Projekt Sytem zum Bestücken von anspruchsvollen SMD Bauteile

[Hellmut]

Hallo Freunde

Ich habe hier im Forum in der letzten Zeit Fragen zum Thema Löten von Bauteilen wie z. B. einem LQFP100, ein STM32 Controller. Ich habe dankbar die diversen Antworten entgegen genommen und im Internet dazu recherchiert. Das Ergebnis, gerade wenn man sich auch die Systeme z. B. von Martin-smt.de ansieht, zeigt meines erachtens, dass es möglich sein sollte sich eine Umgebung zusammen zu stellen, zu bauen, mit der man wohl für längere Zeit alle Aufgaben rund um das Einsetzen beliebig komplexer Gehäuse erschlagen kann.

Ich würde mich freuen wenn sich weitere Interessenten fänden ein solches System zu erstellen.

Ein guter Ansatz ist es sich anzusehen wie die Profis es machen und davon zu lernen. Dinge wie "automatische" Erkennung und Bildverarbeitung, sowie Geschwindigkeit dürften für Hobby oder jemanden der nur für Einzelfertigung ein System braucht, zumindest am Anfang nicht relevant.

Das Projekt besteht aus mehreren Teilen:

1. Grundeinheit

Eine solche Grundeinheit sollte aus einer "Arbeitsoberfläche" bestehen in welche man die Platine einspannt.
Die Grundeinheit sollte, ähnlich wie hier im Forum beschriebene CNC-Anlagen die Möglichkeit bieten einen Aktoren über die Fläche zu bewegen und in der Höhe zu verstellen, sowie den Aktor um die senkrechte Achse zu drehen (z. B. Zum Ausrichten eines ICs!)

2. Unterhitze und Sensor

In der Grundeinheit sollte unter der befestigten Platine eine Vorrichtung mit IR-Strahlern sein, welche es ermöglicht, möglichst genau, die Platine zu erwärmen.

3. Visualisierung

Eine hochwertige USB-Kamera mit möglichst guter Auflösung damit der Benutzer auf dem PC-Schirm "sehen. positionieren und ausrichten kann".

4. Aktoren:

4.1 Dispenser

Man sollte die Möglichkeit haben sowohl Kleber, wie auch Lötpaste auftragen zu können

Diese Funktion beinhaltet einen Dispenser der die Kartuschen aufnehmen kann und der diese Betätigen kann. Gerade bei den feinen Strukturen der Pads ist das nach meinen Recherchen nicht trivial.

4.2 Bestückung

Der Benutzer sollte z. B., nachdem er Lötpaste auf die Pads aufgetragen hat, den Kleber aufgetragen hat, die Vorrichtung haben die Bauteile aufzunehmen an den Ort der Montage bringen, perfekt ausrichten und absetzen können.

4.2 Löten

Hier gibt es zwei Techniken die wohl komplementär sein könnten.

4.2.1 Löten im Reflow-verfahren

Das ist trivial, da nach dem Aufsetzen der Bauteile und ihrer Fixierung durch den Kleber die Platine in den Pizza-Ofen-Reflow-Ofen kann.

4.2.2 Löten in der Vorrichtung

Wenn man bei Martin-SMT.de schaut, so haben diese ein Heissluftverfahren und eine "Haube", welche die Heissluft geziehlt nur dem einzelnen Bauteil zuführt, während die "Unterhitze mit den IR-Strahlern die Platine an die Zieltemperatur heranführt.

4.3 Entlöten

Damit habe ich mich noch nicht genauer beschäftigt.

4.4 Rebumping

Martin-smt zeigt wie man sogar Flip-Chips, Ballgrid-Arrays nei mit den Lötkugeln versehen kann.

Auch dieser Teil ist jetzt für mich nicht relevant.


