Технологія обладнання для установки ПМ компонентів на друковані плати

Заклад освіти «Білоруський державний університет
інформатики і радіоелектроніки »
Кафедра РЕЗ
РЕФЕРАТ
На тему:
«ТЕХНОЛОГІЯ ТА ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ ВСТАНОВЛЕННЯ ПМ-КОМПОНЕНТІВ НА ДРУКОВАНІ ПЛАТИ»
МІНСЬК, 2008

Однією з важливих операцій технологічного процесу ПМ є установка компонентів на друковані плати. Від точності виконання цієї операції в значній мірі залежать надійність, електричні характеристики ПМ-виробів. Враховуючи малі геометричні розміри компонентів і малі відстані між висновками, ручне виконання цієї операції в умовах серійного виробництва практично неможливо (за винятком ремонту). Тому найчастіше використовуються складальні автомати (автомати укладальники), які в міжнародній технічній літературі отримали назву «pick-and-place equipment» або «placement system». Такі установки здійснюють вилучення компонентів з подавальних пристроїв і розміщення їх на контактних майданчиках друкованих плат, забезпечуючи необхідну точність установки. Основною тенденцією їх розвитку є підвищення точності позиціонування і продуктивності роботи. Велике значення має також забезпечення гнучкості в роботі і програмної перенастроюванні обладнання на нові види корпусів, систем їх подачі і нові топології друкованих плат.
Крім того, важливе значення для такого обладнання має підвищення виходу придатних виробів, що забезпечується програмним управлінням процесом складання, вбудованими системами контролю з пошуком і заміною несправних компонентів з використанням систем технічного зору.
В останні роки визначилася також тенденція в розробці не окремих автоматів-укладальників, а інтегрованих монтажно-складальних комплексів, які найбільшою мірою задовольняють вимогам великосерійного виробництва. Деякі фірми йдуть шляхом модернізації наявних потокових ліній для монтажу компонентів зі штирові висновками. Лідером по випуску високопродуктивного обладнання для монтажу чіп-компонентів є японські фірми («Fuji», TDK, «Sony» та ін.) У розробках обладнання для монтажу складних ПМ-компонен-тів (SO, TAB, крісталлоносітелі) лідирують американські фірми («Universal Instruments», «DynaPert», «Amistar» та ін.) Обладнання для монтажу компонентів випускається також і європейськими постачальниками ПМ-компонентів («Philips», «Siemens» та ін.)
Для оцінки рівня і потенційних можливостей автоматів-укладальників ПМ-компонентів можна використовувати наступні критерії:
• складність конструкції корпуса компонента;
• прийнятий метод позиціонування;
• продуктивність;
• рівень гнучкості, програмна перенастроювання;
• наявність вбудованих інтегрованих систем контролю якості та усунення браку.
З точки зору складального обладнання всі види корпусів ПМ-компонентів можна розділити на дві групи: прості (чіп-компоненти, прямокутні, MELF, SOT) і складні (SO, PLCC, крісталлоносітелі та ін.) Розробка універсального устаткування для установки як простих, так і складних корпусів навіть при його високій гнучкості представляє великі конструкторські та технологічні труднощі. Це насамперед пов'язано з необхідною різною точністю позиціонування (наприклад, для встановлення крісталлоносітелей потрібна точність ± 0,1524-0,0508 мм і менше), в значній мірі визначає складність конструціі і вартістю обладнання. Крім того, для простих і складних компонентів застосовуються живильники різної конструкції.
Випускаються автомати-укладальники розділені на п'ять груп виходячи з їх продуктивності і точності (табл. 1).

Таблиця 1. Характеристики автоматів-укладальників
Автомати першої групи мають відносно просту механіку, яка найчастіше реалізується по Т-схемі (мал. 1), спрощений алгоритм функціонування і схему управління, обмежену точність позиціонування (+ -0,15 мм), механічну юстировку компонентів, обмежений набір компонентів (R, C-чіп, SO, PLCC, QFR з P> = 0,65 мм).

