Выпуск #6/2012
А.Василенко
Производство под ключ – эффективный вариант реализации электронного производства
Производство под ключ – эффективный вариант реализации электронного производства
Просмотры: 2034
Производство под ключ – одна из самых востребованных сегодня услуг, предоставляемых компанией "ЛионТех". Заместитель генерального директора компании "ЛионТех" А.Василенко представляет в статье вариант построения электронного производства без особых ограничений, которое он назвал "производство мечты". Маловероятно, что кто-то решится реализовать на практике этот вариант полностью, но отдельные решения этого проекта могут пригодиться читателю.
Теги: assembly pcb production on a turnkey basis smd and dip components smd- и dip-компоненты монтаж печатные платы производство под ключ
Сегодня наиболее востребованы гибкие многономенклатурные, но в то же время и высокопроизводительные производства. Очень часто используется двухсторонний монтаж (SMD- и DIP-компоненты расположены на обеих сторонах платы). Предположим, что предстоит построить производство, основной продукцией которого будут компьютеры, например, "тонкие клиенты" или моноблоки. Кроме того, производство должно иметь возможность быстро перенастраиваться на выпуск другой продукции, так как компания-заказчик может оказаться контрактным производителем.
Составление проекта
Техническое задание. Необходимо создать высокопроизводительное многопрофильное производство по выпуску современной электроники, удовлетворяющей требованиям к высокому качеству выпускаемой продукции. При разработке проекта надо иметь в виду, что очень часто выпуск продукции должен осуществляться в кратчайшие сроки, но не за один цикл. Выпуск может быть разбит на партии (по мере необходимости заполнения склада готовой продукции). Производительность. Директоров заводов мало интересует производительность оборудования в час, их интересует, сколько единиц продукции будет выпускать производство в смену, неделю, месяц, год. Зададим производительность 800–1000 шт./смена (8 или 10 ч). При этом для SMD-компонентов производительность в среднем составляет 1200–1500 шт. на плату (1000–1200 с одной стороны и 100–300 – с обратной), а для DIP-компонентов – 20–50 шт.
Размер печатных плат. В основном печатные платы имеют размер до 250×350 мм. Однако они могут достигать размеров 450×450 мм и более. Минимальный размер платы не имеет большого значения, так как маленькие платы обычно объединяют в мультизаготовку, поэтому можно задать минимальный размер платы 50×50 мм.
Размеры SMD-компонентов и минимальный шаг выводов микросхемы. Существует много методик расчета максимальных размеров компонетов, но они занимают много времени. На практике эти размеры не больше 50×50 мм для SMD-компонентов и до 100×35 мм – для разъемов. При проектировании технологической линии необходимо учитывать возможность появления заказа на монтаж с "экзотическими" компонентами размерами до 150×50 мм. В проект заложен шаг выводов планарных микросхем не менее 0,3 мм и минимальный размер чип-компонента – до 0201. Применение компонентов меньшего размера маловероятно, но надо иметь в виду, что компоненты 01005 тоже существуют и может потребоваться их установка. Проектируемое производство должно быть ориентировано и на монтаж DIP-компонентов (разъемов, реле, мощных транзисторов и микросхем), аксиальных и радиальных компонентов в виде резисторов, диодов и конденсаторов.
Другие характеристики проектируемого производства. Возможно, потребуется отмывка печатных плат и нанесение влагозащитного покрытия, и для этого должно быть предусмотрено соответствующее оборудование. На производстве должен быть участок для ремонта изделий как полученных по рекламациям от заказчика, так и вследствие производственного брака, который тоже случается, даже если это и "производство мечты". При создании нового производства надо использовать все возможные средства для минимизации брака.
Для обеспечения высокого качества выпускаемой продукции на производстве должны быть испытательная лаборатория и участок эксплуатационного прогона. Здесь будут испытываться продукция, анализироваться результаты и выявляться слабые места производства и, что не менее важно, накапливаться статистика по отказам. Все это позволит усовершенствовать технологию производства и устранить недочеты, заложенные в комплектации и схемотехнических решениях. Ведь качество – это главная цель.
Производству необходимы участки тестирования, финишной сборки и упаковки, а также складские помещения. Разработка последних производится после того, как определится внутренняя логистика предприятия. Офисные помещения и кабинеты руководителей – немаловажная часть предприятия, и про них тоже не стоит забывать.
Цех автоматизированного SMD-монтажа печатных плат. Это основной цех завода. Расчеты производительности, к сожалению, не приводятся, они выходят за рамки статьи. И вниманию читателей предлагается результат – проект цеха автоматизированного монтажа, в состав которого входят две производственные линии с двойными конвейерами. Рассмотрим состав одной из них.
Состав универсальной производственной линии
Два параллельно зеркально-установленных универсальных мультизагрузчика печатных плат SVML-900X2. Каждый из них может подавать платы из магазинов двух типов, а также имеет функцию подачи плат из стопки. Дополнительно загрузчики оснащены системой механической и вакуумной очистки печатных плат перед подачей их на линию. Платы очищаются от пыли и мелких частиц, остающихся после их изготовления и фрезеровки, а также от частиц, появляющихся при транспортировке. Пыль и мелкие частицы могут быть причиной появления брака при нанесении паяльной пасты в принтере и при оплавлении в печи.
