Pick-&-Place-Gerät

Das Löten mit einem Reflowofen hat den Vorteil, dass man Bauteile nicht mehr einzeln auflöten muss, sondern dass alle SMD-Bauteile einer Platine auf einmal im Ofen gelötet werden. Dafür muss man jedoch zuerst Lotpaste auf die Pads aufbringen und anschließend die Bauteile darauf platzieren. Das Aufsetzen der Bauteile kann zwar mit einer Pinzette und einer ruhigen Hand erfolgen, jedoch ist das nicht einfach und man kann leicht dabei verrutschen. Eine Alternative zur klassischen Pinzette ist eine Vakuumpinzette, die Bauteile durch Unterdruck ansaugt. Das hat den Vorteil, dass die Bauteile direkt von oben gehalten werden, was auch bei solchen Bauteilen problemlos geht, die rundherum Pins haben (QFP). Die ruhige Hand kann man verbessern, indem man eine Vorrichtung baut, die die Vakuumpinzette hält und es ermöglicht, sie durch Führungen unterstützt genau zu positionieren. Zwei Projekte für eine solche manuelle Bestückungshilfe dienten mir als Vorlage, zum einen das Projekt von Leo-Andres und zum anderen das von vpapanik.
Mechanisch ähnelt mein Aufbau stark dem von vpapanik, jedoch habe ich statt Aluminiumprofile Stahlrohre als Schienen genommen. Die Rohre sind in Nuten eingelegt, die mit einer Oberfräse in die Hölzer gefräst wurden, wodurch sie sehr stabil aufliegen und nicht wegrollen. Das Gegenstück bilden sechzehn 26-mm-Kugellager, die ich noch in meinem Fundus hatte. Allgemein wurde bei diesem Projekt vor allem auf vorhandenes Material zurückgegriffen.

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Die eigentliche Vakuumpinzette ist ein 7 mm dickes Aluminiumrohr, welches von einem Messingrohr geführt wird. Die beiden Rohre kommen aus meiner Restekiste, haben anfangs jedoch nur klemmend ineinandergepasst. Um die Teile perfekt gleitend passend zu machen, habe ich meine Standbohrmaschine als Drehbank missbraucht. Das dünne Aluminiumrohr wurde in das Bohrfutter eingespannt und so lange mit Schleifpapier und Schleifvlies bearbeitet, bis es den perfekten Durchmesser hatte. In das untere Ende wurde die Spitze einer 1-ml-Spritze eingesetzt. Diese hat vorne einen Luer-Konus, auf den sich genormte Kanülen verschiedener Dicke aufsetzen lassen. Am anderen Ende der Rohrs ist der Schlauch zur Vakuumpumpe angebracht. Dieser wurde mit Hitze und einem kegelförmigen Werkzeug (in dem Fall ein Körner) am Ende etwas geweitet und dann mit einem Stück Schrumpfschlauch am Rohr befestigt. Er ist drehbar und aufgrund des geweiteten Endes rutscht er nicht aus dem Schrumpfschlauch heraus. Ein einfaches Gummiband dient als Rückhohlfeder, so dass die Pinzette von alleine hochfährt. Das ist wichtig, damit sie nicht auf die Platine fällt, wenn man sie aus Versehen loslässt. Auch kann man Bauteile leichter platzieren, wenn man zum Anheben der Pinzette nur loslassen muss. Wenig Kraftaufwand ist für ein genaues Arbeiten wichtig. Daher wurde auch ein ganz einfacher Mikrotaster zum Steuern der Vakuumeinheit benutzt. Anfangs kam ein sehr hochwertiger Taster mit einem deutlichen Druckpunkt zum Einsatz. Jedoch stellte sich heraus, dass ein schwacher Druckpunkt besser ist. Der Taster ist auf dem Schlitten mit der Pinzette angebracht. Er wird mit dem Ringfinger bedient. Die Pinzette selbst wird wie ein Stift mit Daumen, Zeige- und Mittelfinger geführt.

