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Auf den Punkt gebracht

Automatisiert selektiv löten mit einer Lichtlöt-Station
Auf den Punkt gebracht

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In der modernen Elektronikfertigung kann auf das Selektivlöten nicht verzichtet werden. Sonderbauteile, Kabel an SMT-Baugruppen, Stecker- und Schnittstellen-Module sowie Baugruppen mit nur wenigen Lötstellen müssen häufig trotz hohem Kostendruck einzeln verlötet werden. Lösung ist eine in-line-fähige Lötstation, die aufgrund ihres modularen Aufbaus und umfangreichen Zubehörs einen großen Aufgabenbereich abdeckt.

ATN, Berlin

Grundmodul der Lichtlöt-Station Vario ist eine Basiszelle, die aufgrund der Profilbauweise beliebig im Arbeitsraum skaliert werden kann. Abhängig von der kundenspezifischen Applikation stehen für die Zelle verschiedene Achssysteme nach vier Baureihen, drei Geschwindigkeitsbereiche sowie Verfahrbereiche von 100 bis 1000 mm zur Auswahl. Insgesamt bis zu sechs Achsen können dabei in eine Zelle integriert werden, die wahlweise mit zwei mal drei Achsen separat angesteuert oder in einem kinematischen System zusammengefasst werden. Um das System an sich ändernde Anforderungen anpassen zu können, sind auch nachträgliche Modifikationen möglich.
Die offene Profilkonstruktion mit groß-flächiger Haube gestattet dem Einrichter und den Bedienern einen sehr guten Zugang zum Prozess. Der Schaltschrank kann wahlweise an der Rückseite mon-tiert oder in die Front integriert werden. Ein 19“-Rack bietet Platz für bis zu vier 19“-Baugruppenträger.
Modularer Aufbau
Der modulare Aufbau erlaubt verschiedene Wege der Bauteilzuführung. Für In-line-Lösungen sind das Transferband nach SMEMA-Standard oder Werkstück-Trägersysteme wie z.B. Bosch TS2 geeig-net. Im Stand-alone-Betrieb können die Bauteile über einen Rundschalttisch oder ein Wechselkassetten-System zugeführt werden, im einfachsten Fall geschieht das mit Universal-Werkstücktischen auf einer flexiblen T-Nutenplatte.
Als flexible Plattform für Lötaufgaben kann die Vario aufgrund ihres modularen Aufbaus in Mechanik, Steuerung und Software neben dem Lichtlöten auch für andere Prozesse eingesetzt werden:
• Das Löten mit Mikroflamme eignet sich für Anwendungen, bei denen eine hohe Wärmeenergie benötigt wird, wie z.B. das Löten an massiven Stiften oder Gehäuseteilen
• Mit einem automatisierten Lötkolben werden in Kunststoffgehäuse eingesetzte Kontakte gelötet. Pneumatische Linear-
führungen ermöglichen da- bei die exakte Einstellung des Anpressdrucks
• Unter Einsatz des Induktionslötens wird die gleichmäßige Erwärmung von massiven Teilen möglich
• Mit dem gebündelten Licht eines Lasers erfolgen Feinstlötungen
Darüber hinaus eignet sich das Basissystem auch für rei-ne Dosierapplikationen, zum Bohren oder Isolationsfrä-sen von Leiterplatten, zum Aufbringen von Schutzlackie-rungen und für weitere Fertigungs- und Laborprozesse.
Lichtlöten
Beim Lichtlöt-Systems Lightbeam wird das Licht mit-tels Konvergenzspiegel und Optik stark fokussiert. Durch Absorption dieser Wärmestrahlung entsteht die an der Lötstelle die erforderliche Temperatur, die Energieübertragung lässt sich dabei sehr genau regeln. Eine Variante ist das selektive Reflow-Löten. Dabei wird vor oder nach der Bauteilbestückung mit einem in der Grundzelle integrierten Dis-penser Lotpaste aufgebracht. Anschliessend wird der Halogenstrahler mit dem Roboter über der Lötstelle positioniert und die Lotpaste mit dem fokussierten Lichtstrahl aufgeschmolzen.