Рис. 1. Схема реалізації автоматів-укладальників першої групи

а - одинарна Т-схема; б - здвоєна Т-схема
Рис.2. Схема реалізації автоматів другої групи:
Автомати другої групи поряд з більшою продуктивністю мають більш високу точність позиціонування (похибка - ± 0,12 мм ), Можливе застосування разом з механічними і оптичних систем центрування компонентів, більший вибір компонентів. Вони можуть бути реалізовані за одинарною та здвоєною Т-схемі (рис.2). Друга схема забезпечує більшу продуктивність.

Рис. 3. Схема реалізації автоматів-укладальників на основі центральної роторної головки

Рис. 4. Схема автомата-укладальника з блоком головок
Автомати третьої групи мають більш, складну механіку, оптичну систему центрування компонентів, більш високу точність позиціонування (похибка + - 0,1 мм ). Реалізуються за схемою з центральною роторної головкою (рис. 3) і з використанням блоку головок, що здійснюють синхронний захоплення і установку компонентів (рис. 4).
При використанні першої схеми забезпечується одночасне захоплення і використання частин, великий їх вибір, однак багато часу витрачається на транспортування елементів.
У другій схемі може здійснюватися одночасне захоплення і позиціонування великої кількості компонентів (більше 28), друкована плата не переміщається, скорочується час на транспортування.
Четверта група автоматів-укладальників реалізується за схемою послідовно-паралельного позиціонування (рис 5). Одно-і многозахватние головки розташовуються уздовж конвеєра і здійснюють незалежну установку компонентів. Похибка позиціонування ± 0,08-0,1 мм.

Рис. 5. Сьома високошвидкісного укладальника
Особливість п'ятої групи автоматів-укладальників - підвищена точність позиціонування (0,03 - 0,05 мм ). Реалізується по Н-схемою із застосуванням спеціальних матеріалів, підшипників на повітряній основі, розімкнутих крокових двигунів, систем технічного зору, високоточних систем вимірювання координат.
Застосовуються для позиціонування компонентів з кроком висновків менш 0,3 мм (QFR, ВGA, Flip-Chip, COB).
Робочий цикл будь-якого автомата-укладальника включає в себе такі технологічні дії:
- Вибір з накопичувача необхідного компонента;
- Переміщення його до посадкового місця на ДП;
- Установка компонента з точністю позиціонування.
Крім того, в деяких конструкціях автоматів перед установкою здійснюється контроль електричних та геометричних параметрів встановлюваного компонента.
Такий технологічний цикл можливо практично реалізувати за допомогою взаємного переміщення основних конструктивних елементів автомата - монтажної голівки, координатного столу і магазина з компонентами. Виходячи з цього, в даний час прийняті наступні варіанти комбінації переміщень основних елементів автоматів.
Варіант 1. Друкована плата і магазин з компонентами нерухомі (магазин може переміщатися тільки в напрямку X). Компоненти захоплюються монтажної головкою з необхідною позиції живильника і встановлюються на посадочне місце (рис. 6) (перший варіант автомата послідовного дії). Як видно з малюнка, монтажна головка переміщається в таких автоматах по всіх напрямках (x, y, z) і навколо своєї осі (6), що дозволяє їй за заданою програмою вибирати необхідний елемент з живильника, переміщати і встановлювати його в будь-яку точку на друкованій платі. Як було зазначено вище, такі автомати мають найбільшу гнучкістю і дозволяють встановлювати компоненти будь-яких типів, що найбільш ефективно в умовах дрібносерійного виробництва при великій номенклатурі виробів і типорозмірів компонентів. Їх продуктивність може бути, підвищена за рахунок застосування двох монтажних головок. Крім того, при такій схемі може бути легко здійснено контроль електричних та геометричних параметрів компонентів, які перед установкою поміщаються в пристрій контролю.

