Bestückung von Kleinserien und Prototypen mit der SMD-Starter-Fertigungslinie von Paggen Werkzeugtechnik (Review)

Immer mehr interessante ICs gibt es nur noch im SMD-Gehäuse, und da elektronische Geräte immer kompakter und funktionaler werden, werden auch die Gehäuse von SMD-Bauteilen immer kleiner. Mit Mühe und einer ruhigen Hand kann man selbst in einem kleinen Labor die meisten dieser Bauteile mit einfachen Mitteln auf eine Platine löten, aber sobald regelmäßig Prototypen oder gar Kleinserien gebaut werden müssen, wird Handarbeit zu arbeitsintensiv und das Risiko von Bestückungsfehlern steigt.
 
Die SMD-Starter-Fertigungslinie von Paggen Werkzeugtechnik, bestehend aus einem Schablonendrucker, einem Handbestückungsautomaten und einem kompakten Reflow-Ofen, ist in solchen Fällen eine interessante Alternative zur Steigerung Ihrer Produktivität.
 
Schablonendrucker SD240 mit Metallrakel

Eine gute Vorbereitung ist die halbe Miete, und das gilt natürlich auch für die Arbeit mit SMD-Bauteilen. Normalerweise manövrieren sich SMD-Bauteile während der Reflow-Phase aufgrund der Oberflächenspannung des flüssigen Lots selbst in die richtige Position. Aufgrund der immer kleiner werdenden Abstände der Bauteile und der Verwendung bleifreier Lote ist das korrekte Auftragen der Lötpaste auf die Pads der Platine entscheidend für ein gutes Endergebnis ohne zeitraubende Nacharbeiten. Leider ist dies in der Praxis auch die schwierigste Phase bei der Bestückung, da ein gutes Ergebnis von vielen Parametern und Umgebungsvariablen abhängt, wie z.B. Temperatur, Konsistenz und Alter der Lötpaste, Ebenheit der Platine, Spannung der Schablone, Winkel des Rakels, vom Rakel ausgeübter Druck auf die Platine und Oberflächenbeschaffenheit der Löt-Pads, um nur einige zu nennen. Sogar Fingerabdrücke können Probleme bereiten. Auf eine Reihe von Parametern hat man kaum Einfluss, doch ein guter Schablonendrucker wie der SD240 macht es viel leichter, gute Ergebnisse zu erzielen.
 

Beim Auspacken fühlt sich der Schablonendrucker solide und robust an. Die schwere Metallgrundplatte und die Gummifüße machen ihn sehr stabil und verhindern, dass er sich leicht bewegt. Das besondere Klemmsystem und der Spannrahmen ermöglichen die Verwendung von Metall- und Polyesterschablonen (Stencils) in verschiedenen Größen. Das intelligente Positionierungssystem macht die Verwendung von Schablonen und Platinen mit Ausrichtungslöchern (und passenden Stiften) oder gerahmten Schablonen überflüssig. Die Schablone wird mit acht Inbusschrauben festgeklemmt. Bei der ersten Benutzung waren diese Schrauben so fest, dass ich sie nur mit ordentlich Kraft lösen konnte. Sobald die Schablone eingespannt ist, kann man sie mit den beiden Knöpfen an der Vorderseite spannen, bis die Federn, die die Schablone unter Spannung halten, etwa einen Zentimeter zusammengedrückt sind. Anschließend wird Die Platine mit Hilfe von sechs magnetischen Abstandshaltern auf die Metallplatte unter der Schablone gelegt. Die Abstandshalter sollten so platziert werden, dass sich die Platine nicht bewegen kann und die Löt-Pads ungefähr mit den Löchern in der Schablone ausgerichtet sind. Das muss nicht superpräzise sein. Im Lieferumfang des Schablonendruckers sind eine Plexiglasplatte und ein Markierungsstift (Beschriftung ist entfernbar) enthalten, die das Ausrichten erleichtern. Optional können Sie für den gleichen Zweck auch ein „Laserlicht“ auf einem Stativ bestellen. Ich habe zwei verschiedene Schablonen und Platinen ausprobiert und es gelingt mir ganz gut, die Platine nach Augenmaß halbwegs genau an der Schablone auszurichten. Anschließend richtet man die Platine mit Hilfe der Knöpfe zum Spannen der Schablone und die beiden Einstellräder auf der rechten Seite des Druckers genau an der Schablone aus. Zum Schluss stellt man die Höhe der Schablone mit den vorderen und hinteren Einstellrädern so ein, dass sie schön flach auf der Platine liegt, wenn der Rahmen heruntergeklappt ist.
 
