Ihlemann

Roboter und Flying Probe in der THT-Fertigung

| Redakteur: Peter Reinhardt

Der Lötvorgang des THT-Lötroboters entspricht weitgehend dem des Lötens von Hand: Die Lötspitze wird direkt auf die Lötstelle geführt und das Lötzinn von oben zugeführt.
Der Lötvorgang des THT-Lötroboters entspricht weitgehend dem des Lötens von Hand: Die Lötspitze wird direkt auf die Lötstelle geführt und das Lötzinn von oben zugeführt. (Bild: Ortgies)

Roboter steigern die Effizienz in der THT-Fertigung. Denn bei der Elektronikfertigung medizinischer Geräte sind festgeschriebene Prozesse und exakt reproduzierbare Ergebnisse ein selbstverständlicher Standard. Und wer könnte das besser als Kollege Roboter.

Bedrahtete Bauteile nach der Durchsteckmontage werden häufig noch per Hand gelötet und manuell geprüft. Die THT-Fertigung (through hole technology) gilt deshalb als arbeitsintensiv und qualitätskritisch. Bei der Ihlemann AG wurden inzwischen mehrere Teilprozesse automatisiert. Mit Robotern in der THT-Fertigung erzielt der Elektronikfertiger gute Ergebnisse.

THT bleibt häufig erste Wahl

Hintergrund: In der THT-Fertigung kommt es häufiger zu Qualitätsproblemen als in der SMD-Bestückung. Vor allem beim Löten per Hand kann es durch zu geringe Löttemperatur zu einem fehlenden Lotdurchstieg oder zu geschädigten Bauteilen durch Überhitzung kommen. Darüber hinaus ist jeder manuelle Lötvorgang zwangsläufig individuell unterschiedlich und kann auch von der gleichen Person nicht identisch reproduzierbar wiederholt werden.

Trotz dieser Nachteile sind THT-Bauteile oft nicht zu ersetzen. Bei größeren mechanischen Belastungen, zum Beispiel durch Steckverbinder oder Schalter, bleiben THT-Bauformen erste Wahl. In anderen Fällen wird der Ersatz von THT-Bauteilen durch Designanpassungen der Leiterkarten vermieden, wenn dadurch aufwendige Neu-Zertifizierungen erforderlich werden.

THT-Bauteile automatisiert bestücken

„Für Baugruppen mit wenigen THT-Bauteilen kann der Einsatz des Pin-in-Paste-Verfahrens sinnvoll sein“, erläutert Bernd Richter, Vorstand beim EMS-Dienstleister Ihlemann AG in Braunschweig. Pin in Paste beziehungsweise die Through-hole-reflow-Technologie (THR) ist ein bekanntes, aber bisher eher selten eingesetztes Verfahren. Dank spezieller temperaturstabiler THR-Bauteilvarianten und Hilfsstoffen ist das Verfahren aus Sicht von Ihlemann jedoch durchaus praxistauglich. Bei Pin in Paste bestückt der Elektronikfertiger bedrahtete Bauelemente so wie SMD-Bauteile automatisiert. Das verbessert die Qualität, verkürzt die Verarbeitungszeit und ermöglicht zudem geringere Bauteil- und Lötstellenabstände zwischen den verschiedenen Technologien. Nachteilig sind dagegen die höheren Kosten für THR-Bauteile, da diese für die größeren thermischen Belastungen des Reflow-Lötens ausgelegt sein müssen.

Selektivlöt-Technik und Löt-Roboter ersetzen das Handlöten

Ihlemann konnte inzwischen bei sehr vielen Baugruppen das Handlöten durch das automatisierte Selektivlöten ersetzen. „Jede einzelne Lötstelle kann separat programmiert werden, um Flussmittelmenge und Lötzeit selektiv zu steuern. Durch das automatisierte Selektivlöten konnten wir in der Serienfertigung eine höhere Reproduzierbarkeit und Prozesssicherheit erzielen und auf diese Weise die Qualität der Lötergebnisse signifikant verbessern“, bilanziert Richter.

