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Traceability durch Leiterplattenkennzeichnung

Publiziert in Fare Elettronica / Verband der Elektronikbezirke

Einführung


Eine Leiterplatte ist die Hauptkomponente in den meisten elektronischen Geräten, wie Computer, Smartphones, Unterhaltungselektronik, elektronische Medizingeräte und industrielle Ausrüstungsgegenstände. Elektrische Signale werden über Leiterbahnen auf verschiedenen Schichten der Leiterplatten übertragen und ermöglichen so die Funktionalität der Geräte. Sie bieten mechanische Unterstützung und die elektrische Verbindung zwischen verschiedenen elektronischen Komponenten.

Bevor der endgültige elektronische Schaltkreis entsteht, durchläuft die Leiterplatte verschiedene Arbeitsschritte (Bohren, Löten, Bestückung, Oberflächenbehandlung usw.). Diese Arbeitsschritte sind besonders kritisch und erfolgen oft unter anspruchsvollen Umgebungsbedingungen, wie hohe Temperaturen und Einfluss von aggressiven Substanzen oder säurehaltigen Reinigungsmitteln. Deshalb müssen Hersteller für die langfristige Traceability der Leiterplatten sorgen – sowohl während der verschiedenen Produktionsstufen als auch nach dem Einbau in das jeweilige Produkt.

Mithilfe einer effizienten Kennzeichnung können Hersteller von Elektronikgeräten die Leiterplatten während der Fertigung, Lagerung und Installation zuverlässig nachverfolgen. Am besten eignen sich dazu spezielle Leiterplatten-Etiketten, die eine langfristige Lesbarkeit gewährleisten. Leiterplatten-Etiketten sind hochwertige, selbstklebende Etiketten, die in einem praktischen Format kritische Informationen enthalten, wie Ursprung der Leiterplatte, Chargennummer der Fertigung, Produktionsdatum, Löttemperatur und Flussmitteldichte.

Abbildung 1 zeigt ein Beispiel für ein Leiterplatten-Etikett, das unter anderem die Chargennummer und das Produktionsdatum enthält. Dieses Beispieletikett ist mit einem QR­Code versehen, sehr häufig werden jedoch herkömmliche Barcodes verwendet.

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Abbildung 1: Leiterplatten-Etikett (Quelle: Brady Corporation)

Die Vorteile von Etiketten


Leiterplatten-Etiketten sind für eine zuverlässige Traceability unverzichtbar.

Sie ermöglichen die Traceability von Leiterplatten während Fertigung, Montage, Vertrieb und Kundendienst. Sie zeigen den Verlauf der Komponenten im gesamten Produktionszyklus und sorgen dafür, dass die richtigen Komponenten in den jeweiligen Produkten verbaut werden. Die Leiterplattenkennzeichnung unterstützt auch Verwaltungsabläufe, steigert die Produktionseffizienz und verbessert die Bestandsverwaltung, die Wartung und die Handhabung von Ersatzteilen.

Die auf den Leiterplatten-Etiketten gedruckten Traceability-Daten müssen langfristig verfügbar bleiben, um wichtige Zwecke zu erfüllen: Überwachung der Fertigungsprozesse, Identifikation von defekten Teilen, reibungslose Vertriebslogistik, hochwertiger Kundendienst und ordnungsgemäße Entsorgung von elektronischen Komponenten.

Die Traceability ist eine unverzichtbare Voraussetzung in hoch automatisierten und digitalisierten Unternehmen, die nach dem Konzept „Industrie 4.0“ arbeiten – intelligente Betriebe, die auch „Smart Factories“ genannt werden.

Bei der „intelligenten“ Fertigung werden Daten von Maschinen generiert, analysiert und verwendet, um die Produktion zu optimieren, die Effizienz zu steigern und flexible Produktionsabläufe zu schaffen, die schnell und effizient auf eine Änderung der Nachfrage reagieren können. Ein Unternehmen der „Industrie 4.0“ arbeitet ausschließlich mit verbundenen Systemen, die mit anderen Systemen in der Lieferkette kommunizieren und Daten an sie senden und von ihnen empfangen können.

