leiterplattenunterstuetzung

Detaillierte Untersuchung der Leiterplattenunterstützung

Wir hatten uns mit diesem Thema schon mehrfach befasst und die verschiedenen Gesichtspunkte bei der Leiterplattenunterstützung betrachtet. Die Unterstützung kann durch verschiedene Systeme wie Pins, Toolings etc. oder durch vollautomatische Unterstützungssysteme erfolgen. Eine grosse Problematik in der SMT – Produktion liegt in den undefinierbaren Leiterplattenverwölbungen. Bei Verwendung von Unterstützungen mit festgelegter Höhe können diese Verwölbungen nicht oder nur unzureichend ausgeglichen werden. Damit kann das Aufschwingen der Leiterplatten und damit verbundene Fehlpositionierungen der Bauteile und Lötfehler nicht unterbunden werden. Ob diese Aufschwingungen mit blossem Auge sichtbar sind und welche Interferenzen sich bei gleichzeitiger Bestückung durch mehrere Bestückköpfe ausbilden, bleibt dahingestellt. Ebenso ob es Auswirkungen auf die Lotpads gibt (Lotkugeln, Brückenbildung bei kleinen Bauteilen). Natürlich bestehen Abhängigkeiten in Form von Leiterplattengrösse, Dicke etc. sowie Art und Menge der zu bestückenden Bauteile.

Ein weiterer Punkt ist in der Praxis zu beobachten:

Bauteile liegen im Bestücker.

Welche Ursachen können diesen Effekt hervorrufen?

  1. Der Bestückkopf verliert das Bauteil
  2. Das Bauteil ist ungenügend in den Lötpads fixiert
  3. Die Bauteile kommen von der schon mit Bauteilen bestückten und verlöteten Leiterplattenunterseite

Bei Betrachtung von Punkt 1 und 2 können verschiedene Ursachen vermutet werden. Entweder der Bestücker als solches hat Funktionsprobleme. Oder das Lotpad ist beim Setzen des Bauteils genau in dem Moment nicht mehr an Ort und Stelle. Oder das Lotpad ist zu diesem Zeitpunkt nicht komplett planar. Betrachtet man nun Punkt 3 ist die ganze Problematik der Kraftentwicklung beim Bestückprozess ersichtlich. Die Bestückkräfte führen zum Aufbrechen von Lötstellen und zum Stress für die Leiterplatte im Allgemeinen. Natürlich gibt es schon Messsysteme, welche die Aufsetzkräfte der einzelnen Pinolen der Bestückköpfe messen. Es werden z. B. Vertifikationen einer spezikationsgetreuen Aufsetzkraft dargestellt. Dies ist natürlich für druckempfindliche Bauteile notwendig. Diese Messungen basieren aber auf einen völlig planaren Zustand der Leiterplatten und es werden keine Bauteile bestückt und verbraucht. Wie verhalten sich aber die Kräfte beim Aufschwingen der Leiterplatte? Wie verhalten sich die Kräfte an den einzelnen Stellen der Leiterplatten? Welche Wechselwirkungen treten auf bei der Bestückung mit verschieden grossen und schweren Bauteilen? Natürlich gibt es Messsysteme die Verwölbungen ausmessen und den Absetzdruck der Pinolen steuern können. Ist dies aber in der Praxis realisierbar? Denkt man an die Bestückzahlen von 40000 BE/h und mehr, sind Reaktionszeiten von ms von Nöten. Vor allen Dingen lassen sich Verwölbungen in Art und Grad selbst bei Leiterplatten einer Charge nur schwer vorhersagen.

Für die praxisnahe Betrachtung einer SMT – Produktion (Leiterplattendurchsatz/h und BE/h) sind als Lösungen eigentlich nur 2 Varianten zur Prozesssicherung denkbar.

  1. Ein vollautomatisches Unterstützungssystem wie Grid – Lok, welches sich der Topographie jeder!!!!! Leiterplatte bei jedem Druck – und Bestückvorgang neu anpasst, Verwölbungen von bis zu 2 – 3 mm ausgleichen kann und damit das Aufschwingen der LP wirkungsvoll verhindert.
  2. „Wiederherstellung“ einer planaren Leiterplatte.

Beim letzteren Vorgang stellt sich die Frage, wie stark ist hier der ausgeübte Stress auf Leiterplatte, Bauteile und Lötstellen und wie soll dies in  der Praxis durchgeführt werden.
Wo und wie kann z.B. ein Vakuumtooling ansetzen?
Unser Betrachtung basiert natürlich auf die Vielfalt der Leiterplatten, so dass Einzellösungen durchaus denkbar sind.

