Damit sich Festkörper-Beleuchtungssysteme mit Highpower-Leuchtdioden auf dem Markt durchsetzen können, sind nicht nur hochwertige LEDs notwendig. Ebenfalls erforderlich ist ein präziser und schneller Bestückungsprozess mit niedrigen Fehlerraten. Treten bei der Pick-and-place-Montage von Leuchtdioden Fehler auf, muss man die Ursachen solcher Mis-Picks ermitteln. Das lässt sich am besten mithilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera erreichen, die den gesamten Bestückungsprozess aufnimmt. Allerdings steht oft keine derartige Kamera zur Verfügung. In diesem Fall sollte man die Bearbeitungsgeschwindigkeit des Bestückungsautomaten so weit verlangsamen, dass Fachleute den Bestückungsvorgang beobachten können. Auf diese Weise lässt sich die Fehlerursache eingrenzen.

Um die Fehlerquote bei der automatischen Montage von Leuchtdioden zu senken, ist der Einsatz einer Fehlerbehebungspyramide hilfreich. Sie führt die Schritte auf, die im Rahmen einer Fehleranalyse anfallen und gewichtet diese. Ein typischer Fehler bei der Ursachenforschung besteht darin, dass Experten häufig an der Spitze der Pyramide beginnen, also dem Feintuning des Bestückungsprozesses. Nachjustierungen in diesem Bereich bringen jedoch kaum Verbesserungen.

Empfehlenswert: Fehleranalysepyramide

Eine höhere Erfolgsquote bei überschaubarem Aufwand versprechen Analysen, die an der Basis der Pyramide beginnen, etwa bei der Einstellung der Bestückungsköpfe inklusive der Vakuumpipetten (Nozzles). Solche Maßnahmen sollten auf Basis der Informationen erfolgen, die Leuchtdioden-Hersteller wie Cree und Anbieter von Bestückungssystemen bereitstellen. Eine Fehlerbehebungsstrategie auf Basis der angesprochenen Pyramide umfasst folgende Bereiche:

  • die präzise Ausrichtung der Nozzles (Bestückungsköpfe), welche die LEDs aufnehmen und auf der Leiterplatte absetzen,
  • eine Untersuchung der Feeder Unit (Zuführeinheit),
  • die Analyse der Rückseite des PCB
  • und das Feintuning.

Schritt 1: Bestückungskopf überprüfen

Im ersten Schritt empfiehlt es sich, die Ausrichtung der Bestückungsköpfe zu überprüfen. Diese Analyse ist einfach durchzuführen und führt nach Erfahrungen von Cree in vielen Fällen schnell zum Erfolg. Einer der kritischen Punkte im Zusammenhang mit LEDs ist die Silikonlinse. Sie erfordert spezielle Bestückungsköpfe, da sich das Silikon an herkömmlichen Köpfen aus Metall ähnlich wie bei einer Leitungsdichtung festsetzen kann. Das kann dazu führen, dass die LEDs nicht auf der Platine abgesetzt werden. Damit sich LEDs mit Silikonlinse korrekt auf der Platine platzieren lassen, kann man den Kopf beispielsweise mit einer Polyurethan-Beschichtung versehen.

Eine zweite Variante ist der Einsatz von Druckluft (Air Kiss), um die Verbindung zwischen dem Silikon der LED und dem Nozzle zu lösen. Wie hoch der Druck bemessen sein sollte und wie lange ein Air Kiss dauern darf, hängt vom Bestückungssystem und dem Material des Bestückungskopfs ab. Bei den meisten Leuchtdioden ist dieses Verfahren jedoch nicht erforderlich. Ein Nachteil des Air Kiss ist, dass der Luftstoß andere Bauelemente auf dem Board beschädigen kann.