Инверторы печатных плат SVT-180Х2 установлены после загрузчиков. Они могут работать в двух режимах: сквозной проход платы без ее переворота и проход платы с переворотом на 180°. Первый режим используется, когда в линию загружают платы для монтажа первой стороны. Во втором режиме платы с уже установленными компонентами на верхней стороне (из магазинов платы не вынимаются) размещаются в загрузчике, а переворотный конвейер подает их на линию уже перевернутыми для монтажа второй стороны. Это позволяет ускорить процесс производства и снижает трудозатраты персонала.
Принтер трафаретной печати HP-620MD с двумя независимыми конвейерами (рис.1). По сути, это два полноценных принтера в одном корпусе. Каждый имеет собственный трафарет с независимой системой позиционирования, сухой (вакуумной) и влажной очисткой, а также снабжен всеми необходимыми функциями для качественного нанесения паяльной пасты. При этом время цикла каждой части принтера 11 с (без учета времени нанесения пасты). Этот принтер по таким параметрам, как точность и повторяемость, сравним с лучшими аналогами подобной техники. Стандартно принтер может работать с платами шириной 300 мм и длиной 620 мм, а опционально – с платами до 460 мм. При размерах плат до 300 мм принтер работает с двумя конвейерами, но при ширине плат 305–460 мм – только в режиме одного конвейера. На этом принтере можно наносить не только пасту, но и клей для приклеивания компонентов перед установкой пайки волной.
Согласующий слайд-конвейер устанавливается после принтера для согласования ширины конвейера. Он придает дополнительную гибкость линии. Данное устройство получает платы с нанесенной пастой с двух конвейеров принтера и подает в конвейер следующей единицы оборудования линии. Работает слайд-конвейер в четырех режимах.
Первый режим: получает платы с фронтального конвейера и передает во фронтальный последующий, получает с тыльного конвейера и передает на тыльный следующий. Это режим работы линии с двумя конвейерами.
Второй режим: получает платы с одного из конвейеров принтера и подает в один из последующих конвейеров. Такой режим нужен в том случае, когда изготавливаются платы шириной 305–460 мм на одном конвейере.
Третий режим: получает платы с одного из конвейеров принтера и подает в два последующих. Этот режим востребован при изготовлении одной стороны платы на двух конвейерах линии (необходимое условие – скорость нанесения пасты больше скорости работы остальной линии). В этом случае не нужны два трафарета и работает половина принтера.
Четвертый режим: получает платы с двух конвейеров принтера и передает в один из последующих. Данный режим практически не нужен. Но он может пригодиться, если принтер работает с линией, у которой нет второго конвейера. Он будет необходим и в том случае, если один из конвейеров в какой-либо из последующих единиц оборудования выйдет из строя, а скорости нанесения пасты одной половины принтера будет недостаточно для проведения качественного процесса. Тогда можно переналадить линию в режим работы одного конвейера и поток плат с двух конвейеров принтера запустить в один.
Двухконвейерный скоростной дозатор 2MD-40X устанавливается после слайд-конвейера. Он наносит клей между контактными площадками для приклеивания компонентов и фиксации разъемов (процесс необходим, если высота нанесенного через трафарет клея недостаточна для приклеивания разъемов), а также пасту в те области на плате, где необходимо ее большое количество, например, в отверстия для установки DIP-компонентов. Дозатор оснащен двумя балками с линейными двигателями, на каждой из которых установлены по две дозирующие головы с дополнительными независимыми приводами по всем осям. Скорость нанесения клея Jet-дозаторами – до 80 тыс. доз/ч на каждый конвейер.
Затем в линию устанавливается слайд-конвейер, аналогичный тому, который стоит после принтера. Он необходим для согласования ширины конвейера производственной линии и ширины конвейеров оптической инспекции.
Двухконвейерная система 3D-контроля нанесения паяльной пасты MS11Dual. По данным Ассоциации IPC, причиной брака (до 63%) автоматизированного SMD-монтажа является нанесение паяльной пасты. Введение контроля нанесения пасты позволит значительно снизить брак, отбраковать платы с плохо нанесенной пастой, а также, что более важно, устранить на ранних стадиях причину появления подобного брака. Система MS11Dual измеряет объем паяльной пасты на контактных площадках, и в случае обнаружения отклонения от заложенных в программе норм дает сигнал с последующим перемещением платы в NG-буфер. Система также заносит результаты проверки всех плат в базу (если платы имеют заранее нанесенный штрих-код). В базе статистические данные обрабатываются, и одновременно оценивается работа и принтера, и дозатора.
После системы 3D-проверки нанесения паяльной пасты MS11Dual в оба конвейера устанавливается NG-буфер SRB-100X2Dual. Он отбраковывает платы, качество которых не удовлетворяет критериям, запрограммированным в установке проверки нанесения паяльной пасты, а платы, не имеющие дефектов, проходят дальше по конвейеру.
Далее вновь устанавливается согласующий слайд-конвейер, аналогичный тому, что установлен после принтера, и имеющий те же функции. В данном случае он необходим для согласования ширины конвейера и ширины конвейеров автоматов установки компонентов.