Mit Etiketten, die im gesamten Produktionszyklus lesbar bleiben, wird jede Leiterplatte zu einem aktiven Teil des intelligenten Betriebs, da sie Daten an das Produktionsmanagementsystem, an andere Maschinen oder an die Lieferkette senden kann.

Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit der Datenanalyse. Große Datenmengen können direkt in der Fertigungsanlage erfasst und dann mit künstlicher Intelligenz durch Algorithmen (wie maschinelles Lernen) verarbeitet und analysiert werden. Dadurch verbessert sich die Effizienz der Fertigungsabläufe.

Die Vorteile der Leiterplattenkennzeichnung lassen sich folgendermaßen zusammenfassen:

  • Bessere Qualitätskontrolle
  • Höhere Zuverlässigkeit des fertigen Produkts
  • Höherer Fälschungsschutz für elektronische Komponenten und Leiterplatten
  • Optimierte Produktionsabläufe, daher geringere Kosten
  • Integration in das „Smart Factory“-System mit der zusätzlichen Möglichkeit, wichtige Informationen zur Datenanalyse zu extrapolieren, um so die Produktionsabläufe und die Produktqualität zu verbessern

Technologie und Produkte


Seit die Oberflächenbestückung von Komponenten technisch möglich ist, können Leiterplatten mithilfe der Oberflächenmontage (Surface Mount Technology, SMT) in Fertigungsanlagen automatisch bestückt und gefertigt werden.

Dies ist ein äußerst komplexer und technisch anspruchsvoller Vorgang, bei dem die gesamte Fertigungsstraße mithilfe von Bestückungsautomaten autonom abläuft. Die auf Spulen befestigten Komponenten werden über entsprechende Spender zugeführt und mithilfe von Bestückungssystemen mit äußerst hoher Präzision auf der Leiterplatte platziert. Die Fertigung einer Leiterplatte umfasst zwar noch weitere Schritte (Bohren, Löten, Härten, optische und manuelle Inspektion usw.), doch das Positionieren der Komponenten ist einer der wichtigsten und gleichzeitig anspruchsvollsten Schritte.

Die Leiterplattenkennzeichnung muss vollständig in das SMT-Produktionssystem integriert werden, und dieses System muss in der Lage sein, Etiketten wie jede andere Komponente zu verarbeiten (Widerstände, Kondensatoren, integrierte Schaltkreise und Transistoren). Genau das ist auch der Fall.

Für die Leiterplattenkennzeichnung gibt es im Prinzip zwei Methoden: „kalte“ und „heiße“ Kennzeichnung.

Bei der ersten Methode, der „kalten“ Kennzeichnung, werden die Etiketten von einer Maschine vorbereitet und gedruckt.

Anschließend werden sie genau wie reguläre SMT-Komponenten auf eine Rolle aufgewickelt und in einen der Spender eingeführt, die von den Bestückungsmaschinen verwendet werden. Die Etiketten werden in jeder Hinsicht wie normale elektronische Komponenten behandelt. Ihre Position und Ausrichtung auf der Leiterplatte muss ordnungsgemäß im CNC­System programmiert werden.

Abbildung 2 zeigt eine SMT-Fertigungslinie. Im Vordergrund befinden sich mehrere Spender mit Spulen für elektronische Komponenten. Jede Komponente, auch die Etiketten, werden vom Bestückungssystem entnommen und präzise auf die vorgesehene Position auf der Leiterplatte platziert, die sich am Fertigungsband entlang bewegt.

Abbildung 2: SMT-Fertigungsanlage (Quelle: Brady Corporation)

Bei der „heißen“ Technik befindet sich der Drucker direkt an der SMT-Fertigungslinie. Die Etiketten werden in Echtzeit gedruckt und auf der Leiterplatte angebracht (Druckapplikator-Technik). Diese Drucker zeichnen sich durch eine äußerst hohe Leistung aus, da sie die Etiketten mit hoher Präzision drucken und platzieren und außerdem mit der Geschwindigkeit mithalten müssen, mit der die SMT-Fertigungsanlage die Leiterplatten zuführt.