Hier im ersten Beitrag zusammenfassend:

Ich möchte mir ein System basteln mit welchen ich das Thema SMD Handhabung im Griff habe, und zwar egal wie klein die ICs sind, egal wie fein die Strukturen sind, welche die "attraktiven" ICs auf dem Markt verlangen. Ich fürchte den Trend, dass in Zukunft verstärkt interessante Komponentten nur noch in "schwierigen" Gehäusen verfügbar sein werden.

Dabei möchte ich aus Kostengründen, also Budget-Verfügbarkeit das basteln, was eingermassen gut selbst zu machen ist, und erwerben, wo der Aufwand für mich zu groß wäre!

Ich denke der Aktor für den Dispenser ist ein Kaufteil, da Lötpasten für Pads wie sie z. B. ein LQFP100 hat, Lötpaste der Klasse 6 benötigt und eine Vorrichtung "sauber" und ohne Fäden zu ziehen und in der richtigen Dosierung benötigt wird. Martin hat einen "Hand"-Dispenser der die Temperatur der Lötpaste im Dispenser auf den richtigen wert bringt und hält, eine Anlage, welche auch den Füllstand der Kartusche erfasst und berücksichtigt und den Luftdruckstoß erzeugt um die immer gleiche Dosierung zu gewährleiten. Wenn ich jetzt in einer durch Schrittmotoren betätigten Vorrichtung und der Betrachtung durch die USB-Kamera in meiner Vorrichtung den "Hand-Dispenser" führe, so kann ich Kleber und Lötpaste sauber auftragen. Nach Auskunft von Martin sind für solche Pads Alu-Düsen erforderlich. Durch die Verwendung des Hand-Dispensers von Martin habe ich auf das ganze Zubehör zugriff!

Für das Bestücken der ICs würde ich als Aktor den Dispenser durch eine Vorrichtung ersetzen die wie eine Pipette funktioniert. Diese Vorrichtung sollte durch eine Schraubverstellung sehr fein um die senkrechte Achse drehbar sein. Somit sollte eine exakte Positionierung möglich sein.

In einem späteren Schritt sollte es auch möglich sein einen Aktor zu bauen, der die Gehäusespezifischen Vorsätze für das Heissluftlöten von Einzelbauteilen zu ermöglichen.

Soweit dieser erste Beitrag.

[s.o.]

Ich bin eigentlich ein Freund von Selbstbauprojekten. In diesem Fall bin ich da aber verdammt kritisch. DIe SMT-Technologie mit ihren engen Tolleranzen steckt eine irrsinnige Entwicklungarbeit. Wenn man jetzt versucht als Laie das alles in ein paar Jahren nachzuholen, holt man sich nicht nur viel Frust ein und braucht ein langes durchhaltevermögen. Der hohe Preis dieser Maschinen ist nicht nicht nur reine Geldmache.

Ich will dich jetzt demotivieren, vielmehr auf den Boden der Tatsachen zurückholen. Du kannst ja mal versuchen SO8, SO14 richtig zu platzieren. Das wird schon schwierig genug und wäre meines erachtens noch möglich. Dann kannst du dich nal an TQFP wagen, und dann erst an LQFP.

[Neutro]

Hallo Allerseits,

da du ja auch vorhast SMD Bauteile mit diesem Gerät zu platzieren solltest du die auch Gedanken darüber machen wie diese Teile Verpackt
sind. IC´s sind entweder auf Stange oder Rolle, Transistoten, Widerstande, Kondensatoren fast ausschließlich auf Rolle. Dafür benötigt man spezielle Feeder die die Bauteile dem Automaten zuführen damit dieser die Bauteile mit einer Vakuum Pipette aufnehmen kann. Früher hatten wir in der Firma einen alten Optimaten stehen der immer nur ein Bauteil aufnehmen konnte, mit diesem über eine Kamera gefahren ist um die Ausrichtung zu bestimmen und das Teil dann platziert hat. (Mittlerweile haben die Bestückungsautomaten locker 12 Pipetten gleichzeitig und sind so schnell das man mit bloßem Auge kaum noch sehen kann wie schnell das geht) aber das Grundprinzip ist das selbe geblieben. Einen Eigenbau der von dir beschriebenen Vorrichtung würde ich mir aber kaum selber zutrauen, wobei ich dich hier nicht demotivieren möchte!
Vielleicht kann man sich ja bei ...bay mal nach einer alten Maschine umsehen und diese evtl. noch modifizieren. Kostenmäßig habe ich da aber keinen Pan.

