Pick-and-Place-Tutorial: Eine praktische End-to-End-Anleitung (von den Grundlagen bis zur Produktion)

Wichtige Erkenntnisse

Die Oberflächenmontagetechnik (SMT) hängt stark von der Präzision der Bauteilplatzierung ab, wodurch das Verständnis der automatisierten Bestückung für die moderne Elektronik entscheidend ist. Dieser Leitfaden deckt den gesamten Arbeitsablauf ab, von der Datenvorbereitung bis zur Endkontrolle.

Definition: Pick and Place ist der robotische Prozess des Entnehmens elektronischer Bauteile aus Zuführungen und deren Platzierung auf einer Leiterplatte (PCB).
Daten sind entscheidend: Ein erfolgreicher Durchlauf hängt vollständig von genauen Centroid (XY)-Dateien und einer sauberen Stückliste (BOM) ab.
Geschwindigkeit vs. Präzision: Hochgeschwindigkeits-Chip-Shooter unterscheiden sich stark von flexiblen Bestückungsautomaten, die für komplexe ICs verwendet werden; das Wissen um den Unterschied spart Kosten.
Vision-Systeme: Moderne Maschinen verwenden optische Ausrichtung, um die Bauteilrotation und -verschiebung vor der Platzierung zu korrigieren.
Validierung: Die Erstmusterprüfung (FAI) ist unerlässlich, um Massenfehler zu vermeiden.
Häufige Falle: Das Vernachlässigen der SMT-Bauteilpolarität während der Entwurfsphase ist die Hauptursache für Funktionsausfälle.
Reflow-Kontext: Die Platzierung ist nur die halbe Miete; die Platine muss den Ofen überstehen, was dies zu einem großartigen Ausgangspunkt für einen Reflow-Profil-Anfänger macht.

Was ein Pick-and-Place-Tutorial wirklich bedeutet (Umfang & Grenzen)

Um die spezifischen Schritte in diesem Leitfaden zu verstehen, müssen wir zunächst die Grenzen der Technologie definieren und wo sie in die Fertigungslinie passt. Ein Pick-and-Place-Tutorial bezieht sich im Allgemeinen auf den Betrieb und die Programmierung des SMT-Bestückungsautomaten, der das Herzstück der Leiterplattenbestückungslinie ist.

Bei APTPCB (APTPCB Leiterplattenfabrik) überbrückt dieser Prozess die Lücke zwischen einer unbestückten Platine und einem funktionsfähigen Gerät. Die Maschine verwendet pneumatische Saugdüsen oder mechanische Greifer, um Komponenten zu transportieren. Es ist kein eigenständiger Vorgang; es befindet sich direkt zwischen dem Lotpastendruckprozess und dem Reflow-Ofen.

Der Umfang dieses Tutorials umfasst:

Maschineneinrichtung: Bestücken der Feeder und Konfigurieren der Düsen.
Programmierung: Umwandlung von Leiterplatten-Designdaten in Maschinenkoordinaten.
Betrieb: Die eigentliche Bestückung der Teile.
Verifizierung: Sicherstellen, dass die Teile vor dem Löten an der richtigen Stelle sind.

Dieser Leitfaden gilt für alles, von Desktop-Prototyping-Maschinen bis hin zu industriellen Fördersystemen, die von APTPCB verwendet werden.

Wichtige Metriken (wie man Qualität bewertet)

Sobald Sie den Umfang der Maschinen verstanden haben, müssen Sie die Metriken lernen, die zur Bewertung ihrer Leistung und Eignung für Ihr Projekt verwendet werden. Nicht alle Maschinen sind gleich, und die folgenden Parameter bestimmen, ob eine bestimmte Konfiguration Ihr Design verarbeiten kann.

