Technische Fortschritte hinter Industrie 4.0 bringen neue Herausforderungen für die Leiterplattenherstellung

Industrie 4.0 verspricht enorme Effizienz- und Produktivitätsgewinne bei der Datenautomatisierung in Fabriken, teilweise dank der parallelen Fortschritte in der Automobilindustrie, dem Internet der Dinge (IoT) und der künstlichen Intelligenz (KI). Mit Blick auf die Zukunft können wir uns industrielle Prozesse vorstellen, bei denen Maschinen für bestimmte „gelernte“ Aufgaben verantwortlich sind, wobei geschlossene Rückkopplungsschleifen genutzt werden, bei denen hochdetaillierte Produktionsdaten in Echtzeit überwacht und gemeldet werden und erkannte Abweichungen automatisch Quellparameteranpassungen auslösen. Auf diese Weise steuern und korrigieren sich die Systeme selbst und die Erträge steigen erheblich.

Dieser Prozess wird erstaunlich große Datenmengen erzeugen, die genutzt und analysiert werden müssen – eine gewaltige Herausforderung in der Verwaltung, aber absolut notwendig für maschinelles Lernen (ML), wo KI-Systeme darauf ausgelegt sind, jedes letzte Bit der verfügbaren Informationen zu absorbieren und daraus zu „lernen“. Obwohl die Elektronikindustrie noch weit davon entfernt ist, dieses Automatisierungs- und Intelligenzniveau zu erreichen, ist die Entwicklung in Richtung Industrie 4.0 bereits im Gange, wie die jüngsten Trends auf dem PCB-Herstellungsmarkt belegen.

Leiterplattenhersteller stehen unter zunehmendem Druck, immer detailliertere Daten zu jeder einzelnen in ihrer Fertigung produzierten Leiterplatteneinheit bereitzustellen, damit ihre Kunden Leiterplattenfehler in der gesamten Lieferkette mit höchster Datengranularität schnell identifizieren, verfolgen und beheben können. Um dieser Herausforderung zu begegnen, nehmen PCB-Hersteller Prozessänderungen vor, die PCB-Produktionsdaten und Ursachenanalysen in jeder Phase des Herstellungsprozesses erfassen. Der Prozess generiert riesige Datenbanken mit Fertigungsdaten, die letztendlich dazu beitragen, einen vollständigen Einblick in den Herstellungsprozess zu bieten, die Funktionsintegrität auf jeder einzelnen Schicht innerhalb einer bestimmten Leiterplatte zu bewerten und den Status des Geräts während des Durchlaufs durch die Produktionslinie zu überwachen.

Darüber hinaus suchen Leiterplattenhersteller nach Methoden, um Smart Manufacturing auf neue Weise einzusetzen, um den Gesamtprozess zu verbessern und Problembereiche in Fabriksystemen zu identifizieren. Fortschrittliche Prozesssteuerungs- und Visualisierungsanwendungen sind Schlüsselkomponenten dieser Strategie und werden letztendlich zum Wegbereiter für vollautomatisierte Fabriken.

Präzises Tracking auf jeder Ebene

Die Vorteile von Rückverfolgbarkeit und Prozesssteuerungsfunktionen sind zahlreich und sehr stark auf die Kernaussagen von Industrie 4.0 abgestimmt. Rückverfolgbarkeit – die Möglichkeit für Hersteller, Fehler bis hin zur Leiterplatteneinheit zu verfolgen – bietet eine erhöhte Prozesstransparenz durch die Erfassung digitaler Daten entlang der gesamten Produktionslinie und die direkte Weiterleitung dieser Daten an das Manufacturing Execution System (MES) und die IT-Abteilung der Fabrik . Darüber hinaus steigert die Rückverfolgbarkeit die Effizienz durch die Einrichtung eines zentralen Verbindungspunkts für alle Fertigungsanlagen und ist kostengünstig, insbesondere durch die Nutzung von Analysewerkzeugen, die ein verbessertes Ertrags- und Prozessmanagement ermöglichen.

In der Praxis unterscheidet sich die Rückverfolgbarkeit von Leiterplatten insofern nicht von kommerziellen Waren- und Materialverfolgungsprozessen, als sie auf Barcodes und Software angewiesen ist. Aber im Gegensatz zu den meisten kommerziellen Produkten sind PCBs sehr komplex, und die Auswirkungen eines PCB-Ausfalls im Feld können je nach Art des elektronischen Geräts, in dem sie untergebracht sind, besonders schwerwiegend sein, sei es ein Smartphone, ein Defibrillator oder ein unbemanntes Fahrzeug – und alles dazwischen.

