W branży produkcji elektroniki priorytetami są jakość, wydajność oraz opłacalność, konieczne jest też sprostanie wyzwaniom związanym z manipulowaniem miniaturowymi podzespołami. W tym przypadku prędkość, precyzja oraz czystość, które są wymagane w produkcji, obróbce i montażu podzespołów, coraz częściej pozostają poza zasięgiem ludzi. Stąd też w przemyśle elektronicznym powszechnie korzysta się z dedykowanych rozwiązań zautomatyzowanych, a także systemów zrobotyzowanych.
Wśród urządzeń automatyki, będących częścią linii produkcyjnych w przemyśle elektronicznym, wymienić należy różnego typu maszyny specjalistyczne oraz roboty przemysłowe, w tym roboty współpracujące. Jeżeli chodzi o te pierwsze, to wiele maszyn tego typu jest wykorzystywanych na etapie wytwarzania struktur układów scalonych. Przykładami są automaty do rozcinania płytek krzemowych oraz zautomatyzowane systemy ich inspekcji.
Układy scalone ze względu na stopień skomplikowania i miniaturyzacji ich struktur wytwarzane są zbiorczo na płytkach krzemowych. Odbywa się to w ramach wieloetapowego procesu, w którym kolejne warstwy powstają przez wielokrotne powtarzanie operacji takich jak m.in.: domieszkowanie półprzewodnika, fotolitografia, trawienie. Następnie poszczególne układy są wyodrębniane z płytek przez rozcinanie wzdłuż ich krawędzi.
Jakość wykonania tego zadania w ogromnym stopniu wpływa na jakość gotowych podzespołów. Ze względu na specyfikę podłoży, które są ekstremalnie cienkie, mają coraz większą powierzchnię i dużą gęstość upakowania scalonych struktur, dochowanie najwyższych standardów w tym zakresie nie jest łatwe. Wymaga to bowiem uzyskania kompromisu między dokładnością i powtarzalnością pozycjonowania cięć, stratami materiału, zniekształceniami krawędzi a szybkością i wydajnością cięcia.
W automatach do cięcia płytek podłożowych stosowane są różne techniki cięcia. Najpopularniejsze są dwie z nich: cięcie mechaniczne i laserowe. W zakresie ostatniej wyróżnia się dwie metody. W pierwszej wykorzystuje się zjawisko ablacji, natomiast w drugiej nacięcia wykonuje się niejako od środka. Dzięki temu ta ostatnia ma wiele zalet w porównaniu z pozostałymi, które przedstawiamy w pierwszej kolejności.
W metodzie mechanicznej wykorzystywane jest ostrze diamentowe, które rozcina płytkę, obracając się z dużą szybkością. Jest to zatem technika kontaktowa. To ma liczne negatywne konsekwencje, pomimo że przez lata starano się tę metodę udoskonalać.
Przede wszystkim nacisk ostrza na krawędzie powoduje ich odkształcanie się i odpryski. Ponadto, nawet używając najcieńszego ostrza, trzeba się liczyć ze stratami materiału oraz powstawaniem zanieczyszczeń w postaci okruchów. Oprócz tego, w wyniku tarcia krawędzie ciętego materiału silnie się nagrzewają. Dlatego wymagane jest chłodzenie. Jest to dodatkową komplikacją, podobnie jak fakt, że okresowo trzeba wymieniać ostrze, ponieważ z czasem się zużywa. W przeciwnym razie jakość cięć ulega znaczącemu pogorszeniu.
W pierwszej ze wspomnianych technik laserowych nacięcia wykonuje się, wykorzystując zjawisko ablacji. Polega ono na odparowaniu / stopieniu materiału w danym miejscu poprzez poddanie go oddziaływaniu promieniowania laserowego o długości fali przez niego absorbowanej. Z metody tej korzysta się w przypadku płytek, które są za cienkie, aby można je było rozcinać mechanicznie. Z drugiej jednak strony w tym przypadku liczyć się należy z termicznym uszkodzeniem krawędzi. Ponadto roztopione, a potem zastygnięte okruchy są trudne do usunięcia.