Der nächste Schritt ist das Auftragen der Lötpaste mit der Metallrakel. Dabei empfiehlt es sich, die die Schablone haltenden Klammern mit etwas Kreppband abzukleben. Das erspart mühsame Reinigungsarbeiten hinterher. Indem man die Rakel in einem Winkel von etwa 60° mit mäßigem Druck hält, trägt man ausreichend Lötpaste in einer gleichmäßigen Bewegung auf. Zum Üben kann man zuvor einen Testdruck auf Papier machen. Hierzu legt man einfach ein Blatt Druckerpapier zwischen Schablone und die Platine. Die Unterseite der Schablone sollte regelmäßig gereinigt werden. Bei kleinen Schablonen ist die mitgelieferte Rakel vielleicht weniger nützlich. Hier ist ein japanischer oder klassischer Spachtel oft besser geeignet.
 

Meine ersten Platinen mit dem Schablonendrucker waren fast perfekt, mit ein paar kleinen Unzulänglichkeiten links und rechts. Dennoch weiß ich aus Erfahrung, dass die Platine nach dem Reflow-Prozess perfekt sein wird. Übung macht auch bei einem Schablonendrucker den Meister..

Manuelle Bestückungsmaschine PlaceMAN

PlaceMAN besteht aus einem Metallgestell mit verstellbaren Platinenhaltern und einer Vakuumpipette, die man mit Hilfe von zwei auch als Handgelenk- und Armstützen dienenden mechanischen Führungen manuell in horizontaler und vertikaler Richtung bewegen kann. Die Vakuumpipette kann nach unten und oben bewegt und mit dem Rändelknopf am oberen Ende des Griffs gedreht werden. Die Pipette ist mit einem sogenannten Luer/Lock-Anschluss ausgestattet, der vor allem in der medizinischen Welt üblich ist. Damit können Sie unbegrenzt Standard-Dosiernadeln mit dem PlaceMAN verwenden, sollten die mitgelieferten Dosiernadeln und Sauger nicht ausreichen oder verloren gehen. Vier warmweiße LEDs an der Unterseite der Pipette sorgen für eine gleichmäßige Ausleuchtung des Arbeitsbereiches. Für das nötige Vakuum sorgt eine geräuscharme, speziell angepasste Aquarienpumpe, bei der die Ansaugung manuell über ein Ventil einstellbar ist. Auch an Details wurde gedacht: Es gibt einen Erdungspunkt für den ESD-Schutz und eine integrierte Aufbewahrungsbox für Dosiernadeln und Saugnäpfe.
 
Das Platzieren von Bauteilen geht sehr einfach und schnell. Man positioniert die Pipette über dem losen Bauteil und drückt dann die Pipette mit dem Rändelknopf langsam nach unten, bis das Teil fest angesaugt ist. Nun bewegt man die Pipette zu der Stelle der Platine, wo es bestückt werden soll, und senkt die Pipette wieder ab. Wenn nötig, kann man dabei das Bauteil drehen. Wenn es perfekt sitzt, drückt man es mit dem Knopf der Pipette auf die Platine. Man drückt den Knopf der Pipette weiter nach unten, bis man einen Anschlag spürt, der das Vakuum abschaltet. Jetzt kann man die Pipette wieder nach oben bewegen. Bei sehr kleinen Bauteilen ist es manchmal nicht nötig, den Knopf zum Unterbrechen des Vakuums durchzudrücken, da diese ausreichend an der Lötpaste haften und sich beim Hochfahren automatisch von der Pipette lösen.
 

