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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Schaltung in einer Fertigungsanlage. Bei diesem Verfahren wird ein Schaltungsträger zur Verfügung gestellt. Dieser Schaltungsträger wird mindestens einem Prozessschritt zur Herstellung der elektronischen Schaltung unterworfen. Typische Prozessschritte, die in der Elektronikfertigung zum Einsatz kommen, sind das Bestücken eines Schaltungsträgers mit Bauelementen, das Aufbringen von Fügemedien, z. B. das Bedrucken des Schaltungsträgers mit einer Lotpaste, das Löten, welches selektiv beispielsweise mit einer Lötwellenvorrichtung erfolgen kann oder auch in einem Reflow-Lötofen erfolgen kann, oder auch das Aufbringen von Flussmittel auf elektrische Kontakte. Als Schaltungsträger können beispielsweise Leiterplatten zum Einsatz kommen. Als Schaltungsträger im Sinne der Erfindung sollen allerdings auch andere Baukomponenten verstanden werden, die die Funktion erfüllen, dass eine elektronische Schaltung auf diesem aufgebaut ist. So besteht beispielsweise die Möglichkeit, Gehäusebauteile als Träger einer elektronischen Schaltung zu nutzen.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine Baugruppe mit einer elektronischen Schaltung, die einen Schaltungsträger aufweist, mit dem Bauelemente der elektronischen Schaltung verbunden sind. Eine solche Schaltung kann als herzustellendes Produkt des oben angegebenen Verfahrens aufgefasst werden.
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Zuletzt betrifft die Erfindung auch eine Fertigungsanlage zur Herstellung einer elektronischen Schaltung auf einem Schaltungsträger, in der mindestens ein Prozessschritt zur Herstellung durchführbar ist. Diese Fertigungsanlage ist damit auch zur Durchführung des oben genannten Verfahrens geeignet.
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Baugruppen mit elektronischen Schaltungen, Verfahren zu deren Herstellung sowie Fertigungsanlagen, mit denen diese Verfahren durchgeführt werden, sind aus dem Stand der Technik (Elektronikmontage) allgemein bekannt. Weiterhin ist es bekannt, dass die Prozesse der Elektronikmontage einer Qualitätssicherung unterworfen werden müssen. Aus der
DE 10 2013 211 834 A1 ist es bekannt, dass zum Zwecke der Qualitätssicherung anstelle von zu bestückenden Leiterplatten Testplatten durch die Fertigungseinrichtungen geschleust werden können, die mit Sensoren versehen sind, welche bestimmte Aussagen über den ablaufenden Fertigungsprozess zulassen. Diese Sensorplatten ermitteln Daten und Messwerte zusätzlich zu den fest eingebauten Sensoren in der Fertigungsanlage und ermöglichen so eine Überprüfung des Fertigungsprozesses als solchen sowie der zuverlässigen Funktion der in der Fertigungsanlage eingebauten Sensorik. Auf diesem Wege können Referenzdaten für einen Fertigungsprozess gewonnen werden, die in nachfolgenden Fertigungsschritten Berücksichtigung finden.
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Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Verfahren zum Herstellen von elektronischen Schaltungen anzugeben, mit dem eine vergleichsweise engmaschige Qualitätskontrolle des Fertigungsprozesses möglich ist. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, eine Baugruppe mit einer elektronischen Schaltung anzugeben, mit der das Qualitätsmanagement während des Fertigungsprozesses vereinfacht wird. Zuletzt ist es Aufgabe der Erfindung, eine Fertigungsanlage anzugeben, mit der ein verbessertes Qualitätsmanagement eines Fertigungsprozesses für die Elektronikmontage ermöglicht wird.
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Die Aufgabe wird mit dem eingangs angegebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass folgende Fertigungsschritte vorgesehen werden. Der Schaltungsträger wird vor der Durchführung des mindestens einen Prozessschrittes in der Fertigungsanlage mit einem Messmodul lösbar verbunden. Als Messmodul im Sinne der Erfindung ist eine Baugruppe zu verstehen, mit der eine Messung durchgeführt werden kann. Das Messmodul weist zum Zwecke der Messung mindestens einen Sensor auf. Die Messung wird durch das Messmodul selbständig durchgeführt. Obwohl die elektronische Schaltung auf dem Schaltungsträger während des Prozessschrittes noch nicht fertiggestellt ist und deren Funktionen daher noch nicht oder zumindest noch nicht vollständig ausgeführt werden können, ist erfindungsgemäß das Messmodul bereits in der Lage, die Aufgabe der Durchführung einer Messung zu übernehmen. Das Messmodul führt diese Messung während des Ablaufens des mindestens einen Prozessschrittes aus, so dass während des Prozessschrittes zusätzliche Messdaten entstehen, die nicht durch in der Fertigungsanlage fest installierte Sensoren ermittelt werden.
