Wirtschaftlicher Lotpastenauftrag bei kleinen Serien

Dispensen oder Drucken?

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Bei der Bestückung von Prototypen, kleinen oder mittleren Serien muss entschieden werden, ob die Lotpaste oder der Kleber mit einem Druckverfahren oder mittels Dispensen aufgebracht werden soll. Bei den Überlegungen spielen die Präzisionsanforderungen und die Kosten die Hauptrolle.

Adrian Schärli, Essemtec, Aesch, Schweiz

Im wesentlichen sind heute zwei Dispensverfahren und zwei Druckverfahren bekannt. Auf der Seite der Dispenser unterscheidet man zwischen dem einfachen Zeit-Druck-Dispenser und mechanischen Pumpen, von letzteren wird vor allem das archimedische Schraubenventil eingesetzt. Für den Pasten- oder Kleberdruck stehen textilähnliche Siebe oder Metallschablonen sowie Gummi- und Metallrakel zur Auswahl.
Möglichkeiten und Grenzen beim Dispensen
Das Dispensverfahren bietet sich durch seine Flexibilität insbesondere bei der Prototypen-Fertigung an. Änderungen im Layout oder im Bestückungsplan erfordern keine neue Druckschablone, sondern nur eine Korrektur im Dispensprogramm. Für viele Applikationen ist ein Zeit-Druck-Dispenser eine gute Lösung. Bei diesem System presst der geregelte Druckimpuls eine bestimmte Menge Paste aus der Kartusche durch die Dispensnadel.
Für die Prototypen-Fertigung und die Herstellung von kleinen Serien bietet sich ein Kombigerät wie zum Beispiel das manuelle oder halbautomatische Bestückungssystem Expert von Essemtec an, welches mit einem mikroprozessor-gesteuerten Zeit-Druck-Dispenser sowie einem Ein-/Auslötgerät ausgerüstet werden kann. Durch die Kombination von Dispensen und Bestücken vergrößert sich nicht nur der Einsatzbereich des Gerätes sondern auch seine Wirtschaftlichkeit bei kleinen Serien.
Für größere Serien rechnet sich schon bald der Einsatz eines Bestückungsautomaten CSM7000 oder CLM9000, der mit einem Zeit-Druck- oder mit einem Schraubenventil zusätzlich auch Lotpaste oder Kleber dispensen kann und sich aufgrund seiner Feeder-Kapazität und Flexibilität für schnelle Produktwechsel eignet. Aus den Bestückungsdaten, welche entweder per Teach-in oder direkt vom CAD-System gewonnen werden, ergeben sich automatisch die Koordinaten für das Dispensen. Ohne weiteres Zutun trägt der Automat erst die Lotpaste oder den Kleber auf und bestückt anschließend die entsprechenden Bauteile.
Für Produktionsgrößen, die einen Bestückungsautomaten mit der Bestückung alleine nicht auslasten, ist die Kombination mit dem Dispenser ideal. Praktisch alle Standardbauteile bis 0402 können so gefertigt werden. Die Grenze liegt beim Dispensen bei der minimalen Größe und der Wiederholbarkeit des Dispenspunktes. Mit einem Zeit-Druck-Dispenser sind Punkte bis zu einem Raster von 0,8 mm zuverlässig machbar, mit einem Schraubenventil erreicht man einen Raster von 0,6 mm reproduzierbar.
