Auswahl- und Platzierungsprozess in der Oberflächenbautechnik (SMT): Grundprinzipien, technische Herausforderungen und Zukunft

Der Pick-and-Place-Prozess (Surface Mount Technology) ist das Kernstück der Surface Mount Technology (SMT), der mikroelektronische Bauteile präzise an den vorgesehenen Positionen auf der Leiterplatte (PCB) durch hochpräzise automatisierte Geräte montiert. Dieser Prozess bestimmt direkt die Zuverlässigkeit, die Produktionseffizienz und den Integrationsgrad elektronischer Produkte. Mit der Entwicklung der 5G-Kommunikation, des Internets der Dinge und der Automobilelektronik hat die Pick-and-Place-Technologie kontinuierlich die Grenzen der Genauigkeit und Geschwindigkeit durchbrochen und ist zum Eckpfeiler der modernen Elektronikfertigung geworden. Dieser Artikel analysiert umfassend den Betriebsmechanismus und die Entwicklungsrichtung dieses Prozesses unter Aspekten wie Geräteaufbau, Funktionsprinzip, wichtige technische Herausforderungen und zukünftige Trends.

Das Pick-and-Place-Gerät (Surface Mount Machine) arbeitet durch mehrere Präzisionsmodule zusammen, und seine Kernstruktur umfasst:

Das Zuführsystem befördert die Bauteile im Band, in der Röhre oder im Tray über den Feeder zur Pickposition. Der Bandfeeder verwendet Zahnräder, um das Materialband anzutreiben und die kontinuierliche Versorgung mit Bauteilen sicherzustellen. Der Vibrations-Bulk-Feeder passt den Zuführrhythmus durch die Vibrationsfrequenz (200-400 Hz) an.

Die Bestückungsmaschine (SMT) ist mit hochauflösenden Kameras und Bildverarbeitungsalgorithmen ausgestattet. Durch die Identifizierung von Markierungspunkten und Bauteilmerkmalen auf der Leiterplatte (z. B. Pin-Abstand und Polaritätsmarkierungen) erreicht sie eine Submikron-Positioniergenauigkeit (unter ±15 μm). Beispielsweise kann die Flugbildausrichtungstechnologie die Bauteilidentifizierung während der Bewegung des Roboterarms abschließen, und die Bestückungsgeschwindigkeit kann bis zu 150.48 Punkte pro Stunde erreichen.

Der Bestückungskopf verwendet ein paralleles Design mit mehreren Saugdüsen (üblicherweise 2 bis 24 Saugdüsen) und adsorbiert die Bauteile durch Vakuum-Unterdruck (-70 kPa bis -90 kPa). Bauteile unterschiedlicher Größe müssen mit speziellen Saugdüsen abgeglichen werden: 0402-Bauteile verwenden Saugdüsen mit einer 0,3 mm großen Öffnung, während größere Bauteile wie QFP größere Saugdüsen benötigen, um die Adsorptionskraft um 79 zu erhöhen.

Das X-Y-Z-Drei-Achsen-Servoantriebssystem erreicht in Kombination mit der Linearschiene eine Hochgeschwindigkeits- (≥30.000CPH) präzise Bewegung. Beispielsweise wird im Bereich großer Bauteile die Bewegungsgeschwindigkeit reduziert, um den Einfluss der Trägheit zu minimieren, während im Bereich von Mikrobauteilen ein Hochgeschwindigkeits-Pfadoptimierungsalgorithmus eingesetzt wird, um die Effizienz zu steigern 910.

Der Pick-and-Place-Prozess muss eng mit den Vor- und Nachfolgeprozessen koordiniert werden. Die wichtigsten Schritte umfassen:

Die Lotpaste wird durch die Laser-Stahlmaske (mit einem Öffnungsfehler von ≤5 %) auf die Leiterplattenpads gedruckt. Der Rakeldruck (3-5 kg/cm²) und die Druckgeschwindigkeit (20-50 mm/s) beeinflussen direkt die Dicke der Lotpaste (mit einem Fehler von ±15 %). Nach dem Druck wird durch 3D-Lotpasteninspektion (SPI) sichergestellt, dass das Volumen und die Form dem Standard 410 entsprechen.

Nachdem der Bestückungskopf Materialien vom Feida entnommen hat, korrigiert das visuelle System den Winkelversatz der Bauteile (θ-Achsen-Rotationskompensation), und der Bestückungsdruck (0,3-0,5 N) muss präzise gesteuert werden, um ein Zusammenfallen der Lotpaste zu vermeiden. Beispielsweise benötigt der BGA-Chip ein zusätzliches Abluftlochdesign, um den Löteffekt zu optimieren 410.