1 - друкована плата, 2 - • бобіни з упакованими компонентами; 3 - монтажна головка; 4-встановлюваний компонент; 5 - вакуумний пінцет (захоплення)
Рис. 6. Схема автомата-укладальника послідовного типу
Варіант 2. У цьому випадку (рис. 7) позиціонування місця встановлення компонента здійснюється переміщенням столу з печатноі платою в напрямку X (другий варіант автомата послідовного дії). При цьому цикл роботи автомата складається з наступних операцій: 1) подача компонентів під монтажну головку (напрямок Х), 2) вибір компонента монтажної головкою (переміщення в напрямку Y, Z); 3) повернення накопичувачів в початковий стан, 4) переміщення столу з друкованої платою під монтажну голівку з позиціонуванням посадкового місця щодо головки, установка компонента.
При використанні блоку головок (до 30) і кількох друкованих плат такі системи можуть забезпечити високу продуктивність (рис 8). Однак найбільш ефективним є їх застосування для компонентів простої форми. Прикладом такої розробки є автомат МСМ VII (фірма «Philips»).

1 - друкована плата, 2 - стрічка з ПМ-компонентами; 3 - монтажна головка, 4 - монтуємий компонент
Рис. 7. Схема автомата з позиціонуванням місця встановлення компонента за допомогою робочого столу


1 - бобіна з ПМ-компонентами; 2 - блок монтажних головок; 3 - турель; 4 - Двохкоординатний стіл
Рис.8. Схема автомата з блоком монтажних головок
Варіант 3. Роторно-баштова схема побудови автоматів (Rotary Turret Placement System) в останні роки знаходить все більше застосування в конструкціях високошвидкісних автоматів-укладальників. У цій схемі також використовується блок монтажних головок, які по колу переміщуються з однієї позиції в іншу. Місце встановлення компонента позиціонується координатним столом.
Застосовується кілька різновидів автоматів-укладальників, що реалізують роторну схему: з поворотом ротора навколо вертикальної і горизонтальної осі і з різними варіантами подачі компонентів. Один з варіантів горизонтальної схеми зображений на рис. 9. Роторна головка 1 має чотири вакуумних захоплення і чотири робочі позиції. На першій позиції захоплюється компонент з живильника, бобіни якого повертаються навколо вертикальної осі на 90 °. У другій позиції здійснюється контроль електричних параметрів компонента, в третій - його центрування, у четвертій - установка на друковану плату, яка переміщається в напрямку X, Y для поєднання захоплення з посадочним місцем компонента. Ці цикли повторюються кожної монтажної головкою, що забезпечує високу продуктивність автомата. Недолік варіанти - обмеженість номенклатури встановлюються компонентів (без переналагодження пристрої найчастіше встановлюється один тип).

1 - ротор (револьверна головка); 2 - бобіна з компонентами; 3 - карусель з бобінами; 4 - блок контролю електричних параметрів; 5 - блок центрування компонентів; 6 - Двохкоординатний стіл з друкованою платою
Рис. 9. Схема автомата-укладальника роторного типу з обертанням ротора навколо горизонтальної осі:
Схема аналогічного по конструкції, але більш продуктивного автомата показана на рис. 10. Він містить більшу кількість монтажних головок і робочих позицій для контролю електричних параметрів і центрування, що розширює номенклатуру монтуються компонентів. Для подачі компонентів використовується карусель з бобінами, що повертається навколо вертикальної осі.

Рис.10. Схема багатошпиндельних автоматах-укладальника роторного типу
В останніх розробках автоматів-укладальників більш широко застосовується схема з ротором, що обертається навколо вертикальної осі (рис. 11). Такий автомат також містить обертовий ротор-вежу, на якій розміщується 10 або 12 монтажних головок. Для підвищення універсальності та продуктивності кожна з голівок має 1-5 вакуумних захоплень. Центрування компонентів здійснюється механічними пристроями або системами технічного зору, а поєднання з посадковим місцем - двохкоординатним столиком. Подача плат проводиться за допомогою конвеєра. Деякі системи містять спеціальні пневматичні підйомники для пересування плат з одного конвеєра на інший. Центрування плат відбувається з базових отворів або по бічних крайок. Перший метод забезпечує більшу точність і повторюваність цієї операції. Для подачі компонентів до монтажної голівці блок живильників здійснює зворотно-поступальні рухи в напрямку X. При цьому бобіна з необхідним компонентом орієнтується для подачі його під нове захоплення.