Ograniczenia metody mechanicznej ani ablacji laserowej nie dotyczą trzeciej techniki cięcia (stealth dicing). Jest to bowiem metoda bezkontaktowa (nie występują zatem straty materiału ani nie powstają okruchy) i nietermiczna. Dzięki temu, ponieważ nie wymaga użycia wody do chłodzenia ani czyszczenia płytki, jest to również technika przyjaźniejsza środowisku. W ramce wyjaśniamy, na czym polega cięcie stealth dicing.
Na czym polega stealth dicing?Cięcie w tym przypadku obejmuje dwa kroki. W pierwszym płytka jest poddawana oddziaływaniu promieniowania laserowego emitowanego przez laser impulsowy o tak dobranej długości fali, aby przenikało ono przez nią (w przypadku krzemu w zakresie bliskiej podczerwieni). Pulsująca wiązka laserowa jest przez układ optyczny ogniskowana w punkcie pod powierzchnią płytki. Dzięki temu, oddziałując punktowo w chwili osiągnięcia mocy szczytowej, powoduje powstanie mikrootworu. Ponieważ wiązka przemieszcza się wzdłuż zaplanowanych linii cięcia, pod powierzchnią płytki powstaje perforowana ścieżka. Jednocześnie jej wierzch i spód pozostają nienaruszone. Laser zatem bezpośrednio nie rozcina płytki – po przeskanowaniu nim całej jej powierzchni nadal stanowi ona całość. Do rozdzielenia poszczególnych układów dochodzi dopiero w kolejnym kroku. W tym celu specjalna taśma, do której wcześniej płytka krzemowa jest przyklejana, zostaje rozciągnięta. Powoduje to powstanie naprężeń rozrywających płytkę wzdłuż perforowanej ścieżki. |
Maszyny do rozcinania płytek krzemowych są często urządzeniami półautomatycznymi. W takich przypadkach w pełni zautomatyzowany jest wyłącznie sam proces cięcia, natomiast za uzupełnienie podajnika z płytkami, a potem opróżnienie podajnika wyjściowego odpowiada operator maszyny. Wśród najważniejszych parametrów tych maszyn wymienić można: szybkość cięcia, rozdzielczość, dokładność i powtarzalność pozycjonowania. Ważny jest również maksymalny rozmiar (średnica) płytek możliwych do pocięcia. Częścią stanowiska rozcinania płytek krzemowych są oprócz tego urządzenia uzupełniające. Do takich zaliczyć można: automaty do mycia (jeśli samautomat tnący nie ma takiej funkcjonalności), przeważnie z opcją mycia wodą, wodą z dodatkiem środka myjącego oraz z suszeniem, jednostki do kontroli temperatury wody oraz do jej recyklingu.
Bardzo ważne jest, aby płytki krzemowe były płaskie i pozbawione defektów sieci krystalicznej, na ich powierzchni nie występowały skazy, zaś struktury układów scalonych były wykonywane jak najdokładniej według przyjętego wzorca. W przeciwnym razie negatywnie odbija się to na jakości gotowych układów oraz opłacalności produkcji. Wczesne wykrycie defektów pozwala bowiem często na ich usunięcie (wyczyszczenie, przeszlifowanie płytki) bez marnowania materiału oraz rozpoznanie i zlikwidowanie ich przyczyn, zapobiegające ich powielaniu.
Niestety powstawania skaz i osadzania się zanieczyszczeń na etapie wytopu krzemu i formowania walców monokryształów, jak również później w kolejnych procesach obróbki podłoży, nie można wykluczyć. Co więcej, w związku z tym, że dąży się do zwiększania średnicy płytek krzemowych, prawdopodobieństwo wystąpienia defektów rośnie.
Z drugiej strony tendencja do zwiększania gęstości upakowania scalonych struktur sprawia, że rosną wymagania pod względem rozdzielczości systemów inspekcji. Równocześnie, aby była opłacalna, musi odbywać się z możliwie największą szybkością. To nie jest łatwe do uzyskania ze względu na ilość przetwarzanych danych i złożoność algorytmów obliczeniowych, które w tym celu są wykorzystywane m.in. przez systemy wizyjne.
Zadaniem zautomatyzowanych systemów inspekcji płytek krzemowych pod kątem występowania defektów, czy to w formie ciał obcych, skaz, jak rysy, czy zniekształceń wzorów wykonanych na tym podłożu, jest ich wykrycie oraz ustalenie ich współrzędnych. Wymienione defekty ze względu na ich specyfikę można podzielić na dwie kategorie: losowe oraz regularne.