Abbildung 1. PCB-Hersteller müssen Daten sammeln und verfolgen.

Es reicht nicht aus, einfach einen Barcode von der Oberseite einer fertigen Leiterplatte zu lesen und zu verfolgen, da die Rückverfolgbarkeit sehr eingeschränkt ist, ebenso wie die Möglichkeit, Probleme zu lokalisieren, die von einer inneren Leiterplattenschicht herrühren. Stattdessen muss im Sinne von Industrie 4.0 jede Einheit jeder Lage auf jeder Leiterplatte mit ausgeklügelter Barcode-Kennzeichnung und Software individuell codiert werden, damit sie mit den anderen Einheiten in den Lagen der Leiterplatte logisch verknüpft werden kann.

Dieser äußerst detaillierte Ansatz ermöglicht eine lückenlose Rückverfolgbarkeit und ermöglicht eine Ursachenanalyse bis hin zu jedem spezifischen PCB-Herstellungsprozess innerhalb der Produktionslinie. Unter den granularen Daten, die verfolgt werden können:verwendete Maschinen und ihre Parameter und Aktionen, Bilder von Defekten, Datum und Uhrzeit der Herstellung, Name des Bedieners, Chargennummer und mehr.

Diese verfolgten Daten sind wertvoll für die historische Analyse, aber sie sind genauso wertvoll – oder mehr –, wenn sie verarbeitet, analysiert und sofort an das MES zurückgespeist werden, bevor die Leiterplatte das Werk verlässt. Diese Daten müssen in Echtzeit bewertet und verarbeitet werden, wenn sie effektiv verwendet werden sollen, um auftretende Prozessprobleme zu erkennen und zu beheben und so die Ausbreitung von Fehlern zu begrenzen. Und da die ML- und KI-Technologie immer mehr in den Vordergrund rückt, wird sich dieser geschlossene Echtzeit-Feedback-Loop als unverzichtbar erweisen, um wirklich automatisierte Lern- und Entscheidungsprozesse zu ermöglichen.

Vertieftes Verständnis der Fertigungsprozesse

Es besteht ein wachsender Bedarf an vollständiger Transparenz der PCB-Herstellungsprozesse, die weit über die Rückverfolgbarkeit von PCB-Einheiten hinausgeht. Bisher konnten keine automatisierten Entscheidungen getroffen werden und die Bediener in der Produktion wären nie in der Lage, über viele Fertigungssysteme hinweg in der Zeit zurückzublicken, um Probleme und Trends genau zu erkennen. Das Aufkommen fortschrittlicher Prozesssteuerung und Visualisierung markiert die ersten Schritte in Richtung einer vollautomatisierten Fabrik, die durch KI ermöglicht wird.

Mithilfe fortschrittlicher Prozesssteuerung und -visualisierung bieten automatisierte und hochdetaillierte Produktionsberichte den Herstellern zu einem frühen Zeitpunkt im Prozess ein umfassendes Bild – Echtzeit-Sichtbarkeit und eine Fehlerverteilungskarte über die Fertigungs- und Inspektionsphasen sowie von der Schalttafelebene abwärts zu einzelnen Leiterplatteneinheiten. PCB-Hersteller können Fehlertrends während des gesamten Design- und Herstellungsprozesses mithilfe von Analysen, die durch die Produktionsüberwachung gesammelt werden, schnell und genau erkennen.

Basierend auf tatsächlichen Produktionsdaten, die umsetzbare Erkenntnisse liefern, können Leiterplattenhersteller dann eine Ursachenanalyse durchführen und die Feedbackschleife mit den Designern schließen. Dies verbessert das gesamte Produktionsflächenmanagement und führt zu effizienten, schnellen und fundierteren Entscheidungen, die den Produktionsprozess verbessern. Zu den Vorteilen können niedrigere Wartungskosten, geringere Ausfallzeiten und höhere Produktivität und Effektivität gehören.

