Als Maß für die Konvektion dient die Aufheizzeit zwischen zwei definierten Temperaturen. Seite 27

28 Die praktische Ausführung von EPC Die Masse wird durch einen Aluminium Körper definiert. Die Temperatur des Körpers wird über ein Thermoelement erfasst. Die Kühlung erfolgt über das Rohr, auf dem die Masse angebracht ist. Seite 28

29 Die praktische Ausführung von EPC In jeder Prozesszone wird eine Mess-Stelle angebracht. Alle Massekörper sitzen auf dem selben Kühlrohr und können damit gezielt gekühlt werden. Seite 29

30 Die praktische Ausführung von EPC / steuerungstechnisch Seite 30

31 Die praktische Ausführung von EPC / mechanisch Integration des Systems in eine Reflow Lötanlage Installation des Mess-Systems in der Prozesszone auf Höhe des Leiterplatten Transportes Der Prozess wird durch das System nicht beeinflusst. Seite 31

32 Die praktische Ausführung von EPC / Mess-Ablauf Das Kühlrohr wird mit Druckluft gespült. Die Aluminium Körper auf dem Rohr kühlen ab. Nach Erreichen einer bestimmten unteren Temperatur wird die Kühlung abgeschaltet. Die Aluminium Körper erwärmen sich wieder, durch die Konvektion der einzelnen Heizzonen. Die Aufheizkurve eines jeden Messkörpers wird aufgezeichnet und analysiert. Die ermittelten Werte werden mit hinterlegten Werten verglichen und es erfolgt eine Aussage ob der Konvektionsanteil konstant ist oder abweicht. Seite 32

33 Die praktische Ausführung von EPC / Auswertung der Messdaten Je stärker die Konvektion desto schneller ist der Aufheizvorgang Die Dauer der Aufheizung ist der Messwert zur Bewertung Seite 33

34 Die praktische Ausführung von EPC / Auswertung der Messdaten Die Abkühl- und Aufheizkurven sind für unterschiedliche Temperaturen In den Heizzonen fast identisch. Seite 34

35 Die praktische Ausführung von EPC / Messdaten Seite 35

36 Zusammenfassung Das Arbeitsfenster im Bleifreiprozess ist viel kleiner geworden. Die Anforderungen an die Toleranzen der Maschine sind höher. Eine regelmäßige Überwachung der Prozessparameter ist wichtig. Die Überprüfung der Parameter mit einem Temperatur-Shuttel ist zeitaufwendig und blockiert die Anlage. Eine präparierte Leiterplatte unterliegt einem natürlichen Alterungsprozess und führt zu Messfehlern. EPC ERSA-Process-Control spart Zeit und garantiert stabile Prozesse. Die EPC Messung erfolgt automatisch ohne Bedienereingriff. Abweichungen werden sofort signalisiert. Statistische Auswertung der cmk-werte werden über die Software garantiert. Seite 36

37 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Seite 37