Der Reflow-Lötofen ist in vier Stufen unterteilt: Vorheizen, Eintauchen, Reflow und Abkühlen. Die Spitzentemperatur (235-245℃ für bleifreie Verfahren) muss präzise für 40-90 Sekunden gehalten werden. Die Abkühlrate (4-6℃/s) wird verwendet, um eine Versprödung der Lötstelle zu verhindern. Die Heißluftmotordrehzahl (1500-2500 U/min) sorgt für eine gleichmäßige Temperatur (±5℃) 410.

Die automatische optische Inspektion (AOI) identifiziert Defekte wie Versatz und Fehllöten durch Mehrwinkel-Lichtquellen mit einer Fehlbeurteilungsrate von weniger als 1 %. Die Röntgeninspektion (AXI) wird für die interne Defektanalyse von versteckten Lötstellen wie BGA verwendet. Der Reparaturprozess verwendet Heißluftpistolen und Konstanttemperatur-Lötkolben. Nach der Reparatur ist eine sekundäre Ofenverifizierung erforderlich.

Trotz der Reife der Technologie steht Pick and Place immer noch vor folgenden Kernherausforderungen:

Bauteil 01005 (0,4 mm * 0,2 mm) erfordert eine Bestückungsgenauigkeit von ±25 μm. Nano-Stahlmasken (Dicke ≤50 μm) und adaptive Vakuum-Saugdüsen-Technologie sollten eingesetzt werden, um das Wegfliegen oder Abweichen von Material zu verhindern 410.

Für QFN-Gehäuse sollte die Stahlmaske auf 0,1 mm verdünnt und Abluftlöcher hinzugefügt werden. 3D-gestapelte Gehäuse (wie SiP) erfordern, dass die Bestückungsmaschine die Mehrschichtausrichtung unterstützt, und die Laserbohrgenauigkeit muss weniger als 0,1 mm betragen 410.

Die Reflow-Zeit von Bauteilen wie LEDs muss um 20 % verkürzt werden, um das Vergilben der Linsen zu verhindern. Stickstoffschutz (Sauerstoffgehalt ≤1000 ppm) beim Heißluftschweißen kann Fehllöten durch Oxidation reduzieren 47.

Künstliche Intelligenz wird tief in das AOI-System integriert, und Defektmuster werden durch maschinelles Lernen identifiziert, wodurch die Fehlbeurteilungsrate auf weniger als 0,5 % reduziert wird. Vorausschauende Wartungssysteme können Frühwarnungen vor Geräteausfällen ausgeben und so Ausfallzeiten um 30 % reduzieren 410.

Die modulare Surface Mount Technology (SMT)-Maschine unterstützt den schnellen Wechsel von Produktionsaufgaben und ermöglicht in Kombination mit dem MES-System die Produktion in verschiedenen Varianten und kleinen Chargen. AGV- und intelligente Lagersysteme können die Materialvorbereitungszeit um 50 % reduzieren.

Die Verbreitung von bleifreiem Lot (Sn-Ag-Cu-Legierung) und Niedrigtemperatur-Schweißverfahren hat den Energieverbrauch um 20 % gesenkt. Reinigungsmittel auf Wasserbasis ersetzen organische Lösungsmittel und reduzieren die VOC-Emissionen um 90 % 310.

Die 3D-IC-Technologie für 5G- und KI-Chips treibt die Entwicklung von Surface Mount Technology (SMT)-Maschinen in Richtung ultradünner Substrate (≤0,2 mm) und hochpräziser Stapelung (±5 μm) voran, und die lasergestützte Bestückungstechnologie wird der Schlüssel sein.

Der Pick-and-Place-Prozess fördert kontinuierlich den Fortschritt der Elektronikfertigung in Richtung hoher Dichte und hoher Zuverlässigkeit durch die gemeinsame Innovation von Präzisionsmaschinen, intelligenten Algorithmen und Materialwissenschaften. Von nanoskaligen Saugdüsen bis hin zu KI-gesteuerten Erkennungssystemen hat die technologische Entwicklung nicht nur die Produktionseffizienz gesteigert, sondern auch die Kernunterstützung für neue Bereiche wie Smartphones, autonomes Fahren und Wearables geleistet. In Zukunft wird dieser Prozess mit der Vertiefung der intelligenten und umweltfreundlichen Fertigung eine wichtigere Rolle bei der Innovation der Elektronikindustrie spielen.