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Nach Beendigung des mindestens einen Prozessschrittes (und evtl. noch weiterer Prozessschritte) wird das Messmodul von dem Schaltungsträger getrennt. Hierzu wird erfindungsgemäß die lösbare Verbindung vorgesehen. Der Vorteil dieser Maßnahme liegt darin, dass das Messmodul nach Lösung vom Schaltungsträger für weitere herzustellende Schaltungsträger zur Verfügung steht, an denen das Messmodul erneut lösbar angebracht werden kann. Vorteilhaft kann die im Messmodul eingesetzte Messtechnik daher vergleichsweise hochwertig sein, da diese nicht auf dem Schaltungsträger verbleibt und damit die Stückkosten des Schaltungsträgers nicht unmittelbar beeinflusst. Vielmehr handelt es sich bei der Anschaffung des Messmoduls oder mehrerer Messmodule um Investitionen, die sich nur mittelbar auf die gesamte Serie von Schaltungsträgern auswirken. Vorteilhaft können mit qualitativ hochwertigen Messmodulen Messdaten erzeugt werden, die die Zustände in der unmittelbaren Umgebung des Schaltungsträgers beschreiben. Mit diesen lässt sich der mindestens eine Prozessschritt unmittelbar steuern. Auf Qualitätsprobleme während des Prozessschrittes kann sofort reagiert werden.
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Selbstverständlich können auch Messergebnisse von Sensoren mitberücksichtigt werden, welche in bekannter Weise durch Sensoren gewonnen werden, die fest in der Fertigungsanlage eingebaut sind. Eine gemeinsame Auswertung der Messwerte verbessert die Möglichkeiten qualitativer Aussagen über den ablaufenden Prozessschritt weiter.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Messmodul während des mindestens einen Prozessschrittes auf eine elektronische Komponente, die Teil der elektronischen Schaltung auf dem Schaltungsträger ist, zugreift. Hierbei muss es sich demnach um eine elektronische Komponente handeln, deren Funktion während des betreffenden Prozessschrittes zumindest hinsichtlich des intendierten Umfangs des Zugriffs durch das Messmodul bereits gewährleistet ist. Der Zugriff kann beispielsweise zum Zweck der Funktionsüberprüfung dieser Komponente erfolgen, wobei hierbei ein Messwert erzeugt werden kann, der das ordnungsgemäße Funktionieren der Komponente beschreibt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Komponente für eine Funktion zu nutzen, welche die Arbeit des Messmoduls sicherstellt. Beispielsweise könnte die Komponente zum Speichern von Daten genutzt werden, die durch das Messmodul erzeugt wurden. Diese Daten stehen vorteilhaft dann auch für spätere Prozessschritte zur Verfügung, wenn das Messmodul bereits vom Schaltungsträger getrennt ist. Bei der Komponente könnte es sich auch um eine Antenne handeln.
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Als Komponente im Zusammenhang mit dieser Erfindung ist eine Funktionseinheit zu verstehen, welche den Zugriff des Messmoduls zur Nutzung der vom Messmodul angeforderten Funktion zur Verfügung stellt. Diese Funktionseinheit kann auch aus mehreren Bauelementen bestehen.
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Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Messmodul, nachdem es vom Schaltungsträger getrennt wurde, durch ein anderes elektronisches Modul ersetzt wird. Dieses andere elektronische Modul kann beispielsweise ebenfalls Messfunktionen übernehmen, die nach Abschluss der Herstellung benötigt werden. Beispielsweise könnten Messwerte für den späteren Transport oder Betrieb des Schaltungsträgers hilfreich sein. Die in diesem Zusammenhang zu erzeugenden Messwerte sind aber mit kostengünstigeren Sensoren zu erzeugen, die beispielsweise nicht den Umgebungstemperaturen des besagten Prozessschrittes (beispielsweise beim Reflow-Löten) widerstehen müssen. Das andere elektronische Modul kann vorteilhaft deswegen kostengünstiger ausgeführt werden.
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Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung wird erhalten, wenn das Messmodul während der Messung Messdaten erzeugt und diese über eine Schnittstelle an die Fertigungsanlage weitergibt. Dies ermöglicht vorteilhaft, dass die ermittelten Messdaten noch während des Prozessschrittes ausgewertet werden können und somit auch zur Steuerung des Prozessschrittes zur Verfügung stehen. Hierbei kommt eine Steuereinheit zum Einsatz, welche im Sinne der Erfindung als Bestandteil der Fertigungsanlage verstanden wird. Diese Steueranlage kann neben den erfindungsgemäß erzeugten Messdaten des Messmoduls auch weitere Daten verarbeiten, die beispielsweise durch fest in der Fertigungsanlage eingebaute Sensoren ermittelt werden.
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Eine Alternative zur Übergabe der Messdaten über eine Schnittstelle ist die Speicherung der Messdaten im Messmodul oder, wie bereits erwähnt, auf dem Schaltungsträger. Die Messdaten stehen in diesem Fall für eine dem Prozessschritt nachfolgende Auswertung zur Verfügung. Auch hierdurch lässt sich bei Fertigungsprozessen, die bereits mit optimierten Verfahrensparametern laufen, eine Qualitätskontrolle durchführen. Beispielsweise lassen sich alterungsbedingte Qualitätsschwankungen in der Fertigungsanlage auf diesem Wege nachweisen.