MfG

Neutro

[Hellmut]

Erstmal danke für die Antworten.

zu s.o.:
Ich will deshalb auch Teile von Martin-smt verwenden und meinen Selbstbau auf das beschränken was man selber machen kann! Martin verwendet eine Kamera mit 1944x2595 Pixel und zeigt das Bild auf dem PC-Bildschirm bei einem Bildausschnitt von max. 65x85 mm. Solche Kameras bekommt man und sie sind sicher eine notwendige Ausgabe. Eine automatische Führung durch Bilderkennung und Bildverarbeitung ist doch bei unseren Privateinsätzen nicht nötig. Selbst ein LQFP100, habe ich den Dispenser auf dem ersten Pad richtig positioniert, so kann ich die Schrittweite von 0,5 mm dann durch die entsprechende Schrittanzahl des Schrittmotors fahren. Sollten die Pads nicht 100% parallel zur Verstellachse des Dispensers liegen, so kann man das am Bildschirm erkennen und korrigieren. Der Einsatz eines Schrittmotors macht schon deshalb Sinn, da wenn man konstruktiv z.B. eine Schrittweite von 0.01 mm bauen kann. Fehler die durch das Spiel der Mechanik auftreten kann man dann händisch korrigieren nachdem man dieses am Bildschirm gemerkt hat!

Ob man die IR-Vorrichtung zum Aufheizen der Platine nun selber baut oder käuflich erwirbt hängt von Preis-/Aufwand-Verhältnis ab.

Definitiv ist "Martin Clever-Dispens" als Dosier-Einheit ein Kaufteil. Die Temperaturregelung, die Regelung des Druckluftstosses in Abhängigkeit des Füllgrades der Kartusche und die verfügbaren Alu-Düsen kann man selber wohl nur mit riesigem Aufwand machen. Sogar als Lieferant der Klasse 6 Lötpaste ist Martin ein guter Kandidat!

zu Neutro:
Meine Zielsetzung ist es nicht eine automatische Positionierung durch Bilderkennung und -Verarbeitung zu bauen. Als Privatie oder Auftragsentwickler reicht es die Positionierung, ähnlich wie mit einem Koordinatentisch zu machen, also händisch zu machen!
Meine Vorstellung ist es die Bauteile lose, oder durch "Halten" der "Bänder" mit den Bauelementen, nur einen kurzen "Strip" auf der Vorrichtung abzulegen, diese mit der Pipette aufzunehmen und dann zur Platine fahren. Für das Fahren ist sicher jeweils ein Schrittmotor mit einer hinreichend kleinen Schrittweite ein guter Kompromiss zu dem mit der Hand betätigen. 2D plus Höhe sind sinnvoll und vom Aufwand vertretbar. Was das Drehen der ICs um die senkrechte Achse zur Ausrichtung des ICs angeht, so schwebt mit eine Umsetzung mit einem Schneckengetriebe vor, um eine möglichst große Untersetzung zu haben und diese von Hand oder auch per Schrittmotor zu betätigen. 0,1 Grad Auflösung sollten kein Problem sein.
Hier kommt die hochauflösende USB-Kamera zum Zuge da der Benutzer auf dem PC-Bildschirm sehr exakt die Ausrichtung des Bauteils verfolgen und einstellen kann.
Für die Höhenverstellung könnte der Einsatz eines Sensors die letzten Milimeter regeln.

Auch interessant ist die Möglichkeit die Aufsätze von Martin zum Löten von ICs mit per Heissluft einzusetzen. Dann muss man allerdings wohl ebenfalls Komponenten von Martin einzusetzen. Aber sicher nicht im ersten Schritt! ich werde es zuerst mit dem reflow-Verfahren machen!

