Quantensprung in der Bestückmaschinen-Plattform

Sven Buchholz, Product Management Siemens Dematic, München

Obwohl auch als End-of-Line Bestücker bezeichnet, handelt es sich bei der Siplace HF nicht um den typischen IC- oder Exotenbestücker, der ausschließlich integrierte Schaltungen, Steckverbinder, voluminöse Leistungsbauteile oder ähnliche Komponenten verarbeitet. Zwar kann dieser Bestücker auch solche Restbauteile problemlos verarbeiten, dennoch ist die Siplace HF weitaus flexibler und überstreicht somit einen absolut weiten Applikationsbereich. Dies gilt zum einen für die Palette der verarbeitbaren Bauteile mit Abmessungen von 0,3 x 0,6 mm (0201-Komponenten) bis zu Teilen mit 85 x 85/125 x 10 mm bzw. mit Einschränkung auch bis 200 x 125 mm. Diese Applikationsflexibilität gilt zudem auch für Aufgabenstellungen in Produktionsumgebungen, die von der Integration in Inline-Konfiguration mit höchsten Durchsätzen bis hin zum einzelstehenden Allroundbestücker in Pilotfertigungen oder für niedrigere Produktionsvolumen reicht. Die Vielseitigkeit gilt auch für eine bisher einzigartige Variabilität in der von Anwendern geforderten technischen Ausstattung mit unterschiedlichen Bestückköpfen, Visionsystemen, Transportsystemen und Feedereinrichtungen. Siplace HF offeriert hier ohne wenn und aber die der-zeit höchste Anwendungsbandbreite. Bei hoher Bestückleistung deckt er das gesamte Spektrum von oberflächenmontierbaren Bauteilen (SMDs) ab.

Bereits mit den ersten Betasite-Installationen bzw. Feldtests erregte das neue Bestücksystem hohes Interesse und Zustimmung bei zahlreichen Anwendern, zum Teil auch Neukunden. Doch bei Siemens Dematic geht die überlegte Absicherung der Zuverlässigkeit und Performance einer Neuentwicklung klar über eine vorschnelle breite Markteinführung. Bei der Fülle der in der Siplace HF realisierten Innovationen in Hard- und Software ist es angebracht, hier mit Systematik die wesentlichen Neuerungen des Systems aufzuschlüsseln und dabei natürlich auch die Anwendungsvorteile zu skizzieren.

Das Konzept der Maschine ist so angelegt, dass die HF mit allen Modellen in der Siplace-Plattform voll kompatibel ist, und zugleich die bestehenden Siplace-Familien HS, S und F optimal ergänzt. Der als Entwicklungsziel formulierte Schutz der Anwen-derinvestition wird auch daran deutlich, dass die Siplace HF zu den vorhandenen Bauteilfeedern, Revolver-Bestückköpfen, Visionsystemen und Stationssoftware kompatibel ist. Deutlich wird, die Siplace HF verbindet die Leitgedanken herausragender Innovationen in der Bestücktechnik mit Schutz der Investition für die Anwender. Zum Thema Innovation läßt sich feststellen, daß im Vergleich zum Vorgängermodell bei der Neuentwicklung die reale Bestückleistung und Genauigkeit um fast das Doppelte gesteigert werden konnte. Diese beiden Hauptparameter von Bestückautomaten sind hier in optimaler Kombination auf einen Nenner gebracht worden.

Auf einem verwindungssteifen und vibrationsgedämpften Rahmen (Gussstahl), der sich durch erhebliche Reduzierung der Geräuschbelastung für die Fertigungsmitarbeiter auszeichnet, sind zwei Portale aus Kohlefaser-Verbundwerkstoff (CFK) aufgebaut. Die Vorteile der CFK-Portale sind offensichtlich: sie wiegen nur ein Fünftel des Gewichts von Stahlkonstruktionen, sind aber doppelt so steif. Auch ist der thermische Ausdehnungskoeffizient von Carbon wesentlich günstiger als von Metallen. Damit hat man es mit einer robusten und dennoch leichten Konstruktion zu tun, die über lange Jahre hohe Genauigkeit und Betriebszuverlässigkeit garantiert. Zusammen mit den hochgenauen Linearantrieben der X / Y-Achsen erreicht man damit eine überragende Genauigkeit von bis zu 30 µm/4-Sigma.