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Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen werden, dass das Messmodul während der Messung Messdaten erzeugt, diese verarbeitet und abhängig von dem Ergebnis des Verarbeitens das Messergebnis beschreibende Daten über eine Schnittstelle an die Fertigungsanlage weitergibt. Das Messmodul liefert in diesem Fall nicht die Messdaten selbst an die Fertigungsanlage, so dass diese erst dort im Rahmen einer Datenverarbeitung zur Generierung von Steuerbefehlen führen, sondern das Messmodul selbst weist bereits eine Einrichtung zur Datenverarbeitung auf (intelligentes Messmodul). Beispielsweise kann nur das Verlassen bestimmter Toleranzbereiche von dem Messmodul an die Fertigungsanlage gesendet werden, wie z. B. ein Diagnosemerkmal für „Versatz in X-Y-Ebene detektiert“. Die Steuerbefehle werden dann als Reaktion durch die Steuereinheit erzeugt, wie z. B. „korrigiere Versatz in X-Y-Ebene“.
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Weiterführend ist die Maßnahme, dass das Messmodul abhängig von den Messdaten sogar Steuerbefehle zur Beeinflussung des mindestens einen Prozessschrittes über die Schnittstelle an die Fertigungsanlage weitergibt. Hierbei kann das Messmodul hierarchisch in eine Steuerumgebung für die Fertigungsanlage eingebettet sein, so dass die Steuerbefehle direkt von der Fertigungsanlage umgesetzt werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass der Steuerbefehl über die Schnittstelle zunächst an die Steuervorrichtung der Fertigungsanlage weitergegeben wird, so dass die Summe der Steuerbefehle in der Steuervorrichtung zusammenläuft.
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Weiterhin kann erfindungsgemäß vorgesehen werden, dass in dem Messmodul auch Messdaten verarbeitet werden, die von einem Sensor außerhalb des Messmoduls stammen. Andere Sensoren können entweder andere Messmodule sein, die auf dem in dem Prozessschritt befindlichen Schaltungsträger oder von anderen ebenfalls in dem Prozessschritt befindlichen Schaltungsträgern montiert sind. Außerdem können auch fest in der Fertigungsanlage eingebaute Sensoren genutzt werden, wenn diese die Messdaten über die Schnittstelle an das Messmodul weitergeben können.
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Die Schnittstelle des Messmoduls muss erfindungsgemäß die Übertragung von Daten gewährleisten. Diese kann drahtlos oder auch drahtgebunden ausgeführt sein. Eine drahtlose Ausführung vereinfacht vorteilhaft die Handhabung des Messmoduls beispielsweise bei der Montage auf dem Schaltungsträger. Auch die Handhabung des mit dem Messmodul bestückten Schaltungsträgers wird dadurch vereinfacht. Eine drahtgebundene Schnittstelle weist vorteilhaft eine erhöhte Zuverlässigkeit bei der Übertragung der Messdaten auf.
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Die Kopplung des Messmoduls mit anderen Sensoren kann für verschiedene Zwecke vorteilhaft genutzt werden. Beispielsweise ermöglicht der Vergleich von Messdaten eine Kalibrierung der Sensoren (außerhalb und innerhalb des Messmoduls). Dabei kann Sensoren mit der höchsten Messgenauigkeit eine Priorität eingeräumt sein. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den durch das Messmodul am Ort des Schaltungsträgers erzeugten Messdaten eine Priorität einzuräumen, während ortsfeste Sensoren der Fertigungseinrichtung, die aufgrund des Abstands zum Schaltungsträger Messfehler generieren können, mit Hilfe der durch das Messmodul erzeugten Messdaten kalibriert werden. Über die Erfassung einer Datenhistorie ist es außerdem möglich, dass beispielsweise ein durch Alterung der Sensoren in der Fertigungsanlage hervorgerufenes Driften der Messwerte korrigiert werden kann.
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Vorteilhaft kann das Messmodul durch Kleben, Kletten, Stecken oder mit Magnetkräften an dem Schaltungsträger befestigt werden. All diese Verbindungen lassen sich vorteilhaft leicht wieder lösen und ermöglichen damit eine mehrfache Verwendung des Messmoduls.
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Vorteilhaft kann der mindestens eine zu untersuchende Prozessschritt durch ein Beloten des Schaltungsträgers, Bestücken des Schaltungsträgers, Benetzen des Schaltungsträgers mit einem Flussmittel oder dem Ausbilden von Lötverbindungen auf dem Schaltungsträger (durch Wellenlögen oder Reflow-Löten) bestehen. Diese Prozessschritte sind gewöhnlich für die Herstellung von elektronischen Schaltungen erforderlich. Das Messmodul kann nur einen der genannten Prozessschritte oder in Folge mehrere dieser Prozessschritte durchlaufen, wobei in dem Messmodul auch mehrere Sensoren untergebracht sein können, die auf die Anforderungen in verschiedenen Prozessschritten angepasst sind.