Skazy losowe stanowią przede wszystkim zarysowania i cząstki, które przywierają do powierzchni płytki w sposób nieuporządkowany. Zwykle różnią się także między sobą kształtem i rozmiarami. Zatem ich wystąpienie i położenie są całkowicie nieprzewidywalne.
Skazy drugiego typu zazwyczaj mają z kolei postać zniekształceń wzorów struktur wytworzonych w podłożu i są spowodowane nieprawidłowym przebiegiem procesów na kolejnych etapach obróbki płytek. Są zatem przewidywalne – dla pewnych struktur, w określonych warunkach lub przy danych parametrach procesów można się spodziewać ich wystąpienia. Oprócz tego zwykle są powtarzalne, co oznacza, że w kolejnych strukturach występują w tych samych miejscach.
Defekty tego rodzaju przeważnie wykrywa się przez porównanie ze wzorcem. Zanieczyszczenia i zarysowania na powierzchni są natomiast rozpoznawane na przykład poprzez zestawianie ze sobą obrazów sąsiadujących mikrostruktur. Konfiguracja systemu pomiarowego zależy też od tego, czy inspekcji poddawane są płytki krzemowe gotowe do pocięcia na poszczególne układy scalone, czy podłoża "puste".
Systemy wizyjne w inspekcji PCBW procesie montażu płytki drukowane mogą być poddawane automatycznej optycznej kontroli jakości na kilku etapach. Typowo AOI (Automated Optical Inspection) przeprowadza się w celu inspekcji rozmieszczenia pasy lutowniczej i podzespołów elektronicznych na PCB, a następnie po ich przylutowaniu do płytki, w celu oceny poprawności, ciągłości oraz jakości połączeń. Popularnym rozwiązaniem są systemy AOI 2D. Najbardziej zaawansowane wykorzystują kilka kamer o dużej rozdzielczości. Wśród zalet kontroli 2D wymienić można: opłacalność, szybkość, niewystępowanie problemów z zacienieniem, możliwość kontroli komponentów o wysokości powyżej kilku mm, elastyczność i dojrzałość technologii. Do jej ograniczeń z kolei zalicza się: brak możliwości przeprowadzenia kontroli współpłaszczyznowości i pomiarów objętościowych oraz często dużą liczbę fałszywych alarmów. Alternatywą jest inspekcja 3D. Ograniczenia AOI 2D jej nie dotyczą. Z drugiej jednak strony należy się w jej przypadku liczyć z: większymi kosztami, wolniejszą kontrolą, problemami z zacienieniem, ograniczeniem w zakresie wysokości elementów poddawanych inspekcji (do kilku mm). Dobrym, kompleksowym rozwiązaniem jest zatem połączenie systemów 2D oraz 3D. Dane pozyskiwane przez rejestratory obrazu są następnie poddawane obróbce oraz analizowane w specjalnym oprogramowaniu, w którym zaimplementowano algorytmy detekcji defektów. Typowo bazują one na porównywaniu obrazów obiektu inspekcji z obrazami odniesienia. W tej kwestii są stosowane różne podejścia. Przykładowo obrazy PCB porównywane są ze wzorcem, czyli obrazem poprawnie zmontowanej płytki. Zadaniem programu jest w takim przypadku rozpoznanie różnic pomiędzy nimi. W bazie danych systemu AOI mogą być również przechowywane obrazy poprawnie, jak i niepoprawnie zmontowanych PCB. W takim przypadku program dopasowuje do tych wzorców obraz płytki aktualnej poddawanej kontroli. Korzysta się również z metod statystycznych. Ostatnio oprogramowanie do przetwarzania obrazów z wizyjnych systemów inspekcji zaczęto uzupełniać o rozwiązania z zakresu sztucznej inteligencji, zwłaszcza metod głębokiego uczenia się. Narzędzia tego typu są w stanie "nauczyć się", na podstawie obrazów wzorcowych, rozpoznawania charakterystycznych cech obiektów badania w różnych warunkach, na przykład ustawionych pod różnym kątem, w różnej orientacji, przy różnym oświetleniu, w warunkach olśnienia. Następnie w oparciu o obrazy poprawnie oraz niepoprawnie zmontowanych płytek drukowanych klasyfikują anomalie rozpoznane na aktualnie poddawanej inspekcji PCB na akceptowalne odchylenia oraz prawdziwe defekty. |
Ostatnie z wymienionych pod kątem występowania zanieczyszczeń sprawdzają ich dostawcy przed wysyłką i odbiorcy. W przypadku tych drugich ma to na celu nie tylko zweryfikowanie jakości dostaw od danego kontrahenta, ale dodatkowo często w ten sposób dla testowych partii sprawdzana jest poprawność działania oraz czystość sprzętu.
