Пайка становится одной из определяющих технологий для всей современной техники, поскольку доля электроники в ней неуклонно возрастает. Например, электронные компоненты составляют до 15% стоимости современного автомобиля эконом-класса, до 30% – автомобиля класса люкс и до 50% стоимости гибридного автомобиля. Поэтому даже транспорт все более зависит от пайки.
Сами электронные устройства становятся все более интегрированными. Их габариты уменьшаются, соответственно, постоянно снижаются и размеры электронных компонентов, а также расстояния между ними. Кроме того, во всем мире реализуется директива RoHS и продолжаются поиски оптимального бессвинцового припоя. Все эти новые требования влекут изменения в технологиях пайки. Рассмотрим одно из направлений этих технологических инноваций – роботы для пайки.
Сами электронные устройства становятся все более интегрированными. Их габариты уменьшаются, соответственно, постоянно снижаются и размеры электронных компонентов, а также расстояния между ними. Кроме того, во всем мире реализуется директива RoHS и продолжаются поиски оптимального бессвинцового припоя. Все эти новые требования влекут изменения в технологиях пайки. Рассмотрим одно из направлений этих технологических инноваций – роботы для пайки.
Предыстория
Одна из первых автоматических машин для пайки была разработана в 1970 году. Это был робот для операций пайки паяльником с использованием пневмоцилиндров и эксцентриковых механизмов (рис.1). Он мог выполнять операции только одного типа, поэтому такие роботы было трудно перестроить при переходе к новому изделию – возникали сложности при модификации или замене инструмента. И с наступлением в электронике эпохи коротких циклов производства все с нетерпением ожидали появления настоящих роботов, способных одновременно работать со множеством модификаций изделия.
К 1980 году промышленные роботы для захвата и установки, сборки и сварки стали общепринятыми и повсеместно используемыми. Но не было небольших роботов, подходящих для пайки – обеспечивающих достаточно высокую точность, с программным управлением и внешним интерфейсом. Производители роботов стали объединяться для разработки таких систем, причем с использованием стандартных модулей. Ведь паяльный робот должен соответствовать множеству специальных требований. Так, например, продукты сгорания флюса могут попасть в энкодер (датчик угловых и линейных перемещений), что повлечет ошибку в определении позиции робота. Проблему вызывает перемещение многочисленных проводов и воздушного рукава, подходящего к паяльной головке и т.п. Одна за другой эти проблемы были решены, и в 1983 году был создан первый робот для пайки UNIX-511 Unit 1 (рис.2а) – вертикальный пятиосевой многошарнирный робот. С самого начала за основу идеальной формы робота и его движений взяли человеческую руку. В итоге созданная вертикальная многошарнирная роботизированная рука отвечала всем предъявляемым требованиям. Эта конструкция, в силу ее универсальности, стала базовой для паяльных роботов.
Если сравнить возможности первых роботов с современными моделями, они могут показаться достаточно медленными и неточными. Ведь цель разработки первого робота для пайки – обеспечить пайку выводов разъемов с шагом 2,54 мм при допуске ±0,5 мм с максимальной скоростью перемещения 300 мм/с. Разумеется, при сравнении с точностью современных роботов на уровне ±0,02...0,01 мм и на порядок большими скоростями перемещения, первый робот выглядит как представитель иной эпохи.
Следом были разработаны ортогональные типы роботов с четырьмя подвижными осями, SCARA-роботы (Selective Compliant Assembly Robot Arm или Selective Compliant Articulated Robot Arm – манипулятор с гибкостью в выбранных плоскостях) и др. С каждой новой конструкцией возможности улучшались и роботы становились все более и более удобными в работе.
В последнее время типовыми становятся настольные роботы (рис.2б.), в том числе – роботы, встраиваемые в конвейерные линии.
Современные роботы для пайки
Один из основных факторов обеспечения качества изделий электроники – улучшение техники пайки. Паяльные роботы для пайки компонентов в корпусах типа QFP изначально были разработаны для обеспечения пайки выводов с шагом 1,0 мм; позднее появились машины для пайки c шагом 0,8; 0,65 и 0,5 мм. Процесс усовершенствования функциональных возможностей роботов для пайки QFP-компонентов с еще более мелким шагом продолжается, появились системы для пайки компонентов с шагом 0,4 и 0,3 мм. Кроме шага между выводами сокращается расстояние и между самими компонентами, увеличивая плотность монтажа. И все они требуют пайки, несмотря на множество технологий создания электропроводящих сварных соединений.
