Dosieren, Bestücken und Löten auf 3D-MID

Elektronikfertigung in 3D

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Neue Anwendungsfelder beim Einsatz von Hochtemperaturthermoplasten ermöglichen der Elektronikindustrie enorme technische Rationalisierungspotenziale durch spritzgegossene Schaltungsträger (Molded Interconnect Devices, MID). Dabei werden strukturierte Metallisierungen mit integrierter Leiterbildstruktur erzeugt, die umweltverträglicher als herkömmliche Leiterplatten sind und diese sinnvoll ergänzen können. Der entscheidende Vorteil von MID gegenüber konventioneller Elektronik besteht in der dreidimensionalen Gestaltungsfreiheit der MID.

ATN Automatisierungstechnik Niemeier GmbH, Berlin

Um dieses auch für die Platzierung der Bauelemente zu nutzen, hat der Berliner Lötspezialist ATN Automatisierungstechnik Niemeier GmbH im Rahmen des Technologie-Programms ZIM (Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand) eine Montagezelle entwickelt um auf 3D-MID zu dosieren, bestücken und zu löten.
Als wesentliche Einsatzgebiete für die MID Technologie gelten derzeit die Automobilelektronik und die Telekommunikation. Aber auch bei Computer, Hausgeräte oder bei der Medizintechnik können sich Anwendungsfelder ergeben. Die Markterwartungen liegen derzeit bei einem jährlichen Wachstum in Höhe von etwa 20%.
„In dem Projekt konnten wir die Komponenten in die Fertigungseinheit unserer Basiszelle VARIO integrieren und so eine autarke Anlage entwickeln die alle Arbeitsgänge reproduzierbar und in höchster Qualität bei kurzen Taktzeiten ermöglicht. Je nach Anforderung setzen wir zur Dosierung der Lotpaste ebenfalls auf die bewährten Spindeldosierer oder Jet-Ventile von Musashi,“ beschreibt Dr. Jörg Niemeier die Projektergebnisse.
Präziser und reproduzierbarer Prozess
Modulbeschreibung: Basierend auf dem 6-achs- Roboter gliedert sich die Montagezelle in folgende Module:
  • Basiszelle Vario
  • 6achs-Roboter
  • Transfersystem, z.B. Bosch TS2
  • Dosiersystem (Spindeldosierer oder Jet-Ventil)
  • Bestückkopf mit mechanischer Zentrierung
  • Diodenlaser mit Einzel- oder Doppeloptik
  • Bedienung WinControl.
Das Dosieren der Lotpaste erfolgt mit Spindeldosierer oder Jet-Ventil. Der Spindeldosierer arbeitet mit einer Dosiernadel und kann auch in Vertiefungen oder unmittelbar an der Gehäusekante dosieren. Das Jet-Ventil besticht durch die minimalen Prozesszeiten und die Dosierpräzision. Die Paste wird mit gleichmäßigem Druck in die Dosierkammer gedrückt. Dort beschleunigt ein beweglicher Kolben die Paste und schleudert sie durch die Düse auf das Substrat, ähnlich wie bei einem Tintenstrahldrucker. Dabei kann der Arbeitsabstand einige Millimeter betragen. Da ohne Dosiernadel gearbeitet wird, ist der Prozess robust gegenüber Höhentoleranzen. Die dosierte Menge wird einzig und allein über die Dosierkammer, den mechanisch einzustellenden Kolbenhub und die Anzahl der zu dosierenden Dots definiert und ist somit präzise und reproduzierbar.
Das Bestücken der Bauteile erfolgt mit einem Vakuum-Greifer, die Ausrichtung der Bauteile über mechanische Zentriergreifer. Aufgrund der Toleranzen der SMD-Bauteile hat es sich bei der Bauteilaufnahme bzw. -ablage als vorteilhaft erwiesen, die Z-Bewegung vom Roboter zu entkoppeln um eine Nachgiebigkeit zu erreichen. Dazu wird die Saugpipette in einer Bohrung geführt und gegen eine Feder gedrückt.
Das Löten erfolgt mittels Diodenlaser. Dabei ist die Fokussierung entscheidend für den Lötprozess ist. Ist der Fokus zu groß und ragt über das Pad hinaus, so wird das Substrat verbrannt. Ist der Fokus zu klein, läuft die Lotpaste breit und die Randbereiche schmelzen nicht auf. Das Problem wurde dadurch gelöst, dass der der Fokus über die Dauer des Lötprozesses verändert wird. Mit einem defokussierten Strahl (Arbeitsabstand ca. 60mm) und mit geringer Laserleistung wird die Lotpaste vorgewärmt und ausgetrocknet. Danach wird der Arbeitsabstand reduziert so dass der Fokus auf das Pad konzentriert ist und die Leistung gesteigert wird bis die Lotpaste aufschmilzt.
Die Bedienung der Maschinen erfolgt über WinControl. Per WinControl werden Programme verwaltet und editiert. Weiterhin wird zum Einrichten die Peripherie über digitale IOs angesteuert. Die Bewegungen werden in der Programmierumgebung des Roboters programmiert. Dieses erfolgt über eine eigens entwickelte graphische Programmierschnittstelle. Darüber können die Bearbeitungspositionen über Kamerabild und Maus-Klick definiert werden. Die Daten werden in die ASCII-Programm-Datei des Roboters umgewandelt.
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