Hinter den Begriffen Industrie 4.0 und Internet der Dinge (IoT) verstecken sich nicht nur für Maschinenbauer die signifikanten Ziele des frühen 21. Jahrhunderts, sondern auch für die Hersteller und Entwickler von elektronischen Komponenten. Dabei stehen einerseits die Kommunikation der einzelnen Maschinen untereinander, andererseits die höheren Datenraten und Automatisierungsgrade im Fokus. Somit besteht auch für die Hersteller und Designer elektronischer Bauteile ein hohes Interesse an diesen Themen.

Was ist Tape & Reel?

Bild 1: Die Verpackungsoption Tape & Reel besteht aus einem Blistergurt, dem Click-Reel, dem Bauteil und in den meisten Fällen einer Bestückungshilfe.

Bild 1: Die Verpackungsoption Tape & Reel besteht aus einem Blistergurt, dem Click-Reel, dem Bauteil und in den meisten Fällen einer Bestückungshilfe. Fischer Elektronik

Die Verpackungsoption Tape & Reel besteht aus dem Blistergurt (Tape), dem Click-Reel, dem Bauteil und in den meisten Fällen einer Bestückungshilfe. Der Blistergurt ist eine Folie, welche durch einen Heißprägestempel tiefgezogen wird. Dabei wird das Negativ des einzulegenden Bauteils durch den Stempel geformt. Entscheidend dabei ist die Ausprägung der Einführschrägen. Werden die Einführschrägen zu schmal gewählt, kann es zu Problemen bei der Entnahme des Bauteils kommen. Bei zu breiten Einführschrägen besteht die Gefahr eines Verschiebens beziehungsweise Umkippens des Bauteils im Blistergurt. Der Click-Reel ist eine Kunststoffspule und besteht aus zwei runden Kunststoffplatten, welche ineinander gedrückt werden.

Anschließend wird der bestückte Blistergurt aufgewickelt. In den Blistergurt lassen sich verschiedene aktive und auch passive Bauelemente verpacken. Neben Mikroprozessoren, Transistoren und Kondensatoren gibt es diese Lösung auch für passive Bauelemente wie beispielsweise Leiterkartensteckverbinder oder auch SMD-Kühlkörper. Um eine reibungslose und schnelle Entnahme zu gewährleisten, sind die meisten Steckverbinder mit einer Bestückungshilfe versehen. Diese Bestückungshilfe wird häufig auf die elektrischen Kontakte der Bauteile gesteckt und dient der Oberflächenvergrößerung. Eine andere Option der Bestückungshilfe ist die sogenannte Kaptonscheibe, welche beispielsweise auf die Rippengeometrie von Kühlkörpern geklebt wird und auch der Oberflächenvergrößerung dient.

Automatisierte Bestückung

Bild 2: Diese Stiftleisten sind mit einer Bestückungshilfe ausgestattet.

Bild 2: Diese Stiftleisten sind mit einer Bestückungshilfe ausgestattet. Fischer Elektronik

Die Bestückung mit Leiterkartensteckverbindern und anderen elektronischen Bauelementen geschieht über das gleiche Prinzip. Dabei spielt es keine entscheidende Rolle, ob die Bauteile in einem Stangenmagazin oder einem Blistergurt verpackt sind. Sowohl die Stangenmagazine als auch Blistergurte werden einem automatischen „Feedersystem“ zugeführt. Der Feeder fördert die einzelnen Steckverbinder oder andere elektronische Bauelemente über ein Fördersystem hin zu einem Bestückungsroboter. Bei Stangenmagazinen wird häufig ein Revolvermagazin verwendet, damit der Leiterkartenbestücker den Feeder nicht so häufig befüllen muss. Im Vergleich dazu wird bei Tape & Reel kein zusätzliches Magazin benötigt, da auf einer Spule je nach Bauteilgeometrie bis zu mehreren Tausend Steckverbindern verpackt sein können. Hierbei wird der Blistergurt immer um eine Kavität nach vorne gefördert, die verschweißte Folie abgestreift und das Bauteil aus dem Blistergurt entnommen.

Die elektromechanischen Bauelemente sind für eine bessere Handhabung des Bestückungsroboters mit einer Bestückungshilfe oder einer Kaptonscheibe versehen. Diese beiden Bauteile dienen der Oberflächenvergrößerung, da viele Bestückungsroboter neben einem Greifer über eine Venturidüse verfügen. Die Steckverbinder werden vorzugsweise über einen pneumatischen Greifer mit der Venturidüse aufgenommen und auf die vorgesehene Stelle auf der Leiterkarte platziert. Dabei wird in der Venturidüse ein Unterdruck erzeugt, welcher das Ansaugen des Steckverbinders ermöglicht. Der Unterdruck wird solange aufrechterhalten, bis der Steckverbinder auf der Leiterkarte platziert wurde. Wenn ein Greifersystem implementiert ist, nimmt der Roboterarm mit dem Greifer den Steckverbinder auf und platziert ihn ebenso auf der Leiterkarte.