Die Kraft der Ansaugung sollte an die Größe der zu platzierenden Teile angepasst sein. Verschiedene Bauteile benötigen Dosiernadeln mit unterschiedlichen Durchmessern, mit oder ohne Saugnapf. Es ist ratsam, die Dosiernadel nicht zu fest auf die Pipette zu drücken, um einen einfachen Wechsel zu ermöglichen. Um häufige Wechsel zu vermeiden, kann es sinnvoll sein, mehrere Platten zu montieren und sie alle gleichzeitig in der Reihenfolge der Bauteilgröße zu bestücken. Ich konnte sehr große Bauteile wie einen RJ45-Stecker mit Magneten oder ein ESP32-Modul ganz einfach aufnehmen. Auch ein 0603-Widerstand war überhaupt kein Problem. Große Bauteile wie der bereits erwähnte RJ45-Stecker oder einige Elkos lassen sich besser von Hand mit einer Pinzette platzieren, da die Pipette damit nicht immer hoch genug über die Platinenoberfläche kommt.
 
Im Gegensatz zum Bestücken der Bauteile mit einer Pinzette ist beim PlaceMAN dank der Handgelenk- und Armauflage die Gefahr reduziert, dass zuvor bestückte Bauteile auf größeren Platinen versehentlich verschoben werden. Man muss die Platine nicht ständig drehen, um alles zu erreichen. Eine ruhige Hand und gute Sicht sind aber trotzdem notwendig.
 
Die Basisversion des PlaceMAN aus dem Lieferumfang der SMD-Starter-Fertigungslinie hat wenig Zubehör. Man benötigt mindestens einen zusätzlichen SMD-Tape-Feeder, damit das Bestücken reibungslos funktioniert. Dieser ist in verschiedenen Ausführungen als Zubehör erhältlich, kann aber auch durchaus selbst zusammengebaut oder 3D-gedruckt werden. Für diese Rezension habe ich einen Tape-Feeder aus lasergeschnittenem 3 mm Sperrholz hergestellt.

Für Rechtshänder liegt der Metallgriff der Pinzette gut in der Hand und die Handhabung ist angenehm. Vermutlich werden Linkshänder etwas mehr Schwierigkeiten bei der Arbeit mit dem PlaceMAN haben. Der Metallgriff der Pipette hat zwei Gewindebohrungen für einen optionalen Dispenser. Mit etwas Geschick könnte man diese Löcher auch für die Befestigung einer kleinen USB-Kamera nutzen. Ein Kritikpunkt ist, dass bei dem von mir getesteten Gerät die LED-Beleuchtung beim Bewegen der Pipette flackert. Bei näherer Betrachtung schien das an einer schlechten Lötstelle des Stromkabels an der LED-Platine zu liegen.

Reflow-Ofen HR-10
 

Der Reflow-Ofen HR-10 sieht nicht nur solide aus, sondern ist auch kompakt und nimmt mit den Abmessungen von 36x50 cm (Breite x Tiefe) nur wenig Fläche in Anspruch. Als Heizung dienen vier 1-kW-Halogenlampen des Typs R7s. Durch den Metallventilator in der Mitte der Lampen zirkuliert die heiße Luft durch den Ofen. Die Schublade ist mit zwei Gewindestangen ausgestattet, auf denen sich vier positionierbare Platinenhalter mit geringer thermischer Masse befinden. Wenn die Schublade geöffnet wird, sorgen zwei Ventilatoren für eine beschleunigte Abkühlung der frisch gelöteten Platine. Zum Lieferumfang des Reflow-Ofens gehören auch ein Tablet von Lenovo samt Schutzhülle und ein Thermoelement vom Typ K. Das Tablet habe ich nicht ausprobiert, da ich hier keine Überraschungen erwarte und die App HR10LF auch auf meinem Smartphone lief. Die Bedienung des Ofens ist sowohl über die Frontplatte oder die App einfach und unkompliziert.
 