Metrik	Warum es wichtig ist	Typischer Bereich oder Einflussfaktoren	Wie man misst
CPH (Komponenten pro Stunde)	Bestimmt den Durchsatz und die Herstellungskosten. Höhere Geschwindigkeit bedeutet in der Regel niedrigere Kosten pro Einheit bei Volumenproduktion.	Prototyp: 1.000–3.000 CPH Mittelklasse: 10.000–20.000 CPH Hochgeschwindigkeit: 50.000+ CPH	Gemessen anhand der Softwareprotokolle der Maschine während eines kontinuierlichen Laufs, Ausfallzeiten ausgenommen.
Platzierungsgenauigkeit	Entscheidend für kleine Bauteile (0201, 01005) und Fine-Pitch-ICs. Schlechte Genauigkeit führt zu Brücken und Kurzschlüssen.	Standard: ±50µm Hohe Präzision: ±10µm bis ±25µm	Gemessen mit einer Glaskalibrierplatte oder Cpk-Analyse der platzierten Bauteile.
Bauteilbereich	Definiert, was die Maschine physisch handhaben kann. Einige Maschinen können keine schweren Steckverbinder oder winzige Widerstände heben.	Min: 01005 imperial Max: 150mm Steckverbinder oder BGAs	Überprüft durch Kontrolle der Düsenbibliothek und der Spezifikationen des Visionssystems.
Feeder-Kapazität	Begrenzt, wie viele einzigartige Teile gleichzeitig geladen werden können. Geringe Kapazität erfordert mehrere Durchläufe oder Maschinenneuladungen.	Klein: 20–30 Steckplätze (8mm Band) Groß: 100+ Steckplätze	Anzahl der verfügbaren 8mm Bandsteckplätze an den Feeder-Bänken.
Rüstzeit	Die verlorene Zeit beim Wechsel von einem Produkt zum anderen. Entscheidend für die High-Mix-, Low-Volume-Produktion.	Schnell: <15 Min (wechselbare Wagen) Langsam: >1 Stunde (feste Feeder)	Stoppuhrmessung von der letzten Platine von Auftrag A bis zur ersten guten Platine von Auftrag B.
Geschwindigkeit der Bildausrichtung	Die "On-the-fly"-Ausrichtung ist schneller als "statische" Kameras, die ein Anhalten des Kopfes erfordern.	Überflug: Keine Verzögerung Nachschlagen: Fügt 0,5s pro Teil hinzu	Vergleichen Sie die Nenn-CPH mit aktivierter Vision vs. deaktivierter Vision.

Auswahlhilfe nach Szenario (Kompromisse)

Das Verständnis der Metriken ermöglicht es Ihnen, die richtige Ausrüstung oder das richtige Serviceniveau basierend auf Ihrem spezifischen Produktionsszenario auszuwählen. Es gibt keine "perfekte" Maschine, sondern nur die richtige Maschine für die aktuelle Aufgabe.

Szenario 1: Der Hobbyist / Einzelprototyp

Ansatz: Manueller Vakuumsauger oder Pinzette.
Kompromiss: Extrem niedrige Kosten, aber hoher Arbeitsaufwand und hohes Risiko menschlicher Fehler.
Am besten geeignet für: Einfache Platinen mit weniger als 50 Komponenten und ohne Fine-Pitch-ICs.

Szenario 2: Internes F&E-Labor

Ansatz: Automatischer Desktop-Bestückungsautomat.
Kompromiss: Moderate Kosten (5k–15k $), aber langsame Geschwindigkeiten und begrenzte Feeder-Steckplätze. Erfordert ständige Bedieneraufmerksamkeit.
Am besten geeignet für: Schnelles Iterieren von Designs, ohne auf externen Versand warten zu müssen.

Szenario 3: Geringes Volumen / Hoher Mix (Der Lohnfertiger)

Ansatz: Flexibler Bestückungsautomat mit austauschbaren Feeder-Wagen.
Kompromiss: Geringere Höchstgeschwindigkeit, aber sehr schneller Wechsel zwischen verschiedenen Aufträgen.
Am besten geeignet für: Lohnfertiger, die täglich 10 verschiedene Aufträge mit jeweils 50–100 Platinen bearbeiten.

Szenario 4: Hohes Volumen / Geringer Mix (Massenproduktion)

Ansatz: Chip-Shooter (Revolver- oder Rotationskopf) kombiniert mit einem Multifunktionsbestücker.
Kompromiss: Extrem hohe Kapitalinvestitionen und lange Einrichtungszeiten. Nur effizient, wenn er tagelang ohne Unterbrechung läuft.
Am besten geeignet für: Unterhaltungselektronik (Telefone, LED-Treiber) mit über 10.000 Einheiten.

