Prozesse und Systeme zur Bestückung räumlicher elektronischer Baugruppen (3D-MID)

Die kontinuierliche Verbesserung bestehender Produktionsabläufe kann die langfristige Sicherung von Marktpositionen in dem durch zunehmenden Wettbewerb und anhaltenden Preisverfall charakterisierten Umfeld der Elektronikproduktion allein nicht gewährleisten. Ergänzend müssen die Rationalisierungspotentiale durch Einsatz neuer Technologien ausgeschöpft werden. Die mit wachsendem Interesse verfolgte Technologie der räumlichen elektronischen Baugruppen (3D- MID) kann für ein wirtschaftlich bedeutendes Anwendungsspektrum durch die Integration mechanischer und elektronischer Funktionen einen wesentlichen Beitrag zur nachhaltigen Verbesserung der Wettbewerbssituation leisten. Das prognostizierte starke Marktwachstum der räumlichen Schaltungsträger wird zur Zeit noch durch fehlende Lösungen zum wirtschaftlichen Aufbau dreidimensionaler elektronischer Baugruppen geprägt. Ziel dieser Dissertation ist es daher, Prozesse und Systeme zur Bestückung räumlicher elektronischer Baugruppen zu entwickeln, um die Voraussetzung für die vollständige Nutzung der beachtlichen Rationalisierungspotentiale dieser Technologie zu schaffen. Aus aktuellen Marktprognosen zur weiteren Entwicklung der räumlichen Baugruppen und einer systematischen Analyse der erforderlichen Funktionen wurden die Zielgrößen für die Montagesysteme und die prozeßrelevanten Eigenschaften der Fügepartner definiert. Darauf aufbauend wurden umfangreiche experimentelle Untersuchungen zur Prozeßführung des Pastenauftrags und der Bestückung unter den neuen Randbedingungen durchgeführt und dokumentiert. Die Bestückung räumlicher Baugruppen erfordert im allgemeinen die Handhabung der Fügepartner in sechs Freiheitsgraden, wobei die aus der Flachbaugruppenfertigung bekannten hohen Anforderungen an Mengenleistung und Präzision berücksichtigt werden müssen. In einer systematischen Analyse möglicher Kinematiken wurde die Verteilung der erforderlichen Freiheitsgrade auf getrennte Handhabungssysteme für Bauelemente und Schaltungsträger als diejenige Möglichkeit bestimmt, die unter Beachtung aller Randbedingungen die beste Erfüllung der konträren Ziele gewährleistet. Die anschließende Optimierung dieses Grundkonzepts führte zu einer Lösung, die eine dreiachsige Manipulation der Schaltungsträger im Arbeitsraum ermöglicht und die Fügebewegung der oberflächenmontierbaren Bauelemente mit zwei, voneinander unabhängigen, Bestückungswerkzeugen realisiert. In umfangreichen experimentellen Analysen wurden die Einsatzpotentiale marktverfügbarer Bestückungs- und Robotersysteme bestimmt. Dabei wurde die Prognose der kinematischen Analyse bestätigt, daß sich hierdurch nur suboptimale Lösungen, mit jeweils spezifischen Stärken, realisieren lassen. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wurden Ansätze zur modularen Erweiterung von Hard- und Software existierender Bestückungsautomaten aufgezeigt und experimentell verifiziert. Das realisierte System bietet eine kostengünstige Möglichkeit, räumliche Baugruppen mittlerer geometrischer Komplexität zu bestücken. Um die noch bestehenden Grenzen zu erweitern, wurde mit ingenieurwissenschaftlichen Methoden ein Bestückungssystem für räumliche Baugruppen nach dem oben genannten Konzept entwickelt. Mit der prototypisch realisierten Versuchszelle lassen sich Baugruppen mit bis zu 150 mm Wandhöhe bei beliebig geneigten Prozeßflächen auch bei begrenzter Länge der Fügenormalen mit hoher Mengenleistung und Präzision bestücken. Dazu werden die Prozeßflächen der Schaltungsträger mit einer aus zwei kardanisch gelagerten Rahmen bestehenden Handhabungseinrichtung in die Horizontale geschwenkt und über eine integrierte Hubachse auf die optimale Bestückungshöhe positioniert. Zur weitgehenden Elimination der prozeßbedingten Nebenzeiten für Aufnahme, Zentrierung und Test der elektronischen Bauelemente arbeiten die beiden unabhängigen Bestückungswerkzeuge alternierend. Dabei ist der eine Bestückungskopf als vierachsiges Präzisionswerkzeug ausgelegt, um die Möglichkeit zur präzisen Bestückung auch hochpoliger Bauelemente bereitzustellen. Der andere verfügt über zusätzliche Freiheitsgrade, um auch Schaltungsträger mit begrenzter Länge der Fügenormalen bestücken zu können. Die Bestückung wird von einer Steuerung mit drei Prozessoren und integrierter Kollisionsvermeidung koordiniert und kann komfortabel über eine CAD/CAM Verfahrenskette mit standardisierten Schnittstellen programmiert werden. Die entwickelte Kinematik wurde, unter Beachtung der prozeßspezifischen Randbedingungen, auch an den Einsatz in einem System zum sequentiellen Auftrag von Verbindungsmedien in räumliche Baugruppen angepaßt und deren Einsatzmöglichkeit in einer Versuchszelle experimentell nachgewiesen. Damit ist die Grundlage für weiterführende Arbeiten zur Optimierung der Verbindungstechnik in räumlichen Baugruppen geschaffen. Die komplexen Interdependenzen der prozeßbezogenen Kenngrößen erfordern eine ganzheitliche Optimierung der Gestaltung räumlicher Baugruppen. Mit der Erarbeitung von Gestaltungsrichtlinien unter den besonderen Aspekten der Prozeßschritte Pastenauftrag und Bestücken wurde zum Abschluß dieser Arbeit