Anfängliche Probleme mit einer mangelnden Temperierung, beispielsweise von Leiterplatten mit einer größeren Kupferschichtdicke und einer größeren Masse, konnten gelöst werden. Durch eine zusätzliche Oberseitenheizung werden die Leiterplatte und die Bauteile so durchwärmt, dass ein einwandfreier Lotfluss gewährleistet ist. Das Selektivlöten wird für Abstände zwischen dem SMD-Bauteil und der zu lötenden THT-Lötstelle ab 3 mm seit Jahren erfolgreich eingesetzt. Der Trend zu immer kompakteren Baugruppen mit engeren Abständen schränkt die Einsatzmöglichkeiten des Verfahrens jedoch immer häufiger ein.

Automatisiertes Handlöten durch Roboter

Für kleinere Bauteilabstände setzt Ihlemann einen Löt-Roboter ein. Auch hier kann jede einzelne Lötstelle anhand der Koordinaten mit individuellen Lötparametern programmiert und Bauteilabstände bis zu einem Millimeter exakt angesteuert werden. Um alle Lötstellen optimal erreichen zu können, kann der Lötroboter seine Lötkolbenspitze um 360 ° drehen. „Die Robotertechnik hat auch bei kleinsten Abständen enorme Fortschritte gemacht und erreicht die hohe Zuverlässigkeit der Selektivlöttechnik“, fasst Richter die Erfahrungen zusammen.

Der Roboter-Lötvorgang selbst entspricht weitgehend dem Handlöten. Die Lötspitze wird direkt auf die Lötstelle geführt und das Lötzinn wird von oben zugeführt. Durch die Automation des Lötprozesses können jedoch die Menge des Zinns, die Lötdauer und die Temperatur exakt vorgegeben werden.

Der Unterschied zum Handlöten ist offensichtlich: Die Lötstellen des Lötroboters sind technisch und optisch immer gleich. Durch die genaue Einstellbarkeit der Lötparameter sind ein gut ausgebildeter Lötmeniskus und ein ausreichender Lotdurchstieg automatisierbar. Zudem werden Brückenbildungen sowie die Überhitzung von Bauteilen vermieden. Die IPC-A-610 kann so für jede Lötstelle zuverlässig eingehalten werden.

Automatisierte AOI ergänzt manuelle Sichtkontrollen

Trotz aller Verbesserungen in der Löttechnik ist das Fehlerrisiko in der THT-Bestückung weiterhin größer als bei SMD-Verfahren. Dies muss durch systematische Test- und Prüfverfahren ausgeglichen werden. Hier sind manuelle Sichtkontrollen noch die Regel, um beispielsweise schiefe und hochstehende Bauteile, Lötbrücken oder fehlende Bauteile zu erkennen. Durch steigende Packungsdichten und immer geringere Bauteilabstände reichen manuelle Kontrollen allerdings häufig nicht mehr aus. Automatisierte optische Kontrollen werden für die THT-Bestückung mangels geeigneter Testgeräte aber bisher kaum eingesetzt. Ihlemann hat hier die Programme einer verfügbaren Bestückungs-AOI-Technik angepasst und für THT-Anforderungen optimiert.

Integration von Flying Probe Tests

Auf die optischen Tests folgen daher Funktionstests, die per Adapter und feststehenden Testnadeln oder per Flying Probe Tests (FPT) und beweglichen Testnadeln durchgeführt werden. Ihlemann hat außerdem ergänzende Teilfunktionstests in die Prüfung integriert, zum Beispiel Hochspannungsprüfungen. Ein weiteres Beispiel sind Funktionstests für Relais, die in den FPT integrierbar sind. Für Hersteller, die eine mehrmalige Beschaltung des Relais vor der Erstinbetriebnahme empfehlen, wird im FPT beispielsweise ein fünfmaliger Schaltvorgang durchgeführt. Eine ähnliche Anforderung gilt für Netzteile, die vor der Auslieferung unter Spannung gesetzt und deren Spannungswerte überprüft werden sollen.

„Bei den gefertigten Baugruppen ist das Qualitätsniveau innerhalb von sechs Jahren um den Faktor Fünf gestiegen. Die Zahl der Rückläufer von Kunden liegt aktuell bei 0,68 %. Im nächsten Schritt soll eine Quote von unter 0,5 % erzielt werden“, gibt Richter schon ein neues Ziel für die Qualitätskennzahlen vor.

Weitere Artikel über Electronic Manufacturing Services (EMS) finden Sie in unserem Themenkanal Fertigung.

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