SMD-Linie

Wie ist eine SMD-Linie aufgebaut?

Der SMD-Prozess beinhaltet die Kernschritte Drucken, Bestücken und Löten – die aus technischen Gründen in genau dieser Reihenfolge ausgeführt werden müssen.

Beim Drucken wird Lotpaste auf eine Leiterplatte aufgebracht. Dafür sind bereits sogenannte Pads auf der Platine vorgesehen, die mit Leiterbahnen im Substrat verbunden sind. Am häufigsten werden für den Lotpastendruck sogenannte Schablonendrucker verwendet: Bei diesen wird – wie der Name schon sagt – eine Schablone über der Leiterplatte platziert. Die Lotpaste wird auf die Schablone aufgebracht und mit einem Rakel durch die Löcher in der Schablone auf die Pads gedrückt. Viele Parameter, wie beispielsweise der Rakeldruck und die Geschwindigkeit des Ablösens, die Gestaltung der Schablonenöffnungen und die Unterstützung der Leiterplatte nehmen dabei Einfluss auf das Druckergebnis. Weil die zähflüssige Lotpaste an der Schablone kleben bleibt, ist auch eine regelmäßige Reinigung der Schablone nötig. 

Der Bestücker ist das Herzstück der SMD-Linie: Ein Bestückkopf fährt im Inneren der Maschine umher und platziert Bauteile auf den mit Lotpaste benetzten Pads. Dabei werden die Bauteile so gesetzt, dass die Anschlussstellen in Kontakt mit dem Lot sind. Weil je nach Baugruppe manchmal mehrere Hundert Bauteile auf eine Leiterplatte gesetzt werden müssen, ist die Verweildauer im Bestücker oft hoch. Damit würde der Bestücker zum Bottleneck der SMD-Linie werden. Deswegen schaltet man oft mehrere Bestücker in Reihe, die verschiedene Bestückköpfe und damit auch verschieden Stärken haben: Zum Beispiel kombiniert man einen „Chip Shooter“ mit einem Allrounder. Ein Chip-Shooter ist ein Bestücker, der mit einem Revolverkopf gleich bis zu 12 kleine Bauteile aufnehmen kann, und diese dann sehr schnell platziert. In der Linie folgt dann ein Allround-Bestücker, der die großen Bauteile, Sonderformen und Stecker setzt.

Im Reflow-Lötofen fährt die Leiterplatte durch verschiedene Temperaturzonen. Abgestimmt auf das Leiterplattendesign, durchläuft jede Platine ein spezielles Temperaturprofil (Vorwärmen, Flussmittelaktivierung, Peakzone und Abkühlzone). Dabei schmilzt das Lot an und härtet schließlich aus, wodurch eine leitende Verbindung zwischen den Leiterbahnen im Substrat und den Bauteilen entsteht.

Warum braucht es Kontrollsysteme in einer SMD-Linie?

Bei den drei Kernprozessschritten "Drucken", "Bestücken" und "Löten" können einige Fehler entstehen. Deswegen werden verschiedene Inspektionssysteme zwischen diese Schritte geschaltet. Eine moderne SMD-Linie besteht daher meist aus einem Schablonendrucker, gefolgt von einem Lotpasteninspektionssystem (SPI), einem oder mehreren Bestückautomaten, einem Ofen und einem automatischen Inspektionssystem (AOI).

Das Lotpasteninspektionssystem (SPI – Solder Past Inspection) überprüft, wie der Name schon sagt, die Lotpaste, die im Drucker aufgetragen wurde. Dabei hat sich 3D Inspektion heute als Standard etabliert, d.h. man prüft das Volumen und die genaue Position des Lots. Das SPI-System überwacht, ob sich der Lotpastendruck im vordefinierten Prozessfenster befindet und bewertet die Boards mit „Good“ oder „Not Good“.

Häufig folgt dem SPI in der SMD-Linie ein Puffer-System. Dieser Aufbau dient dazu, dass die Linie wegen eines schlecht bedruckten Boards nicht zum Stillstand gezwungen wird: Ein als „Not Good“ definiertes Board fährt dann nämlich in den Puffer und kann später entnommen und gereinigt oder entsorgt werden. Dieser Prozessablauf spart Kosten, denn die Bauteile, die im Bestücker platziert werden, sind teuer. Deshalb wird das fehlerhafte Board frühzeitig aussortiert.

Der Bestückvorgang wird ebenfalls einer Kontrolle unterzogen – zum Beispiel, indem man ein automatisches optischen Inspektionssystem (AOI) gleich nach dem Bestücker platziert. Dieser Linienaufbau macht vor allem dann Sinn, wenn sehr große, teure Bauteile auf den Leiterplatten verwendet werden. Denn ist die Platine erst einmal durch den Ofen gefahren, sind die Bauteile verlötet. Das Recycling eines fehlerhaften Boards ist dann sehr aufwändig.

Die meisten SMD-Fertiger stellen das AOI allerdings hinter den Lötofen, weil beim Anschmelzen des Lots häufig Bauteile, die mit leichtem Versatz platziert wurden, in die richtige Position gezogen werden. 

Das AOI prüft die Bauteile und den Lotpastenanfluss auf Dimension, Volumen, Anschlussfehler, Versatz, Brückenbildung, Polung und Koplanarität (Verkippung). Außerdem kann die Platine auf Fremdmaterial untersucht werden. Auch bei dieser optischen Prüfung setzt man heute auf 3D Technologie. Wie schon das SPI bewertet auch das AOI die Boards mit „Good“ oder „Not Good“.

