Trends in der Bestückungstechnologie für 2021 und neueste SMT-Lösungen

1. Einführung

Die weltweite Ausbreitung von COVID-19 hat große Auswirkungen auf politische, wirtschaftliche und soziale Aktivitäten und führt zu einem raschen Wandel der Lebensstile. Die Zeit mit COVID-19 verändert die Arbeitsweise mit der zunehmenden Verbreitung von Home-Office und Online-Meetings. Während man in der Vergangenheit von Robotern erwartete, dass sie die Effizienz von Geschäftsabläufen verbessern und den Arbeitskräftemangel aufgrund der sinkenden Geburtenrate und der alternden Bevölkerung kompensieren würden, finden sie jetzt in verschiedenen Industriebereichen als Serviceroboter einen neuen Nutzen, um „ferngesteuerte“, „berührungslose“ und „nicht persönliche“ Tätigkeiten auszuführen, die das Risiko von Infektionen verringern. Um die Ausbreitung von Infektionen einzudämmen und Warnungen auszusprechen, haben Sie vielleicht in den Nachrichten von Kontaktinformationen gehört, die auf den Standortinformationen von Endgeräten basieren. Man ist sich bewusst, wie wichtig es ist, die bereits vorliegenden Daten sowohl in Software- als auch in Hardware-Anwendungen zu nutzen.

Wir möchten unsere Vision einer zukünftigen Gesellschaft aufzeigen, die ein Zeitalter der Anbindung von Menschen, Dingen, Daten und Prozessen darstellt (Abbildung 1). Im „Zeitalter der Vernetzung von Menschen, Dingen, Daten und Prozessen“ werden schwer erfassbare Informationen, wie z. B. verhaltensbezogene Informationen (z. B. Nahrung, Kleidung, Wohnen, Gesundheit, Einkauf und Transport), umweltbezogene Informationen (z. B. Klima und Verkehr) und Informationen, die sich auf das Geschäft und den Betrieb von Unternehmen beziehen, digitalisiert und zentral verwaltet, indem sie in ein Netzwerk eingebunden werden, wodurch neue Werte geschaffen werden. Obwohl das, was wir hier bei Fuji tun, nur ein Tropfen auf den heißen Stein ist im Vergleich zu dem, was in der Gesellschaft insgesamt geschieht, sind wir der Entwicklung immer einen Schritt voraus. In diesem Artikel befassen wir uns mit den Technologietrends für das Jahr 2021 und stellen anschließend unsere Maßnahmen für Digital Twin-Lösungen vor.

2. Technologie-Trends auf dem Bestückungsmarkt für 2021

2.1 Trends bei SMT-Bauteilen

Die Anzahl der Bestückungen auf Leiterplatten nimmt aufgrund der zunehmenden Anzahl multifunktionaler und leistungsstarker Kommunikationsgeräte wie Smartphones und Smartwatches, der Ausweitung der Netzwerkinfrastruktur und Sensorgeräte mit der Verbreitung von 5G und IoE sowie der Verbreitung von Elektrofahrzeugen weiter zu. Dieser Abschnitt zeigt den Größentrend für SMT-Teile und den Trend für Halbleitergehäuse.

Laut dem Strategieplan für die Bestückungstechnologie 2019 (JEITA Electronic Technology Industry Association) hat das Zusammensetzungsverhältnis von keramischen Vielschichtkondensatoren im Jahr 2018 den Schnittpunkt zwischen 0603 (0201″) und 1005 (0402″) erreicht, wobei das Zusammensetzungsverhältnis von 0603 (0201″) am höchsten ist. Smartphones erfordern kompakte Bestückungsflächen und dreidimensionale Bestückungen, um mehr Funktionen zu haben und die Batteriefläche zu erhalten. Daher wird erwartet, dass der Anteil der 0402 (01005″)-Bauteile in Zukunft zunehmen und bis 2025 etwa 20 % erreichen wird. Auch bei den 0201 mm (008004″) Teilen wird bis 2022 mit einer verstärkten Nutzung gerechnet. Neben der Miniaturisierung passiver Teile wird auch der Abstand zwischen benachbarten Teilen von Jahr zu Jahr kleiner und dürfte bis 2024 etwa 50 Mikrometer erreichen. Bei der Platzierung von Bauteilen auf Platten mit geringen Abständen zwischen den Bauteilen kann es vorkommen, dass die Nozzle mit einem bereits platzierten Bauteil in Kontakt kommt, wenn die Spitze über den Rand des gehaltenen Bauteils hinausragt, was zu Platzierungsfehlern führt. In solchen Fällen sind ein optimales Design und die Auswahl der Nozzle wichtig. In Zukunft wird die Bestückungsqualität strenger kontrolliert werden müssen, aber wir werden weiterhin Bestückungsautomaten entwickeln, die sowohl schneller und genauer sind als auch die Qualität gewährleisten, damit die Anwender ihre Produkte unbesorgt bestücken können.