Break-Even-Punkt des Druckverfahrens
Für Fine-Pitch mit einem Anschlussraster unter 0,6 mm ist das Dispensverfahren nicht mehr zu empfehlen, da der Pastenpunkt größer ist als der Abstand zwischen den Anschlüssen. Bei Prototypen wird als Notlösung eine ganze Linie Lotpaste über alle Anschlüsse gelegt. Dies geht beim Bestückungsgerät Expert sehr gut, da die einzelnen Bewegungsachsen des Bestückungs- und Dispenskopfes blockiert werden können. Beim anschließenden Reflow-Prozess verlässt man sich darauf, dass sich das Lot aufgrund der Kapilarwirkung gleichmäßig zu den einzelnen Verbindungsstellen zurückzieht. Dies ist allerdings ein eher zufälliger Prozess, der meistens Nacharbeit verlangt. Damit wird klar, dass für Fine-Pitch das Druckverfahren grundsätzlich dem Dispensen vorzuziehen ist. Bei Standardbauteilen ist die geplante Anzahl von Kontaktstellen und Leiterplatten entscheidend. Zur Abschätzung, ob sich die Anschaffung eines Siebes oder einer Schablone für eine geplante Serie lohnt, dient der Vergleich der Produktionskosten. Die Kosten für das Dispensen können wie folgt abgeschätzt werden:
Anz. Punkte: Dispenspunkte pro Print
Anz. Prints: Geplante Anzahl Leiterplatten
Stundensatz: Stundensatz des Bedieners + Maschine
Dispensleistung: Anzahl Dispenspunkte pro Stunde
Andere Kosten wie zum Beispiel für die Lotpaste müssen nicht mitgerechnet werden, da sie sowohl für das Drucken als auch für das Dispensen nahezu gleich sind. Unter Umständen muss zum Vergleich aber ein Anteil der Maschinenkosten in den Stundensatz mit einberechnet werden. Dasselbe gilt für die Berechnung der Druckkosten:
Vorlage: Kosten des Siebes oder der Schablone
Anz. Prints: Geplante Anzahl Leiterplatten
Stundensatz: Stundensatz des Bedieners + Maschine
Druckleistung: Anzahl Prints pro Stunde
Der Break-Even-Punkt ist die Anzahl von Leiterplatten, bei denen die Kosten beider Verfahren gleich sind. Ist der Gesamtauftrag größer als Break-Even, dann lohnt sich die Anschaffung eines Siebes oder einer Schablone, ist sie tiefer, dann ist das Dispensen wirtschaftlicher. Für die Berechnung der Kosten müssen natürlich die einzelnen Größen zumindest abschätzungsweise bekannt sein. Die Dispensleistung mit einem manuellen, kombinierten Bestückungs- und Dispensgerät Expert ist zum Beispiel etwa 1000 bis 1500 Punkte pro Stunde, die Druckleistung eines manuellen oder halbautomatischen Druckers liegt zwischen 100 und 200 Prints pro Stunde. Die Anschaffungskosten für ein Sieb oder eine geätzte Schablone liegen bei etwa · 130,- bis 260,-.
Drucktechniken
Die wichtigsten Merkmale eines guten Druckers sind seine Präzision, die genaue Wiederholbarkeit und die Flexibilität des Einsatzbereiches. Siebe bestehen wie Textilien aus einzelnen, verwobenen Fasern, zum Beispiel aus Polyester oder Metall. Die notwendige Spannung des Netzes erzeugt der Hersteller beim Aufziehen auf den Siebrahmen. Das Sieb wird im Anschluss beschichtet, und zwar jeweils an den Stellen, an denen keine Lotpaste gedruckt werden soll. Der Vorteil des Siebes liegt vor allem in seiner Wiederverwendbarkeit. Es kann, sofern es sorgfältig behandelt wird, mehrmals gereinigt und neu beschichtet werden, auch für eine ganz andere Leiterplatte. Dies macht das Sieb zu einer sehr günstigen Druckvorlage. Zu beachten ist, dass für den Pastenauftrag Gummirakel verwendet werden, um den Abrieb des Siebs zu minimieren, und natürlich braucht ein Sieb mehr Lagerplatz als eine Schablone. Ein Sieb ist bis zu einem Rastermaß von 0,6 mm einsetzbar, darunter verhindern die einzelnen Fäden des Siebes ein präzises Drucken.
Diese Einschränkung hat eine Schablone nicht. Eine präzise Metallschablone entsteht entweder durch ätzen oder schneiden der Löcher zum Beispiel mit dem Laser. Für den Druck wird sie auf einen Rahmen gespannt. Eine gut gepflegte Metallschablone hat eine sehr lange Lebensdauer und benötigt wenig Lagerplatz, da sie nur etwa 0,1 bis 0,2 mm dick ist und der Spannrahmen jeweils wieder für eine andere Schablone verwendet werden kann. Allerdings lässt eine Schablone, anders als ein Sieb, außer durch Nachschneiden oder Abdecken keine Layout-Änderungen mehr zu.