За слайд-конвейером следуют конвейерные ворота SUGC-X2Dual (рис.2). Ставятся они для того, чтобы операторы могли "проходить сквозь конвейер", не обходя его. В данной модели ворот печатная плата опускается вниз, почти к полу, перемещается по конвейеру, расположенному под "лестницей", по которой операторы "проходят сквозь конвейер", а затем снова поднимается на уровень следующего конвейера. Такая модель ворот позволяет при проходе оператора не разрывать конвейер, а в случае, если плата "застрянет", ее можно легко достать, подняв крышку верхней части "лестницы".
За конвейерными воротами располагаются последовательно пять автоматов для установки SMD- и некоторых DIP-компонентов.
Два автомата Mx-400LDE (чип-шутеры) имеют производительность свыше 42 000 комп./ч каждый (по стандарту IPC 9850). Реальная производительность составляет 25 000–36 000 комп./ч в зависимости от режимов работы, оптимизации программы сборки, сложности платы и многих других факторов. Автомат работает в один или в два конвейера, имеет две головы с шестью вакуумными захватами и может собирать как одну плату двумя головами на одном конвейере, так и две платы двумя головами на двух конвейерах. С каждой стороны автомата размещаются по 50 интеллектуальных питателей eX-Feeder. Размеры устанавливаемых компонентов – от 0201 до 18×24 мм.
Универсальный автомат установки компонентов Mx-400LX отличается от Mx-400LDE производительностью, она составляет в среднем 30 000 комп./ч (по стандарту IPC 9850) или до 18 000–24000 шт. SMD-компонентов и до 2500 микросхем/ч. Производительность этого автомата ниже, чем предыдущего, за счет того, что каждая голова имеет по четыре скоростных вакуумных захвата и один мультифункциональный. Этот автомат позволяет устанавливать компоненты размерами от 01005 до 50×50 мм или 100×35 мм, т.е. появляется возможность сборки плат с мелкими компонентами.
Далее устанавливается мультифункциональный автомат Mx-400LP2DE, к которому с передней и задней стороны установлены автоматические питатели микросхем из поддонов TF5, каждый из которых подает в автомат до 20 матричных поддонов с микросхемами. Кроме того, есть возможность поставить с каждой стороны по два вибропитателя на пять пеналов каждый или до 20 ленточных питателей. Две головы автомата имеют по три мультифункциональных вакуумных захвата. Автомат предназначен для быстрой и точной установки различных микросхем и компонентов нестандартной формы, однако легко устанавливает и чип-компоненты. Размеры компонентов от 0201 до 50×50 мм или 100×35 мм. Опционально можно работать с компонентами до 01005. Производительность автомата при установке чип-компонентов – 22 тыс. шт./ч (по IPC 9850), а производительность при установке микросхем – до 7 тыс. шт./ч.
В конце линии устанавливается специализированный автомат Mi40LDE с автоматическими питателями микросхем из поддонов TF5. Этот автомат похож на Mx-400LP2DE, но отличается тем, что на каждой балке расположены два вакуумных захвата, с обеих сторон добавлены камеры линейного сканирования, в базе стационарно установлены лазерные сканеры, а на головах – лазерные сканеры высоты. Автомат может использоваться как обычный мультифункциональный автомат установки SMD-компонентов с той лишь разницей, что максимальные размеры компонентов увеличены до 150×50 мм, а производительность составляет 16 тыс. шт. (по IPC 9850) для чипов и 3 тыс. шт. – для микросхем. Но основная задача этого автомата – установка реле, разъемов и других DIP-компонентов. Разработан он и поставляется в компании, которые производят автомобильную электронику. Прежде чем начать установку компонентов в отверстия, автомат определяет реперные знаки и сканирует поверхность платы. Затем, захватив DIP-компонент, проносит его над ССD или линейной камерой, вносит в установленный в базе лазерный сканер, там его вращает и определяет соосность выводов. Если все в порядке, автомат устанавливает DIP-компоненты в отверстия, если нет, то возвращает в поддон или сбрасывает. После установки DIP-компонента лазерный измеритель высоты проверяет высоту углов компонента относительно печатной платы. Этот автомат также можно использовать и для монтажа SMD-компонентов.
Общая производительность автоматов установки компонентов составляет 152 000 комп./ч (по IPC 9850) для чип-компонентов, однако реальная производительность – 80 000–100 000 комп./ч и меньше, в зависимости от сложности платы, оптимизации программ и квалификации персонала. Производительности автоматов в линии должно хватить на сборку 800 заданных плат за 8 ч или 1000 – за 10 ч.
Все автоматы работают с питателями на быстросменных тележках, которые можно программировать вне линии. Написание рабочих программ на установщики можно также вынести на отдельный компьютер. Таким образом, подготовить программу и запрограммировать питатели к новому изделию можно без остановки производства, и, следовательно, переход на выпуск нового изделия займет значительно меньше времени. Необходимо просто заменить тележки в автоматах, запустить новую рабочую программу и пропустить несколько плат в режиме отладки и проверки. Размер печатных плат – 250×680 мм в режиме работы с двойным конвейером и 460×680 мм при работе с одним конвейером.
Далее устанавливается слайд-конвейер, аналогичный тому, что установлен после принтера, и имеющий те же функции. Он необходим для согласования ширины конвейера и ширины автоматической оптической инспекции установки компонентов. Здесь можно было бы вновь поставить ворота SUGC-X2Dual, но перемещение платы с установленными, но не запаянными, компонентами может вызвать смещение и возникновение брака. Поэтому ворота не устанавливаются.