Zwei Portale in einer Maschine bedeutet zwei Bestückköpfe, die völlig unabhängig voneinander Bauelemente verarbeiten können. Die hohe Vielseitigkeit der Siplace HF wird auch von diesen beiden Portalen und den damit möglichen un-terschiedlichen Kopfkonfigurationen bestimmt, neben den Konfigurationen von Feedern und Visionsystemen.

Als Novität im Markt verfügt der Anwender der Siplace HF über einen flexiblen Automaten, der zwei Bestückverfahren – je nach Anforderung einsetzbar – in einer Maschine offeriert. Wobei die Portale sich nach dem Prinzip der Kopfmodularität nach Bedarf umkonfigurieren lassen. So stehen für die High-Speed-Bestückung von Standard-SMDs zwei verschiedene Collect & Place-Revolverköpfe bereit, wahlweise mit 6 oder 12 Segmenten (Bauteilpipetten). Der Twinhead hingegen arbeitet nach dem Pick & Place-Verfahren und eignet sich speziell für die schnelle und hochgenaue Bestückung von anspruchsvollen Sonderbauteilen im Fine-Pitch- und Super-Fine-Pitch-Raster bzw. zur Verarbeitung besonders großer Bauelemente. Dieser Kopf nimmt jeweils zwei dieser komplexen Bauelemente (ICs) auf und bestückt sie, wobei höhere Durchsatzraten als auch Flexibilität durch ein breiteres Bauteilspektrum erzielt werden.

Der neuentwickelte Twinhead besteht im Prinzip aus zwei aneinander gekoppelten Pick & Place-Köpfen. Die zwei von der Bauelemente-Zuführung abgeholten Bauelemente werden auf dem Weg zur Bestückposition optisch zentriert und in die erforderliche Bestücklage gebracht, um anschließend sanft in die Lotpaste auf der Leiterplatte abgesetzt zu werden. Der Hub der Z-Achse beträgt maximal 60 mm, somit können auch höhere Bauteile über 25 mm verarbeitet werden. Verfügbar sind für den Twinhead zwei Visionsysteme für noch höhere Bestückgenauigkeit, eines zielt auf Fine-Pitch-Komponenten (X / Y-Toleranz ± 35 µm/4-Sigma), das andere auf Flip-Chip-Bauelemente (X / Y-Toleranz ± 30 µm/4-Sigma).

Verschiedene Kontrollen, Selbstlernverfahren und Funktionen stellen die Zuverlässigkeit, Genauigkeit und Betriebssicherheit sicher. Beispielsweise zeigt eine Vakuumprüfung an den Pipetten an, ob Bauelemente korrekt abgeholt und abgesetzt wurden. Die Aufsetzkräfte werden per Kraftsensor exakt gemessen und mit den programmierten, verlangten Werten in Einklang gebracht. Es handelt sich also nicht um ein indirektes System, das mal eben den Motorstrom erfasst und daraus den Kraftvektor ermittelt. Sollte zudem in der Fertigung einmal die Strom- oder Druckluftversorgung ausfallen, ist auch das kein Problem. Die Z-Achse (Vertikale) wird in eine sichere Position angehoben, um einen Kopfcrash sicher zu vermeiden.

Die Collect & Place-Köpfe sind mit 6 und 12 Pipetten verfügbar, wobei abhängig vom verwendeten Visionsystem unterschiedliche Bauelemente mit maximalen Abmessungen von 18,7 x 18,7 mm² bzw. 32 x 32 mm² bestückbar sind. Je nach Ausführung holt der Kopf 12 bzw. 6 Bauteile gleichzeitig ab und bestückt sie rasch sequenziell auf der Leiterplatte. Im Gegensatz zum klassischen Chipshooting rotieren die Pipetten um die horizontale Achse. Die hierbei erzielte kompakte Bauweise sorgt dafür, dass auf die Bauelemente einwirkende Flieh-kräfte erheblich niedriger sind als bei herkömmlichen Chipshootern. Da die Taktzeit für alle Bauelemente gleich ist, ist die Bestückrate unabhängig von Größe oder Abmessungen des Teils.

