Pick & Place

Automatisierte Bauteilbestückung in der SMT-Fertigung

Pick & Place bezeichnet den automatisierten Prozess, bei dem Bestückungsautomaten SMD-Bauteile aus Zuführsystemen entnehmen und präzise auf den Lotpastendepots der Leiterplatte platzieren. Er ist das Herzstück jeder modernen SMT-Fertigungslinie und bestimmt maßgeblich Bestückungsqualität, Geschwindigkeit und Flexibilität der Produktion.

Definition

Pick & Place (dt. aufnehmen und platzieren) beschreibt den maschinellen Vorgang, bei dem ein Bestückungsautomat (auch Bestücker oder Pick-and-Place-Maschine genannt) SMD-Bauelemente aus Zuführsystemen – typischerweise Gurtrollen (Tape & Reel), Trays oder Sticks – entnimmt (Pick) und exakt auf den vorgesehenen Positionen der Leiterplatte absetzt (Place). Die Positionierung erfolgt computergesteuert auf Basis des Bestückungsprogramms, das aus den Gerberdaten und der Stückliste des Leiterplatten-Designs abgeleitet wird.

Moderne Pick-and-Place-Automaten arbeiten mit Vakuumdüsen (Nozzles), die Bauteile über Unterdruck aufnehmen und halten. Optische Erkennungssysteme (Vision-Systeme) prüfen die Lage des Bauteils nach der Aufnahme und korrigieren Position und Winkel vor dem Absetzen. Hochleistungsbestücker erreichen Bestückungsraten von mehreren zehntausend Bauteilen pro Stunde bei Platziergenauigkeiten im Bereich von ±0,05 mm.

Grundlagen

Bestückungsautomaten unterscheiden sich nach Bauweise und Einsatzbereich: Hochgeschwindigkeitsbestücker (Chip-Shooter) sind auf kleine Standardbauteile (Widerstände, Kondensatoren) optimiert und erreichen maximale Bestückungsraten. Flexibelbestücker verarbeiten ein breiteres Bauteilspektrum inklusive großer ICs, BGAs und unkonventioneller Gehäuse mit höherer Präzision, aber geringerer Geschwindigkeit. In modernen Fertigungslinien werden beide Maschinentypen kombiniert. Das Bestückungsprogramm definiert für jedes Bauteil Position (X/Y-Koordinaten), Drehwinkel, Nozzletyp und Zuführer-Slot.

Technischer Ablauf

  1. Import des Bestückungsprogramms aus den CAD-Daten des Leiterplatten-Designs (Centroid-Datei).
  2. Rüstung der Bestückungsautomaten: Zuführer (Feeder) werden mit den entsprechenden Bauteilrollen oder Trays bestückt und verifiziert (Rüstkontrolle).
  3. Die Leiterplatte wird in die Maschine eingeschleust und über Referenzmarken (Fiducials) ausgerichtet.
  4. Der Bestücker entnimmt Bauteile aus den Feedern, prüft sie optisch und setzt sie präzise auf die Lotpastendepots.
  5. Nach der Bestückung wird die Leiterplatte zur AOI oder direkt in den Reflow-Ofen weitergefördert.

Anwendungsbereiche

  • SMD-Bestückung in der Elektronikfertigung für alle Industriebranchen
  • Serienproduktion von Leiterplatten mit hoher Bauteilanzahl und -vielfalt
  • Prototypen- und Kleinserienfertigung mit flexiblen Bestückungssystemen
  • LED-Platinen und Beleuchtungsmodule mit standardisierten SMD-Komponenten
  • Automotive-, Medizin- und Industriebaugruppen mit höchsten Qualitätsanforderungen

Vorteile

  • Hohe Bestückungsgeschwindigkeit und Reproduzierbarkeit gegenüber manueller Bestückung
  • Platziergenauigkeiten im Bereich ±0,05 mm für kleinste Bauteile wie 01005
  • Vollautomatisierter Prozess reduziert menschliche Fehler und Bestückungsaufwand
  • Optische Verifikation jedes Bauteils vor dem Platzieren erhöht die Prozesssicherheit
  • Flexible Umrüstung auf unterschiedliche Baugruppen durch Programm- und Feederwechsel

Herausforderungen

  • Rüstzeit und -aufwand bei häufigen Auftragswechseln und hoher Variantenvielfalt
  • Spezielle Nozzles und Feeder für unkonventionelle Bauteilgehäuse notwendig
  • Empfindliche Bauteile können durch Vakuumdüse oder Platzierungsdruck beschädigt werden
  • Bestückungsprogramme müssen sorgfältig erstellt und verifiziert werden
  • Hoher Investitionsaufwand für moderne Hochleistungsbestücker

FAQ

Frage: Was ist der Unterschied zwischen einem Chip-Shooter und einem Flexibelbestücker?

Antwort: Ein Chip-Shooter ist auf maximale Geschwindigkeit bei kleinen Standardbauteilen optimiert und erreicht bis zu 100.000 Bauteile pro Stunde. Ein Flexibelbestücker verarbeitet ein breiteres Bauteilspektrum – inklusive großer ICs, BGAs und Sonderbauformen – mit höherer Präzision, aber geringerer Geschwindigkeit.

Frage: Wie wird die Bestückungsposition eines Bauteils definiert?

Antwort: Über die sogenannte Centroid-Datei (auch Pick-and-Place-Datei), die aus dem PCB-CAD-System exportiert wird. Sie enthält für jedes Bauteil die X/Y-Koordinaten des Mittelpunkts, den Drehwinkel und die Bauteilbezeichnung.

Frage: Was sind Fiducial-Marken und wozu dienen sie?

Antwort: Fiducials sind definierte Referenzmarken auf der Leiterplatte, die der Bestückungsautomat mit seinem Kamerasystem erkennt, um die genaue Position und Ausrichtung der Leiterplatte zu bestimmen. Sie kompensieren Toleranzen im Leiterplattennutzen und im Transportsystem.

Frage: Welche Bauteilformen können Pick-and-Place-Automaten nicht verarbeiten?

Antwort: Sehr unregelmäßige, empfindliche oder schwere Bauteile sowie Bauteile, die nicht aus Standardzuführern entnommen werden können, sind für die automatische Bestückung ungeeignet. Solche Bauteile werden manuell oder durch spezielle Handlingsysteme bestückt.

Frage: Wie beeinflusst die Bestückungsreihenfolge die Qualität?

Antwort: Die Bestückungsreihenfolge kann die Qualität beeinflussen: Kleine Bauteile sollten vor großen platziert werden, um Abschattungen durch hohe Bauteile zu vermeiden. Schwere Bauteile können auf Lotpastendepots verrutschen, wenn benachbarte Bestückungsvorgänge Vibrationen erzeugen.