Szenario 5: Komplexe HF- und BGA-Bestückung

Ansatz: Hochpräzisionsbestücker mit nach oben gerichteten Kameras und Kraftregelung.
Kompromiss: Langsamere Bestückungsgeschwindigkeit, um eine schonende Handhabung und perfekte Ausrichtung der Ball Grids zu gewährleisten.
Am besten geeignet für: Hochfrequenzplatinen, die Materialien wie Rogers oder Teflon verwenden.

Szenario 6: LED-Lichtleistenbestückung

Ansatz: Spezialmaschine mit extra langer Platinenunterstützung und Förderbändern.
Kompromiss: Spezialisierte Mechanik macht diese Maschinen oft ungeeignet für die Handhabung von standardmäßigen komplexen PCBs.
Am besten geeignet für: 1,2-Meter-LED-Streifen oder Architekturbeleuchtung.

Vom Design zur Fertigung (Implementierungs-Checkpoints)

Nach der Auswahl des richtigen Ansatzes beginnt die eigentliche Implementierung. Dieser Abschnitt des Pick-and-Place-Tutorials beschreibt die schrittweisen Checkpoints, die erforderlich sind, um von einer CAD-Datei zu einer fertigen PCBA zu gelangen.

1. BOM-Bereinigung und -Verifizierung

Empfehlung: Sicherstellen, dass jeder Posten eine Herstellerteilenummer (MPN) und einen eindeutigen Bezeichner hat.
Risiko: Zweideutige Teile (z. B. „10k Widerstand“) führen zu Beschaffungsverzögerungen oder falschen Nennleistungen.
Abnahme: Verwenden Sie ein BOM Viewer Tool, um die Verfügbarkeit und Gehäusetypen zu überprüfen.

2. Generierung der Centroid-Datei

Empfehlung: Exportieren Sie die "Pick and Place"- oder "XY-Koordinaten"-Datei aus Ihrem EDA-Tool. Sie muss X, Y, Rotation, Seite (Oberseite/Unterseite) und Designator enthalten.
Risiko: Wenn der Ursprungspunkt falsch ist, platziert die Maschine Bauteile im leeren Raum.
Abnahme: Öffnen Sie die Datei in einem Texteditor. Die Koordinaten sollten den Platinenabmessungen entsprechen.

3. Nutzenbildung und Fiducials

Empfehlung: Fügen Sie globale Fiducial-Marker (1mm Kupferkreise) zu den Nutzenstegen und lokale Fiducials in der Nähe von Fine-Pitch-ICs hinzu.
Risiko: Ohne Fiducials kann die Maschine eine PCB-Ausdehnung oder -Dehnung nicht korrigieren, was zu Fehlausrichtungen führt.
Abnahme: Visuelle Überprüfung der Gerber-Dateien.

4. Schablonendesign und Pastendruck

Empfehlung: Die Schablonenöffnungen müssen exakt mit den Bauteil-Footprints übereinstimmen.
Risiko: Zu viel Paste verursacht Kurzschlüsse; zu wenig verursacht offene Lötstellen.
Abnahme: Überprüfen Sie das Pastenauftragsvolumen, bevor Sie die Bestückungsmaschine in Betrieb nehmen.

5. Feeder-Bestückung und Spleißen

Empfehlung: Laden Sie Komponenten in die korrekten Feeder-Steckplätze, wie vom Maschinenprogramm definiert.
Risiko: Das Laden eines 10k-Widerstands in den 1k-Steckplatz ist ein stiller Killer; die Platine sieht perfekt aus, fällt aber elektrisch aus.
Akzeptanz: Verifizierung durch Barcode-Scanning (intelligente Zuführungen) oder Doppelprüfung durch einen zweiten Bediener.

6. Maschinenprogrammierung und -optimierung

Empfehlung: Die Centroid-Datei importieren und den Bestückungspfad optimieren, um die Verfahrwege zu minimieren.
Risiko: Nicht optimierte Pfade erhöhen die Zykluszeit erheblich.
Akzeptanz: Simulationslauf in der Maschinensoftware.