За слайд-конвейером расположена двойная система проверки монтажа компонентов MV-7UDual-15MP. На ней проводится контроль на соответствие номиналам и их размещению на плате. Информация заносится в базу, а бракованные платы поступают в NG-буфер. Система имеет две независимые головы с камерами разрешением до 15 Мпикселов. Точность системы позволяет читать самый мелкий шрифт и проверять компоненты 01005. Скорости системы достаточно для проверки всех компонентов без задержки конвейера. После оптической проверки устанавливается NG-буфер, в него попадают отбракованные платы, а платы, не имеющие дефектов, перемещаются дальше по конвейеру.
Далее устанавливается слайд-конвейер для согласования ширины конвейеров инспекции и печи (рис.3).
Печи оплавления. В связи с высокой производительностью проектируемого производства к печам оплавления предъявляются особые требования. С одной стороны, скорость прохождения платы через печь должна быть высокой, а с другой, – плата должна пройти по заданному термопрофилю. Для выполнения этой задачи длина зоны активной конвекции должна составлять не менее 4 м. В данном случае используется печь с длиной зоны 5 м, а общая длина печи составляет почти 7 м. Длинная печь имеет множество недостатков, в частности ее масса составляет около 5 т, а транспортировка практически невозможна. Но по заказу возможна разработка печей различных размеров. Печи больших размеров можно разделить на 2–3 части с последующей сборкой на месте инсталляции оборудования. Масса такой печи меньше, так как не требуется усиленной рамы, транспортировка легче, а специалистам компании, монтирующим данную печь, понадобится всего 1–2 дня для проведения всех необходимых работ. Кроме того, в печи можно проводить пайку в азотной среде при невысоком энергопотреблении. За счет применения азотной среды снижается количество брака, особенно при работе с бессвинцовыми материалами.
Конвекционная двухконвейерная печь Twin N70-i153/2MD (рис.4) имеет 15 зон нагрева и три зоны охлаждения с двумя независимыми туннелями, в которых регулируются температуры в зонах. Эта печь для транспортировки разделяется между восьмой и девятой зонами и оснащена азотогенератором. В принципе, производитель может встроить генератор непосредственно в печь. Однако этой возможностью пользоваться не всегда целесообразно. Лучше взять более мощный генератор, производительности которого будет достаточно для двух печей.
Охлаждающий конвейер SCC-Х2D устанавливается после печи. Он необходим при производстве сложных многослойных и теплоемких плат. Далее опять следует слайд-конвейер.
После слайд-конвейера устанавливается двойная система проверки монтажа компонентов MV-7UDual-15MP (рис.5). Она позволяет определить наиболее распространенные дефекты: смещение компонента, эффект "надгробного камня" и т.д. Отбракованные платы отправляются в NG-буфер. Система имеет две независимые оптические головы, в каждой из которых установлено до пяти камер с разрешением до 25 Мпикселов. Информация о результатах проверки сохраняется в базе для дальнейшего анализа. Вообще многие считают, что задача оптической инспекции – выявлять брак и отделять бракованные платы от качественно собранных. И это отчасти верно. На самом деле, в нашем производстве это не основная функция комплекса систем оптического контроля. Основная же его задача – отработка технологического процесса и минимизация брака. В одном из следующих выпусков журнала более подробно будет описана работа комплекса, состоящего из системы 3D-инспекции пасты, двух систем оптического контроля, ремонтного центра и рабочего места оператора, которые связаны в одну единую информационную сеть.
В конце производственной линии установлен двухконвейерный автоматический разгрузчик печатных плат SMU-900Х2Dual.
Итак, сформированы две одинаковые универсальные линии (рис.6). Они могут монтировать одновременно по два изделия, т.е. всего четыре. Это могут быть разные печатные платы с разными размерами. Гибкость такого производства очень высока, так как каждая линия может производить монтаж двух сторон печатной платы одновременно. Таким образом, появляется возможность получать полностью смонтированные платы с SMD-компонентами менее чем через час после запуска сборки этой платы и сразу же эти платы можно отправлять на монтаж DIP-компонентов, а далее – в другие цеха и участки. Рассмотрим пример: надо собрать материнскую плату компьютера. С обратной стороны платы обычно находится не более чем 15–20% от общего числа компонентов. Запустив три из четырех конвейеров для сборки верхней стороны платы и один конвейер для сборки нижней, можно минимизировать простой оборудования, так как общая производительность трех конвейеров для монтажа одной стороны платы и одного – для монтажа второй стороны будут практически идентичны.
Каждая линия – гибкая, производительная и универсальная; на ней можно собирать практически любые платы. Не стоит бояться внушительной общей длины линии, так как ее можно уменьшить, удалив некоторые единицы оборудования (например, слайд-конвейер), не уменьшая производительности всей линии, но это потребует дополнительных затрат. Слайд-конвейеры же позволяют перенаправить поток печатных плат с одного конвейера на другой, а также разделять этот поток с одного конвейера на два, а это придает дополнительную гибкость всей линии и повышает эффектность ее работы. Похожие линии стоят на производстве в Японии, Южной Корее и Китае, и наши заказчики, посетив такие предприятия, давали им высокую оценку.