Als nächstes werden wir uns mit den Trends bei Halbleitergehäusen befassen. Halbleitergehäuse werden aufgrund der Nachfrage nach mehr Pins immer dünner und schmaler, und sie verlagern sich von großen QFPs (Quad Flat Package) zu BGAs (Ball Grid Array) und von kleinen QFPs zu QFNs (Quad Flat No-leads) und WLPs (Wafer Level Package). Zum anderen besteht eine Nachfrage nach großen und schweren BGAs für Serverprodukte, und der modulare Bestückungsautomat NXT unterstützt derzeit Größen bis zu 102 x 102 mm für Standardspezifikationen und bis zu 150 x 150 mm mit benutzerdefinierten Spezifikationen. Obwohl es einen allgemeinen Trend zu mehr Pins für eine höhere Leistung der Geräte gibt, unterscheiden sich die Größen- und Gewichtseigenschaften je nach Anwendung.

2.2 Lösungen für die Halbleiterplatzierung

Ein zentrales Thema bei den Produktionsprozessen für SiP- (System in Package) und Modulbauteile ist das Ineinandergreifen modernster Bestückungstechnologien, z. B. für höhere Bestückungsdichten, dünnere Strukturen und Multilayering. Abbildung 2 zeigt einige der Lösungen von Fuji für die Herstellung von SiP- und anderen Modulteilen. Zusätzlich zu der unten stehenden Abbildung ist es bei immer dünner werdenden Panels notwendig, die Panels zu halten und gleichzeitig die Durchbiegung des Panels zu korrigieren und die Höhe der Panel-Bestückungsfläche auf einer einheitlichen Höhe zu halten, damit die Bestückungsqualität stabil gehalten werden kann. In diesem Sinne ist die Vakuumsicherung ein wirksames Mittel zur Fixierung dünner Platten. Bei der Vakuumunterstützung werden dünne Platten mit Hilfe von Vakuumdruck auf der Oberseite einer Vakuumplatte festgehalten, um eine gleichmäßige Höhe der Bestückungsfläche zu gewährleisten. Die Vakuumunterstützung trägt auch dazu bei, die Auswirkungen von Plattenverzug und Vibrationen auf die Platte durch die Last auf ein Minimum zu reduzieren, wenn die Teile platziert werden.

3. Entwicklung der Smart Factory mit Digital Twin (digitaler Zwilling)

3.1 Digital connections with SMT lines

Durch den Einsatz der Technologie des Digital Twin in smarten Fabriken werden die SMT-Linien zunehmend automatisiert und digitalisiert. Bei Digital Twin handelt es sich um Konstruktionen von Umgebungen der realen Welt in einer virtuellen Welt, um diese Umgebungen im virtuellen Raum zu simulieren und um vorherzusagen und zu kontrollieren, was in der realen Welt passieren könnte. Wir erstellen Vorschläge, die Digital Twin einbeziehen, weil wir uns Fälle vorstellen, in denen Peripheriegeräte (Hilfsgeräte) wie z. B. AGVs zusammen mit unserem Bestücker, dem NXTR, betrieben werden (Abbildung 3). In diesem Abschnitt werden unsere Maßnahmen für die virtuelle und die reale Welt erläutert.