Современные методы пайки – это пайка волной припоя, оплавление припоя в конвекционной печи и ручная пайка. Большинство компонентов может быть предварительно установлено и запаяно в паяльной печи. Но некоторые компоненты с нестандартной или сложной формой приходится паять вручную. К ним же относятся компоненты, которые не могут переносить отмывку или высокую температуру при оплавлении в печи (ПЗС-матрицы, разъемы, подстроечные резисторы/конденсаторы, переключатели и трансформаторы). И именно здесь вступают в дело роботы для селективной пайки.
Даже квалифицированный радиомонтажник не способен паять совершенно без ошибок. И в этом отношении робот безальтернативен. Квалифицированный техник при этом занимается постановкой и отработкой процесса пайки, а все остальные задачи выполняет робот.
Сегодня появляются роботы для лазерной пайки, необходимые при точечном монтаже с высокой плотностью, где для жала паяльника слишком тесно. Помимо качества, такие роботы способны и существенно повысить производительность.
Технология работы паяльных автоматов – это по сути расширенная методика ручной пайки (рис.3а). Основные этапы этого процесса:
* закрепление печатной платы;
* очистка паяльного жала;
* подвод жала паяльника в точку пайки;
* подача проволочного припоя;
* отвод жала от точки пайки.
Роботу задают все параметры пайки (момент подачи припоя, его объем и скорость подачи, момент отвода жала). При этом должны быть выполнены такие действия, как:
* подготовка держателя изделия (платы);
* закрепление паяльного инструмента в манипуляторе робота (рис.4а);
* подготовка устройства автоматической подачи припоя (рис.4б);
* подготовка устройства очистки жала паяльника (рис.4в);
* ввод параметров процесса (позиции, температура жала, скорость подачи припоя и его объем и т.п.).
В дополнение к стандартной технологии был разработан метод линейной пайки, пришедший из пайки "погружением в расплавленный припой". При линейной пайке двигается специализированное жало-насадка для мини-волны, а свежий припой автоматически подается в зону пайки в соответствии с заданной программой (рис.5б).
Используя сборочную линию, операции пайки роботами можно производить без держателей и на большой площади платы с большим числом точек пайки. Для подобных операций подходят роботы с двумя управляемыми манипуляторами. Завершив одну операцию, роботы немедленно готовы выполнять следующую, в том числе пайку других изделий, или использовать другие методы пайки.
Классификация роботов для пайки
Роботы для пайки делятся на несколько типов, в зависимости от способа применения, конструкции и метода передачи тепла (см. таблицу). По применению роботы разделяются на две категории – для гибкого автоматизированного производства и для поточного конвейерного производства. Изначально поточное производство было основным методом. Но по мере развития гибкого автоматизированного производства потребность в паяльных роботах для таких задач также росла.
Гибкое производство подразумевает изготовление небольших партий изделий с широкой номенклатурой. Этот процесс относительно часто требует изменения программы работы и типа исполнительных модулей у роботов. Для гибкого производства в основном используются настольные роботы.
Поточное производство – это изготовление большого числа одинаковых или похожих изделий, что соответствует выпуску изделий с небольшими отличиями и изменениями в конструкции. В поточном производстве главным образом используются вертикальные многошарнирные роботы, SCARA-роботы и ортогональные роботы.
Классификация по конструкции
Вертикальные многошарнирные роботы – вертикально ориентированные, с 5–6 осями подвижности, обеспечивающими широкий диапазон перемещений. Направление и угол подачи рабочего инструмента к точке пайки может быть легко изменен. Пайка по данной методике очень похожа на пайку вручную и идеально подходит для точечной пайки. Подобная конструкция позволила добиться больших успехов в сравнении с другими конструкциями при сложной пайке объемных объектов (в трехмерном пространстве) (рис.5а).
Роботы с ортогональной четырехосевой конструкцией обладают четырьмя степенями свободы – по ортогональным осям X, Y, Z и по оси вращения. Они идеальны для работы на горизонтальных печатных платах, в том числе – для метода линейной пайки (рис.5б).
Настольные роботы с прямоугольной системой координат – это четырехосевые устройства (рис.5в). Основные узлы и система управления объединены в одном блоке, что делает конструкцию простой для перевозки и установки.
SCARA-конструкция подразумевает работу в цилиндрической системе координат, что обеспечивает высокую скорость при монтаже горизонтальных плат (рис.5г).