Na rysunku 1a przedstawiono przykładową konfigurację głównych komponentów systemu inspekcji "pustych" podłoży. Są to: źródło i detektor promieniowania laserowego. To pierwsze przemieszcza się w kierunku od zewnętrznej krawędzi do środka płytki krzemowej, która z kolei jest wprawiana w ruch obrotowy. W ten sposób cała powierzchnia tego podłoża zostaje przeskanowana.
Gdy promieniowanie laserowe pada na cząstkę zanieczyszczenia / rysę na powierzchni obracającej się płytki, zostaje rozproszone. To zostaje natychmiast wykryte w detektorze. Na podstawie kąta obrotu płytki i położenia promienia lasera obliczane są współrzędne skazy. Warto dodać, że w ten sposób można również wykrywać defekty w strukturze krystalicznej, jak COP (Crystal Originated Particle), powstające podczas wytapiania krzemu i formowania z niego walców monokryształów, m.in. w wyniku niewłaściwego tempa wzrostu kryształów, gradientów temperatur, niewłaściwego chłodzenia.
W przypadku płytek krzemowych gotowych do pocięcia na poszczególne układy scalone stosuje się inne rozwiązanie (rys. 1b). Polega ono na rejestrowaniu obrazów sąsiednich struktur, a następnie ich sukcesywnym porównywaniu ze sobą. Jeżeli wynikiem ich przetwarzania jest brak różnic, płytka uznawana jest za wolną od defektów. W przeciwnym razie odczytywane są współrzędne znalezionej skazy.
Warto dodać, że w zautomatyzowanych maszynach do inspekcji płytek krzemowych implementuje się dodatkowo specjalne algorytmy przetwarzania danych pomiarowych. Przykładami są te, które analizują oraz klasyfikują defekty m.in. ze względu na ich cechy wspólne, cechy wyróżniające, przyczyny powstawania. Informacje te są następnie wykorzystywane do zwiększania efektywności kontroli i analizowane pod kątem poprawy jakości procesów produkcyjnych.
Automaty i roboty lutownicze – przykłady Ersa Powerflow Pro Automat do lutowania na fali w atmosferze azotu. Wybrane cechy: topnik natryskiwany na płytkę według zadanego programu, modułowa strefa podgrzewania wstępnego, podgrzewanie konwekcyjne i z wykorzystaniem podczerwieni, zestaw dysz do wielu zastosowań, oprogramowanie ERSASOFT 5, maksymalna wysokość komponentu na płytce: do 100 mm.
 Piece lutownicze HB Automation seria HS Sześcio-, ośmio-, dziesięcio- i dwunastostrefowe, do lutowania w technologii bezołowiowej, w atmosferze powietrza lub azotu, technologia grzania: wymuszona konwekcja powietrza, zakres temperatur: od temperatury pokojowej do +300°C z dokładnością ± 2°C, system kontroli cyrkulacji powietrza redukujący interferencje między strefami, zabezpieczenie przed przegrzaniem, wbudowany system filtracji oparów topnika.
 Robot lutowniczy Reeco Możliwość pracy z płytkami o wymiarach 520 × 520 mm, stacja do lutowania zintegrowana z elementem grzejnym, automatyczny podajnik drutu lutowniczego, zapis do 255 programów lutowniczych (po 100 tys. punktów każdy program), możliwość importu plików *.dxf, Gerber, Excel, samonośna, aluminiowa konstrukcja, optyczne kurtyny zabezpieczające. |
Kolejnym etapem produkcji, w którym wykorzystuje się zautomatyzowane maszyny specjalistyczne, jest lutowanie. Zwiększają one precyzję, szybkość, wydajność i opłacalność montażu podzespołów elektronicznych na PCB. Co więcej, w związku z obowiązującym w branży elektronicznej trendem rozszerzania funkcjonalności urządzeń przy ich jednoczesnej miniaturyzacji, stają się nawet nie tyle alternatywą dla lutowania ręcznego, co już koniecznością.