Auch hier sind zahlreiche Funktionen für Überwachung und Sicherung der Bestückung implementiert. Als Beispiel einige der zusätzlich zu den bereits beim Twinhead erwähnten Features im Überblick. So bestimmt eine am Revolver-Bestückkopf montierte Kamera die exakte Lage jedes Bauteils an der Pipette. Abweichungen von der Abholposition werden bereits vor dem Bestücken korrigiert. Die Z-Achse, die beim Aufnehmen und Ablegen des Bauteils in der Höhenlage aktiv ist, arbeitet im Sensor-Stopp-Modus, wobei Höhendifferenzen sowohl beim Abholen als auch auf der Leiterplatte ausgeglichen werden. Zur weiteren Erhöhung der Bestücksicherheit kann mit einem zusätzlichen Bauteilsensor am Kopf neben der Anwesenheit eines Bauteils an der Pipette auch das Kantenverhältnis (Größe) kontrolliert werden.

Zusätzlich zum Standard-Visionsystem, das eine Bestückung mit der für High-Speed-Anwendun-gen einzigartigen Genauigkeit von ± 60 µm/4-Sigma sicherstellt, gibt es für die Revolverköpfe noch das DCA-Visionmodul. Für Direct-Chip-Attach sind somit die Collect & Place-Köpfe in der Lage, Dies oder Packages aller Art in den Größen von 0,6 x 0,3 mm² bis hin zu 13 x 13 mm² optisch zu zentrieren und zu bestücken. Speziell für die Verarbeitung von Flip-Chip-Komponenten und ungehäusten Chips (Bare Dies) optimiert das DCA-Visionmodul die Geschwindigkeit und erhöht die Genauigkeit weiter (Toleranz ± 55 µm/4-Sigma). Das neuentwickelte stationäre Kamerasystem für Bauelemente weist nun ein Gesichtsfeld von 50 x 40 mm² auf und eine neue Beleuchtungseinheit mit insgesamt vier frei einstellbaren Beleuchtungsebenen. Zu den 30°- und 60°-Ebenen kam noch die 0°-Beleuchtung hinzu, die sich insbesondere für Steckverbindungen, CCGA und ähnliches eignet. Gegenüber anderen Beleuchtungswinkeln hat der frontale Lichteinfall den Vorteil, dass keine Schatten die Erkennung und Inspektion negativ beeinflussen können. Die neue 90°-Belichtung hingegen ist auf Ball-Grid-Arrays abgestellt. Hiermit lassen sich bei BGAs, CSPs u.ä. die Leads, Balls oder Columns optimal erkennen und deren Abwesenheit oder Anwesenheit feststellen. Bei Chip-Komponenten sind damit auch die Dimensionen besser erfassbar.

Mit den beiden Portalen und den zur Verfügung stehenden Köpfen lassen sich logischerweise sehr unterschiedliche Fertigungsanforderungen mit einem breiten Spektrum abdecken. Ändern sich einmal die Produktionsbedingungen, so können die Portale rasch und ohne zu großen Aufwand vor Ort neu mit Bestückköpfen konfiguriert werden (Kopfmodularität). Dies läßt sich innerhalb einer Schicht durchführen. Je nach Kopfbestückung zeigten sich in Benchmarks folgende Bestückleistungen: 12-Segment Collect & Place plus Twinhead 17.000 Bauteile/Stunde; 6-Segment Collect & Place plus Twinhead 12.500 Bauteile/Stunde; zweimal Twinhead 7.000 Bauteile stündlich.

Vorteilhaft in puncto Genauigkeit und Bestücksicherheit ist dabei, dass aus einer stillstehenden Bauteilbereitstellung die Köpfe die Komponenten abholen und auf eine ebenfalls ruhende Leiterplatte sicher absetzen. Dieses über viele Jahre bewährte Prinzip der Siplace-Maschinen offeriert den Anwendern eine Reihe von wesentlichen Vorteilen. Damit können auch sehr kleine Bauteile sicher abgeholt und platziert werden. Nach dem Setzen in die Lotpaste können die Bauteile nicht mehr verrutschen, sondern werden von den Adhäsionskräften der Paste sicher in Position gehalten. Auch die Verfahrwege sind damit minimiert (führt zu höheren Bestückraten) und die Bauteilfeeder lassen sich komplikationslos auffüllen bzw. die Rollen anspleißen, so dass dadurch induzierte Stillstandszeiten kein Problem darstellen.

