Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e.V.
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Automatisierte Montage von räumlichen Schaltungsträgern mit Standard-SMT-Produktionsanlagen

Erfolgreicher Abschluss des AiF-Projektes 16323 N

Am 31.07.2014 wurde das AiF-Projekt „Automatisierte Montage von räumlichen Schaltungsträgern mit Standard-SMT-Produktionsanlagen“ (Kurztitel: Automatisierte Montage) abgeschlossen. Das IGF-Vorhaben 16323 N der Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e. V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Bearbeitung des Projektes erfolgte am Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) im Institutsbereich Klebtechnik und Oberflächen in Bremen.

 

Motivation und Ziele

Mechatronic Integrated Devices (MID) zeigen großes Potenzial hinsichtlich der Gestaltungsfreiheit, Miniaturisierung und Rationalisierung. Sie bieten die Möglichkeit, elektrische und mechanische Funktionen zu integrieren und so die Bauräume optimal auszunutzen. Trotz der beständigen Zunahme von MID-Anwendungen gibt es bisher keine standardisierten Produktionsanlagen, welche geometrisch komplexe Baugruppen mit geneigten Prozessflächen in den SMT-Prozessschritten Pastenauftrag, Bestücken und Löten verarbeiten. Mit den Forschungszielen ist es möglich, elektronische Bauelemente auf geneigte Prozessflächen von dreidimensionalen Schaltungsträgern mit Standardautomaten zu montieren, wobei nahezu kein Maschinenumbau notwendig ist. Somit können vorhandene Produktionsanlagen mit geringem finanziellen und zeitlichen Aufwand aufgerüstet werden, so dass diese auch dreidimensionale Schaltungsträger verarbeiten können. Im Rahmen dieses Projektes werden unterschiedliche Aufbau- und Kinematikkonzepte des automatisierten Werkstückträgers entwickelt und bewertet. Bei der Montage von elektronischen Bauelementen auf schrägen Prozessflächen können bereits auf Lotpaste oder Leitkleber bestückte Bauelemente abrutschen. Die grundlegende Analyse der Haftungseigenschaften von Bauelementen in Lotpaste und Leitkleber unter prozessbedingten Belastungen stellt ein wesentliches Ziel dar, um die prozess- und materialabhängige Notwendigkeit einer zusätzlichen Fixierung der Bauelemente während des Fertigungsprozesses zu bewerten. Unter Berücksichtigung der Verarbeitbarkeit in SMT-Produktionsanlagen werden Fixiersysteme basierend auf schnell härtenden Klebstoffen und Leitklebern entwickelt und qualifiziert.

 

Untersuchungen und Ergebnisse

 

Die entwickelte MID-Positioniereinheit stellt eine investitionsarme und flexible Erweiterung von vorhandenen SMT-Produktionsanlagen dar. Sie ist grundsätzlich für den Einsatz in Dispens-, Bestück- und Inspektionssystemen konzipiert. Die stationäre Integration der MID-Positioniereinheit in den SMD-Bestückautomaten Siplace F4 zeigt, dass sowohl am Bestückautomaten als auch an dessen Steuerungssoftware keine Modifikationen erforderlich sind. Aufgrund der Flexibilität des Systems können neben MID-Baugruppen weiterhin Flachbaugruppen verarbeitet werden. Zudem ist die MID-Positioniereinheit bezüglich der Größe der verarbeitbaren MID und des Nutzens skalierbar. Der Bestückablauf beginnt mit dem Setzen der MID vom Flächenmagazin auf die Fixierungen der MID-Positioniereinheit mit Hilfe des Pick & Place-Bestückkopfes (siehe Bild 1). Anschließend wird die erste Prozessfläche beider MID horizontal von der Positioniereinheit positioniert und die zu bestückende Prozessfläche an den Bestückautomaten kommuniziert. Nach der Erfassung der Positionsmarken bestückt der Collect & Place-Kopf die Bauelementente. Im Anschluss an die Bestückung des letzten Bauelements wird der MID-Positioniereinheit das Ende der ersten Bestücksequenz signalisiert. Die zweite Prozessfläche wird horizontal positioniert und es beginnt die zweite Bestücksequenz. Nach Fertigstellung der letzten Prozessfläche werden beide MID vom Pick & Place-Kopf nacheinander auf das Flächenmagazin zurückgesetzt.