Методы нагрева. Лазерный нагрев
Прямой нагрев (метод пайки с помощью паяльника) является основным для паяльных роботов, поскольку он не дорог (рис.6а). Для управления таким устройством достаточно профессиональных знаний монтажника. Но в последнее время быстро распространяется метод лазерного нагрева с полупроводниковыми лазерными диодами. Они обладают гораздо лучшими массогабаритными характеристиками, управляемостью и ценой по сравнению с YAG- и CO2-лазерами.
Преимущества лазерного метода – бесконтактный нагрев и отсутствие паяльных жал, которые не требуют замены (рис.6б). Сегодня минимальная точка пайки при лазерном нагреве составляет 0,1 мм, что позволяет паять компоненты с малым шагом выводов. Так как время разогрева мало, термическое воздействие на печатную плату и электронные компоненты минимально. Этот метод не требует очистки и смены жала паяльника, что обеспечивает высокое качество работы. Реализуется и невозможный прежде бесконтактный контроль температуры поверхности при пайке.
В роботе с лазерным паяльным устройством (рис.7) пайка контролируется встроенной коаксиальной ПЗС-камерой с отображением на дисплее. Такая система может использоваться и для обучения (с курсором на экране), и для мониторинга пайки (рис.7б). Профиль пайки, который включает выходную мощность и продолжительность воздействия луча, может быть задан непосредственно с сенсорной ЖК-панели (рис.8). Специальная защитная линза защищает оптическую систему от дыма (рис.9).
В таких роботах используется маленький, но мощный генератор (30/50 Вт, воздушное охлаждение). Диаметр оптического волокна может составлять 0,4; 0,6 или 0,8 мм (обычно применяется 0,6 мм).
Уже разработаны высокоточные лазеры со специальной оптикой, которые позволят работать с шагом 0,05 мм и меньше. Также созданы системы, формирующие пятно прямоугольной формы, в форме эллипса, кольцеобразные и т.п. – так, чтобы форма пятна соответствовала форме контактной площадки. Более того, при работе с бессвинцовыми припоями возрастает частота замены паяльных жал. Поэтому потребность в лазерах для пайки выводов со средним и крупным шагом также сильно возросла. ожидается применение лазерной пайки и при массовым выпуске продукции.
Отметим, что существуют и другие методы нагрева припоя, такие как нагрев световым пучком, импульсный нагрев, нагрев горячим воздухом и прочие.
Паяльные роботы играют важнейшую роль при автоматизации пайки. Прогресс в электронике и разработка новых технологий требуют все более современных роботов для пайки, поэтому они постоянно модернизируются и разрабатываются. И нет сомнений, что по мере увеличения плотности монтажа компонентов эволюция роботов для пайки продолжится и дальше.
Одна из первых автоматических машин для пайки была разработана в 1970 году. Это был робот для операций пайки паяльником с использованием пневмоцилиндров и эксцентриковых механизмов (рис.1). Он мог выполнять операции только одного типа, поэтому такие роботы было трудно перестроить при переходе к новому изделию – возникали сложности при модификации или замене инструмента. И с наступлением в электронике эпохи коротких циклов производства все с нетерпением ожидали появления настоящих роботов, способных одновременно работать со множеством модификаций изделия.
К 1980 году промышленные роботы для захвата и установки, сборки и сварки стали общепринятыми и повсеместно используемыми. Но не было небольших роботов, подходящих для пайки – обеспечивающих достаточно высокую точность, с программным управлением и внешним интерфейсом. Производители роботов стали объединяться для разработки таких систем, причем с использованием стандартных модулей. Ведь паяльный робот должен соответствовать множеству специальных требований. Так, например, продукты сгорания флюса могут попасть в энкодер (датчик угловых и линейных перемещений), что повлечет ошибку в определении позиции робота. Проблему вызывает перемещение многочисленных проводов и воздушного рукава, подходящего к паяльной головке и т.п. Одна за другой эти проблемы были решены, и в 1983 году был создан первый робот для пайки UNIX-511 Unit 1 (рис.2а) – вертикальный пятиосевой многошарнирный робот. С самого начала за основу идеальной формы робота и его движений взяли человеческую руку. В итоге созданная вертикальная многошарнирная роботизированная рука отвечала всем предъявляемым требованиям. Эта конструкция, в силу ее универсальности, стала базовой для паяльных роботов.