7. Bildverarbeitungstraining

Empfehlung: Der Maschine beibringen, wie jedes Bauteil aussieht (Gehäusegröße, Anschlusskonfiguration).
Risiko: Die Maschine wird gute Teile ablehnen, wenn die Bildverarbeitungsparameter zu streng oder falsch sind.
Akzeptanz: Den „Ausschussbehälter“ beobachten. Wenn er sich füllt, ist das Bildverarbeitungstraining schlecht.

8. Erstmusterprüfung (FAI)

Empfehlung: Eine einzelne Platine bestücken. Manuell oder mit einem automatisierten System prüfen.
Risiko: Die Bestückung einer Charge von 100 Stück ohne Prüfung des ersten kann zu 100 Ausschussplatinen führen.
Akzeptanz: 100% visuelle und Wertprüfung der ersten Platine.

9. Reflow-Profilierung

Empfehlung: Sicherstellen, dass das thermische Profil den Spezifikationen der Paste und der Komponenten entspricht. Ein Reflow-Profil-Anfänger sollte mit dem Datenblatt des Pastenherstellers beginnen.
Risiko: Thermoschock oder kalte Lötstellen.
Akzeptanz: Thermoelement-Sondenlauf auf einer Testplatine.

10. Automatische Optische Inspektion (AOI)

Empfehlung: AOI nach dem Reflow verwenden, um Schräglagen, Tombstoning und fehlende Teile zu erkennen.
Risiko: Menschliche Inspektoren ermüden schnell; AOI ist konsistent.
Abnahme: Überprüfen Sie die AOI-Protokolle auf Fehlalarme vs. echte Defekte.

11. Elektrische Prüfung

Empfehlung: Führen Sie Flying Probe- oder Bed of Nails-Tests durch.
Risiko: Die physische Platzierung sieht gut aus, aber die elektrische Verbindung fehlt.
Abnahme: Bestanden/Nicht bestanden-Bericht.

12. Endreinigung und Verpackung

Empfehlung: Flussmittelrückstände bei Bedarf entfernen und in ESD-sicheren Beuteln verpacken.
Risiko: Korrosion im Laufe der Zeit oder ESD-Schäden während des Versands.
Abnahme: Visuelle Sauberkeitsprüfung.

Häufige Fehler (und der richtige Ansatz)

Auch erfahrene Ingenieure machen Fehler. In diesem Bestückungs-Tutorial heben wir die häufigsten Fehler hervor, die bei APTPCB beobachtet wurden, um Ihnen zu helfen, diese zu vermeiden.

1. Falsche Bauteilpolarität

Der Fehler: Die Kennzeichnung auf dem Siebdruck ist mehrdeutig, oder die CAD-Footprint-Rotation stimmt nicht mit der Gurt-und-Rollen-Ausrichtung überein. Dies ist ein klassisches Problem der SMT-Bauteilpolarität.
Die Lösung: Pin 1 deutlich auf dem Siebdruck markieren. Footprint-Bibliotheken standardisieren. Den "Zero Orientation"-Standard (IPC-7351) verwenden.

2. Fehlende oder verdeckte Fiducials

Der Fehler: Lötstopplack über Fiducials platzieren oder diese ganz vergessen.
Die Lösung: Sicherstellen, dass Fiducials aus blankem Kupfer mit einer klaren Sperrzone bestehen. Beachten Sie die DFM-Richtlinien für Standardgrößen.

3. Falsche Düsenwahl

Der Fehler: Verwendung einer kleinen Düse für ein schweres Bauteil (Bauteil fällt herunter) oder einer großen Düse für ein kleines Bauteil (Vakuumleck oder Störung benachbarter Bauteile).
Die Lösung: Spezifische Düsen in der Maschinenbibliothek basierend auf Bauteilgewicht und Oberfläche zuweisen.

4. Tombstoning (Manhattan-Effekt)

Der Fehler: Ungleichmäßige Pad-Größen oder thermische Verbindungen führen dazu, dass eine Seite eines Chips schneller reflowt, wodurch das Bauteil aufgerichtet wird.
Die Lösung: Symmetrische thermische Entlastung auf den Pads sicherstellen.