 

Für die Qualifizierung des Montageprozesses von dreidimensionalen Schaltungsträgern wurde in Anlehnung an IPC 9850 eine Methode für die Qualifizierung der Bestückgenauigkeit bei der Bestückung von MID entwickelt. Die Qualifizierung der MID-Positioniereinheit zusammen mit dem SMD-Bestückautomaten Siplace 80 F4 zeigt, dass der ermittelte Bestückversatz innerhalb der Spezifikation des Bestückautomatens liegt. Dieses Ergebnis verdeutlicht, dass die Integration der MID-Positioniereinheit keinen Einfluss auf das Gesamtsystem hat. Somit wird auch die Machbarkeit der Integration der MID-Positioniereinheit in SMD-Bestückautomaten nachgewiesen.

 

Im Rahmen der Analyse der Haftungseigenschaften von Bauelementen in Lotpaste und Leitkleber wurden auftretende Belastungen, die auf die Bauelement während des Montageprozesses wirken, erfasst. Die Belastungen sind beispielsweise Beschleunigungen aufgrund der Drehung des MID zur Neupositionierung einer Prozessfläche. Die Analyse der Haftung wurde mit Hilfe gängiger SMT-Bauelemente, Lotpasten und Leitkleber in Abhängigkeit von definierten Positionierprofilen durchgeführt. Das Layout der Testsubstrate (siehe Bild 2) erlaubt einen einfachen optischen Test auf Versatz des Bauelements vor und nach der Belastung. Demnach besitzt das Layout neben den Kontaktflächen in Abhängigkeit der Gehäuseform Markierungen des maximal zulässigen Seitenüberhangs nach IPC-A-610 von 25 % und 50 % der Pinbreite des Bauelements. Die Analysen zum Haftungsverhalten von Bauelementen in Lotpaste und Leitkleber unter prozessbedingten Belastung während der Positionierung der MID zeigen, dass die Bauelemente bei der Einhaltung prozess-, material- und layoutabhängiger Grenzen ihre Position auf der Prozessfläche nicht verlieren. Jedoch drohen insbesondere schwere und hohe Bauelemente während der Positionierung der Prozessflächen zu verrutschen, so dass zusätzliche Maßnahmen zur Fixierung der Bauelemente getroffen werden müssen.

Auf Basis der ermittelten MID-spezifischen Anforderungen an den Klebstoff sowie der Herausforderungen des Klebeprozesses während der Bestückung wurden geeignete Klebstoffe und Auftragsverfahren identifiziert und qualifiziert. Innerhalb der Untersuchungen zum geeigneten Klebstoffsystem für die Fixierung elektronischer Bauelemente resultierten zwei grundsätzliche Konzepte. Das Konzept „Fixieren mittels Hotmelt-Klebstoffes“ (siehe Bild 3) sowie das Konzept „Fixieren und Kontaktieren durch Leitklebstoff“ stellen zwei mögliche Ansätze dar, um das Abrutschen von Bauelementen zu vermeiden. Es konnte zum einen gezeigt werden, dass der Hotmelt-Klebstoff Bauelemente innerhalb einer sehr kurzen Aushärtezeit mit hohen Scherfestigkeiten auf 3D-MID mechanisch fixiert und eine ausreichende Beständigkeit für den Reflowprozess besitzt. Der Leitklebstoff fixiert Bauelemente bereits im noch nicht ausgehärteten Zustand durch eine hohe green strength und ermöglicht durch seine schnelle Aushärtung eine Alternative zum Reflowprozess.

Der Abschlussbericht des AiF-Forschungsvorhabens kann über die Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e. V. bezogen werden. Zusätzlich wurden Ergebnisse des Projektes in den folgenden Publikationen veröffentlicht:

 

  • Pfeffer, M.; Franke, J.: Characterizing the Placement Accuracy of an Handling Unit Used for Assembling 3D Circuit Carriers. In: Proceedings of the International Symposium on Assembly and Manufacturing (ISAM). Xi’an, China, 30.07.-02.08.2013.
  • Pfeffer, M.: Automatisierte Montage von dreidimensionalen Schaltungsträgern. Seminar für aktuelle Trends in der Aufbau- und Verbindungstechnologie. Dresden, 20.06.2012.
  • Pfeffer, M.; Fischer, C.; Goth, C.; Franke, J.: Minimizing Embedded Systems Packages by Molded Interconnect Technology. In: Proceedings of the Embedded World Conference. Nürnberg, 01.-03.03.2011.

 

 

Kontakt

 

Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) – Klebtechnik und Oberflächen,

Uwe Maurieschat

Wiener Straße 12

D-28359 Bremen

Telefon: +49 421 2246-491

E-Mail: uwe.maurieschat@ifam.fraunhofer.de

URL: www.ifam.fraunhofer.de

 

Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik

Michael Pfeffer

Fürther Str. 246b

D-90429 Nürnberg

Telefon: +49 911 5302-9075

E-Mail: michael.pfeffer@faps.fau.de

URL: www.faps.fau.de

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