Daten sammeln, Geschwindigkeit erfassen

So akribisch die Rückverfolgbarkeit erforderlich ist, wird sie zur neuen Norm für Hersteller von eingebetteten Leiterplatten, da sie auf lukrativen Märkten für elektronische Geräte mit wenig oder gar keiner Toleranz für fehlerhafte Produkte um Vorteile konkurrieren. Geräteintegrität und Rückverfolgbarkeit wirken sich jedoch weit über die Produktzuverlässigkeit hinaus. Tatsächlich wird die Fähigkeit eines PCB-Herstellers, ein hohes Maß an Produktqualität und Ausbeute zu demonstrieren und aufrechtzuerhalten, ein immer wichtigerer Faktor für Kunden, die ein hart umkämpftes Feld von PCB-Lieferanten überprüfen. OEMs für elektronische Geräte prüfen die Rückverfolgbarkeitsprozesse der Lieferanten und die sich daraus ergebenden Auswirkungen auf die Ertragsberechnungen immer genauer, was wiederum in die Bewertungen der Kunden über die Produktionsskalierbarkeit und Kostenstrukturen der Lieferanten einfließt. QR-Codes (Abbildung 2) ermöglichen es Herstellern, jedes Board zu verfolgen.

Abbildung 2. QR-Codes ermöglichen es Herstellern, Boards während der Produktion zu verfolgen.

Auf einer höheren Ebene wird eine fortschrittliche Steuerung des Fertigungsprozesses für PCB-Lieferanten unverzichtbar, wenn sie nach neuen Wegen suchen, um Fertigungsprozesse systemübergreifend zu verbessern und die Gesamtausbeute zu steigern.

Rückverfolgbarkeit und Echtzeit-Konnektivitätsfunktionen sind besonders wichtig für PCB-Lieferanten, die um wertvolle staatliche Subventionen kämpfen. Am ausgeprägtesten ist dieser Trend in Europa und auch in China, wo der Regierungsplan „Made in China 2025“ großen Wert auf Industrie 4.0 legt. Traceability- und Advanced Analytics-Anwendungen sind erste Schritte bei der Entwicklung von KI-gesteuerten Systemen. Diese Systeme sind wiederum ein wesentliches Element im Wettlauf um eine vollautomatisierte Produktionshalle – das Endziel von Industrie 4.0 – und Leiterplatten-Zulieferer wollen hier ihre Kompetenzen unter Beweis stellen.

Der Trend zur Produktionsdigitalisierung beschleunigt sich bei Leiterplattenlieferanten mit Massenmarktambitionen bei Smartphones und Premium-Elektronik. Eine zunehmende Dynamik ist unvermeidlich, da Anbieter von Leiterplatten und eingebetteten Komponenten der nächsten Generation versuchen, den schnell wachsenden Markt für autonome Fahrzeuge zu bedienen – einen Markt, bei dem die Spielräume für Gerätefehler und die Sicherheit der Passagiere hauchdünn sind.

Es ist dieser Markt, der vielleicht am ehesten die Anforderungen an die Automatisierung von PCB-Daten nach Westen zu industrialisierten europäischen und nord-/südamerikanischen Fabriken verbreitet. Autonome Fahrzeuge mit Personenbeförderung (und die Roboter, die sie zusammenbauen) unterliegen verständlicherweise den strengsten Spezifikationen für Leiterplatten- und Prozessintegrität.

Die Rückverfolgbarkeit mit ergänzenden Analysetools trägt dazu bei, die Gewissheit zu stärken, dass die für diese Fahrzeuge bestimmten PCBs während des gesamten Produktionszyklus leicht nachverfolgbar, zugänglich und an Prozesskontrollen anpassbar waren. Im weiteren Verlauf wird die Echtzeit-Konnektivität dazu beitragen, dass Prozessunregelmäßigkeiten erkannt und sofort nach Erkennen eines Fehlers behoben werden. Diese Konnektivität bietet auch Einblick in den Maschinenstatus und zugehörige Warnungen und ermöglicht die Fernsteuerung von Maschinen. Diese Fähigkeiten sind von zentraler Bedeutung für die Vision von Industrie 4.0 und werden unverzichtbar sein, wenn KI in der intelligenten Fabrikautomatisierung Einzug hält.

Tal Lev-Ran ist ein Industrie 4.0 Marketing Manager bei Orbotech Ltd. Sie trat dem Unternehmen im Jahr 2013 bei und hatte mehrere technische Positionen im Produktteam der automatisierten optischen Inspektion (AOI) inne. Vor seiner Tätigkeit bei Orbotech hatte Tal verschiedene Positionen in der Halbleiterindustrie bei Applied Materials und Numonyx inne. Sie hat einen Abschluss als Ingenieur der Ben Gurion University of the Negev.