Pick and Place bezeichnet in der Elektronikfertigung das automatisierte Aufnehmen und Platzieren von Bauteilen auf einer Leiterplatte. Bei der SMT-Bestückung setzt eine Pick-and-Place-Maschine SMD-Bauteile auf die vorgesehenen Pads einer Leiterplatte, meist nachdem dort Lotpaste aufgetragen wurde.
Inhalt
Was bedeutet Pick and Place?
Der Begriff beschreibt zwei aufeinanderfolgende Arbeitsschritte. Zuerst nimmt ein Bestückkopf ein Bauteil aus einem Zuführsystem auf. Danach setzt die Maschine dieses Bauteil an der im Bestückprogramm festgelegten Position auf der Leiterplatte ab.
In der Leiterplattenbestückung wird Pick and Place vor allem für Surface Mount Devices verwendet. Dazu gehören Widerstände, Kondensatoren, integrierte Schaltungen und weitere SMD-Bauformen. Die Leiterplatte wird durch die Maschine transportiert, ausgerichtet und während der Bestückung fixiert. Die Bauteile werden über X- und Y-Koordinaten sowie über ihre Drehung positioniert.
Wie funktioniert Pick and Place?
Eine Pick-and-Place-Maschine arbeitet mit einem Bestückprogramm. Dieses Programm basiert auf Leiterplattendaten, Stückliste und Platzierungsdaten. Die Platzierungsdaten enthalten Angaben dazu, welches Bauteil an welcher Position und in welcher Orientierung auf die Leiterplatte gesetzt werden soll.
Vor der Bestückung werden die Bauteile in Zuführsysteme geladen. Kleine SMD-Bauteile liegen häufig auf Gurten, die in Feeder eingesetzt werden. Andere Bauteile können in Röhren oder Trays bereitgestellt werden. Der Feeder stellt jeweils das nächste Bauteil an einer definierten Aufnahmeposition bereit.
Der Bestückkopf fährt zur Aufnahmeposition, nimmt das Bauteil meist mit einer Düse und Unterdruck auf und transportiert es zur Leiterplatte. Während dieses Wegs kann eine Kamera das Bauteil von unten erfassen. Die Maschine prüft dabei Form, Lage und Drehung des aufgenommenen Bauteils. Wenn das Bauteil beim Aufnehmen leicht verschoben oder verdreht wurde, kann die Maschine die Platzierung entsprechend korrigieren.
Die Leiterplatte wird in der Maschine durch optische Marken ausgerichtet. Diese Marken heißen Fiducials. Sie liegen als erkennbare Ziele auf der Leiterplatte oder auf dem Nutzen. Aus mehreren Fiducials kann die Maschine Lage, Drehung und gegebenenfalls Verzug der Leiterplatte bestimmen. Danach platziert sie die Bauteile auf den Koordinaten, die im Bestückprogramm hinterlegt sind.
Wo wird Pick and Place verwendet?
Pick and Place wird in der SMT-Bestückung von Leiterplatten eingesetzt. Die bestückten Leiterplatten finden sich in elektronischen Baugruppen für Computer, Konsumgeräte, industrielle Geräte, Medizintechnik, Fahrzeuge, Telekommunikation und weitere elektronische Produkte.
Der Ablauf ist Teil einer Fertigungskette. Vor der Bestückung wird Lotpaste auf die Pads gedruckt. Danach kann eine Lotpasteninspektion prüfen, ob die Pastendepots vorhanden und passend geformt sind. Anschließend setzt die Pick-and-Place-Maschine die SMD-Bauteile in die Lotpaste. Nach der Bestückung folgt üblicherweise das Reflow-Löten, bei dem die Lotpaste aufschmilzt und die Bauteile elektrisch sowie mechanisch mit der Leiterplatte verbindet.
Pick-and-Place-Systeme werden außerdem für Bauformen genutzt, die andere Zuführung oder besondere Werkzeuge benötigen. Große integrierte Schaltungen können aus Trays kommen. Bauteile aus Röhren können über eine Zuführeinheit zur Aufnahmeposition bewegt werden. Bei besonderen Gehäuseformen kann ein anderer Bestückkopf oder eine andere Düse erforderlich sein.
Wichtige Eigenschaften
Eine Pick-and-Place-Maschine besteht aus mehreren Funktionsgruppen. Dazu gehören Zuführsysteme, Bestückköpfe, Düsen, Kameras, Achssysteme, Leiterplattentransport und Software zur Programmausführung.
Die Zuführung bestimmt, wie Bauteile bereitstehen. Gurtfeeder transportieren Bauteile schrittweise zur Entnahmestelle. Röhrenzuführungen bringen Bauteile aus einer Röhre nach vorne. Trays halten größere oder empfindlichere Bauteile in festen Positionen.