Ich will aber im allgemeinen den Reflow-Ofen einsetzen.

Zu guter letzt ist bei den anspruchsvollen Gehäusen die Vermeidung des Popcorn-Effektes kritisch. Egal ob Heissluft- oder Reflow-Verfahren, ist die Feuchtigkeit der Bauteile ein kritisches Thema.

Ich verwende meinen Backofen in der Küche um Bauteile zu trocken. Sobald die vorgeschriebenen Backzeiten ereicht sind, oder falls ich die Backzeiten, bis 48 Stunden, unterbrechen muss, so kommen die Bauteilen in die ESD-Tütchen und diese dann in einen kleinen Plastikbeutel mit Trockenmittel, die ich mit der Unterdruck-Lebensmittel-Einschweissvorrichtung versiegele. Für ICs werde ich daher diese Art der trockenen Lagerung einführen. Ein erstes Ergebnis meiner Beschäftigung mit dem Projekt! Lötet man Bauteile mit Lötkolen von Hand ist der Popcorneffekt kein Thema, verwende ich aber das Reflow-verfahren ist es ein Thema!

Sicher dürfte einen solche Vorrichtung schon von den Kaufteilen bei etwas über 1500,- € liegen! Die beiden großen Posten sind die USB-Kamera mit Objektiv und der Dispenser der mit 650,- € plus MWSt. zu buche schlägt. Selbst eine feine 0,4 mm Alu-Düse kostet schon 149,- €!

Ich gehe davon aus da die Mechanik ein sehr relevantes Spiel aufweisen wird, ich spreche ja von Schrittweiten von 0,01 mm. Schon deshalb muss vom Benutzer über den PC-Bildschirm mit dem Bild der USB-Kamera der Fehler ausgeglichen werden.
Bei dem von mir angepeilten Verfahren sollte die Lötpaste auf einem Pad einer Seite des ICs etwa alle 5 Sekunden abgesetzt werden, also etwa 2 Minuten pro Seite beim LQFP100. Also etwa 10 Minuten für ein solches Bauteil plus Reflow-Zeit. Industriell unsinnig, aber viel besser als die Platine und das Bauteil von einem Profibestücker aufbringen lassen.

Das tolle aber wäre dann jegliches Bauteil selber bestücken zu können!

Bitte macht eure Meinung weiter kund!

[Neutro]

Die größte Hürde bei dir scheint ja daran zu liegen das es dir leider nicht möglich ist Finepitch IC´s von Hand zu setzen und zu verlöten. Aber eigentlich ist das reine Übungssache solche Teile von Hand zu verlöten. Das ganze unterfangen ist nur von deiner ruhigen Hand und der richtigen Auswahl des Flussmittels abhängig. Es gibt da super Produkte die eine Honig ähnelnde Konsistenz und Farbe haben. Das übrige "Hühnerfutter" kann ja bis zum RC 0603 oder Sot leicht vun Hand gesetzt werden.
Zu deiner Feststellung bezüglich der Bauteilfeuchtigkeit kann ich nur sagen das eher die Platinen vor dem Wellenlöten "getempert" werden sollten da es hier in einigen Fällen zur Delamination der einzelnen Lagen kommen kann. Ein anderer Effekt der mit dem Reflowlöten zusammenhängt ist der Grabsteineffekt insbesondere bei RC 1206 und 0805 Bauteilen. Hier hilft meistens nur die Erstellung eines geeigneten Temperaturprofils um eine Gleichmäßige Wärmeverteilung zu erreichen.

MfG

Neutro

[Hellmut]

Hallo Neutro, ich kann dir leider nur zustimmen! Meine Hand zittert zu sehr, meine Augen sind zu schlecht und mein Appetit auf moderne Bauteile groß. Zu guter letzt, das Projekt erscheint mir sehr interessant und auf Dauer auch von großem Nutzen!