Wynika to stąd, że spełnienie wyżej wymienionego celu osiąga się głównie dzięki projektom PCB o dużym zagęszczeniu elementów i wprowadzaniu nowych typów obudów. Te ostatnie charakteryzują się rozmiarami, liczbą oraz rodzajem wyprowadzeń, które wymagają precyzji wypozycjonowania komponentu na płytce drukowanej, a następnie przylutowania go, trudnej do osiągnięcia przez operatorów przy jednoczesnym uzyskaniu przez nich zakładanej wydajności. Przykładami takich są bezwyprowadzeniowe obudowy BGA i QFN.
Robotyzacja klejeniaJednym z częściej automatyzowanych zadań w produkcji w branży elektronicznej jest nanoszenie klejów. Oczywiste zalety robotyzacji tego zadania, podobnie jak i innych, to: opłacalność oraz oszczędność czasu. W przypadku montażu małych komponentów oraz w miarę, jak właściwości klejów są doskonalone pod kątem trwałości połączenia, ale z drugiej strony nabywają cech, które utrudniają ich ręczne nakładanie (duża lepkość, szybkie wysychanie, szybkie gęstnienie), przynosi ona również dodatkowe zalety. Przede wszystkim łatwiej zapewnić powtarzalność pod względem pozycjonowania spoiwa z wymaganą dokładnością oraz równomierności jego nakładania, dzięki niezmiennej ilości, w jakiej jest dozowane. Problemem nie jest też zaprogramowanie robotów do nanoszenia klejów w postaci ścieżek o nawet bardzo skomplikowanych kształtach i w ograniczonej przestrzeni, bez wychodzenia poza zadaną ścieżkę. Można zasadniczo wyróżnić dwie kategorie robotów nanoszących kleje. Pierwszą są "zwykłe" wieloosiowe roboty przemysłowe wyposażone w końcówkę do dozowania albo manipulujące obiektem względem stałego punktu dozowania spoiwa. Drugim są jednostki nastołowe (w wersjach desktop / benchtop). Wymiary obszaru roboczego tego typu maszyn nie przekraczają zwykle kilku na kilka metrów. Typowo wymagają załadowania, a następnie rozładowania ręcznego. Poza tym pracują w pełnie, autonomicznie. Ważną zaletą takich maszyn jest łatwość ich przemieszczania pomiędzy różnymi stanowiskami. Stosunkowo proste jest również ich przeprogramowanie, w porównaniu z większymi robotami. |
Do upowszechnienia się zautomatyzowanych maszyn specjalistycznych w procesie lutowania w ostatnim czasie przyczyniło się dodatkowo wprowadzenie techniki bezołowiowej. Większy popyt na automaty wynikł z konieczności spełnienia restrykcyjnych wymagań, które są spowodowane tym, że lutowanie bezołowiowe wymaga wyższej temperatury, zaś stop lutowniczy szybciej się zestala. Poza tym stopy bezołowiowe w porównaniu z tymi ołowiowymi silniej reagują z metalami. W związku z tym, rozpuszczając ich powłoki na płytkach drukowanych oraz komponentach, w większym stopniu ulegają zanieczyszczeniu.
Niestety, w zakresie skompensowania powyższych właściwości stopów bezołowiowych poprzez dobór odpowiedniej temperatury i czasu wykonywania połączenia nie można do końca polegać na lutowaniu ręcznym. Jego parametry oraz powtarzalność w ogromnym stopniu zależą bowiem od umiejętności oraz doświadczenia operatora.
Dlatego, gdy na przykład temperatura grotów lutowniczych nie jest wystarczająco wysoka, uzyskuje się zimne i słabo zwilżane luty. Jeżeli z kolei jest za wysoka, również skutkuje to nieprawidłowym zwilżaniem i uszkodzeniem płytek drukowanych i elementów elektronicznych. Problemów takich łatwiej uniknąć, korzystając z automatów lutowniczych.
W zakresie zautomatyzowanych maszyn do lutowania wybierać można przede wszystkim spośród urządzeń w technologii lutowania na fali, rozpływowego oraz lutowania selektywnego. Pierwsza z wymienionych metod jest wykorzystywana do równoczesnego mocowania do płytek drukowanych elementów przewlekanych i podzespołów SMD (niektórych ich typów, o odpowiednim rozstawie wyprowadzeń).