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Weiterhin wird die oben angegebene Aufgabe durch die erfindungsgemäße Baugruppe gelöst, wobei der Schaltungsträger, der die Baugruppe trägt, überdies mit einem Messmodul lösbar verbunden ist. Das Messmodul ist erfindungsgemäß hinsichtlich seiner Energieversorgung und seiner Messwertgenerierung unabhängig von der elektronischen Schaltung funktionsfähig. Mit dieser Baugruppe und dem darauf lösbar montierten Messmodul lässt sich das oben angegebene Verfahren erfindungsgemäß durchführen. Die im Zusammenhang mit den oben angegebenen Verfahren genannten Vorteile lassen sich dadurch erreichen.
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Als lösbare Verbindung im Sinne der Erfindung sind Verbindungen zu verstehen, deren Funktionalität ein mehrfaches Lösen und Erzeugen der Verbindung erlauben. Dabei dürfen weder der Schaltungsträger noch das Messmodul zerstört oder beschädigt werden, so dass der Schaltungsträger nach dem Lösen des Messmoduls seiner intendierten Funktion zugeführt werden kann. Das Messmodul soll erfindungsgemäß mehrfach verwendbar sein, d. h. es kann nach Durchführung des Prozessschrittes, in dem die Messwerte die generiert werden sollen, mit einem anderen Schaltungsträger lösbar verbunden werden, welcher den besagten Prozessschritt noch nicht durchlaufen hat.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Baugruppe ist vorgesehen, dass das Messmodul eine autarke Energiequelle aufweist. Dies hat den Vorteil, dass das Messmodul während der Durchführung der Messungen während des Prozessschrittes nicht mit einer externen Energieversorgung kontaktiert werden muss. Die autarke Energiequelle stellt während des Prozessschrittes die Funktion des Messmoduls sicher. Als autarke Energiequelle kann beispielsweise ein Energiespeicher wie eine elektrische Batterie verwendet werden. Diese kann mit einem Ladegerät versehen werden, welches eine drahtlose Aufladung des Messmoduls ermöglicht. Eine andere Möglichkeit besteht darin, einen Energiewandler vorzusehen, der beispielsweise thermische Energie des Prozessschrittes (z. B. beim Reflow-Löten) in elektrische Energie für das Messmodul umwandelt. Der Energiewandler kann auch als Ladegerät für einen Energiespeicher in dem Messmodul zum Einsatz kommen, so dass auch in Zeiten, in denen der Energiewandler nicht genug Energie produziert, über den Energiespeicher die zum Betrieb notwendige Energie im Messmodul zur Verfügung gestellt werden kann.
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Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen werden, dass auf dem Schaltungsträger ein elektronisches Speichermodul und/oder ein elektronisches Sendemodul und/oder ein elektronisches Empfangsmodul (dies schließt eine elektronisches Sende- und Empfangsmodul mit ein) vorgesehen ist, welches/welche mit dem Messmodul lösbar elektrisch kontaktiert ist/sind. Hierbei handelt es sich somit um Komponenten, die auf dem Schaltungsträger nach dessen Fertigstellung eine bestimmte Funktion erfüllen sollen. Diese können, sofern diese Funktion bereits während des Fertigungsschrittes abgerufen werden kann, durch das Messmodul verwendet werden, wenn das Messmodul mit diesen elektrisch kontaktiert wird. Selbstverständlich muss auch diese elektrische Kontaktierung lösbar ausgeführt sein, da das Messmodul nach Abschluss des Prozessmoduls von dem Schaltungsträger entfernt werden soll.
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Die angeführten einzelnen Module können auf dem Schaltungsträger jeweils als einzelne Bauelemente oder Baugruppen voneinander elektrisch getrennt ausgeführt sein. Alternativ können diese Funktionen aber auch in eine Baugruppe oder einem Bauelement integriert sein, welches als Ganzes mit dem Messmodul elektrisch kontaktiert wird. Mit einem Sendemodul ist eine unidirektionale Kommunikation mit der Fertigungsanlage gewährleistet. Dies ist Voraussetzung dafür, dass das Messmodul Messdaten, Messergebnisse oder Steuerbefehle an die Fertigungseinrichtung weitergeben kann. Wird ein Sende- und Empfangsmodul oder je ein Sendemodul und ein Empfangsmodul vorgesehen, so kann das Messmodul auch Daten von der Fertigungsanlage empfangen. Beispielsweise können von der Fertigungsanlage unterschiedliche Messfunktionen des Messmoduls abgerufen werden, wenn Anlass für eine bestimmte Messung zur Qualitätssicherung des ablaufenden Prozessschrittes besteht. Hierdurch kann die übermittelte Datenrate vorteilhaft verringert werden, da das Messmodul Messungen nur bei Bedarf durchführen muss.