Auch der fünfteilige Transport in der Maschine verdient Beachtung. Für den optimalen, zeitsparenden Transport von Boards in der Maschine untergliedert sich der Vorgang in folgende Abschnitte: Leiterplatten-Eingabe, Bestückung durch Kopf 1, Parken in der Mitte unter Hauptportal, Bestücken mit Kopf 2, Ausgabe des bestückten Boards. Die Steuerung über Laser-Lichtschranken sorgt für schonenden Soft-Stopp der Boards. Die Siplace HF kann sowohl mit Single- als auch Dual-Track-Transport betrieben werden (problemlos in der gleichen Maschine). Dabei ist von den Anwendern frei definierbar, ob die linke oder rechte Schiene fixiert werden soll. Abhängig von der Transport-Konfiguration können unterschied-lich große Leiterplatten gehandelt werden: Single-Track bis 508 x 450 mm², Dual-Modus 250 x 450 mm², Doppeltransport im Einfachmodus 450 x 450 mm². Die Long-Board-Option ermöglicht die Verarbeitung von Leiterplatten bis zu einer Länge von 610 mm. Die geringste LP-Größe ist 50 x 50 mm². Deutlich wird, auch an dieser Stelle hat das Engineering alle Eventualitäten der Anwender an dieser Stelle weitgehend im Konzept berücksichtigt.

Die hohe Vielseitigkeit und Flexibilität des Bestückautomaten wird natürlich auch in der Bereitstellung von Bauelementen sowie in den vielen verfügbaren Ausführungen von Zuführeinheiten deutlich. Über vier Feedertische und dazu korrespondierenden Wagen zur Bereitstellung (mit Gurtrollenhalter und integrierten Abfallbehältern) werden die Bauelemente herangeführt. Dabei sind zwei dieser Carts auch durch Matrix-Tray-Changer (MTC) ersetzbar. An diesen vier Feedertischen rings um die Maschine stehen jeweils 15 Plätze à 30 mm Breite zur Verfügung. Abhängig von der Feederbreite sind damit maximal 180 Spuren zu 8 mm im Einsatz (mit S-Förderer 3 x 8 mm²) bis hinunter zu 16 Spuren bei 88 mm Breite, ebenfalls mit S-Feeder. Verarbeitet werden können praktisch alle Anlieferformen wie Stangen, Gurte, Surftape (8, 12, 16 mm) und Bulk-Komponenten. Auch applikationsspezifische Feedereinheiten sowie manuelle Tray-Lösungen sind möglich.

Ebenfalls eine Neuentwicklung stellt in diesem Kontext der MTC-2 dar. Dieser kann an der Maschine in diagonaler Anordnung in zwei Positionen angedockt werden. Das mit zwei Türmen ausgestattete Tray-Changer-System erlaubt eine Neubefüllung der einen Seite, während über die andere die Bestückung ohne Unterbrechung erfolgt. Die maximale Tray-Größe ist mit 340 x 270 mm² spezifiziert, die maximale Tray-Höhe inkl. Bauteil mit 30 mm. Insgesamt steht in den beiden Türmen eines MTC-2 eine Kapazität von 100 JEDEC-Trays zur Verfügung (A-Seite 2 x 30, B-Seite 40), das sorgt für längere ununterbrochene Bestückabläufe ohne direkte Aufsicht.

Die ebenfalls neuen Wechseltische erleichtern erheblich das Andocken der Bauelementewa-gen. Mit dem Einschieben der Carts erfolgt das automatische Alignment der Feederpositionen. Hinzu kommt, dass sämtliche Verbindungen zwischen dem Rahmen des Bestückers und dem Wechsel- bzw. Feedertisch beim Einstecken von selbst hergestellt werden. Ein separates Hantieren mit Kabelverbindungen entfällt damit völlig.

Es liegt auf der Hand, dass die großen Änderungen, Verbesserungen und völligen Neuentwicklungen auf der Hardwareseite auch in der Software deutlich werden. Mit der Einführung der neuen Maschinengeneration kommt erstmalig ausschließlich das neue Programmiersystem Siplace Pro zum Einsatz. Diese Software ist unverzichtbar für den Betrieb des neuen Bestück-automaten und unterstützt sämtliche bereits genannten Funktionalitäten.

Abschließend lässt sich feststellen, dass die Siplace HF mit ihren Eigenschaften und Leistungsdaten die ideale Ergänzung vorhandener Linien darstellt, wenn es um den Ausbau für höhere Performance in der Bestückung geht. Bringt dieser Automat doch bereits installierte Konfigurationen auf den neuesten Stand der Technik, bei gleichzeitiger Kompatibilität mit dem vorhandenen Equipment und seinen Ergänzungen und Optionen. Der Nutzen für die Anwender ist evident: erzielt werden niedrigste Bestückkosten in der flexiblen Fine-Pitch-Verarbeitung und damit maximale Produktivität seiner Linien.