Automatisierte Bestückung Rückenwind für Leiterplattensteckverbinder

Die Automatisierung der Bestückung von Bauelementen auf Leiterplatten macht auch vor Steckverbindern nicht Halt. Doch dabei gilt es ein paar Dinge zu beachten.

Das Thema automatisierte Bestückung bekam in den vergangenen Jahren immer mehr Wind in die Segel. Äquivalent zu Segelbooten, nahm damit auch die Geschwindigkeit der Entwicklung von Bestückungssystemen in der Elektronikindustrie zu. Dabei werden neben aktiven Bauelementen wie beispielsweise Integrierten Schaltkreisen (IC) auch passive Bauelemente wie Widerstände und Kondensatoren automatisch auf Leiterplatten bestückt. Besonders bei elektromechanischen Bauelementen wie Steckverbindern ist ein Ende des Automatisierungsprozesses nicht in Sicht. Dabei werden neben den jahrelang verwendeten Stangenmagazinen in den vergangenen zehn Jahren mehr und mehr tiefgezogene Blistergurte verwendet, aufgerollt auf einer 13 Zoll großen Spule. Diese Art der Verpackung wird in Fachkreisen Tape & Reel genannt (Bild 1). Damit werden beide Elemente der Verpackungsform für die automatisierte Bestückung von elektronischen Bauelementen im Englischen zusammengefasst.

Prozess der automatisierten Bestückung

Leiterplattensteckverbinder und andere elektronische Bauelemente werden jeweils über das gleiche Prinzip bestückt. Dabei spielt es keine erhebliche Rolle, ob die Bauteile in einem Stangenmagazin oder einem Blistergurt verpackt sind. Sowohl die Stangenmagazine als auch Blistergurte werden einem sogenannten automatischen »Fördersystem« (Feeder) zugeführt. Die Übersetzung »Futterspender« lässt schon erahnen, wie die Anlage aufgebaut ist. Der Feeder fördert die einzelnen Steckverbinder oder andere elektronische Bauelemente über ein Fördersystem hin zu einem Bestückungsroboter.

Bei Stangenmagazinen (Bild 2) wird häufig ein Revolvermagazin verwendet, damit der Leiterplattenbestücker den Feeder nicht so häufig befüllen muss. Die maximale Bauteilmenge im Stangenmagazin beläuft sich auf circa 50 Stück. Im Vergleich dazu wird bei Tape & Reel kein zusätzliches Magazin benötigt, da auf einer Spule je nach Bauteilgeometrie bis zu 2400 Steckverbinder verpackt werden können. Hierbei wird der Blistergurt immer um eine Kavität nach vorne gefördert, die verschweißte Folie abgestreift und das Bauteil aus dem Blistergurt entnommen.

Die elektromechanischen Bauelemente werden für eine bessere Handhabung des Bestückungsroboters mit einer Kaptonscheibe oder einer Bestückungshilfe versehen. Sie dienen der Oberflächenvergrößerung, da viele Bestückungsroboter, neben einem Greifer, über eine Venturidüse verfügen. Die Steckverbinder werden vorzugsweise mit der Venturidüse angesaugt und auf die vorgesehene Stelle auf der Leiterplatte platziert. Dazu wird in der Venturidüse ein Unterdruck erzeugt, der das Ansaugen des Steckverbinders ermöglicht. Der Unterdruck wird solange aufrechterhalten, bis der Steckverbinder auf der Leiterkarte platziert wurde.

Wenn ein Greifer im Bestückautomaten installiert ist, nimmt der Roboterarm mit dem Greifer den Steckverbinder auf und platziert ihn ebenso auf der Leiterplatte. Nachdem alle aktiven und passiven Bauelemente auf der Leiterkarte bestückt wurden, werden die Bauelemente auf der Leiterkarte verlötet. Dabei wird bei THT-Bauelementen (Through Hole Technology) das Wellenlöten angewendet, um die Bauteile zu kontaktieren. Bei diesem Verfahren fährt die mit THT-Bauteilen bestückte Leiterplatte über eine Lötwelle, wobei die Kontaktstifte der Bauteile an der Unterseite der Leiterplatte durch Lot mit den Pads verbunden werden.

Bei oberflächenmontierten Bauelementen (SMD – Surface Mounted Device) werden die Bauelemente auf der Oberseite der Leiterplatte in aufgedruckte Lotpastendepots aufgelegt. Nach der Bestückung wird die Baugruppe durch einen Reflow-Ofen gefahren. In diesem Reflow-Ofen wird die Temperatur in mehreren Zonen definiert erhöht, bis eine Löttemperatur von ca. 260 °C erreicht wurde. Bei 260 °C ist das Lot vollständig aufgeschmolzen und benetzt somit die Kontakte der elektronischen Bauelemente. Anschließend wird die Temperatur in den nachfolgenden Zonen langsam runtergeregelt, sodass es nicht zum Aufplatzen der Benetzungsschicht kommt.