Alternativ zur Ausstattungsvariante mit integriertem Lotpasten-Dispenser kann die Selektiv-Lötzelle auch mit dem programmierbaren Lotdraht-Vorschub Mosquito ausgestattet werden. In diesem Fall werden zunächst die Bauteile bestückt. Dann wird das Lightbeam-Lötsystem über der Lötstelle positioniert, damit das Licht des Halogenstrahlers die Lötstelle bis zur idealen Löttemperatur aufheizen kann. Erst jetzt wird der Lotdraht mit einem motorisch angetriebenen Vorschub synchron zugeführt, im Lichtfokus geregelt und reproduzierbar abgeschmolzen. Erst nach Beendigung des Drahtvorschubs wird die Lichtleistung reduziert.
Zentrale Einheit des Lightbeam-Systems ist der Punktstrahler, der die notwendi-ge Wärmeenergie liefert: Das von einer Halogenlampe emittierte Licht mit Wellenlängen zwischen 500 und 1500 nm wird auf einen nur 2 bis 3 mm großen Brennfleck gebündelt. Je nach Eingangsleistung (150 oder 250 W) des Strahlers wird bei einem Abstand von 40 mm zur Optik dort eine Strahlungsleistung zwischen 8 und 15 W erzeugt. Diese fokussierte Energie reicht für eine große Anzahl von Anwendungen völlig aus, zumal teurere Laser-Systeme an dieser Stelle eine effektiv gleiche Strahlungsleistung verwenden. Die mit dem Strah-ler erzielte Temperatur hängt hierbei einerseits von Leistung und Dauer des Lichtstrahls, andererseits aber auch von der Oberfläche (Farbe, Reflexionsgrad), Wärmekapazität und Wärmeleitung des Werkstücks ab. Beim selektiven Reflow-Löten liegt die Lötzeit je nach Lötstelle zwischen 1,0 und 3,5 s. Für bedrahte-te Bauelemente mit einem Pin-Durch-messer von 0,6 mm beispielsweise beträgt die Lötzeit üblicherweise nur noch 0,8 bis 1,5 s. Dabei werden Leistung und Strahl-dauer der Lampe elektronisch geregelt und lassen sich an einem menügeführ-ten Display stufenlos einstellen. Dadurch sind die Lötparameter jederzeit repro-duzierbar.
Komponenten
Im Rahmen einer modularen Systementwicklung sind die passenden Komponenten wie Dosierventil, Lotdraht-Vorschub und Kamera so konzipiert, dass sie sowohl im Lichtlöt-System Lightbeam als auch separat bzw. in oder mit anderen Werkzeugen eingesetzt werden können.
So wurde das Schrauben-Dosierventil DSV speziell für die Dosierung von Lot-pasten, zähflüssigen Dichtmitteln sowie anderen partikelgefüllten Materialien entwickelt. Das Prinzip des Schrauben-Dosierventils besteht darin, dass das Material aus der Kartusche unter geringem Druck der Förderschnecke zugeführt wird und die eigentliche Dosierung durch die Rotation der Spindel erfolgt. Dadurch werden Entmischungen durch pulsierende Druckluft vermieden, gleichzeitig wird – bei entsprechender Parametrierung der zugehörigen Steuerung – eine hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit auch bei kleinsten Dosiermengen (bis hin zu Fine-Pitch) erzielt.
Das Dosier-Steuergerät DSS wur-de speziell für den Einsatz in automatischen Systemen konzipiert. Es sorgt für die exakte Steuerung des Reservoirdrucks und die präzise Regelung der Dosierspindel-Geschwindigkeit bei der Applikation. Die digitalen 24-V-Signale ermöglichen die direkte Ansteuerung durch eine Maschinensteuerung (z.B. SPS).
