Der Leiterplattenhersteller Schweizer Electronic AG suchte einen zuverlässigen Automatisierungspartner, der ihm eine Lösung für das Umsetzen kleiner Elektronikkomponenten entwickelt. Die Herausforderung dabei: Die einzelnen Elemente messen nur einen Quadratzentimeter. Diese empfindlichen Chips in Kupfer-Inlays werden später in eine Leiterplatte eingebettet. „Vor dem Einbetten muss die Kupferoberfläche im Ätzbad angeraut werden. Unsere Anlage setzt die Chips in eine spezielle Vorrichtung, mit der sie später komplett in das Behandlungsbad eintauchen“, erklärt Andreas Ehm, der bei der Erler GmbH Automation Robotik für das Projekt verantwortlich ist.
Die Chips kommen in standardisierten Jedec-Trays – robuste Kunststofftabletts mit 176 definierten Aussparungen. „Würde die Schweizer Electronic AG dieses Tray ins Ätzbad tauchen, schwämmen die Komponenten oben auf. Daher haben sie ein eigenes Tray entworfen“, erklärt Projektleiter Ehm. Die SE-Trays haben vier Nester zu je 176 Kavitäten für die Halbleiterkomponenten. Ein Deckel verschließt diese und hält die Chips beim Eintauchen am Platz.
176 Teile auf einen Streich
Für das Umlagern werden die Trays manuell in einem Transportwagen an die Roboterzelle angeliefert. Über ein Servoachssystem fahren die einzelnen Trays in die Zelle. „Hier nimmt der Scara-Roboter gleichzeitig alle 176 Komponenten auf und legt sie in das SE-Tray ab“, sagt Ehm, der sich für diese Aufgabe Unterstützung beim Vakuum-Spezialisten Schmalz geholt hat.
Schmalz war für das End-of-Arm-Tooling des Roboters sowie die Greiferspinne für die Spezial-Trays verantwortlich. Dabei stellte sich da Greifen der Halbleiterbauteile als besonders anspruchsvoll heraus: Zugunsten kurzer Taktzeiten soll der Greifer ein Tray in einem Schritt ent- oder beladen können. Da die Chips nicht plan aufliegen, sondern in der Kavität versenkt sind, müssen alle 176 Sauggreifer etwas in das Tray eintauchen.
„Anfangs sah es so aus, als gäbe es zusätzliche Höhenunterschiede zwischen den zu greifenden Komponenten auszugleichen. Wir wählten daher Sauger mit Faltenbalg. Doch schon die ersten Praxistests vor Ort zeigten, dass die Trays so exakt gefertigt sind, dass wir eine flache und damit deutlich positionsstabilere Saugervariante verwenden konnten“, erklärt Christian Stoisser, Branchenmanager Electronic bei Schmalz.
Greifer widersteht Chemikalien
Die Vakuum-Experten entschieden sich für die Flachsauger PFYN. Diese bewegen sich aufgrund ihrer Geometrie nur minimal in axialer Richtung und sind so steif, dass sie die Werkstücke sauber aufnehmen und exakt wieder ablegen – ohne zu verkanten. Die im Durchmesser sechs Millimeter kleinen, gelben Sauger bestehen zudem aus dem Nitrilkautschuk NBR-ESD. „Dieses Material schützt die empfindlichen Bauteile vor unkontrollierter elektrostatischer Entladung und ist zugleich beständig gegenüber Chemikalien. Falls nach dem Ätzbad Rückstände am Tray oder den Werkstücken anhaften, reagieren diese nicht mit dem Sauger“, erklärt Stoisser.
An einer Stelle der Anlage wurden zur Handhabung der Trays weitere Sauggreifer mit flexiblen Federstößeln und einer eigenständigen Vakuumerzeugung verbaut. Ihre Aufgabe ist es, vor dem Be- und Entladen der SE-Trays die Deckel abzunehmen und das Tablett zur Übergabestation zu transportieren.
Der Vakuum-Greifer, der die Chips aus dem Tray entnimmt und sie in die Spezialhalterung für das Ätzbad einsetzt, misst 320 x 140 Millimeter. Dank seines Aluminiumgrundkörpers wiegt er lediglich 2,5 Kilogramm. Für eine einfache Montage an das Robotersystem verfügt er über eine vorgefertigte Flanschaufnahme. Das Vakuum im Greifer wird durch einen in der Anlage verbauten IO-Link-fähigen Kompaktejektor vom Typ SCPMi erzeugt.
Beste Lösung dank Teamwork
„Ein einziger Anschluss reicht. Denn auch wenn Lücken im Werkstückteppich sind, funktioniert der Greifer dank individueller Strömungswiderstände an den einzelnen Saugerstellen einwandfrei“, erklärt Stoisser. Zudem ist das System besonders effizient: Die integrierte Luftsparfunktion reduziert den Druckluftverbrauch, indem der Ejektor nur dann pumpt, wenn das Vakuum-Level unter den Sollwert sinkt. „Das ist absolut sicher und reduziert durch den geringeren Druckluftbedarf die Betriebskosten“, versichert Stoisser.
„Mit dieser Roboterlösung haben wir ein hochdynamisches System entwickelt, das 31.000 Chips pro Stunde umsetzen kann. Für den zuverlässigen und störungsfreien Dauerbetrieb sind die einzelnen Komponenten wie der Roboter und der Greifer entscheidend – daher setzen wir hier auf Experten wie Schmalz“, sagt Geschäftstführer Jochen Erler. Christian Stoisser lobt die gute Zusammenarbeit mit Schmalz: „Gemeinsam konnten wir den Greifer direkt in der Anlage optimieren und jedes auftretende Problem schnell lösen.“
J. Schmalz GmbH
Mehr zum Thema Robotik