Lötprozesse

Nachdem alle aktiven und passiven Bauelemente auf der Leiterkarte bestückt wurden, beginnt das Verlöten der Bauelemente auf der Leiterkarte. Dabei wird bei Bauelementen, die der Through-Hole-Technology zugeordnet sind, das Wellenlöten angewendet, um die Bauteile zu kontaktieren. Dabei fährt die Leiterkarte über eine Lötwelle, wobei die Kontaktstifte der Bauteile an der Unterseite der Leiterkarte mit Lot überzogen werden. Bei oberflächenmontierten Bauelementen (SMD) sind die Bauelemente auf chemisch aufgetragene Lötpads aufgelegt und fahren durch einen Reflowofen. In diesem Reflowofen wird die Temperatur von Zone zu Zone immer weiter erhöht, bis eine Löttemperatur von etwa 260° C erreicht ist. Bei 260° C ist das Lötzinn vollständig aufgeschmolzen und benetzt somit die SMT-Kontakte (Surface Mount Technology) der elektronischen Bauelemente. Anschließend wird die Temperatur in den nachfolgenden Zonen langsam runtergeregelt, sodass es nicht zum Aufplatzen der Benetzungsschicht kommt.

Tape & Reel im Vergleich zu anderen Verpackungen

Bild 3: Tape & Reel und Stangenmagazine haben beide ihre Daseinsberechtigung, letzte vor allem wenn es um die Fertigung von Prototypen oder Kleinserien geht.

Bild 3: Tape & Reel und Stangenmagazine haben beide ihre Daseinsberechtigung, letzte vor allem wenn es um die Fertigung von Prototypen oder Kleinserien geht. Fischer Elektronik

Die Vorteile von Tape & Reel sind die Nachteile des Stangenmagazins. Einerseits liegen die Vorteile in den wesentlich höheren Stückzahlen, die auf einem Blistergurt verpackbar sind und somit einen höheren Automatisierungsgrad ermöglichen. Andererseits sind die Steckverbinder einzeln in den Kavitäten des tiefgezogenen Blistergurtes verpackt, womit ein Verhaken der Steckverbinder vollkommen ausgeschlossen ist. Bei Stangenmagazinen ist die Anzahl der Steckverbinder durch die standardmäßige Länge von 550 mm begrenzt. Somit ist das Revolvermagazin bei hohen Stückzahlen häufiger manuell aufzufüllen.

Vorteil der begrenzten Länge und des Revolvermagazins ist jedoch, dass selbst in der Prototypenphase eine automatisierte Bestückung der elektronischen Bauelemente möglich ist. Somit kann der Anwender in der Prototypenphase oder bei geringeren Stückzahlen auf das Stangenmagazin zurückgreifen, um eine automatisierte Bestückung zu vollziehen, und bei einer großen Serienfertigung den Schritt hin zu Tape & Reel machen, damit der automatisierte Bestückungsprozess nicht durch ständiges Wechseln und Befüllen der Stangenmagazine unterbrochen wird. Eine Verpackung der Steckverbinder im Karton wird nur bei robusten Steckverbindern empfohlen, da die Gefahr von verbogenen Kontaktstiften im Vergleich zum Tape & Reel sehr hoch ist.

Fazit

Alles in allem lässt sich festhalten, dass sich sowohl Tape & Reel als auch Stangenmagazine als Verpackungsformen für die automatisierte Bestückung von elektronischen Bauteilen in den vergangenen Jahren etabliert haben. Der Trend geht in den vergangenen Jahren eher hin zu Tape & Reel, denn damit ist ein höherer Automatisierungsgrad möglich und Tape & Reel beinhaltet im Vergleich zu Stangenmagazinen weniger Fehlerquellen. Zusätzlich werden auch immer mehr Blistergurte entwickelt und eingerichtet, da die Anzahl der Steckverbinder und elektronischen Bauteile in den vergangenen zehn Jahren stetig angestiegen ist, und ein Ende dieses Trends ist noch nicht ersichtlich. Dennoch behalten gerade in der Prototypenphase oder bei kleineren Stückzahlen auch die Stangenmagazine ihre Daseinsberechtigung.