5. Bauteilhöhen-Interferenz

Der Fehler: Platzieren eines hohen Kondensators neben einem Stecker, wodurch der Weg der Düse oder des Portals blockiert wird.
Die Lösung: Die Maschine so programmieren, dass kürzere Bauteile zuerst platziert werden, oder ausreichenden Abstand zwischen hohen Bauteilen sicherstellen.

6. Verformte Platinen

Der Fehler: Verwendung dünner PCBs (0,8 mm oder weniger) ohne Unterstützung, wodurch sie während der Platzierung federn.
Die Lösung: Magnetische Stützstifte oder kundenspezifische Vakuumhalterungen unter der Platine verwenden.

7. Fehler beim Band-Spleißen

Der Fehler: Falsches Verbinden von zwei Bauteilrollen, was zu einem Stau oder einer Rasterverschiebung führt.
Die Lösung: Geeignete Spleißwerkzeuge und Messing-Shims verwenden; Raster nach dem Spleißen überprüfen.

8. Ignorieren der Feuchtigkeitsempfindlichkeitsstufen (MSL)

Der Fehler: Kunststoffgekapselte Chips (wie BGAs) der Luft aussetzen, was während des Reflow-Lötens zu "Popcorning" führt.
Die Lösung: Bauteile backen, wenn sie über ihre MSL-Einstufung hinaus exponiert wurden, bevor sie in die Maschine geladen werden.

FAQ

F: Kann ich eine Bestückungsmaschine für Through-Hole-Bauteile verwenden? A: Im Allgemeinen nein. Obwohl es einige "Sonderform"-Maschinen gibt, ist die Standard-Bestückung für Surface Mount Devices (SMD) ausgelegt. Through-Hole erfordert normalerweise manuelles Einsetzen oder Wellenlöten.

F: Was ist der Unterschied zwischen einem Chip Shooter und einem Flexible Mounter? A: Ein Chip Shooter ist auf Geschwindigkeit und kleine passive Bauteile (Widerstände/Kondensatoren) optimiert und verwendet oft einen Revolverkopf. Ein Flexible Mounter ist langsamer, verarbeitet aber große ICs, Steckverbinder und ungewöhnliche Formen mit hoher Präzision.

F: Wie erstelle ich die Centroid-Datei? A: Die meisten PCB-Designsoftware (Altium, Eagle, KiCad) verfügen über eine spezielle Exportfunktion dafür. Sie gibt eine CSV- oder TXT-Datei mit den X-, Y- und Rotationsdaten aus.

F: Warum ist mein Bauteil um 90 Grad falsch gedreht? A: Dies ist eine Bibliotheksinkonsistenz. Die "Nullrotation" in Ihrer CAD-Software könnte von der Standardeinstellung der Maschine abweichen. Der Bediener korrigiert dies normalerweise während der Einrichtungsphase.

F: Muss ich meine Leiterplatten panelisieren? A: Für die maschinelle Bestückung, ja. Maschinen arbeiten am besten mit Standardrahmenmaßen. Einzelne kleine Platinen sind schwer zu spannen. Die Panelisierung erhöht die Effizienz.

F: Welches ist das kleinste Bauteil, das APTPCB verarbeiten kann? A: Moderne Maschinen können 01005 (imperial) Bauteile verarbeiten, aber 0201 ist die Standardgrenze für die meisten kostengünstigen Verbraucherprodukte.

F: Woher weiß die Maschine, ob ein Bauteil korrekt aufgenommen wurde? A: Es verwendet einen Vakuumsensor (der den Druckabfall prüft) und ein Vision-System (Kamera), um die Anwesenheit und Ausrichtung des Bauteils auf der Düse zu überprüfen.

F: Was passiert, wenn dem Feeder die Bauteile ausgehen? A: Die Maschine löst einen Alarm aus und pausiert. Bediener müssen eine neue Rolle spleißen oder den Feeder ersetzen. Smarte Feeder verfolgen die Bauteilanzahl, um Bediener im Voraus zu warnen.

