Die Entwicklung von SMT-Bestückungsautomaten hat mehrere Phasen und neue technologische Trends durchlaufen.

Seit ihrer Einführung Anfang der 1980er Jahre ist die Grundfunktionalität der Bestückungsmaschine weitgehend unverändert geblieben. Allerdings haben sich die Anforderungen an die Bestückung - insbesondere in Bezug auf Geschwindigkeit und Präzision - durch die rasante Entwicklung der Elektronikindustrie sowie den Trend zur Miniaturisierung von Bauteilen und zur High-Density-Bestückung deutlich gewandelt. Die so genannten Kleinseriengeräte, d. h. die manuellen SMT-Bestückungsautomaten, die in den Anfängen eingesetzt wurden und auch heute noch vor allem für die Herstellung von Produktprototypen und für Forschungszwecke verwendet werden, lassen wir bei unserer Betrachtung außen vor. Der Grund dafür ist, dass diese Maschinen hinsichtlich des technischen Niveaus und des Anwendungsbereichs nicht mit den Mainstream-SMT-Bestückungsautomaten konkurrieren können. Die für die Massenproduktion eingesetzten Mainstream-SMT-Bestückungsautomaten lassen sich aus technischer Sicht in drei Generationen einteilen. Zunächst sollen die Entwicklungsstufen der SMT-Bestückungsautomaten und neue technologische Trends vorgestellt werden. 

Zunächst möchten wir auf die Entwicklungsstufen der SMT-Bestückungsautomaten eingehen. Die frühesten Geräte in der SMT-Industrie waren die Bestückungsautomaten der ersten Generation. Die erste Generation von Bestückungsautomaten entstand in den frühen 1970er bis 1980er Jahren als ein frühes Montagegerät, das durch die Anwendung der Oberflächenmontagetechnologie in der Industrie- und Unterhaltungselektronik angetrieben wurde. Obwohl die in diesen Bestückungsautomaten verwendete mechanische Ausrichtmethode zu niedrigen Bestückungsgeschwindigkeiten von etwa 1.000 bis 2.000 Bauteilen pro Stunde und einer relativ geringen Bestückungsgenauigkeit von etwa ±0,1 mm für die X-Y-Positionierung und ±0,25 mm für die Bestückungspräzision führte, besaßen sie trotz ihrer einfachen Funktionalität bereits alle wesentlichen Elemente moderner Bestückungsautomaten.

Verglichen mit der manuellen Bestückung von Bauteilen stellten diese Geschwindigkeit und Genauigkeit eine tiefgreifende technologische Revolution dar. Darüber hinaus läutete die erste Generation von SMT-Bestückungsautomaten eine neue Ära der vollautomatischen, hocheffizienten und qualitativ hochwertigen Großserienfertigung elektronischer Produkte ein. In den frühen Stadien der SMT-Entwicklung, als die oberflächenmontierbaren Bauteile noch relativ groß waren, wie z. B. Chip-Bauteile des Typs 1608 und IC-Raster von 1,27 bis 0,8 mm, waren diese Maschinen bereits in der Lage, die Anforderungen der Massenproduktion zu erfüllen. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der SMT und der Miniaturisierung der Bauteile ist diese Generation von SMT-Maschinen längst vom Markt verschwunden und nur noch in wenigen Kleinbetrieben zu finden. Die nächste Entwicklung war der Bestückungsautomat der zweiten Generation. Von Mitte der 1980er bis Ende der 1990er Jahre reifte die SMT-Industrie allmählich und entwickelte sich rasant. Angetrieben von diesem Wachstum baute die zweite Generation von Bestückungsautomaten auf dem Modell der ersten Generation auf, indem sie ein optisches System für die Ausrichtung der Bauteile einführte, wodurch die Geschwindigkeit und Präzision der Maschine erheblich gesteigert wurde. Diese Weiterentwicklung entsprach der wachsenden Nachfrage nach der raschen Verbreitung und Entwicklung von Elektronikprodukten. Während dieses Entwicklungsprozesses entstanden zwei verschiedene Maschinentypen: Hochgeschwindigkeitsmaschinen, die in erster Linie für die Montage von Chip-Komponenten konzipiert sind und bei denen die Montagegeschwindigkeit im Vordergrund steht, und Multifunktionsmaschinen, die in erster Linie für die Montage verschiedener ICs und unregelmäßig geformter Komponenten konzipiert sind. Diese beiden Maschinentypen haben deutlich unterschiedliche Funktionen und Anwendungen. 