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Steuerung

Die Vakuumeinheit ähnelt der von Leo Anders. Auch ich setzte als Unterdruckpumpe die MITSUBISHI G6T50371ZC ein. Allerdings habe ich auf eine separate Überdruckpumpe verzichtet, sondern den Schlauch zum Auspusten des Bauteils auch an der MITSUBISHI-Pumpe angeschlossen. Jedoch verschließt der Schlauch nicht den ganzen Luftauslass, denn sonst könnte die Pumpe nicht vernünftig saugen. Wenn die Ventile auf "saugen" gestellt sind, wird Luft durch die Pinzette gesaugt und neben dem Schlauch für das Freiblasen ausgestoßen. Im Pustemodus kann die Luft in diesen Schlauch eingeblasen werden und somit das Bauteil von der Pinzette abstoßen. Das ist wichtig, weil es sonst gelegentlich trotz abgeschaltetem Unterdruck kleben bleibt. Ich bin mir des Paradoxons bewusst, dass der Lufteinlass der Pumpe im Ausblasemodus verschlossen ist und sie somit auch nicht wirklich blasen kann. Jedoch scheint es auszureichen und zumindest sorgt die Umschaltung dafür, dass der Unterdruck aus dem Schlauch entweichen kann.
Die Pumpe arbeitet, ebenso wie die beiden Magnetventile, mit 12 Volt. Bei der Suche nach einer schnellen Lösung für die Steuerung griff ich auf mein Infinity-Mirror-Projekt zurück,denn dessen Steuerung ist eine kompakte Platine mit einem digitalen Eingang und der Fähigkeit, vier 12-Volt-Verbraucher zu schalten. Plötzlich konnte ich den ganzen Hype um Arduinos verstehen. Wenn man seine Platinen selbst herstellt, fragt man sich, warum man 20 € für eine Schaltung mit Bauteilen im Wert von 5 € bezahlen soll. Aber es ist für kleine Projekte sehr praktisch, wenn man einfach ein fertiges Modul aus dem Regal nehmen kann. Es wurde eine kleine Firmware (66 Zeilen C) zum ansteuern der Pumpe und der Ventile geschrieben.

Das Ganze wurde in ein Kunststoffgehäuse eingebaut. Über LEDs, die den Magnetventilen parallel geschaltet sind, wird deren Schaltzustand angezeigt. Eine Anzeige für die Pumpe ist nicht nötig, da diese akustisch auf sich aufmerksam macht. Die Schaumstoffdämmung, die in dem unteren Foto zu sehen ist, dämpft den Geräuschpegel jedoch drastisch und bringt ihn auf ein erträgliches Maß. Um ein Verheddern des Schlauches und der Kabel zu verhindern, werden diese zunächst nach oben geführt und an einer Stange befestigt, die in den Schlitten eingesteckt werden kann. Die USB-Mikroskop-Kamera, die neben der Pinzette befestigt ist, hilft beim Bestücken übrigens nicht allzu viel, da man mit dem direkten Blick einfach besser arbeitet. Allerdings ist der Aufbau eine hervorragende Führung für das Mikroskop und eignet sich gut für Analysezwecke, um z. B. das Ergebnis des Reflowlötens zu begutachten.

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Der Gesamtprozess

An dieser Stelle möchte ich einmal den gesamten Bestückungs- und Lötprozess in Bildern zeigen. Die Platine, die in dieser Bilderserie zu sehen ist, ist die meines L-C-ESR-Meters.

Der Ausgangspunkt ist die leere Platine und die entsprechende SMD-Schablone. Aus Platinenresten und Klebeband wird zunächst ein Rahmen gebaut, der die Platine hält.


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Die Schablone wird auf der Platine positioniert und an einer Kante mit Klebeband auf dem Tisch befestigt, so dass sie nach oben weggeklappt werden kann, ohne dass die Ausrichtung verloren geht. Die Lotpaste wird dann durch die Schablone gerakelt (z. B. mit einer Plastikkarte).

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Nun werden die Bauteile in die Lötpaste gesetzt. Praktischerweise hat die Bestückungsmaschine so eine große Arbeitshöhe, dass man die Bauteile direkt aus den SMD-Containern nehmen kann und sie nicht erst gerichtet werden müssen.

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Nach dem Bestücken kommen die Platinen in den Ofen und werden gelötet. Zum Schluss wird das Ergebnis inspiziert. Hierbei ist ein Mikroskop sehr nützlich.

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© 2014 - 2017 Philipp Meißner