Metallschablonen erlauben das Arbeiten mit Metallrakeln, was nicht nur eine längere Lebensdauer des Rakels sondern auch präzisere Druckresultate garantiert. Gummirakel dringen beim Druck jeweils ein wenig in die Drucköffnung ein und nehmen etwas von der Lotpaste wieder mit. Bei kleinen Pads kann dies sehr schnell ein großer Prozentsatz der Gesamtmenge sein; das Druckresultat ist unbefriedigend. Metallrakel hingegen bleiben auf der Oberfläche der Schablone und sorgen für einen perfekten Druck.
Druckparameter
Ein guter Drucker zeichnet sich durch eine stabile Konstruktion und die exakte Reproduzierbarkeit der Position aus. Deshalb ist beim manuellen Drucker SP002 von Essemtec die Position der Leiterplatte zur Druckvorlage in allen Richtungen genau einstellbar. Durch die 4-Punkte-Auflage ist diese Position nach jedem Öffnen und Schließen des Druckers wieder genau gleich, wodurch die Druckposition ohne Nachjustieren reproduziert wird.
Neben der Präzision ist auch die Kontrolle der Druckparameter ein wichtiges Kriterium. Beim verteilen der Paste mit ei-nem Handrakel ist das Druckergebnis ganz vom Bediener abhängig. Mit einem Rakelführung sind sowohl der Rakelwinkel als auch die Anpresskraft definiert. Durch das Doppelrakel besteht auch die Möglichkeit, den Druck für die Hin- und Herbewegung separat einzustellen. Damit kann in einer Richtung die Paste mit wenig Druck geflutet werden, in die andere Richtung wird mit mehr Druck die überschüssige Paste abgezogen, was zu einem vollständigen und gleichmäßigen Druck führt.
Wer noch mehr Prozesskontrolle möchte wählt einen halbautomatischen Drucker SP006, bei dem auch der Vorschub des Rakels motorisiert ist und die Druckgeschwindigkeit eingestellt werden kann. Beim automatischen Drucker SP100 sind zudem alle Druckparameter von einem Mikroprozessor kontrolliert und speicherbar. Parameter wie Rakeldruck, Rakelgeschwindigkeit, Endpositionen und sogar die Abhebegeschwindigkeit der Schablone vom Print können programmiert und als Parametersatz gespeichert werden. Besonders wer viele verschiedene Leiterplatten bedruckt und öfters umrüstet, erspart sich stets erneut die richtigen Parameter zu suchen. Zudem, was besonders wichtig beim Drucken von Fine-Pitch ist, entfernt sich die Schablone nach dem Druck parallel vom Print weg.
Bei ganz feinen Druckrastern genügt die rein mechanische Zentrierung der Leiterplatte nicht mehr. Für solche Anwendungen ist die Lösung der automatische Drucker SP500 mit optischer Positionierung. Zwei Kameras vermessen die Lage der Leiterplatte und korrigieren sie so, dass sie mit der Schablone exakt übereinstimmt. Korrektur und Druckvorgang laufen ohne Beeinflussung durch den Bediener vollautomatisch ab.
Die Entscheidung, ob eine Printserie besser mit dem Dispens- oder dem Druckverfahren gefertigt werden soll, kann mit einfachen Überlegungen gefällt werden. Ist das Rastermaß der Bauteile groß genug und die Stückzahl kleiner als Break-Even, so ist das Dispensverfahren anzuwenden. Kombinierte manuelle oder automatische Bestückungs- und Dispensgeräte sind in diesem Bereich die geeignete Lösung. Für die Fine-Pitch-Bestückung und Seriengrößen über Break-Even ist das Druckverfahren besser und wirtschaftlicher, wobei die Seriengröße und den Präzisionsanforderungen darüber entscheiden, ob ein Sieb oder eine Schablone respektive ein Gummi- oder ein Metallrakel vorteilhafter ist. Auch beim Drucker selbst ist aufgrund der gefertigten Produktpalette zu entscheiden, ob ein manueller, halb- oder ein vollautomatischer Drucker die beste und wirtschaftlichste Lösung ist.
EPP 162
Kosten = Anz. Punkte x Anz. Prints x Stundensatz
Dispensleistung
Kosten = Vorlage + Anz. Prints x Stundensatz
Druckleistung
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