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In einem Speichermodul können Messwerte abgespeichert werden. Diese Messwerte können entweder durch das Messmodul selbst oder durch die Fertigungseinrichtung ausgewertet werden. Es lässt sich über eine Messdatenhistorie beispielsweise ermitteln, ob driftende Prozessparameter vorliegen, die im Zweifelsfalle korrigiert werden müssen. Auch ist es möglich, die Messdaten zur Kalibrierung der Sensoren in dem Messmodul oder von externen Sensoren aus der Fertigungsanlage (wie bereits beschrieben) zu verwenden.
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Wenn die weiteren Module (Speichermodul und/oder Sendemodul und/oder Empfangsmodul) nicht auf dem Schaltungsträger vorgesehen sind, können diese selbstverständlich auch in dem Messmodul integriert sein. Diese werden dann gemeinsam mit den Sensoren nach erfolgtem Prozessschritt wieder von dem Schaltungsträger entfernt. Vorteilhaft sind alle diese Komponenten des Messmoduls in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht.
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Zuletzt wird die Aufgabe auch durch die eingangs angegebene Fertigungsanlage gelöst, wobei die Fertigungsanlage ein Messmodul mit mindestens einem Sensor aufweist, welches in der Fertigungsanlage beweglich ist. Diese Beweglichkeit gewährleistet, dass das Messmodul auf den herzustellenden Schaltungsträgern lösbar fixiert werden kann und während eines durchzuführenden Prozessschrittes der Fertigungsanlage fest mit dem Schaltungsträger verbunden bleiben kann. Anschließend ermöglicht die lösbare Fixierung ein Entfernen des Messmoduls und die Montage auf einem anderen herzustellenden Schaltungsträger.
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Außerdem weist die Fertigungsanlage erfindungsgemäß eine Datenschnittstelle auf, über die eine Datenverbindung mit dem Messmodul aufbaubar ist. Hierdurch ist es möglich, während der Durchführung des besagten Prozessschrittes eine Datenverbindung mit dem Messmodul herzustellen, so dass die Fertigungsanlage diese Daten zum Zwecke der Prozesssteuerung auswerten kann. Die hiermit verbundenen Vorteile sind im Zusammenhang mit dem oben angegebenen erfindungsgemäßen Verfahren bereits beschrieben worden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Fertigungsanlage ist vorgesehen, dass ein in der Fertigungsanlage montierter Sensor vorhanden ist, der über die Datenschnittstelle mit dem Messmodul kommunizieren kann. Hierdurch kann auch eine Datenverbindung zwischen dem fest montierten Sensor und dem Messmodul aufgebaut werden, wobei die Kommunikation der unterschiedlichen Messeinrichtungen (d. h. Messmodul, fest monierte Sensoren) in der bereits zur Baugruppe beschriebenen Weise zur Kalibrierung der Messeinrichtungen und zur Korrektur von Messdaten herangezogen werden kann.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:
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1 bis 4 verschiedene Prozessschritte der Herstellung einer elektronischen Baugruppe als Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch als Seitenansicht, wobei ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Fertigungsanlage zum Einsatz kommt und ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Baugruppe hergestellt wird,
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5 ein Ausschnitt eines anderen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Baugruppe schematisch und teilweise geschnitten und
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6 das Detail VI gemäß 5 als Schnitt.
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In 1 ist schematisch ein Bestückautomat 11 als Kasten dargestellt. In diesem Bestückautomaten gibt es ein Transportsystem 12 (z. B. ein Stiftkettenfördersystem) für eine Leiterplatte als Schaltungsträger 13. Dieser Schaltungsträger 13 kann schon vor dem Einbringen in den Bestückautomaten 11 mit einem Messmodul 14 versehen worden sein. Alternativ ist es auch möglich, dass ein Greifarm 15 das Messmodul 14 vorzugsweise im Rahmen einer ersten Montagehandlung auf dem Schaltungsträger 13 positioniert. Zu diesem Zweck weist der Schaltungsträger zwei Löcher 16 auf, wobei das Messmodul zwei Stifte 17 besitzt, die eine genaue Positionierung des Messmoduls 14 auf dem Schaltungsträger 13 gewährleisten. Die Löcher 16 können durch eine Hülse oder Beschichtung 18 ergänzt werden. Hierdurch lässt sich einerseits die Passgenauigkeit der Stifte 17 erhöhen.
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Außerdem können die Buchsen oder die Beschichtung 18 je nach Funktion der Stifte aus einem elektrisch isolierenden oder elektrisch leitenden Material hergestellt werden. Ein elektrisch isolierendes Material bietet sich an, wenn die Stifte 17 nicht in elektrischen Kontakt mit Bereichen des Schaltungsreglers 13 kommen sollen. Die Herstellung der Beschichtung 18 (oder der Buchsen) kann aber auch elektrisch leitend ausgeführt sein, wenn die Stifte 17 elektrisch mit Komponenten auf dem Schaltungsträger 13 verbunden werden sollen. Insbesondere kann auch eine elektrische Verbindung zu in 1 nicht dargestellten elektrischen Leitpfaden im Inneren des Schaltungsträgers hergestellt werden.