Doch nicht nur die Maschinen und Ausrüstungsgegenstände sind wichtig – eine entscheidende Rolle spielen auch die Materialien, aus denen die Etiketten gefertigt werden.

Die für die Leiterplattenkennzeichnung verwendeten Materialien müssen vor allem gute Druckeigenschaften aufweisen und beständig gegen Hitze und Chemikalien sein.

Diese Etiketten enthalten Informationen, die für den Produktionsprozess kritisch sind. Ein Verlust dieser Daten kann Störungen verursachen, welche die Rentabilität beeinträchtigen. Leiterplatten-Etiketten müssen beständig gegen Temperaturschwankungen, mechanischen Abrieb und die bei der Leiterplattenfertigung verwendeten Chemikalien sein. Diese Anforderungen können nur durch spezielle Etikettenmaterialien erfüllt werden.

Am häufigsten wird Polyimid für diese Etiketten verwendet. Polyimid-Etiketten eignen sich für Barcodes mit hoher Dichte, Data Matrix-Codes, QR-Codes und für die alphanumerische Kennzeichnung von Leiterplatten. Das Material zeichnet sich in einem großen Temperaturbereich (mehr als 300 °C) durch eine hohe Stabilität aus und unterstützt eine Druckauflösung von bis zu 600 dpi. Die kleinste Etikettengröße ist 4 x 4 mm.

Die Lösungen von Brady


Die Brady Corporation ist einer der weltweit führenden Anbieter von Systemen zum Drucken, Kennzeichnen und Nachverfolgen von Leiterplatten. Die Brady Corporation hat ihren Hauptsitz in Milwaukee im US-Bundesstaat Wisconsin. Das multinationale Unternehmen beschäftigt weltweit mehr als 6.000 Mitarbeiter und hat mehr als eine Million Kunden.

Fare Elettronica hatte die Gelegenheit, mit Marco Minotti, lokaler Produktexperte der Brady Corporation, ein Interview zu führen. Er ist in der italienischen Niederlassung des multinationalen Unternehmens im Bereich Vertriebsunterstützung tätig ist.

Wir stellten Marco Minotti einige Fragen zur Kennzeichnung von elektronischen Leiterplatten und zu den Lösungen, die die Brady Corporation auf diesem Gebiet anbietet.

Fare Elettronica: „Welche Vorteile bietet die Leiterplattenkennzeichnung für einen Hersteller elektronischer Schaltkreise?“

Marco Minotti (Brady): „Leiterplatten-Fertigungslinien werden technisch immer anspruchsvoller und sind eng mit den Systemen für die Produktionsplanung, die Material- und Komponentenbeschaffung sowie die Bestandsverwaltung verbunden.“ Unternehmen verfolgen das Ziel, die Produktionsprozesse möglichst flexibel zu gestalten und die Effizienz zu optimieren. Ganz besonders gilt das für Unternehmen, die nach dem Konzept „Industrie 4.0“ arbeiten. Die Kennzeichnung ermöglicht eine vollständige Traceability von Leiterplatten in den verschiedenen Fertigungsphasen, bei der Lagerung und nach dem Verkauf.

Minotti betont, dass die von Brady gefertigten Etiketten höchste Ansprüche bei der Leiterplattenherstellung erfüllen. Die Etiketten sind in verschiedenen typischen Formaten für Leiterplatten erhältlich, beispielsweise in rechteckiger oder quadratischer Form und in der passenden Größe für die jeweilige Anwendung. Die kleinsten Etiketten sind 4 x 4 mm groß. Sie unterstützen eine Druckauflösung von bis zu 600 dpi und können alphanumerische Daten, 2D-Barcodes, QR-Codes und viele andere Informationen enthalten.

Das Brady-Sortiment umfasst auch lasergravierbare Etiketten. Diese Etiketten bieten einen sehr hohen Kontrast und können daher besonders gut von Scannern in Fertigungsanlagen gelesen werden.