F: Ist Bestückung (Pick and Place) für Prototypen teuer? A: Die Einrichtungskosten (Programmierung und Schablone) machen es für 1-2 Platinen teuer. Für Chargen von 10+ wird es jedoch deutlich günstiger und zuverlässiger als die manuelle Bestückung.

F: Wie gebe ich die Bauteilorientierung für Dioden an? A: Verwenden Sie Standard-Industriemarkierungen in Ihrer Bestückungszeichnung. Stellen Sie sicher, dass die Kathode deutlich gekennzeichnet ist. Dies verhindert SMT-Bauteilpolaritätsfehler.

Glossar (Schlüsselbegriffe)

Begriff	Definition
SMT	Oberflächenmontagetechnik. Die Methode zur Herstellung von Schaltkreisen, bei der Komponenten direkt auf die Oberfläche von PCBs montiert werden.
SMD	Oberflächenmontagebauteil. Das eigentliche Bauteil (Widerstand, IC usw.), das für SMT entwickelt wurde.
Fiducial	Fiducial-Markierung. Eine Kupfermarkierung (normalerweise ein Kreis) auf der Leiterplatte, die vom Bildverarbeitungssystem der Maschine zur Ausrichtung verwendet wird.
Nozzle	Düse. Die Spitze des Bestückungskopfes, die Vakuum verwendet, um das Bauteil aufzunehmen.
Feeder	Feeder. Der Mechanismus, der die Bauteilbandrolle hält und sie für die Aufnahme durch die Maschine vorschiebt.
Centroid File	Zentroid-Datei. Eine Datendatei, die die X-, Y-, Rotations- und Schichtinformationen für jedes Bauteil auf der Platine enthält.
Pitch	Rastermaß. Der Abstand von der Mitte eines Pins zur Mitte des nächsten Pins auf einem IC.
BGA	Ball Grid Array. Eine Art von Oberflächenmontagegehäuse, das für integrierte Schaltkreise verwendet wird.
Reflow	Reflow-Löten. Der Prozess des Schmelzens von Lötpaste, um dauerhafte elektrische Verbindungen herzustellen.
AOI	Automatische Optische Inspektion. Eine Maschine, die die Leiterplatte nach der Bestückung oder dem Löten visuell auf Defekte scannt.
Tombstoning	Tombstoning-Effekt. Ein Defekt, bei dem ein Bauteil während des Reflow-Lötens aufgrund ungleichmäßiger Benetzungskräfte auf einer Seite hochsteht.
Tray	Tray. Ein Halter für größere Bauteile (wie QFPs oder BGAs), die nicht auf Bandrollen geliefert werden.
Solder Paste	Lötpaste. Eine Mischung aus Lotkugeln und Flussmittel, die verwendet wird, um SMDs an die Leiterplatte anzubringen.

Fazit (nächste Schritte)

Die Beherrschung des Workflows des Bestückungs-Tutorials geht über das bloße Verständnis der Roboterbewegung hinaus. Es erfordert eine ganzheitliche Sicht auf den Fertigungsprozess, vom anfänglichen CAD-Design bis zu den abschließenden Qualitätskontrollen. Durch die Konzentration auf genaue Datengenerierung, korrekte Komponentenauswahl und strenge Validierungsschritte wie die Erstmusterprüfung können Sie die meisten Montagefehler eliminieren.

Ganz gleich, ob Sie ein neues IoT-Gerät prototypisieren oder die Produktion für ein Verbraucherprodukt hochfahren, APTPCB bietet das Fachwissen und die Maschinen, um Ihre Anforderungen zu erfüllen.

Bereit für die Produktion? Stellen Sie sicher, dass Sie Folgendes für ein reibungsloses Angebot und eine DFM-Überprüfung bereithalten:

Gerber-Dateien: Einschließlich aller Kupfer-, Lötstopplack- und Siebdruckschichten.
Centroid (Bestückungs-) Datei: Mit genauen X/Y-Koordinaten.
Stückliste (BOM): Mit Herstellerteilenummern.
Bestückungszeichnungen: Die die Komponentenpolarität und spezielle Anweisungen zeigen.

Besuchen Sie unsere Angebotsseite, um Ihr Projekt noch heute zu starten.