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In dem Bestückautomat 11 erfolgt die Bestückung des Schaltungsträgers 13 mit Bauelementen 19, die von dem Greifarm 15 auf eine Montageseite 20 des Schaltungsträgers 13 aufgesetzt werden. Das linke der beiden Bauelemente 19 kann beispielsweise ein Widerstand sein, welcher mit Kontaktdrähten 21 in nicht näher dargestellter Weise durch vorbereitete Öffnungen (nicht näher dargestellt) im Schaltungsträger hindurchgesteckt wird. Das rechte der Bauelemente 19 weist nicht näher dargestellte Kontakte auf seiner der Montageseite 20 zugewandten Unterseite auf, wobei auf der Montageseite 20 des Schaltungsträgers 13 geeignete Kontaktflächen (ebenfalls nicht dargestellt) vorgesehen sind, die mit den Kontakten des Bauelements 19 kontaktiert werden.
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Bei dem Transportsystem 12 kann es sich beispielsweise um ein Stiftketten-Fördersystem handeln, mit dem der Schaltungsträger 13 durch den Bestückautomaten 11 transportiert wird. Um die Position des Schaltungsträgers 13 bestimmen zu können, kann das Messmodul 14 mit einem Sender (nicht näher dargestellt) ausgestattet sein, welcher eine Ortung des Schaltungsträgers 13 und somit eine Bestimmung von dessen Position ermöglicht. Zur Ortung ist in dem Bestückautomaten 11 eine geeignete Empfangseinrichtung als Sensor 22 ortsfest untergebracht, wobei die Verbindung zwischen dem Sensor 22 und dem Messmodul 14 mit einem gestrichelten Pfeil dargestellt ist.
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In den 2 bis 4 sind verschiedene Stationen in einer Lötanlage 23 dargestellt, die wieder schematisch als Kasten angedeutet ist. Auch in der Lötanlage 23 kommt ein Transportsystem 12 zum Einsatz, auf dem der Schaltungsträger 13 gelagert ist. Ein Sensor 22 zur Bestimmung der Position des Schaltungsträgers 13 entsprechend 1 kann auch in der Lötanlage 23 vorgesehen sein, ist aber nicht näher dargestellt. Gemäß 2 bis 4 weist die Lötanlage 23 eine Schnittstelle 24 in Form einer Antenne auf, die mit einem Rechner 25 verbunden ist. Über diese Schnittstelle 24 können Messsignale, Messergebnisse aufgrund der Auswertung von Messsignalen in dem Messmodul 14 oder aus letzteren abgeleitete Steuerbefehle von dem Messmodul 14 drahtlos an den Rechner 25 übergeben werden, der Rechner 25 kann nicht dargestellter Weise beispielsweise eine Datenbank für die Messergebnisse, Steuerbefehle oder Messdaten aufweisen. Diese Datenbank kann zusätzlich mit Referenzwerten befüllt sein, so dass der Rechner mit den gespeicherten Daten und Referenzwerten Verfahrensparameter für den Betrieb der Lötanlage oder eine Modifikation des Herstellungsverfahrens des Schaltungsträgers berechnen kann.
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Mit dem Rechner, der in nicht näher dargestellter Weise auch eine Steuerung der Lötanlage enthält, kann beispielsweise eine automatisierte Parametrierung (Durchlaufzeit des Schaltungsträgers 13 durch die Lötanlage, Temperaturführung der Lötanlage, Positionierung von Anlagenkomponenten gegenüber dem Schaltungsträger 13 usw.) eine Rüstung oder eine Programmierung der Anlage (anstelle eines Teachens beziehungsweise einer iterativen Programmerstellung an der Anlage selbst) durchgeführt werden. Durch kurze Regelschleifen im Produktionsprozess kann außerdem eine Qualitätssicherung durchgeführt werden. Die Folge ist eine Verringerung des Ausschusses an herzustellenden Produkten (Schaltungsträgern), da in den ablaufenden Fertigungsprozess zu einem vergleichsweise frühen Zeitpunkt eingegriffen werden kann. Dabei können detaillierte Prozessdetails während der gesamten Prozesskette zur Herstellung des Schaltungsträgers produkt- bzw. werkstückspezifisch ermittelt und gespeichert werden.