Отзывы, замечания и конструктивные предложения можно присылать по адресу entb@liontech.ru ●
Рис.1. Принтер трафаретной печати HP-620MD
Рис.2. Конвейерные ворота SUGC-X2Dual
Рис.3. Слайд-конвейер между автоматом Mi40LDE и печью оплавления
Рис.4. Печь оплавления TSM Twin N70-i153/2MD
Рис.5. Автоматическая оптическая инспекция для проверки монтажа компонентов MV-7UDual-15MP
Рис.6. Универсальная линия в демонстрационном центре компании "ЛионТех" в Москве
Составление проекта
Техническое задание. Необходимо создать высокопроизводительное многопрофильное производство по выпуску современной электроники, удовлетворяющей требованиям к высокому качеству выпускаемой продукции. При разработке проекта надо иметь в виду, что очень часто выпуск продукции должен осуществляться в кратчайшие сроки, но не за один цикл. Выпуск может быть разбит на партии (по мере необходимости заполнения склада готовой продукции). Производительность. Директоров заводов мало интересует производительность оборудования в час, их интересует, сколько единиц продукции будет выпускать производство в смену, неделю, месяц, год. Зададим производительность 800–1000 шт./смена (8 или 10 ч). При этом для SMD-компонентов производительность в среднем составляет 1200–1500 шт. на плату (1000–1200 с одной стороны и 100–300 – с обратной), а для DIP-компонентов – 20–50 шт.
Размер печатных плат. В основном печатные платы имеют размер до 250×350 мм. Однако они могут достигать размеров 450×450 мм и более. Минимальный размер платы не имеет большого значения, так как маленькие платы обычно объединяют в мультизаготовку, поэтому можно задать минимальный размер платы 50×50 мм.
Размеры SMD-компонентов и минимальный шаг выводов микросхемы. Существует много методик расчета максимальных размеров компонетов, но они занимают много времени. На практике эти размеры не больше 50×50 мм для SMD-компонентов и до 100×35 мм – для разъемов. При проектировании технологической линии необходимо учитывать возможность появления заказа на монтаж с "экзотическими" компонентами размерами до 150×50 мм. В проект заложен шаг выводов планарных микросхем не менее 0,3 мм и минимальный размер чип-компонента – до 0201. Применение компонентов меньшего размера маловероятно, но надо иметь в виду, что компоненты 01005 тоже существуют и может потребоваться их установка. Проектируемое производство должно быть ориентировано и на монтаж DIP-компонентов (разъемов, реле, мощных транзисторов и микросхем), аксиальных и радиальных компонентов в виде резисторов, диодов и конденсаторов.
Другие характеристики проектируемого производства. Возможно, потребуется отмывка печатных плат и нанесение влагозащитного покрытия, и для этого должно быть предусмотрено соответствующее оборудование. На производстве должен быть участок для ремонта изделий как полученных по рекламациям от заказчика, так и вследствие производственного брака, который тоже случается, даже если это и "производство мечты". При создании нового производства надо использовать все возможные средства для минимизации брака.
Для обеспечения высокого качества выпускаемой продукции на производстве должны быть испытательная лаборатория и участок эксплуатационного прогона. Здесь будут испытываться продукция, анализироваться результаты и выявляться слабые места производства и, что не менее важно, накапливаться статистика по отказам. Все это позволит усовершенствовать технологию производства и устранить недочеты, заложенные в комплектации и схемотехнических решениях. Ведь качество – это главная цель.
Производству необходимы участки тестирования, финишной сборки и упаковки, а также складские помещения. Разработка последних производится после того, как определится внутренняя логистика предприятия. Офисные помещения и кабинеты руководителей – немаловажная часть предприятия, и про них тоже не стоит забывать.
Цех автоматизированного SMD-монтажа печатных плат. Это основной цех завода. Расчеты производительности, к сожалению, не приводятся, они выходят за рамки статьи. И вниманию читателей предлагается результат – проект цеха автоматизированного монтажа, в состав которого входят две производственные линии с двойными конвейерами. Рассмотрим состав одной из них.
Состав универсальной производственной линии
Два параллельно зеркально-установленных универсальных мультизагрузчика печатных плат SVML-900X2. Каждый из них может подавать платы из магазинов двух типов, а также имеет функцию подачи плат из стопки. Дополнительно загрузчики оснащены системой механической и вакуумной очистки печатных плат перед подачей их на линию. Платы очищаются от пыли и мелких частиц, остающихся после их изготовления и фрезеровки, а также от частиц, появляющихся при транспортировке. Пыль и мелкие частицы могут быть причиной появления брака при нанесении паяльной пасты в принтере и при оплавлении в печи.
Инверторы печатных плат SVT-180Х2 установлены после загрузчиков. Они могут работать в двух режимах: сквозной проход платы без ее переворота и проход платы с переворотом на 180°. Первый режим используется, когда в линию загружают платы для монтажа первой стороны. Во втором режиме платы с уже установленными компонентами на верхней стороне (из магазинов платы не вынимаются) размещаются в загрузчике, а переворотный конвейер подает их на линию уже перевернутыми для монтажа второй стороны. Это позволяет ускорить процесс производства и снижает трудозатраты персонала.
