0201-Montage, von schwieriger bis konventioneller Platzierung
In diesem Artikel werden die Leitprinzipien für die 0201-Platzierung bei Großserien- und High-Mix-Montagevorgängen erläutert und erörtert.
Von Ming Gan, ming@smthelp.com
Obwohl allgemein als eine relativ junge Entwicklung angesehen, sind Leiterplatten (PCBs) seit den frühen 1950er Jahren erhältlich. Seitdem hat die Nachfrage nach kleineren, leichteren und schnelleren elektronischen Produkten die Technologie für elektronische Komponenten, Leiterplatten und Montagegeräte in Richtung SMT getrieben.
Die früheste allgemeine Akzeptanz von SMT erfolgte in den frühen 1980er Jahren, als Maschinen wie der Dynapert MPS-500 und der FUJI CP-2 auf den Markt kamen. Zu dieser Zeit waren 1206 (3216) Widerstände und Kondensatoren die beliebtesten Bestückungskomponenten. Allerdings wich 1206 innerhalb von ein oder zwei Jahren dem 0805 (2125) als dem am häufigsten verwendeten Komponentenpaket für die SMT-Bestückung.
Das Aufkommen der 0402 (1608)-Verpackung bringt weitere Herausforderungen in allen Aspekten der Leiterplattenbestückung mit sich. Im Hinblick auf die Maschinenentwicklung sind Vakuumdüsen kleiner und anfälliger geworden. Ein neuer Schwerpunkt liegt auf der Bauteilzuführung, die als Verbesserungseinheit fungiert und der Maschine präzisere Teile liefert.
Mit der Einführung von 0402-Komponenten haben sich die Prozessherausforderungen auf solche erhöht, die für eine erfolgreiche Komponentenplatzierung bewältigt werden müssen. Der Lotpastendruck wird noch wichtiger – Schablonendicke und Lotpastennetz sind immer wichtigere Prozessaspekte. Auch die für eine solche Platzierung erforderliche Technologie ist mit erheblichen Neukosten verbunden.
Durch die Kombination dieser Faktoren entsteht eine neue Verpackungsform, die sich in der Geschichte der Elektronikindustrie am langsamsten durchsetzt. Insgesamt war die 0402-Verpackung fast fünf Jahre lang in der Branche weit verbreitet – und viele Montagebetriebe haben heute nie ein 0402-Blatt eingesetzt.
In den letzten anderthalb Jahren war die 0201-Platzierung ein zentrales Diskussionsthema in der gesamten Branche. Aufgrund der Anforderungen an Größe, Gewicht und Stromverbrauch müssen viele OEM-Platinenbestücker noch kleinere Komponenten und Technologien in ihre Produkte integrieren. Auch Auftragsfertiger (CM, Contract Manufacturing) müssen über neue Technologien verfügen, um den Montageprozess auf dem neuesten Stand zu halten und den Kunden ein vollständiges Leistungsspektrum bieten zu können. Für Maschinenbauer besteht die Herausforderung darin, im Zeitalter des dynamischen technologischen Wandels widerstandsfähigere Montagegeräte zu entwickeln.
0201-Platzierungsherausforderung
Die Platzierung der 0201-Komponente ist anspruchsvoller als der Komponenteneingriff davor. Der Hauptgrund liegt darin, dass das 0201-Gehäuse etwa ein Drittel der entsprechenden 0402-Größe ausmacht.
Obwohl diese Hindernisse sehr groß sind, sind sie keineswegs unüberwindbar. Natürlich brauchen sie die ganze Entschlossenheit, denn die für die 0201-Platzierung notwendige Technologie erfordert viel Geld und das Versprechen des Top-Managements an Forschung und Entwicklung (F&E).