3.2 Einsatz der Technologie des Digital Twin

3.2.1 Erstellen und Simulieren von Modellen

Es werden Modelle erstellt (Abbildung 4) und dann in einem virtuellen Raum eingesetzt, um zu überprüfen, ob eine effiziente Produktion ohne Verschwendung erreicht werden kann, indem der Betrieb durch die Einführung automatisierter Anlagen verändert wird. Die Simulationen werden unter Verwendung von Parametern erstellt, die auf tatsächlichen Daten von SMT-Linien basieren, und es ist möglich, die erforderlichen Ressourcen wie Ausrüstung und Arbeitskräfte und das Auslastungsverhältnis für jeden Vorgang wie Produktion, Umrüstung und Teileversorgung zu bestimmen sowie Informationen in Bezug auf den Betrieb zu verstehen, z. B. wie viele AGVs im Voraus erforderlich sind.

Der Betrieb der gesamten SMT-Linie kann durch die Simulation genau nachgebildet werden, und Entscheidungen über die Auswahl und den Betrieb von Anlagen, die bisher von der Erfahrung des Verantwortlichen abhingen, können in einem virtuellen Raum objektiv dargestellt werden.

3.2.2 Erstellen von Produktionsplänen

Um die in der virtuellen Welt durchgeführte Simulation aus 3.2.1 auf die Produktion in der realen Welt zu übertragen, ist es notwendig, genaue Produktionspläne zu erstellen, und dies war bislang eine anspruchsvolle Aufgabe, da hier spezielles Know-how und Fähigkeiten erforderlich waren. Deshalb haben wir im Host-System ein Produktionsplanungswerkzeug, das bei der Erstellung konkreter Produktionspläne hilft. Dieses Tool verwendet die verschiedenen erforderlichen Daten, wie die Ist-Daten für jeden Prozess, die Zykluszeit jeder Maschine, einschließlich der Bestückungsautomaten, und die Produktionszeiten, um Produktionspläne für die gesamte SMT-Fläche zu erstellen. Es kann auch verschiedene Bedingungen berücksichtigen, wie z. B. den Zeitpunkt des Auslaufens von Teilen, die Anzahl der Teile, die Lebensdauer der Teile und die Wartungszeit jeder Einheit, um die Aufgabe der Erstellung genauer Produktionspläne für die gesamte SMT-Fläche so einfach wie möglich zu halten.

3.2.3 Maßnahmen zur Verbesserung der Arbeitsweise

Wir haben aktiv an der Automatisierung des externen Umrüstbereichs (der Bereich, in dem die für die nächste Produktion benötigten Materialien vorbereitet werden) und der Bereiche um die Bestückungsautomaten gearbeitet, um eine hocheffiziente Produktion zu unterstützen, die nicht von den Fähigkeiten der Bediener abhängt. Wir sind jedoch noch nicht so weit, dass wir ganze SMT-Linien vollständig automatisieren und die Zahl der Bediener auf Null reduzieren können. Bei Produktionslinien kann es je nach Arbeitsbeginn und Arbeitsauftrag zu unbeabsichtigten Problemen und Ausfallzeiten kommen. Das bedeutet, dass zwischen der Simulation der virtuellen Welt und der bisher beschriebenen Produktion in der realen Welt eine Lücke klafft, und es ist schwierig zu sagen, dass die smarten Fabriken, die sich durch Digital Twins entwickelten, bereits verwirklicht sind. Während unser Ziel von „Null“ Ausfallzeiten unverändert bleibt, haben wir eine Software entwickelt, die den Bediener in der optimalen Reihenfolge und mit ausreichend Zeit durch die Arbeit führt, um sicherzustellen, dass die Ausfallzeiten so nahe wie möglich bei Null liegen. Die Bediener werden entsprechend dem Fortschritt des Zeitplans durch die notwendigen Aufgaben geführt, wie z. B. Kommissionierung (Sammeln der für die Produktion benötigten Materialien), Umrüstung, Verteilung der Materialien an die Geräte, Nachschub von Teilen und Wartung. So können die Bediener die Aufgaben mit Sicherheit angehen und die Ausfallzeiten minimieren, was wiederum zur Minimierung der Ausfallzeiten beiträgt. Um die Kluft zwischen der virtuellen und der realen Welt auf „Null“ zu reduzieren, wird die Überwachung und Steuerung der Produktionsbedingungen in Echtzeit und die Erzielung einer hohen Qualität und Produktivität weiter vorangetrieben, was die Verwirklichung der sich entwickelnden smarten Fabrik mit Hilfe der Technologie des Digital Twin unterstützen wird.