Bei der Verwendung eines Grid–Lok Leiterplattensystems wird immer wieder die Frage der Bauteilbelastung gestellt. Dazu ist anzumerken, dass hier nicht mit Stiften direkt sondern mit weichen Silikonkappen unterstützt wird. Diese sind zusätzlich noch in verschiedenen Grössen verfügbar, so dass eine gute Anpassung an die Bedürfnisse möglich ist.

D.h. wir unterstützen nicht mit Metall auf Bauteilen! Die Silikonkappen haben eine dämpfende, absorpierende Wirkung.

Sollte es notwendig sein, können die Pins mit sogenannten Jigs einfach abgedeckt werden, so z.B. für Pin in Paste Anwendungen.
Ein Absetzdruck von 2 N beim Bestücker entspricht ca. 200 g, die auf die entsprechende Bauteile wirken. Die Verriegelung des Grid – Lok Systems erfolgt bis zu einer ausgeübten Kraft von 300 – 400 g /Pin. Sollten die Kräfte entsprechend höher werden geben die Pins nach dem Prinzip “ der Klügere gibt nach “ Ihre Unterstützung auf. In der Praxis sind keine Fälle bekannt. im Gegenteil, bei Anwendern ist das Problem der Zerstörung von Glasdioden durch die Anwendung von Grid -Lok gelöst worden.
2 N entspricht auch dem empfohlenen Rakeldruck beim Drucker pro cm Rakelblattlänge.
Sollten nun keine weitere Kräfte als die Aufsetzkraft beim Bestücken eine Rolle spielen ist die übertragene Kraft auf das unterstützte Bauteil auch nicht größer, eher geringer, als die Belastung beim Bestückvorgang.

Selbstverständlich wurden von Anwendern auch konkrete Messungen bzgl. der Auswirkungen auf Bauteile, z. B. Kondensatoren, durchgeführt. Dabei wurden die Bauteile Stresstests unterzogen, z. B. Temperaturverhalten im Bereich von – 40°C bis + 85° C., Messungen mit Dehnungsmessstreifen wurden ebenso durchgeführt. Die Messungen wurden für beide Seiten der LP durchgeführt, d.h. die zu untersuchenden Bauteile wurden durch die Pins des Grid – Lok Systems direkt unterstützt. Natürlich wurden die entsprechenden Bauteile genaustens untersucht und Funktionstests durchgeführt. Die Untersuchungen und deren Messergebnisse führten schließlich zur Verwendung des Grid – Lok Systems im Drucker und Bestücker. Die inzwischen jahrelange Anwendung führte zu keinen Beabstandungen bis dato.
So kann die Anwendung von Grid – Lok Unterstützungssystemen auch zum Wettbewerbsvorteil im Kampf um Fertigungsaufträge dienen.
Die ersten Systeme gibt es schon seit 1998 und sind inzwischen im 5 – stelligen Bereich im Drucker – und Bestückersektor eingebaut. Dies weltweit und in allen Bereichen der Elektronikfertigung, auch in sicherheitsrelevanten Bereichen. D.h. es wurden „Abermillionen“ von LP mit „Abermilliarden“ von Bauteilen hergestellt und begegnen uns tagtäglich.

Durch den Aufbau des Grid–Lok Systems als “Plug and Play“ ist die Verwendung in der Produktion denkbar einfach. Jedes Modul wird seperat angesteuert, so dass auch verschiedene Versionen unterschiedlicher Länge und Pinanzahl nebeneinander betrieben werden können.

Bei richtiger Anwendung ist auch kein Anheben der LP zu befürchten. Im Bestückerbereich ist allerdings die Anzahl der Pins durch die fehlende Schablone begrenzt.
Bei Betrachtung aller Faktoren haben sich die Investitionskosten in kurzer Zeit amortisiert und anschließend wird dieses Geld gespart und damit Verdienst gemacht. Bei diesen Überlegungen sind Prozesssicherheit, Maschinenstillstandzeiten etc. noch gar nicht einbezogen.
Natürlich arbeiten wir ständig an Verbesserungen, getreu nach dem Motto von der Praxis für die Praxis. So ist unsere Zielsetzung das ganze System noch einfacher und damit kostengünstiger zu gestalten. Dies sollte uns in kurzer Zeit möglich werden.
Entwicklungsmöglichkeit im Sinne der Prozesssicherheit können auch in der Weiterentwicklung der dämpfenden Wirkung der Silikonkappen liegen als auch in der Weiterentwicklung der Widerstandsfähigkeit der Bauteile an sich.