Dimensionieren der Bestückungsköpfe

Ein weiterer Punkt, der zu Mis-Picks führen kann, ist eine fehlerhafte Auslegung des Bestückungskopfs. LED-Hersteller geben in Application Notes an, wie die Pipetten als Interface spezifiziert sein sollten. Ein zentraler Punkt ist der innere Durchmesser (Internal Dimension, ID). Es ist zwar einfach, mithilfe von Messsystemen die ID zu ermitteln. Die Messungen berücksichtigen jedoch oft nicht, dass die Linse unter Umständen nicht plan auf dem Substrat aufsetzt. Das ist dann der Fall, wenn ein Nozzle die Silikonlinse der LED in einem bestimmten Bereich aufnimmt, der Flashing Area. Dann besteht die Gefahr, dass sich Bestückungskopf und LED-Silikonlinse wie bereits beschrieben so eng verbinden, dass ein ordnungsgemäßes Absetzen der Komponente nicht mehr gegeben ist. Dies lässt sich durch den Einsatz entsprechender Bestückungsköpfe vermeiden.

Schritt 2: Die Zuführeinheit analysieren

Im zweiten Schritt sollte man die Zuführeinheit überprüfen. Das gilt für den Winkel des Abdeckbandes des Trägergurts, in dessen Taschen die LEDs untergebracht sind, ebenso wie für die Positionierung der Abziehvorrichtung (Pull-back Location) der Schutzfolien. In der Praxis hat sich gezeigt, dass die Mis-Pick-Rate sinkt, wenn die Pull-back Location näher an die Vorrichtung verlagert wird, an der die LEDs aus den geöffneten Taschen des Gurts entnommen werden. Zusätzlich empfiehlt sich eine Überprüfung des Winkels, in dem man die Abdeckfolie vom Trägergurt entfernt. Bei mehr als 30 Grad besteht die Gefahr, dass eine Leuchtdiode bereits beim Abziehvorgang aus der Tasche gezogen wird. Ein kleinerer Winkel (weniger als 30 Grad) verhindert das. Ebenfalls zu berücksichtigen ist die Ausführung des Trägerbandes. Die Taschen mit den LEDs haben relative dünne Wände. Daher besteht die Gefahr, dass die Führungsschienen des Feeders die Position der LEDs in den Taschen verändern.

Bei einigen Zuführsystemen sind die pneumatischen Solenoid-Regelventile und der Aktor separat voneinander angeordnet. Das führt möglicherweise zu einer fehlerhaften Taktgebung und Zuführung der Komponenten. Der Grund ist, dass der Luftausstoß des Ventils zu weit entfernt vom Aktor erfolgt. Dadurch baut sich ein Luftdruck auf, der während des folgenden Taktungsvorgangs die pneumatische Steuerung abrupt auslöst und unter Umständen die LEDs aus der gewünschten Position entfernt. Das lässt sich verhindern, indem man Aktor und Solenoid nahe zueinander anordnet und Nadeldrosselventile sowie Regler einetzt.

Den Motor richtig einstellen

Die Praxis hat gezeigt, dass sich Servomotoren und Gleichstrom-Schrittmotoren wegen der präzisen Motorsteuerung am besten für die Taktgebung eignen. Fachleute können zudem an den Motoren Feineinstellungen vornehmen, etwa eine Anpassung der Beschleunigungs- und Bremswerte sowie der Geschwindigkeit, mit der die Taktgebung erfolgt. Mithilfe eines Proportional-Integral-Differenzial-Reglers lässt sich zudem ein weitergehendes Feintunig durchführen, um die Effizienz des Feeders zu optimieren.

Diese Maßnahmen reduzieren den Verschleiß der mechanischen Komponenten der Zuführeinheit. Außerdem verläuft der Zuführvorgang der Komponenten weniger abrupt.

Schritt 3: Die Rückseite des PCB

Auch die Leiterplatte ist ein Faktor, der bei der Suche nach Fehlerursachen zu berücksichtigen ist. So kann es beim Fixieren des PCB auf dem Zuführsystem oder im Bestückungsautomaten zu einem Verbiegen der Platine kommen. Für das Fixieren sind pneumatische Aktoren zuständig, die aktiv werden, sobald eine Platine einen mechanischen Kontakt auslöst. Je nach Größe des PCB kann es durch das Fixieren zu einer Änderung der Horizontalebene kommen: Ein Teil der Platine liegt wegen der Biegung etwas tiefer als vorgegeben.