3.3 Veränderung der manuellen Arbeit durch Automatisierung der SMT-Linien

Ein großer Teil des Arbeitsaufkommens im SMT-Prozess entfällt auf die Teile, und es kommt zu kurzen Stopps aufgrund von Problemen wie Pickup-Fehlern bei der Zuführung der Teile. Um dieses Problem zu lösen, hat Fuji verschiedene Automatisierungseinheiten entwickelt, darunter auch automatische Rüsthilfen. Die bereits erwähnte NXTR geht in der Automatisierung noch einen Schritt weiter und automatisiert den Prozess der Rüstung von Feedern in Bestückungsautomaten vollständig. Mit dem weltweit ersten „Smart Loader“ zum Verteilen, Wechseln und Rüsten von Feedern für die Bestückungsmaschine ist es möglich, den Teileaustausch zu automatisieren. Bei NXTR-Linien werden die Feeder einfach an Pufferstationen vor den Modulen eingestellt, und der Smart Loader tauscht die Feeder in der Produktion automatisch entsprechend den Warnungen für auslaufende Teile und dem Umrüstplan aus. (Abbildung 5)

Durch die Einführung von NXTR in SMT-Linien ändert sich der Umfang der manuellen Arbeit, indem die Arbeit im Zusammenhang mit der Teilebereitstellung automatisiert wird, wie wir im Folgenden schrittweise erläutern. Wir stellen uns eine Umwandlung vom traditionellen „einstufigen“ Betrieb zum „mehrstufigen“ Betrieb vor. (Abbildung 6) Beim mehrstufigen Betrieb werden die Vorbereitungs- und Abholarbeiten für die Teile an einem Ort zentralisiert, was die Produktion mit einer minimalen Anzahl von Mitarbeitern ermöglicht. Dies ist jedoch sinnlos, wenn die Produktionsunterstützung mit einer minimalen Anzahl von Personen zu einer Erhöhung der Arbeitsbelastung der Bediener oder zu Stillstandszeiten der Maschinen führt. Diese werden in der virtuellen Welt im Voraus simuliert, und eine genaue Produktionsplanung und Navigationstools für den Betrieb ermöglichen einen vernünftigen und verschwendungsfreien Betrieb.

Schritt 1: Einstufiger Betrieb

Eine große Anzahl von Bedienern für einzelne Stufen, die auf den Austausch von Feedern spezialisiert sind, wird eingesetzt, um sich um die Teile zu kümmern, die ausgehen oder auf herkömmliche Weise ausgetauscht werden (mehrere Personen arbeiten an einer Linie).

Schritt 2: Multi-Unit-Betrieb

Durch den Einsatz eines Smart Loaders und den Austausch von Teilen durch eine Person an einer Pufferstation, ist es möglich, dass eine Person mehrere Einheiten betreut (eine Person arbeitet an einer Linie).

Schritt 3: Mehrstufiger Betrieb

Durch den Einsatz von Feeder-Magazinen (Magazinen, in die Feeder eingesetzt werden) an der Pufferstation, die von AGVs ausgetauscht werden, wird die von den Bedienern vor der Maschine geleistete Arbeit auf „Null“ reduziert.