Принтер трафаретной печати HP-620MD с двумя независимыми конвейерами (рис.1). По сути, это два полноценных принтера в одном корпусе. Каждый имеет собственный трафарет с независимой системой позиционирования, сухой (вакуумной) и влажной очисткой, а также снабжен всеми необходимыми функциями для качественного нанесения паяльной пасты. При этом время цикла каждой части принтера 11 с (без учета времени нанесения пасты). Этот принтер по таким параметрам, как точность и повторяемость, сравним с лучшими аналогами подобной техники. Стандартно принтер может работать с платами шириной 300 мм и длиной 620 мм, а опционально – с платами до 460 мм. При размерах плат до 300 мм принтер работает с двумя конвейерами, но при ширине плат 305–460 мм – только в режиме одного конвейера. На этом принтере можно наносить не только пасту, но и клей для приклеивания компонентов перед установкой пайки волной.
Согласующий слайд-конвейер устанавливается после принтера для согласования ширины конвейера. Он придает дополнительную гибкость линии. Данное устройство получает платы с нанесенной пастой с двух конвейеров принтера и подает в конвейер следующей единицы оборудования линии. Работает слайд-конвейер в четырех режимах.
Первый режим: получает платы с фронтального конвейера и передает во фронтальный последующий, получает с тыльного конвейера и передает на тыльный следующий. Это режим работы линии с двумя конвейерами.
Второй режим: получает платы с одного из конвейеров принтера и подает в один из последующих конвейеров. Такой режим нужен в том случае, когда изготавливаются платы шириной 305–460 мм на одном конвейере.
Третий режим: получает платы с одного из конвейеров принтера и подает в два последующих. Этот режим востребован при изготовлении одной стороны платы на двух конвейерах линии (необходимое условие – скорость нанесения пасты больше скорости работы остальной линии). В этом случае не нужны два трафарета и работает половина принтера.
Четвертый режим: получает платы с двух конвейеров принтера и передает в один из последующих. Данный режим практически не нужен. Но он может пригодиться, если принтер работает с линией, у которой нет второго конвейера. Он будет необходим и в том случае, если один из конвейеров в какой-либо из последующих единиц оборудования выйдет из строя, а скорости нанесения пасты одной половины принтера будет недостаточно для проведения качественного процесса. Тогда можно переналадить линию в режим работы одного конвейера и поток плат с двух конвейеров принтера запустить в один.
Двухконвейерный скоростной дозатор 2MD-40X устанавливается после слайд-конвейера. Он наносит клей между контактными площадками для приклеивания компонентов и фиксации разъемов (процесс необходим, если высота нанесенного через трафарет клея недостаточна для приклеивания разъемов), а также пасту в те области на плате, где необходимо ее большое количество, например, в отверстия для установки DIP-компонентов. Дозатор оснащен двумя балками с линейными двигателями, на каждой из которых установлены по две дозирующие головы с дополнительными независимыми приводами по всем осям. Скорость нанесения клея Jet-дозаторами – до 80 тыс. доз/ч на каждый конвейер.
Затем в линию устанавливается слайд-конвейер, аналогичный тому, который стоит после принтера. Он необходим для согласования ширины конвейера производственной линии и ширины конвейеров оптической инспекции.
Двухконвейерная система 3D-контроля нанесения паяльной пасты MS11Dual. По данным Ассоциации IPC, причиной брака (до 63%) автоматизированного SMD-монтажа является нанесение паяльной пасты. Введение контроля нанесения пасты позволит значительно снизить брак, отбраковать платы с плохо нанесенной пастой, а также, что более важно, устранить на ранних стадиях причину появления подобного брака. Система MS11Dual измеряет объем паяльной пасты на контактных площадках, и в случае обнаружения отклонения от заложенных в программе норм дает сигнал с последующим перемещением платы в NG-буфер. Система также заносит результаты проверки всех плат в базу (если платы имеют заранее нанесенный штрих-код). В базе статистические данные обрабатываются, и одновременно оценивается работа и принтера, и дозатора.
После системы 3D-проверки нанесения паяльной пасты MS11Dual в оба конвейера устанавливается NG-буфер SRB-100X2Dual. Он отбраковывает платы, качество которых не удовлетворяет критериям, запрограммированным в установке проверки нанесения паяльной пасты, а платы, не имеющие дефектов, проходят дальше по конвейеру.
Далее вновь устанавливается согласующий слайд-конвейер, аналогичный тому, что установлен после принтера, и имеющий те же функции. В данном случае он необходим для согласования ширины конвейера и ширины конвейеров автоматов установки компонентов.
За слайд-конвейером следуют конвейерные ворота SUGC-X2Dual (рис.2). Ставятся они для того, чтобы операторы могли "проходить сквозь конвейер", не обходя его. В данной модели ворот печатная плата опускается вниз, почти к полу, перемещается по конвейеру, расположенному под "лестницей", по которой операторы "проходят сквозь конвейер", а затем снова поднимается на уровень следующего конвейера. Такая модель ворот позволяет при проходе оператора не разрывать конвейер, а в случае, если плата "застрянет", ее можно легко достать, подняв крышку верхней части "лестницы".
За конвейерными воротами располагаются последовательно пять автоматов для установки SMD- и некоторых DIP-компонентов.