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Ein weiterer Vorteil ist eine Verringerung des Wartungsaufwandes der Anlage zum Beispiel durch Entfall einer Programmerstellung vor Ort. Auch die Wartungsintervalle sowie manuell nachgeführte Prozesskorrekturen werden reduziert, da auftretende Fehler schneller detektiert werden können und die notwendigen Maßnahmen darauf aufbauend eingeleitet werden können. Auch lassen sich Energieeinsparungen beim Betrieb der überwachten Anlage erreichen, da beispielsweise Heizungen rechtzeitig ausgeschaltet werden können, wenn beispielsweise der Temperaturverlauf beim Löten vorhergesagt werden kann oder zumindest engmaschig überwacht wird. Dabei können gleichzeitig die Prozessfenster für den Herstellungsvorgang enger gewählt werden, da mit zunehmender Stückzahl mehr Erfahrungswissen bzgl. der hergestellten Produkte entsteht.
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In 2 ist der gerade zu überwachende Fertigungsschritt in der Lötanlage durch einen Flussmittelauftrag gegeben. Zu diesem Zweck ist ein sogenannter Fluxer 26 in der Lötanlage 23 vorgesehen, der eine Flussmittelvorrat 27 enthält, in den beispielsweise die Kontaktdrähte 21 eingetaucht werden können. Zur Bestimmung einer Referenzposition des Fluxers 26 gegenüber dem Schaltungsträger 13 hat der Fluxer 26 weiterhin eine Kontaktgabel 28, mit der der Fluxer 26 an die Stifte 17 des Messmoduls 14 angenähert und kontaktiert werden kann. Die Stifte 17 sind gemäß diesem Ausführungsbeispiel elektrisch leitend ausgeführt, so dass die Kontaktierung mittels der Kontaktbrücke 28 einen elektrischen Stromkreis schließt, der in dem Messmodul 14 registriert werden kann. Das Messmodul 14 kann dann das Signal „Referenzposition des Fluxers stimmt“ über die Schnittstelle 24 an den Rechner 25 senden (zu diesem Zweck hat das Messmodul 14 ebenfalls ein nicht näher dargestelltes Sendemodul zur Übertragung dieses und anderer Messergebnisse).
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Gemäß 3 ist ein Prozessschritt in der Lötanlage dargestellt, in dem der Innenraum 29 der Lötanlage mittels einer Heizeinrichtung 30 temperiert wird. Die Temperatur kann einerseits in an sich bekannter Weise durch einen Temperatursensor 31, der ortsfest in der Lötanlage 23 eingebaut ist, überwacht werden. Um jedoch die vorliegenden Temperaturen an dem Schaltungsträger 13 genau ermitteln zu können, ist in das Messmodul 14 ein nicht näher dargestellter Temperatursensor integriert, der die Bestimmung der Temperatur in unmittelbarer Nähe zum Schaltungsträger 13 ermöglicht. Dies ermöglicht die Regelung der Heizleistung der Heizeinrichtung 30 allein abhängig vom zu erzielenden Ergebnis einer Erwärmung des Schaltungsträgers 13. Hierdurch lässt sich vorteilhaft eine größere Prozesssicherheit bei gleichzeitig optimal reduziertem Energieverbrauch für die Heizeinrichtung 30 erzielen.
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Die Heizeinrichtung kann beispielsweise dazu verwendet werden, die Temperatur im Innenraum 29 soweit zu steigern, dass ein Reflowlöten beispielsweise des Bauelementes 19 in SMT-Technologie gelingt. Alternativ oder zusätzlich kann die Erwärmung des Schaltungsträgers 13 lediglich einer Temperierung des Schaltungsträgers als Substrat für Bauelemente dienen. In einem nachfolgenden Schritt kann dann, wie in 4 dargestellt, eine Wellenlöteinrichtung 32 zum Ausbilden lokaler Lötverbindungen genutzt werden.
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Die Wellenlötvorrichtung 32 erzeugt eine sogenannte Miniwelle 33 aus geschmolzenem Lotwerkstoff. Um die Geometrie der Miniwelle 33 zuverlässig überprüfen zu können (Hauptaspekt liegt in der richtigen Höhe der Miniwelle 33), kann die Wellenlötvorrichtung 32 von unten an einen Stift 17 der Messvorrichtung 14 herangeführt werden, wie in 4 dargestellt ist. Sobald die Miniwelle 33 den entsprechenden Kontaktstift 17 berührt, steigt in diesen die Temperatur schnell an. Dieses kann dadurch detektiert werden, dass der Stift 17 die Wärme zu einem Temperatursensor des Messmoduls 14 leitet. Der Stift 17 sollte mit Lotwerkstoff schwer benetzbar sein, damit gewährleistet ist, dass der Stift 17 nicht mit Lotwerkstoff benetzt wird, da das Messmodul an dem Schaltungsträger 13 nicht angelötet werden soll.
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Die genaue Position der Wellenlötvorrichtung 32 kann beispielsweise über einen Lage- oder Beschleunigungssensor 34 genau bestimmt werden, wobei dieser Beschleunigungssensor 34 ebenfalls über die Schnittstelle 24 mit dem Rechner 25 kommunizieren kann. Mithilfe der Kenntnis der Geometrie der Miniwelle und er genauen Position der Wellenlötvorrichtung 32 ist es nun möglich, beispielsweise die beiden Kontaktdrähte 21 des Bauelementes 19 von der Unterseite des Schaltungsträgers 13 her zu verlöten.