Das kann negative Folgen für den Bestückungsvorgang haben, wenn der Bestückungskopf nicht über eine flexible Länge verfügt. Dann wird die Komponente (LED) möglicherweise nicht oder nur teilweise mit der Lötpaste in Berührung gebracht und nicht in der gewünschten Weise auf dem PCB platziert. Zudem kann es passieren, dass sich die LED wegen der fehlenden Adhäsion durch die Lötpaste nicht vom Kopf löst. Daher verfügen die meisten SMD-Bestückungssysteme über Vorrichtungen, um die Leiterplatten auf der Rückseite abzustützen, etwa mithilfe von pneumatischen Komponenten oder mechanisch (Metallstäbe).

Die Analyse der Rückseite der Platinen sollte speziell dann erfolgen, wenn großflächige PCBs zur Bestückung vorgesehen sind. Dasselbe gilt für Boards, die man mit Werkzeugen wie Sägen oder Lasern getrennt hat, um die nachfolgende Bearbeitung zu vereinfachen.

Schritt 4: Feinschliff

Im letzten Schritt steht die Feinabstimmung des SMD-Bestückungssystems auf dem Plan. Allerdings sind diese Maßnahmen eher als Ergänzung der genannten Analysen zu sehen, weil sie in den meisten Fällen nur einen kleinen Teil der Fehlerursachen betreffen. Das Feintuning umfasst unter anderem die regelmäßige Wartung des Bestückungssystems und das Reinigen der Nozzles. Zudem ist es hilfreich, die Parameter der Steuerungssoftware zu überprüfen und anzupassen. Das betrifft beispielsweise die akkurate Platzierung der Komponenten auf einem Board und die Ermittlung des optimalen UPH-Wertes (Units per Hour), also des Durchsatzes eines SMD-Bestückungsautomaten.

Generell lassen sich zwei Arten von Parametern optimieren: die globalen Systemeinstellungen sowie individuelle Parameter. Zu den globalen Einstellungen zählt beispielsweise die Geschwindigkeit, mit der ein System alle Arbeitsschritte durchführt. In der Regel erfolgt zunächst eine Anpassung dieser Werte, wenn Fehler auftreten.

Die Einstellung der individuellen Parameter erfordert Fachleute mit Kenntnissen des Bestückungssystems. Sie können einzelne Prozessschritte und Einstellungen anpassen. Das kann etwa die Geschwindigkeit sein, mit der sich der Bestückungskopf hebt und senkt beziehungsweise die Pipette die LEDs aus den Taschen des Trägergurts herausnimmt, oder die Kraft, mit der die Aufbringung der LEDs auf die Leiterplatte erfolgt. Auch die Einstellungen der Servomotoren der Zuführeinheit und des optischen Inspektionssystems (AOI, Automated Optical Inspection) sollten nur Experten anpassen.

Fehlersuche ist kein Hexenwerk

Mit einer zielgerichteten Analyse auf Grundlage des Pyramiden-Modells lassen sich die meisten Fehlerursachen schnell und effizient ermitteln und beseitigen, die bei der Montage von LEDs mit automatischen Bestückungssystemen auftreten.

Um dem Auftreten von Fehlern vorzubeugen, sollte man die SMD-Bestückungsautomaten auf die Besonderheiten abstimmen, die bei der Montage von LEDs zu beachten sind. Entsprechende Daten stellen LED-Hersteller und Anbieter von Bestückungssystemen zur Verfügung. Da jeder Maschinenhersteller seine eigenen Aufnahmen hat und für jede Maschine ein spezielles Nozzle benötigt, sind zudem das richtige Nozzle-Material und die korrekte Nozzle-Geometrie ausschlaggebend. Cree steht daher mit vielen Herstellern von Bestückungsautomaten in engem Kontakt, um den Einsatz der richtigen Nozzles sicherzustellen. Insbesondere bei speziellen Gehäusetypen ist darauf zu achten, dass die verwendeten Nozzles mit den Empfehlungen von Cree übereinstimmen.

Eckdaten

Bestückungsautomaten sind für Surface Mount Devices bereits seit den 1980er-Jahren erfolgreich im Einsatz, auch bei der Montage von Leuchtdioden. Aber in einigen Fällen treten Fehler bei der automatischen Bestückung auf. Mithilfe einer zielgerichteten Analyse auf Grundlage des Pyramiden-Modells können Entwickler schon früh reagieren und den Hersteller bei der Fehleranalyse unterstützen.