Два автомата Mx-400LDE (чип-шутеры) имеют производительность свыше 42 000 комп./ч каждый (по стандарту IPC 9850). Реальная производительность составляет 25 000–36 000 комп./ч в зависимости от режимов работы, оптимизации программы сборки, сложности платы и многих других факторов. Автомат работает в один или в два конвейера, имеет две головы с шестью вакуумными захватами и может собирать как одну плату двумя головами на одном конвейере, так и две платы двумя головами на двух конвейерах. С каждой стороны автомата размещаются по 50 интеллектуальных питателей eX-Feeder. Размеры устанавливаемых компонентов – от 0201 до 18×24 мм.
Универсальный автомат установки компонентов Mx-400LX отличается от Mx-400LDE производительностью, она составляет в среднем 30 000 комп./ч (по стандарту IPC 9850) или до 18 000–24000 шт. SMD-компонентов и до 2500 микросхем/ч. Производительность этого автомата ниже, чем предыдущего, за счет того, что каждая голова имеет по четыре скоростных вакуумных захвата и один мультифункциональный. Этот автомат позволяет устанавливать компоненты размерами от 01005 до 50×50 мм или 100×35 мм, т.е. появляется возможность сборки плат с мелкими компонентами.
Далее устанавливается мультифункциональный автомат Mx-400LP2DE, к которому с передней и задней стороны установлены автоматические питатели микросхем из поддонов TF5, каждый из которых подает в автомат до 20 матричных поддонов с микросхемами. Кроме того, есть возможность поставить с каждой стороны по два вибропитателя на пять пеналов каждый или до 20 ленточных питателей. Две головы автомата имеют по три мультифункциональных вакуумных захвата. Автомат предназначен для быстрой и точной установки различных микросхем и компонентов нестандартной формы, однако легко устанавливает и чип-компоненты. Размеры компонентов от 0201 до 50×50 мм или 100×35 мм. Опционально можно работать с компонентами до 01005. Производительность автомата при установке чип-компонентов – 22 тыс. шт./ч (по IPC 9850), а производительность при установке микросхем – до 7 тыс. шт./ч.
В конце линии устанавливается специализированный автомат Mi40LDE с автоматическими питателями микросхем из поддонов TF5. Этот автомат похож на Mx-400LP2DE, но отличается тем, что на каждой балке расположены два вакуумных захвата, с обеих сторон добавлены камеры линейного сканирования, в базе стационарно установлены лазерные сканеры, а на головах – лазерные сканеры высоты. Автомат может использоваться как обычный мультифункциональный автомат установки SMD-компонентов с той лишь разницей, что максимальные размеры компонентов увеличены до 150×50 мм, а производительность составляет 16 тыс. шт. (по IPC 9850) для чипов и 3 тыс. шт. – для микросхем. Но основная задача этого автомата – установка реле, разъемов и других DIP-компонентов. Разработан он и поставляется в компании, которые производят автомобильную электронику. Прежде чем начать установку компонентов в отверстия, автомат определяет реперные знаки и сканирует поверхность платы. Затем, захватив DIP-компонент, проносит его над ССD или линейной камерой, вносит в установленный в базе лазерный сканер, там его вращает и определяет соосность выводов. Если все в порядке, автомат устанавливает DIP-компоненты в отверстия, если нет, то возвращает в поддон или сбрасывает. После установки DIP-компонента лазерный измеритель высоты проверяет высоту углов компонента относительно печатной платы. Этот автомат также можно использовать и для монтажа SMD-компонентов.
Общая производительность автоматов установки компонентов составляет 152 000 комп./ч (по IPC 9850) для чип-компонентов, однако реальная производительность – 80 000–100 000 комп./ч и меньше, в зависимости от сложности платы, оптимизации программ и квалификации персонала. Производительности автоматов в линии должно хватить на сборку 800 заданных плат за 8 ч или 1000 – за 10 ч.
Все автоматы работают с питателями на быстросменных тележках, которые можно программировать вне линии. Написание рабочих программ на установщики можно также вынести на отдельный компьютер. Таким образом, подготовить программу и запрограммировать питатели к новому изделию можно без остановки производства, и, следовательно, переход на выпуск нового изделия займет значительно меньше времени. Необходимо просто заменить тележки в автоматах, запустить новую рабочую программу и пропустить несколько плат в режиме отладки и проверки. Размер печатных плат – 250×680 мм в режиме работы с двойным конвейером и 460×680 мм при работе с одним конвейером.
Далее устанавливается слайд-конвейер, аналогичный тому, что установлен после принтера, и имеющий те же функции. Он необходим для согласования ширины конвейера и ширины автоматической оптической инспекции установки компонентов. Здесь можно было бы вновь поставить ворота SUGC-X2Dual, но перемещение платы с установленными, но не запаянными, компонентами может вызвать смещение и возникновение брака. Поэтому ворота не устанавливаются.
За слайд-конвейером расположена двойная система проверки монтажа компонентов MV-7UDual-15MP. На ней проводится контроль на соответствие номиналам и их размещению на плате. Информация заносится в базу, а бракованные платы поступают в NG-буфер. Система имеет две независимые головы с камерами разрешением до 15 Мпикселов. Точность системы позволяет читать самый мелкий шрифт и проверять компоненты 01005. Скорости системы достаточно для проверки всех компонентов без задержки конвейера. После оптической проверки устанавливается NG-буфер, в него попадают отбракованные платы, а платы, не имеющие дефектов, перемещаются дальше по конвейеру.