Bei den Bestückungsautomaten der zweiten Generation gibt es ebenfalls zwei Unterkategorien, die erste ist die Hochgeschwindigkeitsmaschine. Hochgeschwindigkeitsmaschinen verwenden in erster Linie eine rotierende Mehrkopf- und Mehrdüsen-Bestückungskopfstruktur. Basierend auf der Drehrichtung relativ zur Leiterplattenebene können sie weiter in Revolvermaschinen (mit einer Drehrichtung parallel zur Leiterplattenebene) und Radmaschinen (mit einer Drehrichtung senkrecht oder in einem Winkel von 45° zur Leiterplattenebene) unterteilt werden. Dank der Einführung optischer Positionierungsausrichtungstechnologie und präziser mechanischer Systeme wie Kugelumlaufspindeln, Linearführungen, Linearmotoren, harmonische Antriebe, Präzisionsvakuumsysteme, verschiedene Sensoren und Computersteuerungstechnologie hat die Bestückungsgeschwindigkeit von Hochgeschwindigkeitsmaschinen die Größenordnung von 0,06 Sekunden pro Stück erreicht und nähert sich damit den Grenzen elektromechanischer Systeme. Der zweite Zweig sind die Multifunktionsmaschinen. Multifunktionale Bestückungsautomaten, die auch als Universalmaschinen bezeichnet werden, können verschiedene IC-Gehäusebauteile und unregelmäßig geformte Bauteile sowie kleine Chipbauteile bestücken. Sie können Bauteile verschiedener Größen und Formen aufnehmen, daher der Name Multifunktionsbestücker. Die Struktur von Multifunktions-Bestückungsautomaten besteht zumeist aus einer bogenförmigen Struktur und einem linear bewegten Mehrfachdüsen-Bestückungskopf, der sich durch hohe Präzision und gute Flexibilität auszeichnet. Bei Multifunktionsmaschinen stehen Funktionalität und Präzision im Vordergrund, aber ihre Bestückungsgeschwindigkeit ist nicht so hoch wie die von Hochgeschwindigkeits-Bestückungsmaschinen. Sie werden in erster Linie für die Bestückung verschiedener gehäuster ICs und großer, unregelmäßig geformter Bauteile verwendet, aber auch für die Bestückung kleiner oberflächenmontierter Bauteile in der Mittel- und Kleinserienfertigung und beim Prototyping.

Mit der rasanten Entwicklung von SMT und der weiteren Miniaturisierung von Bauteilen hat das Aufkommen raffinierterer SMD-Gehäuseformen wie SOP, SOJ, PLCC, QFP und BGA dazu geführt, dass diese Generation von Bestückungsautomaten zunehmend unzureichend wurde. Sie sind allmählich aus dem Blickfeld der Hersteller von Bestückungsautomaten verschwunden. Eine große Anzahl von Bestückungsautomaten der zweiten Generation ist jedoch auch heute noch im Einsatz, und ihre Anwendung und Wartung sind nach wie vor wichtige Themen in der SMT-Ausrüstung.

Zu den wichtigsten technischen Merkmalen des Bestückungsautomaten der 3. Generation gehören im Allgemeinen eine modulare Plattform mit Verbundarchitektur, ein hochpräzises Bildverarbeitungssystem und fliegende Ausrichtung, eine zweispurige Struktur, ein Mehrfachbogen, ein Mehrfachbestückungskopf und eine Mehrfachdüsenstruktur, eine intelligente Zuführung und Erkennung, ein Hochgeschwindigkeits- und Hochpräzisions-Linearmotorantrieb, ein flexibler, intelligenter Hochgeschwindigkeits-Bestückungskopf und schließlich eine präzise Steuerung der Z-Achsenbewegung und der Bestückungskraft. Die Technologie ist zwar nur ein Aspekt, aber die Hauptmerkmale des Bestückungsautomaten der dritten Generation liegen in seiner hohen Leistung und Flexibilität. So vereint er beispielsweise die Funktionen einer Hochgeschwindigkeitsmaschine und einer Multifunktionsmaschine in sich. Durch den flexiblen Aufbau von modularen/modulbasierten/zellenartigen Maschinen können verschiedene Struktureinheiten ausgewählt werden, um die Funktionen von Hochgeschwindigkeits- und Mehrzweckmaschinen auf einer einzigen Maschine zu erreichen. Ein Gleichgewicht zwischen Bestückungsgeschwindigkeit und -genauigkeit ist ebenfalls entscheidend. Die neue Generation von Bestückungsautomaten verfügt beispielsweise über Hochleistungs-Bestückungsköpfe, eine präzise visuelle Ausrichtung und leistungsstarke Computer-Hardware/Software-Systeme.