Der Schlüssel zur zuverlässigen 0201-Platzierung
Bei FUJI hat das aggressive Forschungs- und Entwicklungsprogramm die Möglichkeit geschaffen, alle Schaltungsmontagemaschinen mit 0201 bei 100 % Geschwindigkeit kompatibel zu machen, mit einer minimalen Saugzuverlässigkeit von 99,90 %, einer angestrebten Saugzuverlässigkeit von 99,95 % und minimal Platzierungssicherheit. Es beträgt 99,99 %. Zu Beginn wurde jeder Aspekt des Entwurfs auf seine Eignung für die Arbeit an einem vollständigen 0201-Programm bewertet, und die Kombination einzelner Elemente eng verwandter Maschinenkomponentenparameter erwies sich als entscheidend für den Erfolg. Zu diesen Parametern gehören:
Abbildung 1 Komponentenzuführungstisch. Das Forschungs- und Entwicklungsprogramm kam zu dem Schluss, dass die Fähigkeit, den Schlittentisch präzise zu positionieren – und minimale Anpassungen vorzunehmen, um die Ungenauigkeit des Bandes auszugleichen – ein Schlüsselfaktor für die Erzielung einer Komponentenaufnahmezuverlässigkeit von über 99,95 % ist.
Um dies zu erreichen, muss der Zuführungstisch präzise bearbeitet sein, um eine wiederholbare Positionierung der einzelnen Zuführungen zu gewährleisten, und mit einem hochauflösenden Servosystem mit halbgeschlossenem Zyklus und einer zweispurigen linearen Bewegungsführung kombiniert werden. Dieses Design ermöglicht geringfügige Anpassungen – basierend auf den Ergebnissen der vom Bildverarbeitungssystem beurteilten Sauggenauigkeit. Dadurch wird sichergestellt, dass das Bauteil möglichst nah an der Mitte liegt.
Komponentenzuführung. Der Feeder muss mit äußerst engen Toleranzen gefertigt werden, um die Wiederholbarkeit der Saugposition unabhängig von der Bauteilhöhe und einer Vielzahl möglicher Bauteilpositionen zu gewährleisten. Der zum Positionieren und Arretieren des Feeders verwendete Mechanismus muss langlebig und präzise und dennoch benutzerfreundlich sein. Darüber hinaus müssen die zur Herstellung des Zuführers verwendeten Materialien eine hohe Festigkeit und ein geringes Gewicht aufweisen, um eine ergonomische Bedienung zu ermöglichen und gleichzeitig eine präzise, wiederholbare Zuführung des Trägerbandes zu gewährleisten.
Der Feeder treibt das Kettenrad an. Das Antriebsritzel spielt eine Schlüsselrolle für die Fähigkeit der Maschine, das Bauteilband zu positionieren. Die Form, Konizität und Länge der Zähne des Antriebskettenrades beeinflussen maßgeblich die Fähigkeit des Zuführers, das Band zu positionieren. Es wurden auch andere Faktoren untersucht, beispielsweise der Durchmesser des Antriebsritzels und die Anzahl der Riemen, die mit dem Ritzel in Kontakt stehen. Änderungen am grundlegenden Kettenraddesign führten zu einer verbesserten Positionierungsgenauigkeit, wobei frühere Designs in X-Richtung um 20 % und in Y-Richtung um 50 % zunahmen.
Abbildung 2 nervt den Kopf. Nach der ordnungsgemäßen Zuführung des Bauteils besteht der nächste Schritt darin, das Bauteil auf die Vakuumdüse zu ziehen und auf die Platine zu bringen. Vakuumdüsen sind konform, um Stöße beim Pick-and-Place von Bauteilen zu absorbieren, kleine Schwankungen in der Höhe der Lotpaste auszugleichen und das Risiko eines Bauteilbruchs zu verringern. Aus diesen Gründen muss sich die Düse innerhalb ihrer Halterung bewegen können.
Um einen zuverlässigen Saugkopf zu konstruieren, müssen Materialauswahl, Materialhärte, Bearbeitungstoleranzen und thermische Eigenschaften verstanden werden. Die Düse muss sich in ihrer Halterung frei bewegen können, ohne dass die Genauigkeit darunter leidet (Abbildung 1).