Fare Elettronica: „Können Sie die Produkte zusammenfassen, die Brady zum Drucken und Anbringen von Etiketten auf Leiterplatten anbietet?“

Marco Minotti (Brady): „Brady wird von Kunden sehr geschätzt, weil das Unternehmen sowohl manuelle als auch automatische Drucksysteme anbietet, die in Bestückungsmaschinen und SMT-Fertigungsanlagen integriert werden können. Für das ‚kalte’ Druckverfahren bieten wir den BradyPrinter i7100 an, der sich ideal zum Drucken von Etiketten in der Industrie eignet.“

Dieser Drucker (Abbildung 3) bietet eine Auflösung von 300 oder 600 dpi und eine Druckgeschwindigkeit von bis zu 30 cm pro Sekunde. Er unterstützt mehr als 70 verschiedene Materialien und kann Etiketten mit Größen von 4 mm bis 11 cm bedrucken. Die vorgedruckten Etiketten können dann mithilfe eines Spenders, der über einen besonderen Adapterarm verfügt, in Bestückungsmaschinen und SMT-Fertigungsanlagen verwendet werden.

Abbildung 3: i7100 Etikettendrucker (Quelle: Brady Corporation)

„Die ALF-Serie von Brady besteht aus zahlreichen automatischen Etikettenspendern, die in Kombination mit Bestückungsmaschinen die Leiterplattenkennzeichnung automatisieren können. Zusätzlich zu den Spendern (Abbildung 4), die vorgedruckte Etiketten zuführen, umfasst die ALF-Serie auch Adapterarme für die gängigsten Bestückungsmaschinen (Fuji, Panasonic, Juki, Siplace)“, erläutert Minotti.

Abbildung 4: Ein ALF-Spender in einer SMT-Fertigungslinie (Quelle: Brady Corporation)

„Zu unseren Lösungen für das ‚heiße’ Druckverfahren zählen die A8500 und A8500 FlexCell Drucker. Diese Lösungen können Etiketten für jede Standardleiterplatte, ob einfach oder mehrfach, in nur drei Sekunden mit einer Genauigkeit von 0,1 mm automatisch drucken und anbringen.“

Minotti erläutert, dass das FlexCell Modell (Abbildung 5) speziell für den Einsatz in einer Zelle von SMT-Fertigungsanlagen entwickelt wurde. Dieses Modell, das sich auch für kleine Produktionschargen eignet, kann Etiketten erstellen und anbringen, deren Daten in Echtzeit generiert werden (zum Beispiel zum Produktionszeitpunkt). Die Drucker der A8500 Serie können Daten drucken, die nach Bedarf von einem ERP-System abgerufen werden. Sie lassen sich ganz einfach in jede SMEMA-konforme Leiterplatten-Fertigungsanlage integrieren.

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Abbildung 5: Der A8500 FlexCell Drucker im Einsatz in einer SMT-Fertigungsanlage (Quelle: Brady Corporation)


Der BradyPrinter i7100, der A8500 Etiketten-Druckapplikator und die FlexCell Druckstation sind gemäß Industrie 4.0 zertifiziert und steuerlich begünstigt. Dies gilt auch für das jeweilige Zubehör.

Zusammenfassung


Die Leiterplattenkennzeichnung ist für eine zuverlässige Traceability unverzichtbar. Etiketten ermöglichen die Leiterplatten-Traceability während Fertigung, Montage und Vertrieb. Sie sorgen dafür, dass Komponenten den gesamten Produktionszyklus durchlaufen und dass jedes Produkt individuell identifiziert werden kann, auch wenn es den Fertigungsbetrieb bereits verlassen hat. Durch Integration der Kennzeichnung mit anderen Geschäftsprozessen lässt sich auch das betriebliche Management verbessern und die Produktionseffizienz kann gesteigert werden.

In diesem Artikel wurden die Lösungen vorgestellt, die Brady für die Leiterplattenkennzeichnung anbietet. Als führender Anbieter von Kennzeichnungs- und Nachverfolgungslösungen bietet Brady ein Komplettsortiment mit Produkten für das Drucken und Anbringen von Etiketten auf Leiterplatten, die sich vollständig in moderne SMT-Fertigungsanlagen integrieren lassen.

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