Proces lutowania na fali rozpoczyna się od załadowania automatu płytkami z ułożonymi na nich komponentami, przy czym elementy, które będą montowane powierzchniowo, są do nich wcześniej przyklejane. Pierwszym etapem jest naniesienie topnika – jest on zwykle natryskiwany na płytkę w miejscach według zadanego programu. Następnie PCB są kolejno podgrzewane.
Jest to zazwyczaj realizowane kilkustopniowo, w ramach ogrzewania wstępnego oraz wtórnego. Źródłem ciepła w automatach do lutowania na fali są zwykle promienniki podczerwieni i gorące powietrze. Jako zabezpieczenie stosuje się czasem płyty ze szkła ceramicznego. Możliwe też bywa zaprogramowanie dłuższego niż standardowy czasu przebywania płytek w strefie grzania, w razie gdy konieczne jest ich silniejsze nagrzanie.
Zbigniew Proch
|
Zasadniczo podgrzewanie PCB ma na celu zapobiegnięcie wystąpieniu szoku cieplnego, którego skutkiem mogłoby być uszkodzenie elementów elektronicznych i odkształcenie płytek. Oprócz tego odparowuje rozpuszczalnik oraz uaktywnia topnik. Ogrzewanie przyspiesza też samo lutowanie.
Częścią maszyn do lutowania opisywaną metodą jest zbiornik, w którym roztapiana jest cyna. Po wprawieniu jej w ruch w specjalnych dyszach formuje się fala. Obmywa ona od dołu przesuwane nad nią płytki. W efekcie cyna przylega do wyprowadzeń komponentów, zaś jej nadmiar spada z powrotem do zbiornika.
Na rynku dostępne są automaty do lutowania na fali w atmosferze azotu. Zastosowanie osłony z tego gazu ma wiele zalet. Najważniejsze to: poprawa zwilżalności lutu, ograniczenie utleniania, przyspieszenie lutowania, poprawa jakości połączeń. Polutowana płytka, po schłodzeniu, opuszcza tunel na podajniku.
Roboty na stanowiskach produkcji i montażu obudówWiele zadań można zautomatyzować na końcowym etapie produkcji, czyli wtedy, gdy PCB jest umieszczane w obudowie, w której montowane są złącza i okablowanie. Często korzysta się z gotowych obudów, jednak czasem istnieje potrzeba ich dostosowania do potrzeb konkretnego urządzenia lub wykonania obudowy według własnego projektu. Etap ten można zrobotyzować. Wśród zadań, które są wykonywane na takim stanowisku, wymienić można: wycinanie / przycinanie paneli metalowych albo z tworzyw sztucznych, ich formowanie / zaginanie, wiercenie otworów i ich gwintowanie. Zaletą jest możliwość łatwego modyfikowania projektów obudów przez przeprogramowanie robotów na podstawie danych z centralnej bazy. Warto też dodać, że w porównaniu z ręcznym wycinaniem i drążeniem cięcia i otwory wykonywane automatycznie charakteryzują się lepszą jakością, dzięki czemu nie jest potrzebna ich obróbka wykończeniowa. Zmniejsza to koszty i skraca czas produkcji. Roboty sprawdzają się również na stanowiskach okablowania obudów. Wśród zadań, które tam wykonują, wymienić można: odmierzanie kabli, ich odcinanie, oznaczanie (jeżeli znakowarka jest wbudowana), zaciskanie, splatanie, zdejmowanie izolacji, zgrzewanie, montaż w zaciskach. Robotyzacja tych zadań zwiększa ich efektywność, ogranicza straty materiałowe, poprawia jakość, eliminuje błędy montażowe. |
Warto dodać, że wybór tej metody lutowania ma wpływ na projekt PCB, komponenty elektroniczne należy bowiem rozmieścić na niej w taki sposób, żeby elementy SMD znajdowały się po tej samej stronie płytki drukowanej, co wyprowadzenia elementów przewlekanych, które są mocowane do strony przeciwnej. Ponadto lutowanie na fali, ze względu na duże ilości energii zużywanej na roztopienie spoiwa, opłaca się zwykle tylko w przypadku bardzo dużych partii produkcyjnych.