Der Düsenschaft ist montiert. Der Düsenschaft ist ebenfalls ein wichtiges Designelement – er vermeidet Überdrehungen, indem er die gesamte Düse in direkter Ausrichtung mit der Schaftbaugruppe hält. Überdruck entsteht durch die Trägheit, die entsteht, wenn der Kopf auf und ab bewegt wird. Stehen Düse und Schaft nicht in einer geraden Linie, entsteht ein kleiner Peitschen- oder Überdruck. Überdruck führt zu einer Änderung der Positioniergenauigkeit, die durch die Bewegungsgeschwindigkeit, das Gewicht der Düse und das Gewicht des Bauteils bestimmt wird. Durch die Eliminierung von Überdruck reduziert die direkte Ausrichtung die Anzahl der negativen Faktoren, die mit der Pick-and-Place-Platzierung von Komponenten verbunden sind (Abbildung 2).
Abbildung 3 Düsendesign. Variationen im Design der Düse sind ein wichtiger Faktor für den Empfang der 0201-Komponente. Um ein 0,6×0,3 mm großes Bauteil zu ziehen, darf die Düse einen Außendurchmesser von maximal 0,40 mm haben. Dadurch entsteht ein langer, dünner Düsenschaft, der zerbrechlich ist, aber auch Präzision aufrechterhalten muss, um eine hohe Saugzuverlässigkeit aufrechtzuerhalten. Änderungen von der linearen Achse zur konischen Konstruktion erhöhen die Düsenfestigkeit und sorgen dafür, dass die Düse einer Biegung standhält (Abbildung 3).
Matrix Struktur. Alle Maschinen erzeugen im Betrieb Vibrationen. Das Grundrahmendesign ist ein wichtiger erster Schritt zur Reduzierung der Geschwindigkeits- und Bewegungseffekte von Vibrationen und harmonischen Resonanzen. Durch den Einsatz eines gusseisernen Grundrahmens und modernster Konstruktionstechnik können Vibrationen und harmonische Resonanzen innerhalb der Maschine auf ein kontrollierbares Maß reduziert werden, so dass negativen Auswirkungen entgegengewirkt werden kann.
Bis zum Standard
Durch alle sechs Schlüsselfaktoren wurden die Hindernisse für eine zuverlässige 0201-Platzierung beseitigt. Infolgedessen hat sich der Schwerpunkt der Forschung und Entwicklung auf neuere, kleinere Komponenten verlagert, und 0201 gilt nicht mehr als eine führende Komponentenverpackungstechnologie.
Für die 0201-Komponentenplatzierung beträgt das akzeptierte Prozessfenster etwa 75 μm X und 75 μm Y bei 3. Um eine Platzierungssicherheit von 6 ° zu erreichen, müssen die X- und Y-Toleranzen auf 50 μm reduziert werden. Die neuesten Hochgeschwindigkeits-Bestückungsgeräte haben eine Bewertung von 66 μm mit einer tatsächlichen Standardabweichung von etwa 35–45 μm. Da die 0201-Komponente immer häufiger verwendet wird und der Herstellungsprozess immer strenger wird, kann eine verbesserte Genauigkeit erreicht werden.
Der Unterschied in der Komponentengröße zwischen den Lieferanten stellt eine Herausforderung für die Zuführung und Platzierung von 0201 dar. Die Massenfütterung wird eröffnet und soll 2001 verfügbar sein.
Obwohl das Gerät jetzt über diese Funktion verfügt, wird in den nächsten 12 bis 24 Monaten nur ein kleiner Prozentsatz der Benutzer bereit sein, die 0201-Platzierung in Anspruch zu nehmen. Dies ähnelt der Einführung eines Ball Grid Array (BGA) und 0402-Komponenten, bei denen die Fähigkeiten der Maschine dem Prozesszustand voraus sind.
Vor uns liegende Herausforderung
Während die Bestückung von 0201-Komponenten mittlerweile zum Standardmerkmal neuer Bestückungsgeräte gehört, sind zusätzliche Arbeiten erforderlich, um den Gesamtprozess für den Endbenutzer zu verbessern. Die Beziehungen zwischen Maschinenbauern, Komponentenlieferanten, Platinenherstellern, Schalungsfabriken und Lotpastenherstellern müssen gestärkt werden, um einen reibungsloseren Entwicklungsprozess zu schaffen. Das Endergebnis wird ein einheitliches Verständnis des Prozesses und eine bessere Arbeitsbeziehung sein, von der die Endbenutzer profitieren, insbesondere indem neue Produktionstechnologien schneller und effizienter werden.
Von Ming Gan, ming@smthelp.com