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Nach Fertigstellung der elektronischen Baugruppe auf dem Schaltungsträger 13 kann das Messmodul 14 entfernt werden, da die Verbindung zum Schaltungsträger 13 lösbar ist (durch Stecken ausgebildete Verbindung). Angedeutet ist ein weiteres elektronisches Modul 35, welches anstelle dessen auf dem Steckplatz untergebracht werden kann. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein Modul handeln, mit dem die Transport- und Betriebsbedingungen (Temperatur, Feuchtigkeitsgehalt usw.) überwacht werden. Sollte beispielsweise während des Transportes ein Zustand entstehen, der für den Schaltungsträger 13 schädlich ist, so kann hierdurch über eine intelligente Steuerung eine Gegenmaßnahme getroffen werden (beispielsweise Temperierung des Transportraums) oder es wird ein Wert in dem anderen Modul 35 abgespeichert, dass die Eignung des Schaltungsträgers wegen Überschreitung der zulässigen Transportbedingungen noch einmal überprüft werden muss.
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In 5 ist ein Ausschnitt der erfindungsgemäßen Baugruppe mit dem Messmodul 14 dargestellt. Als Schaltungsträger 13 kommt eine Leiterplatte zum Einsatz. Mit den Stiften 17 ist das Messmodul durch die Löcher 16 in den Schaltungsträger 13 eingesteckt. Die Fixierung des Messmoduls 14 erfolgt in einer Steckaufnahme 36, in der eine lösbare, formschlüssige Verbindung 37 hergestellt werden kann. Außerdem ist auf der Leiterplatte als elektronische Komponente 38 eine gedruckte Antenne vorgesehen, die über ein Kontaktpad 39 des Messmoduls 14 kontaktiert ist. Daher kann die Antenne durch ein elektronisches Sende- und Empfangsmodul 40, 41 genutzt werden, welches wie in 5 angedeutet, mit dem Kontaktpad 39 elektrisch verbunden ist.
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Das Sende- und Empfangsmodul 40, 41 (das Sende- und Empfangsmodul kann auch in nicht dargestellter Weise aus einem einzelnen Sendemodul und einem Empfangsmodul bestehen) ist weiterhin mit einem zentralen Steuermodul 42 verbunden. Dieses Steuermodul 42 steuert die Prozessabläufe in dem Messmodul 14. Zu diesem Zweck wird es über eine Energiequelle 43 in Form einer aufladbaren Batterie mit Energie versorgt (angedeutet durch eine zweiaderige Leitung). An die Energiequelle 43 ist außerdem ein Energiewandler 44 angeschlossen, mit dem die Energiequelle 43 aufgeladen werden kann (angedeutet durch eine zweiaderige Leitung). Hierbei kann beispielsweise mechanische Energie in elektrische Energie oder auch thermische Energie in elektrische Energie umgewandelt werden. Damit wird mit der Energiequelle 43 und dem Energiewandler 44 eine autarke Energiequelle verwirklicht, so dass das Messmodul ortsunabhängig ohne externe Energiequelle verwendet werden kann. Der Energiewandler 44 wird auch über das Steuermodul 42 angesteuert.
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Weiterhin ist in dem Messmodul ein Speichermodul 45 vorgesehen (und mit dem Steuermodul verbunden), in dem Messdaten oder auch Steuerdaten abgelegt werden können. Diese können über die Komponente 38 (Antenne) bereits während des Prozesses ausgelesen werden. Alternativ besteht die Möglichkeit, diese Daten nach Ablösen des Messmoduls 14 von dem Schaltungsträger 13 auszulesen. Hierbei können beispielsweise die Stifte 17 in einer geeigneten Steckvorrichtung Verwendung finden. Alternativ kann hierfür auch eine andere in die Messvorrichtung integrierte Schnittstelle vorgesehen werden (in 5 nicht dargestellt).
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Während des Prozessschrittes erfolgt die Messung von Prozessgrößen mithilfe der Stifte 17. Diese können beispielsweise in der zu den 2 und 4 beschriebenen Weise Verwendung finden. Einerseits können die Stifte zur Schaffung einer elektrischen Kontaktierung die Elektroden bilden, wobei diese zum Zweck der Übermittlung der Messgrößen mit dem Steuermodul 42 verbunden sind. Der rechte der beiden Stifte 17 ist zudem als Temperatursensor ausgebildet, wie sich dies dem Detail VI gemäß 6 entnehmen lässt. Hier ist zu sehen, dass der Stift selbst aus einem elektrisch nicht leitenden Kern 46 besteht, der eine metallische Schicht 47 aufweist. Diese Schicht 47 ermöglicht beispielsweise eine Kontaktierung gemäß 2. Im Inneren des Kerns 46 ist ein Thermoelement 48 untergebracht, welches eine Temperaturmessung gemäß 4 ermöglicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013211834 A1 [0004]