Darüber hinaus wird eine hocheffiziente Bestückung durch Technologien wie Hochleistungs-Bestückungsköpfe und intelligente Zuführungen erreicht, so dass die tatsächliche Bestückungseffizienz der Maschine über 83% des Idealwerts liegt. Eine hohe Bestückungsqualität ist ebenfalls entscheidend. Dies wird durch die präzise Messung der Z-Achsen-Abmessungen und die Steuerung der Bestückungskraft erreicht, um einen guten Kontakt zwischen den Bauteilen und der Lotpaste zu gewährleisten, oder durch die Anwendung von APC zur Steuerung der Bestückungsposition, wodurch hervorragende Ergebnisse sichergestellt werden. Insgesamt ist die Produktionskapazität pro Flächeneinheit bei Bestückungsautomaten der dritten Generation etwa doppelt so hoch wie bei Maschinen der zweiten Generation. Schließlich können die Bestückungsautomaten der dritten Generation auch intelligente Softwaresysteme für die Stapelmontage einsetzen. Dies ist einer der Gründe, warum sich die Bestückungsautomaten der dritten Generation derzeit so schnell entwickeln.

Zweitens möchten wir die Zukunftsperspektiven und die Entwicklung der dritten Generation von SMT-Bestückungsautomaten diskutieren. An erster Stelle steht die hohe Leistungsfähigkeit: Bei der Entwicklung von Bestückungsautomaten standen Geschwindigkeit, Präzision und Bestückungsfunktionalität immer in einem Spannungsfeld, das die Anwender zu einem Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Präzision zwang. Infolgedessen sind Hochgeschwindigkeitsmaschinen und Multifunktionsmaschinen auch heute noch die beiden wichtigsten Bestückungsarten. In der zunehmend wettbewerbsintensiven Landschaft der zukünftigen Elektronik, in der sich die Produktaktualisierung beschleunigt und der Trend zu vielfältigen Produktvarianten und Kleinserienfertigung zum Mainstream wird, stellen neue Gehäusetechnologien wie BGA, FC, CSP und PoP jedoch immer höhere Anforderungen an SMT-Maschinen. Infolgedessen müssen die SMT-Maschinenkonfigurationen weiterentwickelt werden, um mit diesen Veränderungen Schritt zu halten. Mit der Entwicklung von SMT-Maschinentechnologien wie Modularisierung, zweispurigem Transport, mehrarmigen, mehrplatzigen Kopfstrukturen, fliegendem Ausrichten und Blitzbestückung ist die Erzielung eines Gleichgewichts zwischen Geschwindigkeit, Präzision und Bestückungsfunktionalität innerhalb einer einzigen SMT-Maschine die neue Richtung geworden.

Hochleistungs-SMT-Maschinen, die hohe Geschwindigkeit, hohe Präzision, Multifunktionalität und Intelligenz vereinen, werden sich durchsetzen. Der zweite Punkt ist die hohe Effizienz: hohe Effizienz bedeutet Verbesserung der Produktionseffizienz, Verringerung der Arbeitszeiten und Erhöhung der Produktionskapazität. Bei automatisierten CNC-Ausrüstungen, wie z. B. Bestückungsautomaten, ist die Effizienz der Softwareprogrammierung entscheidend für die Verbesserung der Ausrüstungseffizienz. Die Entwicklung leistungsfähigerer Software-Funktionssysteme, einschließlich verschiedener Formen von PCB-Dateien, die direkte Optimierung der Erstellung von Bestückungsprogrammdateien, die Verringerung der manuellen Programmierzeit, die Entwicklung von Maschinenfehlerdiagnosesystemen und umfassenden Managementsystemen für die Massenproduktion sowie die Erzielung eines intelligenten Betriebs sind Schlüsselkomponenten für die zukünftige Entwicklung hocheffizienter Bestückungsmaschinen. Darüber hinaus sind auch Verbesserungen der Anlagenstruktur und der Betriebsarten wichtige Methoden zur Steigerung der Produktionseffizienz. Zweispurige SMT-Bestückungsautomaten behalten die Leistung herkömmlicher einspuriger Maschinen bei, während die Bereiche Leiterplattentransport, Positionierung, Inspektion und Bestückung in einer zweispurigen Struktur untergebracht sind. Diese zweispurige Struktur kann sowohl im synchronen als auch im asynchronen Modus betrieben werden, was die Leerlaufzeit der Maschine reduziert und die Produktionseffizienz steigert; der dritte Punkt ist die hohe Integration. Hochintegration bezieht sich auf zwei Aspekte: die Integration der Anlagentechnik und die Integration von Technik und Management. Die Integration der Anlagentechnologie umfasst die übergreifende Anwendung, Integration und Verschmelzung mehrerer Technologien. So integriert die Mechatronik beispielsweise die Erkennungs- und Sensortechnik, die Informationsverarbeitungstechnik, die automatische Steuerungstechnik, die Servoantriebstechnik, die feinmechanische Technik und die Technologie auf Systemebene in eine umfassende Anwendung.