Далее устанавливается слайд-конвейер для согласования ширины конвейеров инспекции и печи (рис.3).
Печи оплавления. В связи с высокой производительностью проектируемого производства к печам оплавления предъявляются особые требования. С одной стороны, скорость прохождения платы через печь должна быть высокой, а с другой, – плата должна пройти по заданному термопрофилю. Для выполнения этой задачи длина зоны активной конвекции должна составлять не менее 4 м. В данном случае используется печь с длиной зоны 5 м, а общая длина печи составляет почти 7 м. Длинная печь имеет множество недостатков, в частности ее масса составляет около 5 т, а транспортировка практически невозможна. Но по заказу возможна разработка печей различных размеров. Печи больших размеров можно разделить на 2–3 части с последующей сборкой на месте инсталляции оборудования. Масса такой печи меньше, так как не требуется усиленной рамы, транспортировка легче, а специалистам компании, монтирующим данную печь, понадобится всего 1–2 дня для проведения всех необходимых работ. Кроме того, в печи можно проводить пайку в азотной среде при невысоком энергопотреблении. За счет применения азотной среды снижается количество брака, особенно при работе с бессвинцовыми материалами.
Конвекционная двухконвейерная печь Twin N70-i153/2MD (рис.4) имеет 15 зон нагрева и три зоны охлаждения с двумя независимыми туннелями, в которых регулируются температуры в зонах. Эта печь для транспортировки разделяется между восьмой и девятой зонами и оснащена азотогенератором. В принципе, производитель может встроить генератор непосредственно в печь. Однако этой возможностью пользоваться не всегда целесообразно. Лучше взять более мощный генератор, производительности которого будет достаточно для двух печей.
Охлаждающий конвейер SCC-Х2D устанавливается после печи. Он необходим при производстве сложных многослойных и теплоемких плат. Далее опять следует слайд-конвейер.
После слайд-конвейера устанавливается двойная система проверки монтажа компонентов MV-7UDual-15MP (рис.5). Она позволяет определить наиболее распространенные дефекты: смещение компонента, эффект "надгробного камня" и т.д. Отбракованные платы отправляются в NG-буфер. Система имеет две независимые оптические головы, в каждой из которых установлено до пяти камер с разрешением до 25 Мпикселов. Информация о результатах проверки сохраняется в базе для дальнейшего анализа. Вообще многие считают, что задача оптической инспекции – выявлять брак и отделять бракованные платы от качественно собранных. И это отчасти верно. На самом деле, в нашем производстве это не основная функция комплекса систем оптического контроля. Основная же его задача – отработка технологического процесса и минимизация брака. В одном из следующих выпусков журнала более подробно будет описана работа комплекса, состоящего из системы 3D-инспекции пасты, двух систем оптического контроля, ремонтного центра и рабочего места оператора, которые связаны в одну единую информационную сеть.
В конце производственной линии установлен двухконвейерный автоматический разгрузчик печатных плат SMU-900Х2Dual.
Итак, сформированы две одинаковые универсальные линии (рис.6). Они могут монтировать одновременно по два изделия, т.е. всего четыре. Это могут быть разные печатные платы с разными размерами. Гибкость такого производства очень высока, так как каждая линия может производить монтаж двух сторон печатной платы одновременно. Таким образом, появляется возможность получать полностью смонтированные платы с SMD-компонентами менее чем через час после запуска сборки этой платы и сразу же эти платы можно отправлять на монтаж DIP-компонентов, а далее – в другие цеха и участки. Рассмотрим пример: надо собрать материнскую плату компьютера. С обратной стороны платы обычно находится не более чем 15–20% от общего числа компонентов. Запустив три из четырех конвейеров для сборки верхней стороны платы и один конвейер для сборки нижней, можно минимизировать простой оборудования, так как общая производительность трех конвейеров для монтажа одной стороны платы и одного – для монтажа второй стороны будут практически идентичны.
Каждая линия – гибкая, производительная и универсальная; на ней можно собирать практически любые платы. Не стоит бояться внушительной общей длины линии, так как ее можно уменьшить, удалив некоторые единицы оборудования (например, слайд-конвейер), не уменьшая производительности всей линии, но это потребует дополнительных затрат. Слайд-конвейеры же позволяют перенаправить поток печатных плат с одного конвейера на другой, а также разделять этот поток с одного конвейера на два, а это придает дополнительную гибкость всей линии и повышает эффектность ее работы. Похожие линии стоят на производстве в Японии, Южной Корее и Китае, и наши заказчики, посетив такие предприятия, давали им высокую оценку.
Отзывы, замечания и конструктивные предложения можно присылать по адресу entb@liontech.ru ●
Рис.1. Принтер трафаретной печати HP-620MD
Рис.2. Конвейерные ворота SUGC-X2Dual
Рис.3. Слайд-конвейер между автоматом Mi40LDE и печью оплавления
Рис.4. Печь оплавления TSM Twin N70-i153/2MD
Рис.5. Автоматическая оптическая инспекция для проверки монтажа компонентов MV-7UDual-15MP
Рис.6. Универсальная линия в демонстрационном центре компании "ЛионТех" в Москве
Отзывы читателей