3.4 Veränderung der manuellen Arbeit durch Automatisierung der Bestückung

Neben der Automatisierung der SMT-Prozesse wurden auch die Bestückungsprozesse für die Stufen nach den SMT-Prozessen mit dem Mehrzweck-Fertigungsautomaten sFAB-D automatisiert. Im Jahr 2021 haben wir als neue Lösungen für den manuellen Bestückungsprozess die sFAB-SH (Bild 7) entwickelt, die die hohe Flexibilität, Skalierbarkeit und Produktivität der sFAB-D beibehält, während sie sich auf die Funktionen konzentriert, die für eine Standard-Panel-Montagemaschine erforderlich sind, und wir haben die Panel Assembly Robot Cell – SW-BA (Bild 8) als Teil der Advanced Robot Cell-Serie für den kompakten Multijoint-Roboter SmartWing entwickelt. sFAB-SH ist flexibel einsetzbar, vom Hochgeschwindigkeitsbestücken bis hin zum Bestücken großer Teile mit einer Höhe von bis zu 55 mm und einem Gewicht von bis zu 200 g, mit zwei verschiedenen Köpfen, dem sH08-SH und dem sH02-SH. Diese Maschine unterstützt auch das Greifen von Teilen sowie das Schneiden und Biegen, um eine zuverlässige Bestückungsqualität zu gewährleisten. Darüber hinaus werden Defekte vermieden, die zu Reparaturarbeiten nach dem Löten der Teile führen. Diese Unterstützung umfasst das hochauflösende Bildverarbeitungssystem, das verhindert, dass Teile in der falschen Richtung eingelegt werden, und einen optimalen Bewegungsablauf, der das Teil sicher einsetzt, mit Einsetzerkennung, um vagabundierende Teile zu vermeiden. Die SW-BA eignet sich hervorragend für die Automatisierung begrenzter Teiletypen wie Steckverbinder, Spulen, Relais, Transformatoren und große Elektrolytkondensatoren unter Verwendung eines horizontalen Knickarmroboters (SCARA). Das Einsetzen von Teilen mit einem SCARA-Roboter ist zwar keine neue Robotertechnologie, aber der SW-BA ist kostengünstig und ermöglicht kurze Einrichtungszeiten, da er die erforderlichen Funktionen als Paket bereitstellt und sofort in die Produktionslinie eingesetzt werden kann, ohne dass manuelle Arbeiten und Systemeinstellungen durch den Kunden erforderlich sind.

Abbildung 9 zeigt eine Platine, auf der Teile von kleinen bis hin zu großen und schweren Teilen automatisch durch einen sFAB bestückt wurden. Es ist möglich, die Bestückung von verschiedenen Teilen wie diesen zu automatisieren. Es gibt verschiedene Anforderungen an die Automatisierung der Bestückung. Sie reichen vom kostengünstigen automatischen Einfügen einiger weniger Teile bis hin zum automatischen Einfügen aller Teile mit hoher Geschwindigkeit. Wir werden den Stimmen unserer Anwender bezüglich der Zukunftsvisionen ihrer Prozesse und Fabriken aufmerksam zuhören, optimale Lösungen anbieten und Vorschläge für die Realisierung smarter Fabriken fördern, die die manuelle Arbeit durch Automatisierung revolutionieren und hohe Betriebsraten und eine hohe Rentabilität erzielen, so wie wir es mit Bestückungsautomaten tun.

4. Auf dem Weg in die Zukunft

In diesem Artikel haben wir unsere Maßnahmen zur Simulation der realen Welt in der virtuellen Welt für die SMT-Produktion vorgestellt und unsere verschiedenen Lösungen für die Automatisierung des Bestückungsprozesses erläutert. Wir werden unsere Anwender weiterhin bei der Verwirklichung smarter Fabriken mit der Entwicklung des Digital Twin unterstützen, um SMT-Linien mit der digitalen Welt zu verbinden. Wir selbst glauben, dass die Automatisierung einer der Wege ist, um die Kluft zwischen der virtuellen und der realen Welt auf „Null“ zu reduzieren, aber wir glauben, dass dies nicht die einzige Antwort ist. Wir werden weiterhin auf unsere Nutzer hören und Produkte und Dienstleistungen entwickeln, die ihre Erwartungen übertreffen.

Hinweis: Dieser Artikel ist eine geänderte Fassung eines Artikels, der in der Zeitschrift „Robot“, Ausgabe 263, erschienen ist.