Bei der Integration von Technologie und Management geht es darum, Computer-, Automatisierungs- und Netzwerktechnologien in vollem Umfang zu nutzen, um eine organische Integration von Geräteanwendung und Managementtechnologien zu erreichen. Die Nutzung integrierter Anlagen, wie z. B. automatisierte Produktionslinien, ist besonders wichtig. Die Integration von SPC- und Rückverfolgbarkeitssystemen in SMT-Fertigungsanlagen kann beispielsweise die Leistung der Anlagen maximieren, die Produktionskapazität erhöhen und die Qualität verbessern; der vierte Punkt ist der Einsatz von grüner Energie. Dies ist ein unvermeidlicher Trend in der zukünftigen Entwicklung der Elektronikfertigung. Die Entwicklung der menschlichen Gesellschaft wird unweigerlich zu einer Harmonie zwischen Mensch und Natur führen, und Bestückungsautomaten sind da keine Ausnahme. Zukünftig müssen Bestückungsautomaten die Umweltauswirkungen von der Konzeptionsphase über die Design-, Herstellungs-, Verkaufs-, Nutzungs- und Wartungsphase bis hin zum Recycling und zur Wiederaufbereitung berücksichtigen, wobei der Schwerpunkt auf der Verbesserung der Materialausnutzung, der Reduzierung des Energieverbrauchs und der Maximierung der Investitionsrendite für den Benutzer liegt. In den letzten Jahren haben die Konzepte der umweltfreundlichen Produktion und des Umweltschutzes eine neue Bedeutung erlangt. Umweltschutz wird jetzt in einem breiteren Sinne verstanden und umfasst nicht nur den Schutz der natürlichen Umwelt, sondern auch des sozialen Umfelds, der Produktionsumgebung und der physischen und psychischen Gesundheit der Produzenten. Unter diesen Umständen besteht das Ziel darin, hochpräzise, hocheffiziente und qualitativ hochwertige Bestückungsgeräte mit kurzen Lieferzeiten und einem ausgezeichneten Kundendienst zu entwickeln; der wichtigste Faktor ist schließlich die Vielfalt. Die Welt von heute ist vielfältig und facettenreich. Die Entwicklung ist von Land zu Land und von Region zu Region unterschiedlich, und selbst innerhalb eines Landes entwickeln sich die verschiedenen Regionen in unterschiedlichem Tempo. Dies führt zu unterschiedlichen Anforderungen an die Qualität und Güte von Elektronikprodukten.

Gleichzeitig stellen die verschiedenen Anwendungsbereiche sehr unterschiedliche Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Anwendungsumgebungen für elektronische Produkte, was auch zu unterschiedlichen Anforderungen an die Produktherstellungsprozesse und -geräte führt. Diese unterschiedliche Nachfrage wird die künftige Entwicklung von Montageanlagen in Richtung einer diversifizierten Struktur und disziplinübergreifender Technologien vorantreiben. Einerseits müssen die Hersteller sowohl multifunktionale, flexible Universal-Bestückungsautomaten, die mehrere Produkttypen handhaben können, als auch hocheffiziente Spezial-Bestückungsautomaten, die auf bestimmte Bereiche und Produkte zugeschnitten sind, anbieten.

Abschließend lässt sich sagen, dass sowohl High-End-Bestückungsautomaten mit Vollautomatisierung, Intelligenz, hoher Präzision und hoher Produktionskapazität für große Unternehmen und hohe Bestückungsanforderungen als auch mittlere bis einfache Bestückungsautomaten für kleine und mittlere Unternehmen und den allgemeinen Bedarf an elektronischen Produkten hergestellt werden müssen. Dieser Ansatz ermöglicht die gleichzeitige Entwicklung von leistungsstarken Mainstream-SMT-Maschinen, die auf die industrielle Großfertigung zugeschnitten sind, und kleineren, nicht-mainstream-SMT-Maschinen, die für Forschung, Ausbildung und Laboranwendungen geeignet sind.