Stangenmagazine starten eine neue Ära

Das Stangenmagazin war die erste Verpackungsform, die sowohl robust für den Transport von elektronischen Bauelementen, als auch für die automatisierte Bestückung geeignet war. Viele elektronische Bauteile wurden in den Anfängen zu Tausenden und Millionen von Teilen in einem Karton transportiert. Dabei gab es ein hohes Risiko von verbogenen Kontaktstiften. Gerade bei filigranen Bauteilen gab es immer wieder Probleme mit verbogenen oder abgebrochenen Einlötkontakten.

Durch die Entwicklung von Stangenmagazinen wurde dieser Problematik entgegengesteuert. Die elektronischen Bauteile werden in den Stangenmagazinen hintereinander aufgereiht. Damit wird das Risiko eines Verhakens oder Abbrechens der Stiftkontakte minimiert. Bevor die elektronischen Bauteile in das Stangenmagazin eingelegt werden, erfolgt insbesondere bei Leiterplattensteckverbindern eine Kombination mit einer sogenannten Bestückungshilfe. Diese Bestückungshilfe ist ein Kunststoffkörper, der eigens auf die Geometrie der Stift- und Buchsenkontakte des Steckverbinders angepasst ist. Die Oberseite der Bestückungshilfe hat eine im Vergleich zu den Steckkontakten große und glatte Fläche, die der besseren Verarbeitung der Steckverbinder bei der Bestückung auf der Leiterplatte dient.

Stangenmagazine (Bild 3) können nicht universell für jeden Leiterkartensteckverbinder eingesetzt werden, sondern müssen jeweils auf die Geometrien des Steckverbinders abgestimmt werden, damit eine Verschiebung und Kollision der Steckverbinder im Stangenmagazin ausgeschlossen werden kann.

Tape & Reel revolutioniert die automatisierte Bestückung

Durch die Entwicklung von Tape & Reel wurde der Automatisierungsgrad bei der Bestückung von Leiterplattensteckverbindern und weiteren elektronischen Bauelementen drastisch erhöht. Tape & Reel ist ein tiefgezogener Blistergurt, der mit Steckverbindern oder anderen elektronischen Bauteilen befüllt wird, anschließend mit einer Folie zugeschweißt und zu guter Letzt auf einer Spule aufgewickelt wird. Durch das Tiefziehen wird der Blistergurt auf die Geometrie des Steckverbinders angepasst.

Die Wandstärke des Blistergurtes beträgt in den meisten Fällen 0,4 mm ±10 %. Die Breite des Gurtbandes ist auf sechs Größen genormt: 16, 24, 32, 44, 56 und 72 mm. Dies wurde so festgelegt, damit Bestückungsautomaten nicht auf jeden Gurt neu eingestellt werden müssen. Damit die Steckverbinder reibungslos und ohne Beschädigung aus dem Blistergurt entnommen werden können, werden die meisten Steckverbinder, äquivalent zu den Stangenmagazinen, mit einer Bestückungshilfe ausgestattet. Diese Bestückungshilfe ist ebenfalls auf das Bauteil angepasst.

Pro Kavität des Blistergurtes wird nur ein Bauteil eingelegt, damit ein Verhaken von mehreren Bauteilen vollkommen ausgeschlossen ist. Damit die automatisierte Bestückung reibungslos ablaufen kann, müssen die Bauteile jeweils auf der gleichen Position in der Kavität des Blistergurtes eingelegt sein. Dadurch kann der Roboterarm das Bauteil fehlerfrei erkennen und aus dem Blistergurt entnehmen.

Vor- und Nachteile von Tape & Reel und Stangenmagazinen

Die Vorteile von Tape & Reel sind die Nachteile des Stangenmagazins. Umgekehrt sind die Vorteile des Stangenmagazins die Nachteile von Tape & Reel. Einerseits liegen die Vorteile von Tape & Reel in den wesentlich höheren Stückzahlen, die auf einem Blistergurt verpackt werden. Andererseits sind die Steckverbinder einzeln in den Kavitäten des tiefgezogenen Blistergurtes verpackt, womit ein Verhaken der Steckverbinder vollkommen ausgeschlossen ist.

Bei den Stangenmagazinen ist die Anzahl der Steckverbinder durch die standardmäßige Länge von 550 mm begrenzt. Somit muss das Revolvermagazin bei der Fertigung hoher Stückzahlen häufiger manuell aufgefüllt werden. Vorteil der begrenzten Länge und des Revolvermagazins ist jedoch, dass selbst in der Prototypenphase eine automatisierte Bestückung der elektronischen Bauelemente gewährleistet ist.

Es bietet sich also an, in der Prototypenphase oder bei geringen Stückzahlen auf das Stangenmagazin zurückzugreifen, um eine automatisierte Bestückung zu realisieren und bei einer großen Serienfertigung den Schritt hin zu Tape & Reel zu machen, damit die automatisierte Bestückung nicht durch häufiges Wechseln und Befüllen der Stangenmagazine unterbrochen wird.    hs