Beim Einschalten des Reflow-Ofens wird man aufgefordert, die Tür zu öffnen und wieder zu schließen. Beim Schließen wird die Tür hörbar mit einem Klick verriegelt und ein kurzer Vorheizzyklus beginnt. Danach wird man aufgefordert, die Tür wieder zu öffnen, und kurze Zeit später ist der Ofen betriebsbereit. Für einen ersten Test habe ich das von Paggen empfohlene Reflow-Profil für bleifreies Löten verwendet. Außerdem habe ich gezielt einige größere Bauteile wie SMD-Elkos verwendet, da diese in Infrarotöfen manchmal weniger gut gelötet werden. Der erste Test war erfolgreich, aber da die Temperatur ohnehin etwas zu hoch war, habe ich das Reflow-Profil in der App etwas angepasst und einen Vorheizzyklus von 160 °C für 60 s und einen Reflow-Zyklus von 220 °C für 15 s eingestellt. Mit diesen Einstellungen war mein zweiter Versuch durchaus erfolgreich. Hier hatte ich testweise u.a. gelbe Tantal-Elkos verwendet, weil sie sich bei zu hohen Temperaturen schnell verfärben. Natürlich müssen man die Werte je nach Farbe des Lötstopplacks (z.B. absorbiert mattes Schwarz mehr Wärme als Grün), dem Vorhandensein von Massepunkten und der Anzahl der Lagen der Platine etwas anpassen. Die nächsten drei Platinen mit verschiedenen Bauteilen, diesmal für ein echtes Produkt, kamen ebenfalls perfekt gelötet aus dem Ofen. Mit dem mitgelieferten Thermoelement kann man die Temperatur auf der Platine während des Reflow-Prozesses messen. Um das Thermoelement auf der Platine zu befestigen, muss man etwas temperaturbeständiges Kaptonband verwenden. Es ist etwas bedauerlich, dass das Thermoelement nur zur Temperaturmessung dient und nicht gleich zur Steuerung des Reflow-Prozess genutzt werden kann. Das wäre vielleicht eine Idee für ein zukünftiges Software-Update. Die Temperatur im Inneren des Ofens wird durch periodisches Ein- und Ausschalten der Halogenlampen geregelt. Dabei erreicht die Gesamtleistungsaufnahme einen Spitzenwert von knapp 3,5 kW, was leicht über der im Handbuch und auf dem Gerät angegebenen Leistung liegt. Im Standby-Betrieb sinkt die Leistung auf etwa 60 W. Angesichts der Leistungsaufnahme ist es am besten, den Reflow-Ofen an eine Steckdose mit eigener Absicherung anzuschließen.
 

Neben dem Reflow-Löten ist der Ofen auch zum Trocknen geeignet. Hierfür kann man spezielle Temperaturprofile einstellen. Ich habe das Trocknen von Material durch das Regenerieren von Kieselgel mit orangefarbenem Indikator getestet: Das Resultat war perfekt. Es trat lediglich an zwei Stellen etwas Kondensation auf: am Boden der Schublade (bei den beiden Lüftern zur Kühlung) und in der Höhe des kleinen Fensters. Das Trocknen von SMD-Bauteilen während des Wartens auf einen Reflow-Prozess und das Tempern von Plexiglas nach dem Laserschneiden sind ebenfalls mögliche Anwendungen. Selbst bei längerem Gebrauch des Ofens über mehrere Stunden bleibt die Außenseite kühl. Wenn ein Profil zum Trocknen eingestellt ist, heizt der Ofen beim Einschalten nicht vor, sondern fordert sofort dazu auf, das Material in die Schale zu legen und die Tür zu schließen.
 
Die App ist einfach und intuitiv zu bedienen. Nach dem ersten Start wird der Reflow-Ofen über Bluetooth gesucht und dann gekoppelt. Es stehen insgesamt 100 Temperaturprofile zur Verfügung, die man sowohl über die App als auch über das Display und die Tasten am Reflow-Ofen auswählen und bearbeiten kann.

 

Es gibt auch einen Demo-Modus, so dass man sich ein Bild von der App machen kann, ohne dass ein physischer Reflow-Ofen in der Nähe ist. Manchmal hatte ich Probleme mit gelegentlichen Fehlermeldungen auf Slowakisch und die Bluetooth-Verbindung brach manchmal ab, aber letzteres könnte auch daran liegen, dass mein Smartphone gelegentlich einschlief. Da der HR-10 über eine manuell zu bedienende Schublade verfügt, kann der Reflow- oder Trocknungszyklus selbst nicht über die App gestartet werden. Dazu schließt man einfach die Schublade und muss dann den Anweisungen über die App oder den LCD-Bildschirm folgen.
 
Alles in allem ist der HR-10 ein solider und intuitiv bedienbarer Reflow-Ofen, der gute Ergebnisse liefert. Das Reflow-Löten von Platinen geht mit etwa zwei Minuten recht fix. Inklusive des Abkühlzyklus sind es mehr als sechs Minuten. Wenn Sie damit viele Platinen löten wollen, empfiehlt sich der Kauf der optionalen Lötrauchabsaugung FE10.