Damit schlechte Boards nicht ausgeliefert werden, sollte auch am Ende der Linie mit Magazinen gearbeitet werden: ein Magazin, in das alle schlechten Boards fahren, und ein Magazin für die guten Boards, damit diese am Ende der Linie nicht händisch entnommen werden müssen.

Weil ein optisches Inspektionssystem aber – wie der Name schon sagt – nur optisch prüfen kann, können verdeckte Lötstellen nicht überprüft werden. Verdeckte Lötstellen befinden sich zum Beispiel unter Bauteilgehäusen. Dafür kommt die Röntgeninspektion (Automated X-ray Inspektion – AXI) zum Einsatz. 

Damit die Leiterplatten am Beginn der Linie nicht händisch eingegeben und am Ende der Linie nicht manuell entnommen werden müssen, werden dort oft Eingabe- bzw. Ausgabesysteme platziert. Außerdem können Transportbänder, Aushubstationen und Puffer die Linie ergänzen.



Weil der Lötofen eine „Blackbox“ ist, können auch hier Temperaturprofiler eingesetzt werden, um den Lötprozess besser zu verstehen: Im Schatten von großen Bauteilen können Kaltzonen entstehen, was zur Folge hat, dass die Lötstellen kleiner Bauteile nicht optimal anschmelzen. Deshalb muss die Aufenthaltsdauer in den einzelnen Temperaturzonen des Ofens für jedes Leiterplattendesign angepasst werden. Außerdem wird thermische Prozesskontrolle eingesetzt, um den Lötofen zu kontrollieren: Sollte sich der Profilverlauf außerhalb des Prozessfensters befinden, schlägt das System sofort Alarm und stoppt den Prozess.

Welche automatischen regelschleifen kommen zum einsatz?

Closed-loop, eine Regelschleife zwischen Drucker und SPI, zählt heute schon fast zur Standard-Ausstattung einer SMD-Linie: Das SPI gibt Messdaten über eine Kommunikationsschnittstelle an den Drucker, der basierend darauf die Ausrichtung zwischen Schablone und Leiterplatte korrigiert und den Reinigungszyklus in fixen Intervallen anpasst.

Außerdem wird zur Taktzeitoptimierung oft Feed-forward-Kommunikation eingesetzt, d. h. ein System gibt Informationen an ein anderes System der Linie weiter, das daraufhin seine Prüfroutinen anpasst. Ein Beispiel: In einer SMD-Linie gibt das AOI seine Analyse an ein Röntgen-System weiter, damit dieses nur die auffälligen Bauteile prüft und somit enorm Taktzeit gespart werden kann. Denn bei einigen Bauteilen, reicht eine optische Prüfung vollkommen aus. Dort, wo man unter die Bauteile schauen sollte, kommt dann das Röntgensystem zum Einsatz.

Daneben gibt es natürlich automatische Prozessverriegelungen. Diese werden typischerweise an SPI und AOI gekoppelt: Detektiert ein Prüfsystem einen Fehler, kommt es zur Prozessverriegelung. Alternativ kann eine fehlerhafte Platine auch in ein Puffersystem fahren und zu einem späteren Zeitpunkt manuell bewertet oder aussortiert werden. 

Vor- und Nachgelagerte Prozesse

Rund um den SMD-Kernprozess und seiner Kontrolle gibt es noch einige weitere Schritte, mit denen die Qualität der Leiterplatte verbessert werden kann, die aber nicht zwingend für jedes Produkt erforderlich sind:

Lasermarkierung

Aus Gründen der Traceability kann an den Beginn der Linie (vor den Drucker) ein Lasermarkierungssystem gestellt werden: Es lasert auf jede Leiterplatte einen Barcode, damit diese anhand der Seriennummer zurückverfolgt werden kann.

Beschichtung

Mit einem Coating-System können Leiterplatten eine Beschichtung erhalten, die sie vor Umwelteinflüssen besser schützt. Dies wird gerade bei Baugruppen gemacht, die in sicherheitskritischer Infrastruktur oder in besonders exponierter Lage verbaut sind. 

Nutzentrennen

Platinen für Kopfhörer oder Hörgeräte sind äußerst klein. Deswegen werden mehrere dieser Baugruppen auf einem Board nebeneinander platziert. Man spricht dann von einem Mehrfachnutzen. Ist dieser Mehrfachnutzen durch die SMD-Linie gefahren, müssen die Platinen vereinzelt werden, damit sie in den Kopfhörer, das Hörgerät etc. eingesetzt werden können. Diesen Prozessschritt nennt man Nutzentrennen.

Handarbeit, mechanische Trennung, Laser – auf diese drei Methoden lässt sich der Prozessschritt des Vereinzelns von gefertigten Baugruppen reduzieren. Kleine Losgrößen sind oft ein Argument, warum der Nutzentrennprozess bis heute noch manuell durchgeführt wird. Angesichts des Fachkräftemangels und der Produktausfälle durch mechanischen Stress, der beim manuellen oder mechanischen Lösen der Baugruppen aus einem Mehrfachnutzen auf die Leiterplatte einwirkt, rechnet sich eine Automatisierung mit dem Laser jedoch auch bei kleinen Losen.

Funktions-Test

Ob die produzierte Baugruppe funktioniert, kann abschließend durch einen automatischen, elektrischen Funktionstest ermittelt werden. Da dieser Test aber stark produktabhängig ist, muss ein spezielles Testverfahren für jeden Serienauftrag entwickelt werden. Deshalb werden automatische Funktionstests nur bei Großserien gemacht. Da meist der komplette Fertigungsprozess getrackt wurde, setzt man häufig auf manuelle Stichproben.