Z drugiej strony w procesie tym podzespoły elektronicznie poddawane są stosunkowo niewielkiemu obciążeniu termicznemu, ponieważ z cynową falą stykają się tylko z jednej strony. To pozytywnie wpływa na ich żywotność. W ramkach przedstawiamy pozostałe metody montażu podzespołów elektronicznych na PCB, czyli lutowanie rozpływowe oraz selektywne, jak również przykłady automatów lutowniczych.
Lutowanie rozpływowe i selektywneElementem zautomatyzowanych linii lutowania są także piece do lutowania rozpływowego. Zanim płytki trafią do tego typu urządzenia, nanoszona jest na nie pasta lutownicza (z dozownika, metodą sitodruku, przez nadruk przez szablon), na której następnie układane są podzespoły elektroniczne. Piece podzielone są na kilka stref różniących się temperaturą i czasem przebywania w nich każdej partii płytek. Mają w nich miejsce poszczególne fazy lutowania rozpływowego, podczas których zachodzą różne procesy. Pomiędzy strefami płytki transportowane są na przenośniku. Główne etapy lutowania rozpływowego to: nagrzewanie, wygrzewanie, rozpływ oraz chłodzenie. W pierwszym nie zachodzi jeszcze samo lutowanie, natomiast z pasty lutowniczej odparowane zostają substancje dodatkowe, jak rozpuszczalniki. W fazie wygrzewania aktywowany jest topnik. Poza tym osiągana oraz stabilizowana jest docelowa temperatura topnienia pasty lutowniczej. Wygrzewanie jest konieczne dla uzyskania jednolitego rozkładu temperatury, gdyż podzespoły, które mają różne rozmiary, masę oraz są wykonane z różnych materiałów, nagrzewają się z różną szybkością. W kolejnej części pieca, czyli w strefie rozpływu, następuje z kolei roztopienie pasty lutowniczej, która zwilża pola lutownicze. W sekcji chłodzenia lutowie zastyga, w wyniku czego wytwarzają się trwałe połączenia elektryczne i mechaniczne. Później płytka zostaje schłodzona, a następnie opuszcza piec. Piece do lutowania rozpływowego są czasem wielofunkcyjne – oprócz tego zastosowania mogą być na przykład wykorzystywane do utwardzania klejów używanych do mocowania elementów SMD. Generalnie im więcej stref, tym większa jest elastyczność i precyzja w zakresie profilu grzania. W porównaniu do pozostałych metod lutowanie selektywne ma liczne zalety, dzięki którym stale zyskuje na popularności. Przede wszystkim parametry lutowania są w tym przypadku dobierane oddzielnie dla każdego elementu / połączenia. Oprócz tego topnik jest dozowany miejscowo, tylko na wybranych polach, co wpływa pozytywnie na czystość PCB po zakończeniu montażu. Ponadto w lutowaniu selektywnym oddziaływanie termiczne jest lokalne, dzięki czemu mniejsze jest prawdopodobieństwo uszkodzenia płytki i/lub komponentów. Metoda ta jest też efektywniejsza pod względem zużycia energii i materiałów eksploatacyjnych. |
Uzupełnieniem stanowisk lutowania zautomatyzowanego, bez względu na jego konkretną technikę, jest szereg maszyn specjalistycznych. Przykładami są automaty montażowe pick & place, które układają podzespoły elektroniczne, na przykład SMD, na płytkach drukowanych. Maszyny tego typu wyposażone są w głowice ze ssawkami i elementami wyrównującymi położenie podzespołów. Głowice automatów montażowych automatycznie dostosowują się do wysokości układanych elementów. Centrowanie komponentów jest zwykle realizowane za pomocą lasera oraz systemu wizyjnego, który bazuje na danych z kamer wbudowanych w głowice. W przypadku automatów do układania podzespołów do montażu przewlekanego, wyposażonych typowo oprócz ssawek w chwytaki, dodatkową funkcjonalnością jest zaginanie nóżek montowanych elementów.
Automaty montażowe współpracują z podajnikami komponentów elektronicznych. Wybierając maszynę tego typu, warto zwrócić uwagę na pojemność podajników, im jest bowiem większa tym rzadziej trzeba ją przezbrajać. Ważny jest również obsługiwany sposób pakowania podzespołów (na taśmie, luzem) oraz możliwość dołączenia dodatkowych głowic, montażowych albo dyspensera, przydatną w przypadku, gdy dane zlecenie wymaga czasowego zwiększenia wydajności montażu. Urządzenia tego typu zwykle oprócz układania elementów dozują również kleje i pastę lutowniczą.