Рис.11. Схема автомата-укладальника з вертикальною віссю обертання ротора
Фірмою «Philips» випущена нова серія автоматів для установки ПМ-компонентів на GEM-платформі. Це обладнання забезпечує модульність і гнучкість, вкрай необхідні сучасним виробництвам збірки друкованих вузлів за технологією поверхневого монтажу особливо в умовах серійного і великосерійного випуску продукції. При використанні машин на GEM-платформі з уніфікованими конструктивами і програмним забезпеченням зменшується вартість установки на компонент, збільшується завантаження обладнання, полегшується перехід на нові вироби, підвищується гнучкість. На відміну від більшості високопродуктивних автоматів на ньому можна встановлювати не тільки малогабаритні компоненти, але і мікросхеми з чотиристороннім розташуванням висновків у корпусах типу GFP, а також BGA.
Нове покоління машин фірми «Philips» на сьогоднішній день включає в себе два автомати: EMERALD-X - автомат установки компонентів з дуже малим кроком і TOPAZ-X - високошвидкісний гнучкий автомат. Ці автомати відрізняються більш високим коефіцієнтом завантаження і продуктивністю, ніж їх попередники.
Автомати з індексом «X» забезпечені подвійними живильниками для матричних піддонів, які дозволяють змінювати порожні піддони на нові без зупинки роботи автомата, пристроєм для склеювання стрічок і живильниками для подачі компонентів з розсипу зі збільшеною ємністю. У поєднанні з можливостями, збереженими від попереднього (високонадійна конструкція з малим часом обслуговування, візки для групової зміни живильників, система розпізнавання штрих-кодів на живильниках та ін), нові автомати мають мінімальні втрати часу і максимально можливий коефіцієнт завантаження. Ще одна перевага таких автоматів - підвищена продуктивність установки компонентів. Нова система технічного зору з високоефективним висвітленням під різними кутами покращує распознаваемость компонентів «на льоту», скорочуючи час центрування. Освітлення під різними кутами дає висококонтрастні зображення навіть для складних компонентів, таких, як мікросхеми в корпусах BGA і CSP. TOPAZ-X може розпізнавати до восьми компонентів за один прохід, що зменшує час розпізнавання до 0,2 с / компонент.
Важливим фактором, що впливає на підвищення продуктивності, є нова система зміни насадок «на льоту» (під час руху, без втрат часу). На TOPAZ-X до чотирьох настановних головок з восьми можуть мати по три попередньо встановлені насадки. Інші чотири головки можуть міняти насадки в спеціальній станції. На EMERALD-X обидві головки можуть бути оснащені за замовленням системою для зміни насадок «на льоту». Така система дозволяє збільшити продуктивність до 15%.
Якщо в живильники помилково заправлені компоненти іншого типу або закінчилися компоненти, автомат дасть сигнал оператору і, пропустивши помилку, продовжить збирати плату далі, давши оператору час для усунення проблеми.
Різні комбінації автоматів на GEM-платформі дозволяють створювати лінії практично для будь-яких видів серійних виробництв з будь-якою комбінацією компонентів поверхневого монтажу.

ЛІТЕРАТУРА
1. Технологія поверхневого монтажу: Учеб. посібник / Кундас С.П., Достанко А.П., Ануфрієв Л.П. та ін - Мн.: «АРМІТ - Маркетинг, Менеджмент», 2000.
2. Технологія радіоелектронних пристроїв і автоматизація виробництва: Підручник / А.П. Достанко, В. Л. Ланін, А.А. Хмиль, Л.П. Ануфрієв; За заг. ред. А.П. Достанко. - Мн. Обчислюємо. шк., 2002
3. Роткоп Л.Л., Спокійний Ю.Є. Забезпечення теплових режимів при конструюванні радіоелектронної апаратури. - М., 2006.
4. Гуськов Г.Я., Блінов Г.А., Газаров А.А. Монтаж мікроелектронної апаратури М.: Радіо і зв'язок, 2006.-176с.
5. Норенков І.П. Основи автоматизованого проектування: Учеб. для вузів. - М.: Із МГТУ ім. Н. Е. Баумана, 2000. - 360 с.