Die Lotdrahtvorschub-Serie Mosquito zeichnet sich durch ihre ho-he Vorschubkraft bei kompakter Bauweise aus. Ein Gleichstrom-motor in Verbindung mit einem Planetenrad-Getriebe sorgt für ei-ne Kraft von 25 N beim 120 g schweren Mosquito A25. Der Lotdraht wird zwischen zwei Rädern durchgeführt, deren einstellbarer Andruck Schlupffreiheit gewähr-leistet. Die zugeführte Lotmenge wird kontinuierlich mit einem miniaturisierten Drehgeber gemessen, dessen Signale eine Steuereinheit auswertet, um Abweichungen an der Regelstrecke ausgleichen zu können.
Die Vorschubparameter lassen sich über ein menügeführtes Display eingeben. So kann beispielsweise die Lotmenge nicht nur durch die Zeitdauer der Lotzufuhr, sondern auch alternativ über ei-ne Wegregelung vorgegeben werden. Zum Ende der Vorschubbewegung wird die Drehrichtung des Motors umgekehrt und der Draht somit definiert ein kleines Stück zurückgezogen. Dies ermöglicht ein exakt steuerbares, gleichmäßiges Abschmelzen des Lotdrahtes für identische Lötstellen. Darüber hinaus erkennt die Steuerung auch Lotstau oder das Lotende. Diese Signale werden an die Systemsteuerung übergeben und ausgewertet, können aber auch an eine ande-re übergeordnete Betriebsmittelsteuerung (z.B. SPS) etwa als bedienerseitige Aufforderung „Lotdraht-Wechsel“ übergeben werden.
Positionierung über Bilderfassung
Grundvoraussetzung für eine hohe Qualität der Produkte ist die optimale Positionierung des Werkzeugs. Das optional integrierbare Bilderfassungs-System OP02 ermöglicht ein bedienergeführtes Teach-in von Bearbeitungspunkten an einem PC-Monitor. Der Einsatzbereich des Systems sind vor allem automatisierte Punktbe-arbeitungs-Prozesse. Mit dem OP02 können Werkzeuge wie z.B. der Lightbeam oder Lotpasten-Dispenser auf 0,1 mm ge-nau positioniert werden. Dazu wird die Werkstück-Oberfläche im Arbeitsraum der Vario auf einem Bildschirm als digitales Videobild-Overlay dargestellt. Durch Einblenden eines entsprechenden Fadenkreuzes kann das Werkzeug auf den Bearbeitungspunkt eingestellt werden.
Die Software Wincontrol für die Betriebssysteme MS-Windows 95/98/NT stellt das Verbindungselement zwischen dem Anwender und dem Bearbeitungszentrum dar. Arbeitsprozesse können erstellt, gespeichert, verändert, ausgeführt und überwacht werden. Die Software wurde als modulare, offene Softwarelösung realisiert. Zentraler Bestandteil von Wincontrol ist neben der numerischen Dateneingabe vor allem der komfortable Teach-Modus, wobei Werkstück-Positionen per Tastatur oder Joystick angefahren und gespeichert werden können. Über Dialogfenster können alle Ein- und Ausgänge überwacht und manuell geschaltet werden. Die integrierte RS232-Schnittstelle ermöglicht die Kommunikation mit einer externen Prozesssteuerung.
Mit Hilfe des Programm-Editors wird der Arbeitsprozess verwaltet. Die Koordinatenerfassung erfolgt entweder durch interaktives Teachen, direkte Eingabe mit der Tastatur oder Einlesen externer Datenfiles. Zur Vermeidung von Kollisionen mit dem Bauteil können Stützpunkte definiert werden, die eine Quasi-Bahnsteuerung ermöglichen. Für jeden Bearbeitungspunkt kann eine variable Anzahl von Prozess-parametern gespeichert werden. Die Bearbeitungsroutinen zur Auswertung dieser Parameter können als eigenständige Programme frei implementiert werden. So stehen bereits Routinen für verschiede-ne Bearbeitungsprozesse, wie z.B. Löten, Dosieren oder Schrauben zur Verfügung. Die modulare Programmierung und die Offenlegung der Schnittstellen ermöglicht dem Anwender eine individuelle Konfi-guration an seine Applikation, der offene Quellcode erlaubt die Anpassung der Software-Oberfläche.
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