Częścią linii montażowych płytek drukowanych są poza tym zautomatyzowane systemy inspekcji optycznej. Są one wykorzystywane do wykrywania takich problemów jak: brak komponentów, ich przesunięcie względem prawidłowej pozycji, podzespoły przylutowane w niewłaściwym miejscu, niewłaściwa polaryzacja, zanieczyszczenia na PCB, nieodpowiednie wypełnienie lutowiem, na przykład nadmierne albo niewystarczające, brak lutu, zwarcia. Więcej o systemach wizyjnych w kontroli jakości PCB piszemy w ramce.
Uzupełnieniem systemów inspekcji optycznej są te wykorzystujące promieniowanie rentgenowskie. Jest to, podobnie jak metoda optyczna, nieniszcząca technika kontroli jakości montażu płytek drukowanych. W porównanie do niej automaty rentgenowskie prześwietlając PCB zapewniają jednak dodatkowo wgląd w miejsca poza zasięgiem kamer. Dzięki temu pozwalają na przykład na wykrycie błędów w montażu komponentów w obudowach BGA (brak kulek, zwarcia, ubytki) czy takich problemów jak rozwarstwienia laminatu.
W zadaniach takich jak układanie na płytkach drukowanych podzespołów SMD czy w montażu przewlekanego albo dozowaniu pasty lutowniczej sprawdzają się również roboty przemysłowe. Oprócz tego dostępne są również roboty lutownicze.
W porównaniu do montażu manualnego lutowanie zrobotyzowane ma szereg zalet. Oczywistymi są: lepsza jakość i powtarzalność oraz większa wydajność. Roboty przemysłowe sprawdzają się również w montowaniu komponentów o bardzo małych rozmiarach, możliwemu dzięki doborowi odpowiedniego rozmiaru końcówki lutowniczej.
Kluczowe parametry, jak na przykład temperatura grotu lutowniczego czy czas lutowania, są stabilizowane, powtarzalne, programowalne i edytowalne, w fazie uczenia i często podczas produkcji. Robot lutowniczy może oprócz tego pracować w ochronnej atmosferze gazu, na przykład azotu, co jak pisaliśmy wyżej, pozytywnie wpływa na jakość połączeń lutowanych. Zwykle również, na podstawie czasu i liczby cykli lutowania, szacowany jest stopień zużycia końcówki lutowniczej. W razie przekroczenia określonej wartości zostaje ona automatycznie wymieniona na nową.
Robert Pacwa
|
Dodatkowo końcówka lutownicza jest okresowo automatycznie czyszczona. Stacja czyszczenia grotów jest typowo częścią takiego stanowiska, podobnie jak system wizyjny do automatycznej inspekcji optycznej. Ponadto roboty lutownicze współpracują z automatycznymi podajnikami drutu lutowniczego, te zaś są wyposażone m.in. w czujniki wykrywające na przykład jego zablokowanie się. PCB są również automatycznie pozycjonowane.
Roboty przemysłowe sprawdzają się również w zadaniach, które wymagają manipulowania płytką drukowaną w wielu osiach, a we współpracy z systemami wizyjnymi wówczas, kiedy trzeba ją umieścić we właściwej orientacji. Ważnym segmentem ich zastosowań jest zatem załadunek i rozładunek maszyn specjalistycznych, na przykład automatów lutowniczych, jak i sam montaż urządzeń elektronicznych, a w tym procesy takie jak m.in. nanoszenie klejów (patrz: ramka) i produkcja oraz montaż obudów (patrz: ramka).
Monika Jaworowska
Powiązane treści
Zobacz więcej w kategorii: Temat miesiąca
Zobacz więcej w temacie: Roboty
Zobacz również
Świat Radio
14,90 zł Kup teraz
Elektronika Praktyczna
18,90 zł Kup teraz
Elektronika dla Wszystkich
16,90 zł Kup teraz
Automatyka, Podzespoły, Aplikacje
15,00 zł Kup teraz
IRA - Informator Rynkowy Automatyki
0,00 zł Kup teraz
Elektronik
15,00 zł Kup teraz
IRE - Informator Rynkowy Elektroniki
0,00 zł Kup teraz