Если сравнить возможности первых роботов с современными моделями, они могут показаться достаточно медленными и неточными. Ведь цель разработки первого робота для пайки – обеспечить пайку выводов разъемов с шагом 2,54 мм при допуске ±0,5 мм с максимальной скоростью перемещения 300 мм/с. Разумеется, при сравнении с точностью современных роботов на уровне ±0,02...0,01 мм и на порядок большими скоростями перемещения, первый робот выглядит как представитель иной эпохи.
Следом были разработаны ортогональные типы роботов с четырьмя подвижными осями, SCARA-роботы (Selective Compliant Assembly Robot Arm или Selective Compliant Articulated Robot Arm – манипулятор с гибкостью в выбранных плоскостях) и др. С каждой новой конструкцией возможности улучшались и роботы становились все более и более удобными в работе.
В последнее время типовыми становятся настольные роботы (рис.2б.), в том числе – роботы, встраиваемые в конвейерные линии.
Современные роботы для пайки
Один из основных факторов обеспечения качества изделий электроники – улучшение техники пайки. Паяльные роботы для пайки компонентов в корпусах типа QFP изначально были разработаны для обеспечения пайки выводов с шагом 1,0 мм; позднее появились машины для пайки c шагом 0,8; 0,65 и 0,5 мм. Процесс усовершенствования функциональных возможностей роботов для пайки QFP-компонентов с еще более мелким шагом продолжается, появились системы для пайки компонентов с шагом 0,4 и 0,3 мм. Кроме шага между выводами сокращается расстояние и между самими компонентами, увеличивая плотность монтажа. И все они требуют пайки, несмотря на множество технологий создания электропроводящих сварных соединений.
Современные методы пайки – это пайка волной припоя, оплавление припоя в конвекционной печи и ручная пайка. Большинство компонентов может быть предварительно установлено и запаяно в паяльной печи. Но некоторые компоненты с нестандартной или сложной формой приходится паять вручную. К ним же относятся компоненты, которые не могут переносить отмывку или высокую температуру при оплавлении в печи (ПЗС-матрицы, разъемы, подстроечные резисторы/конденсаторы, переключатели и трансформаторы). И именно здесь вступают в дело роботы для селективной пайки.
Даже квалифицированный радиомонтажник не способен паять совершенно без ошибок. И в этом отношении робот безальтернативен. Квалифицированный техник при этом занимается постановкой и отработкой процесса пайки, а все остальные задачи выполняет робот.
Сегодня появляются роботы для лазерной пайки, необходимые при точечном монтаже с высокой плотностью, где для жала паяльника слишком тесно. Помимо качества, такие роботы способны и существенно повысить производительность.
Технология работы паяльных автоматов – это по сути расширенная методика ручной пайки (рис.3а). Основные этапы этого процесса:
* закрепление печатной платы;
* очистка паяльного жала;
* подвод жала паяльника в точку пайки;
* подача проволочного припоя;
* отвод жала от точки пайки.
Роботу задают все параметры пайки (момент подачи припоя, его объем и скорость подачи, момент отвода жала). При этом должны быть выполнены такие действия, как:
* подготовка держателя изделия (платы);
* закрепление паяльного инструмента в манипуляторе робота (рис.4а);
* подготовка устройства автоматической подачи припоя (рис.4б);
* подготовка устройства очистки жала паяльника (рис.4в);
* ввод параметров процесса (позиции, температура жала, скорость подачи припоя и его объем и т.п.).
В дополнение к стандартной технологии был разработан метод линейной пайки, пришедший из пайки "погружением в расплавленный припой". При линейной пайке двигается специализированное жало-насадка для мини-волны, а свежий припой автоматически подается в зону пайки в соответствии с заданной программой (рис.5б).
Используя сборочную линию, операции пайки роботами можно производить без держателей и на большой площади платы с большим числом точек пайки. Для подобных операций подходят роботы с двумя управляемыми манипуляторами. Завершив одну операцию, роботы немедленно готовы выполнять следующую, в том числе пайку других изделий, или использовать другие методы пайки.
Классификация роботов для пайки
Роботы для пайки делятся на несколько типов, в зависимости от способа применения, конструкции и метода передачи тепла (см. таблицу). По применению роботы разделяются на две категории – для гибкого автоматизированного производства и для поточного конвейерного производства. Изначально поточное производство было основным методом. Но по мере развития гибкого автоматизированного производства потребность в паяльных роботах для таких задач также росла.
