Wie eine Bestückungsmaschine funktioniert

Eine Bestückungsmaschine sei eigentlich sehr einfach aufgebaut, meint Ehlert: Die mit Lötpaste versehene Platine wird mit Hilfe eines Rahmens in der Maschine eingespannt. Durch ein Computerprogramm wird dann ein Kopf mit einer Ansaugdüse gesteuert. Die Ansaugdüse (Nozzle) saugt das Bauelement in seiner Verpackung an, der Kopf bewegt sich mit dem angesaugten Bauteil zur entsprechenden Position auf der Platine und stoppt den Ansaugvorgang, das Bauteil fällt quasi auf die Lötstelle. Dann geht es mit dem nächsten Bauteil weiter. Im Wesentlichen funktioniert eine Bestückungsmaschine also wie ein Plotter.

Die Schwierigkeit liegt nun im Detail: Die Ansaugdüse muss mit der Größe des Bauteils korrespondieren. Für die vollständige Bestückung mit unterschiedlichen Bauteilgrößen sind also verschiedene Düsen notwendig. Und die Platzierung des Bauteils auf der Platine muss mit großer Genauigkeit erfolgen, je kleiner die Baugrößen der Bauteile werden, desto geringer werden die Platzierungstoleranzen.

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SMD-Bauelemente und jeweils dazu passende Ansaugdüse. (Foto: VarioPlace/Mirko Ehlert)

Die Ansaugkraft wird kaum variiert bei unterschiedlich großen Bauteilen. Der eigentliche Grund für die unterschiedlichen Düsen liegt in der Stabilität beim Transport der Bauteile. Wenn ein großer Chip mit einer Düse mit zu kleinem Durchmesser angesaugt wird, kann es während der Fahrt des Kopfes zum Abkippen des Chips kommen. Denn die Auflagefläche ist dann zu gering, es fehlt an mechanischer Stabilität.

Der Wechsel der Düsen, auch als Werkzeugwechsel bezeichnet, kann natürlich per Hand erfolgen. Ein automatisierter Betrieb ist dann allerdings nicht mehr möglich. Deswegen ist eine Funktion zum automatischen Wechsel der Düse unabdingbar und wurde bei der Entwicklung von Varioplace bereits vorgesehen.

Kleine Bauteile erfordern hohe Genauigkeit

Kleine Bauteilgrößen werden ad absurdum geführt, wenn die dazugehörigen Lötpads auf der Platine nicht auch kleiner werden. Lötpads sind die sichtbaren Kupferflächen auf der Platine, auf welche die Bauelemente aufgelötet werden. Sie können bei modernen Platinen weniger als einen Millimeter groß sein.

Wenn nun die Maschine bei der Platzierung nicht genau genug ist und die Lötfläche der Bauelemente nicht korrekt übereinstimmt mit den Lötpads auf der Platine, führt das zu Lötfehlern. Manchmal können diese später noch mit ruhiger Hand und einem Lötkolben repariert werden, doch im schlimmsten Fall ist die komplette Schaltung nicht mehr brauchbar.

Ungenaue Positionierungen können aus mehreren Gründen entstehen und müssen auf verschiedenen Wegen unterbunden beziehungsweise korrigiert werden.

Einer ungenauen Ansteuerung, weil die mechanischen Bestandteile der Maschine zu viel Spiel haben müssen, lässt sich durch hochwertige Bestandteile mit geringen Fertigungstoleranzen entgegenwirken.

Obwohl die Platine in einem Rahmen eingespannt wird, kann es immer zu einem leichten Verdrehen der Platine kommen. Insbesondere gilt dies bei runden oder asymmetrisch geformten Platinen. Diese Verdrehungen sind mit dem blossen Auge nicht immer zu erkennen. Bei der Varioplace soll eine Kamera mit einer Mustererkennung dafür sorgen, dies zu erkennen und die Steuerbefehle entsprechend anzupassen.

Ein weiteres Problem fanden die Macher in der praktischen Erprobung: die Bewegungen des Werkzeugkopfes versetzten die gesamte Konstruktion immer wieder in Bewegung - auch dieses Rütteln führte dazu, dass Bauelemente verrutschten. In großen Maschinen tritt dieses Problem nicht auf, ihre schiere Massigkeit unterbinde solche Eigenbewegungen, so Ehlert. Doch für ein schreibtischtaugliches Gerät ist Masse keine Lösung. Sie fanden eine andere: Sie setzten die Fahrgeschwindigkeit herunter. Dadurch ist die Maschine zwar langsamer, bei Prototypen und Kleinserien soll die geringere Geschwindigkeit keine Rolle spielen, da die maschinelle Bestückung immer noch wesentlich schneller und genauer als von Hand erfolgt. Schließlich erfolgt die Bestückung vor Ort und erfordert keine (schlechter planbare) Warte- und Versandzeit wie bei einem Dienstleister.