ein Beitrag für einen integrierten Ansatz zur systematischen Erarbeitung der funktionsund kostenoptimalen Gestaltung räumlicher Baugruppen geleistet, der in einer weiterführenden Arbeit entwickelt wird.The continuous improvement of existing production processes cannot guarantee the long-term securing of market positions in the environment of electronic production, which is characterized by increasing competition and a continuing drop in prices. In addition, the rationalization potential must be exploited through the use of new technologies. The technology of spatial electronic assemblies (3D-MID), which is being followed with increasing interest, can make a significant contribution to the sustainable improvement of the competitive situation for an economically significant range of applications by integrating mechanical and electronic functions. The forecasted strong market growth of the spatial circuit carriers is currently characterized by the lack of solutions for the economical construction of three-dimensional electronic assemblies. The aim of this thesis is therefore to develop processes and systems for the assembly of spatial electronic assemblies in order to create the prerequisites for the full exploitation of the considerable rationalization potential of this technology. The target values for the assembly systems and the process-relevant properties of the joining partners were defined from current market forecasts for the further development of the spatial assemblies and a systematic analysis of the required functions. Building on this, extensive experimental investigations into the process management of the paste application and the assembly under the new boundary conditions were carried out and documented. The assembly of spatial assemblies generally requires the joining partners to be handled in six degrees of freedom, whereby the high demands on volume output and precision known from the manufacture of flat assemblies must be taken into account. In a systematic analysis of possible kinematics, the distribution of the required degrees of freedom on separate handling systems for components and circuit carriers was determined as the option that ensures the best fulfillment of the conflicting goals, taking all boundary conditions into account. The subsequent optimization of this basic concept led to a solution that enables a three-axis manipulation of the circuit carriers in the work area and realizes the joining movement of the surface-mountable components with two, independent, assembly tools. Extensive experimental analyzes were carried out to determine the application potential of available assembly and robot systems. The forecast of the kinematic analysis was confirmed that only suboptimal solutions, each with specific strengths, can be realized. Based on these findings, approaches for modular expansion of hardware and software of existing automatic placement machines were shown and experimentally verified. The implemented system offers a cost-effective way to assemble spatial assemblies of medium geometric complexity. In order to expand the still existing limits, an assembly system for spatial assemblies based on the concept mentioned above was developed using engineering methods. The prototype test cell can be used to assemble modules with a wall height of up to 150 mm with any inclined process area, even with limited length of the joining standards, with high volume output and precision. For this purpose, the process surfaces of the circuit carriers are pivoted into the horizontal using a handling device consisting of two gimbal-mounted frames and positioned at the optimum assembly height via an integrated lifting axis. The two independent assembly tools work alternately to largely eliminate the process-related idle times for picking up, centering and testing the electronic components. One of the assembly heads is designed as a four-axis precision tool to provide the option of precisely assembling even multi-pole components. The other has additional degrees of freedom in order to also be able to equip circuit carriers with a limited length of the joining standards. The assembly is coordinated by a controller with three processors and integrated collision avoidance and can be conveniently programmed using a CAD / CAM process chain with standardized interfaces. The kinematics developed was adapted to use in a system for the sequential application of connecting media in spatial assemblies, taking into account the process-specific boundary conditions, and their possible application in an experimental cell was demonstrated experimentally. This creates the basis for further work on optimizing the connection technology in spatial assemblies. The complex interdependencies of the process-related parameters require a holistic optimization of the design of spatial assemblies. With the development of design guidelines under the special aspects of the process steps of paste application and assembly, a contribution was made to the conclusion of this work for an integrated approach to the systematic development of the functionally and cost-optimal design of spatial assemblies, which will be developed in a further work