Гибкое производство подразумевает изготовление небольших партий изделий с широкой номенклатурой. Этот процесс относительно часто требует изменения программы работы и типа исполнительных модулей у роботов. Для гибкого производства в основном используются настольные роботы.
Поточное производство – это изготовление большого числа одинаковых или похожих изделий, что соответствует выпуску изделий с небольшими отличиями и изменениями в конструкции. В поточном производстве главным образом используются вертикальные многошарнирные роботы, SCARA-роботы и ортогональные роботы.
Классификация по конструкции
Вертикальные многошарнирные роботы – вертикально ориентированные, с 5–6 осями подвижности, обеспечивающими широкий диапазон перемещений. Направление и угол подачи рабочего инструмента к точке пайки может быть легко изменен. Пайка по данной методике очень похожа на пайку вручную и идеально подходит для точечной пайки. Подобная конструкция позволила добиться больших успехов в сравнении с другими конструкциями при сложной пайке объемных объектов (в трехмерном пространстве) (рис.5а).
Роботы с ортогональной четырехосевой конструкцией обладают четырьмя степенями свободы – по ортогональным осям X, Y, Z и по оси вращения. Они идеальны для работы на горизонтальных печатных платах, в том числе – для метода линейной пайки (рис.5б).
Настольные роботы с прямоугольной системой координат – это четырехосевые устройства (рис.5в). Основные узлы и система управления объединены в одном блоке, что делает конструкцию простой для перевозки и установки.
SCARA-конструкция подразумевает работу в цилиндрической системе координат, что обеспечивает высокую скорость при монтаже горизонтальных плат (рис.5г).
Методы нагрева. Лазерный нагрев
Прямой нагрев (метод пайки с помощью паяльника) является основным для паяльных роботов, поскольку он не дорог (рис.6а). Для управления таким устройством достаточно профессиональных знаний монтажника. Но в последнее время быстро распространяется метод лазерного нагрева с полупроводниковыми лазерными диодами. Они обладают гораздо лучшими массогабаритными характеристиками, управляемостью и ценой по сравнению с YAG- и CO2-лазерами.
Преимущества лазерного метода – бесконтактный нагрев и отсутствие паяльных жал, которые не требуют замены (рис.6б). Сегодня минимальная точка пайки при лазерном нагреве составляет 0,1 мм, что позволяет паять компоненты с малым шагом выводов. Так как время разогрева мало, термическое воздействие на печатную плату и электронные компоненты минимально. Этот метод не требует очистки и смены жала паяльника, что обеспечивает высокое качество работы. Реализуется и невозможный прежде бесконтактный контроль температуры поверхности при пайке.
В роботе с лазерным паяльным устройством (рис.7) пайка контролируется встроенной коаксиальной ПЗС-камерой с отображением на дисплее. Такая система может использоваться и для обучения (с курсором на экране), и для мониторинга пайки (рис.7б). Профиль пайки, который включает выходную мощность и продолжительность воздействия луча, может быть задан непосредственно с сенсорной ЖК-панели (рис.8). Специальная защитная линза защищает оптическую систему от дыма (рис.9).
В таких роботах используется маленький, но мощный генератор (30/50 Вт, воздушное охлаждение). Диаметр оптического волокна может составлять 0,4; 0,6 или 0,8 мм (обычно применяется 0,6 мм).
Уже разработаны высокоточные лазеры со специальной оптикой, которые позволят работать с шагом 0,05 мм и меньше. Также созданы системы, формирующие пятно прямоугольной формы, в форме эллипса, кольцеобразные и т.п. – так, чтобы форма пятна соответствовала форме контактной площадки. Более того, при работе с бессвинцовыми припоями возрастает частота замены паяльных жал. Поэтому потребность в лазерах для пайки выводов со средним и крупным шагом также сильно возросла. ожидается применение лазерной пайки и при массовым выпуске продукции.
Отметим, что существуют и другие методы нагрева припоя, такие как нагрев световым пучком, импульсный нагрев, нагрев горячим воздухом и прочие.
Паяльные роботы играют важнейшую роль при автоматизации пайки. Прогресс в электронике и разработка новых технологий требуют все более современных роботов для пайки, поэтому они постоянно модернизируются и разрабатываются. И нет сомнений, что по мере увеличения плотности монтажа компонентов эволюция роботов для пайки продолжится и дальше.
Отзывы читателей