Ich war vor vielen Jahren bei Motorola Halbleiter für die Siemens Nixdorf verantwortlich. Als ich das Werk in Augsburg zur Betreuung übernahm, hatten wir gewaltige Probleme mit unseren, damals noch 8kx8 SRAMs für die Caches der PCs, mit dem Popcorn-Effekt.

Den Begriff "Grabsteineffekt" kenne ich noch nicht! Was bedeutet er?

Ich danke dir aber für die Info zu den Platinen beim Reflow! Ich fahre zur Zeit noch von Hand und mit einem Multimeter als Temperaturmessgerät und einer Uhr mit Sekundenzeiger die Temperaturprofile gemäß Datenblatt!

[Earl-Grey]

Hallo Neutro,

den Grabsteineffekt (oder auch Tombstone Effect) kenne ich persönlich nicht von 1206 Bauteilen (von 0805er Bauteilen eigentlich auch nicht), dafür sind die zu gross. Problematisch wird es ab 0603 und natürlich darunter. Hier hilft ein "geeignetes" Temperaturprofil relativ wenig. Die Ursachen dafür liegen in einer ungünstigen Padgeometrie (zu gross) oder einer ungleichmäßigen Anbindung von Leiterbahnen an die Pads. Beispiel: ein 0402er Bauteil wird an einer Seite mit einer 150µm Leiterbahn verbunden, an der anderen Seite wird es vollflächig im Kupfer angebunden. Die Seite des Bauteils, welche vollflächig angebunden ist wird schneller kalt - das Bauteil wird entweder mechanisch belastet (Gefahr der Rissbildung insbesondere bei Keramik C's) oder es bilden sich Grabsteine: das Bauteil stellt sich hochkant auf - es sieht aus wie ein Grabstein ! Wenn du nur genügend davon auf deinem Board hast sieht es aus wie auf dem Friedhof !
Das Layout spielt gerade bei diesen kleinen Dingern ("Feinstaub") eine endscheidende Rolle.

Gruss Earl-Grey

[Hellmut]

Also Freunde

Bin ein klein wenig weiter. Ich habe jetzt die aktuelle Preisliste von martin-SMT.de und kann dank dieser Unterlagen meinen Besuch dort vorbereiten.

Mein Ziele sind:

1. Dispenser / Bestücker:

Das Gerät soll wie eine Portal-CNC-Fräse aufgebaut sein. Da hier genaue Positionierung und nicht Kraft und Drehmomente gefordert sind, kann die Vorrichtung vergleichweise filigran aufgebaut werden.

2. Löten

Wenn man sich als Vorbild die Martin Expert-09.6 heranzieht, so könnte man die Lösung unter erstens duch ein Feld ergänzen mit IR-Strahlern.

Klar ist für mich die Zielsetzung selber die "low-tech" Elemente zu realisieren und das das Ziel die Handhabung der Prozesse manuell zu realisieren. dabei soll das system so gestaltet werden, dass es Vorrichtungen von Martin-SMT.de einsetzen kann.

Mir schwebt der Erwerb einer "Clever-Dispense-05" Einheit mit Kopf-HS, Auto-Vakuum für 5 ccm mit Heizung inklusive Fußtaste vor. da ich davon ausgehe nie viel zu löten und es wichtig ist die Lötpaste frisch zu haben, ist die kleinste Kartuschengröße mehr als hinreichend. da ich sehr feine Pads mit Lötpaste beauftragen möchte habe ich an Lotpaste 5ccm Super-Finepitch-6 gedacht. ich möchte mit der Vorrichtung nicht nur Lötpaste, sondernauch Flux Creme und Kleber auftragen können. dazu eine Dosierdüse Mikro 0,14 mm / 0,07 S plus Material zum Reinigen der Düse.

Die gewählte Vorrichtung kann den Luftdruckstoss zum Dosieren extrem fein steuern und sorgt durch konstante Temperatur und der Luftdosieriung in Abhängigkeit des Füllgrades der kartusche für einen konstanten, nicht fadenziehende, Lötpastenauftrag. Die 05 Dispenser Einheit bietet dazu noch ein Vakuum um bei flüssigen Medien, z.B. Kleber die Flüssigkeit nach der Abgabe der Dosierung zurückzuhalten.