Der Bestückkopf bestimmt, welche Bauteile aufgenommen werden können. Ein einzelner Kopf kann unterschiedliche Formen oder schwerere Bauteile handhaben, arbeitet aber pro Aufnahme mit weniger Bauteilen. Mehrfachköpfe können mehrere Bauteile in einem Durchlauf aufnehmen und absetzen. Die Auswahl des Kopfes richtet sich nach Bauteilform, Gewicht und erforderlicher Handhabung.
Das Kamerasystem erfüllt zwei Aufgaben. Es erkennt die Leiterplatte über Fiducials und erfasst das Bauteil nach der Aufnahme. Die Bildverarbeitung kann prüfen, ob das Bauteil vorhanden ist, ob es richtig aufgenommen wurde und ob seine Lage korrigiert werden muss. Bei einigen Maschinen können außerdem elektrische Eigenschaften wie Widerstand, Kapazität oder Induktivität während des Ablaufs gemessen werden. Solche Prüfungen verlängern den Takt, können aber falsche Bauteile oder Zuführfehler erkennen.
Die Software verbindet Bestückdaten mit Maschinenbewegungen. Sie legt fest, welche Zuführung welches Bauteil enthält, welcher Kopf verwendet wird und in welcher Reihenfolge die Platzierungen erfolgen. Maschinen können während der Bestückung Protokolle schreiben, etwa zu Bestückzeit, Aufnahmesfehlern, Platzierungsfehlern, Kopfverwendung und Maschinenmeldungen.
Abgrenzung zu verwandten Begriffen
Pick and Place ist nicht gleichbedeutend mit der gesamten PCBA. Der Begriff beschreibt den Bestückschritt, bei dem Bauteile aufgenommen und platziert werden. Lotpastendruck, Lotpasteninspektion, Reflow-Löten, Röntgeninspektion, THT-Bestückung und manuelles Löten sind eigene Prozessschritte.
SMT bezeichnet die Oberflächenmontage von Bauteilen auf Leiterplatten. Pick and Place ist ein Verfahren innerhalb dieses SMT-Prozesses. SMD bezeichnet die Bauteile, die für die Oberflächenmontage ausgelegt sind.
THT-Bestückung unterscheidet sich davon, weil Bauteilanschlüsse durch Bohrungen in der Leiterplatte geführt werden. Für solche Bauteile gibt es andere Bestück- und Lötverfahren. Es existieren zwar ebenfalls automatisierte Einsetzmaschinen, sie arbeiten aber mit anderen mechanischen Anforderungen als SMT-Pick-and-Place-Systeme.
Ein Bestückautomat ist oft eine Pick-and-Place-Maschine, wenn es um SMT-Bauteile geht. Der allgemeinere Begriff kann aber auch andere Automatisierungslösungen für die Montage umfassen.
Grenzen und typische Missverständnisse
Eine Pick-and-Place-Maschine kann Bauteile nur verarbeiten, wenn Zuführung, Düse, Kopf, Kameradaten und Bestückprogramm zum Bauteil passen. Kleine Anschlussabstände können eine Prüfung im Einzelfall erfordern.
Besondere Bauteile können Sonderwerkzeuge benötigen. Beispiele sind LEDs mit Linsen, spezielle Steckverbinder, Randsteckverbinder oder MELF-Bauteile. Bei Prototypen kann eine manuelle Platzierung solcher Bauteile sinnvoller sein, wenn Einrichtung oder Werkzeuge mehr Aufwand verursachen als die eigentliche Bestückung.
Ein weiteres Missverständnis betrifft die Bauteilzuführung. Bauteile müssen in ausreichender Menge und im passenden Format vorliegen. Für Gurtware kann eine Mindestlänge nötig sein, damit der Feeder den Gurt greifen und vorschieben kann. Außerdem werden Zusatzteile benötigt, weil einzelne Bauteile beim Einrichten, Prüfen oder nach einem Fehler verworfen werden können.
Fehler entstehen nicht nur beim Platzieren. Die Maschine kann ein Bauteil schon beim Aufnehmen falsch greifen, durch unpassenden Unterdruck verlieren oder wegen eines Kamerabildes nicht identifizieren. Auch falsch gewählte Aufnahmeköpfe, nicht erkannte Fiducials oder blockierte Feeder können den Ablauf stoppen. Verworfene Bauteile werden in einen Ausschussbehälter abgelegt, wenn die Maschine sie nicht sicher identifizieren oder handhaben kann.
Die erreichbare Bestückleistung ist keine feste Eigenschaft des Begriffs Pick and Place. Sie hängt von Maschinenaufbau, Kopfzahl, Bauteilformaten, Prüfungen, Verfahrwegen und Produktmix ab. Maschinen mit mehreren Köpfen oder mehreren Portalen können mehr Bauteile pro Zeit verarbeiten als Systeme mit einem einzelnen Kopf. Zusätzliche Prüfungen oder schwierige Bauteile verlängern dagegen den Ablauf.
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