Weiterhin sol meine Anlage die speziellen Pipetten von Martin-smt für die Platzierung der bauteile nutzen. Welche Vorrichtung und welche Rahmenbedingungen hierzu eingehalten werden müssen möchte ich nochin Erfahrung bringen.

Zu guter Letzt, möchte ich das Fahren der Portalvorrichtung, unter Nutzung des Bildes einer hochwertigen USB-Kamera auf dem Computer-Display von Hand gesteuert erfolgen lassen.

Das Studium der Rework Einheit Martin Expert-09.6 zeigt 2 "Arme". Eines mit der kamera und guter Beleuchtung und eines mit Dispenser, Bestückungsvorrichtung. ganz besonders interessant ist hier das von martin-SMT patentierte Heißluft-verfahren. Ich bin der Überzeugung eine Lösung muss für diese dann zuzukaufenden Lötwerkzeuge unterstützen können.

Die IR-Strahler und die Sensoren kann man bei Martin ebenfalls erwerben und der Bau der IR-Heizung der Platine von unten sollte kein zu grosses Problem darstellen.

Martin bietet zu einem sehr vernünftigen Preis die temperaturgeregelte Heissluftquelle, so dass man zusammen das Lötverfahren implementieren können sollte. Das Augenmerk auf die Verwendbarkeit der Werkzeuge von Martin sollte den Zugriff auf ihre Werkzeuge gewährleisten.

Ich möchte hier ganz deutlich machen, dass ich nicht ein Konkurrenzprodukt zu den Angeboten der Firma Martin für mich persönlich bauen will, sondern eine bezahlbare Lösung die wunderbaren Werkzeuge einsetzen zu können.

Die grosse Dynamik in der Gehäusetechnik und bei den Anforderungen an das Bestücken, ist meine Lösung mich an einen solchen Marktführer zu hängen.

So was haltet ihr davon?

[Neutro]

Hallo Hellmut,

ich wünsche dir für dein Projekt viel Erfolg, der Winter kommt ja erst noch und somit die langen Abende an denen man gerne viel herumbastelt. Die von dir erdachten Lösungen klingen jedenfalls sinnvoll. Bitte halte das RN auf dem laufenden.

LG

Neutro

[Hellmut]

Hallo

Hatte meinen Termin bei Martin-SMT, bin dort vom "Senior" sehr freundlich und sehr kompetent aufgenommen worden und hatte ein sehr lehrreiches und für meine Zielsetzung positives Gespräch. Werde zum Jahreswechsel die Teile der Firma bestellen.
Das Dispenser-System im Einsatz zu sehen war sehr beeindruckend. Ich brauchte eine Lupe um die Lötpasten-Kügelchen auf den Pads zu erkennen!
Ich beschäftige mich zur Zeit mit der Auslegung des "Portals" zum positionieren des Dispensers. Das Portal soll es erlauben auf diesem sowohl das Dispensen auszuführen, sowie auf der dort befestigten Platine mit Unterhitze per IR-Strahler von Hand mit dem Lötkolben zu löten oder zu entlöten. Auch das Positionieren der Bauteile auf den Pads wird unterstützt.
Sollte jemand Erfahrung haben, wie man die Bilddaten einer USB-Kamera in Echtzeit in einen externen RAM-Speicher, z. B. den eines ARM-Prozessors zu laden mit Overlays zu versehen und das ganze auf ein Graphikdisplay abzubilden wäre ich an Infos interessiert. Der Grund ist es, Paralaxe-Fehler bei der Aufnahme zukorrigieren und das Portal zu steuern damit es die Lötpaste automatisch auftragen kann. Auch zum Positionieren der ICs auf die Lötpads wäre einer Möglichkeit von Interesse das Portal so zu steuern, dass es das IC korrekt ablegt. Ist eine quick-and-dity-Frage!