Автоматическая установка компонентов на печатную плату в технологии поверхностного монтажа

Функции автомата по установке радиоэлементов, который также называют установочным или монтажным автоматом, можно описать следующим образом: выбор нужного компонента , его правильная ориентация — центрирование, а затем установка на печатной плате. Все эти действия по автоматической установке поверхностно монтируемых изделий (ПМИ) должны производиться с высокой степенью точности, чтобы свести к минимуму брак готовой продукции. Кроме того, элемент должен быть размещен на точке паяльной пасты, клея  или сочетании этих двух точек, при этом должно быть приложено заданное давление, которое не вызовет растекания материала и не повредит корпус компонента. Кроме того, автоматический установщик радиоизделий должен выполнять эти задачи в кратчайшие сроки, чтобы максимизировать объем производства. Наконец, оборудование для автоматической установки элементов должно быть достаточно универсальным, чтобы устанавливать ПМИ в разных корпусах с различными конфигурациями выводов. Переход к бессвинцовым технологиям оказал небольшое влияние на конструкции и функции монтажных автоматов. Косвенно, однако, потребность в других финишных покрытиях для элементов, а также реперных метках  печатных плат, которые обладают другими отражающими способностями, может повлиять на функции систем машинного зрения, используемыми для точного размещения как самой печатной платы, так и инструментов, которые устанавливают на ней радиокомпоненты.

Существует несколько типов установочных автоматов (автоматических установщиков элементов):

  • револьверные;
  • портальные (гибкие системы для установки ПМИ с малым шагом выводов) системы широко используются в производстве бытовой электроники, телекоммуникациях, ЭВМ, серверных компьютеров, а также в меньших объемах — в производстве высоконадежной электронной техники.

Тем не менее, потребность в еще более высоких объемах производства, гибких производственных линиях заставили производителей разработать альтернативную архитектуру установочных автоматов, способных параллельно устанавливать множество радиокомпонентов. Такие автоматические установщики радиокомпонентов включают в себя высокоскоростные шаговые электродвигатели, оптические датчики.

Револьверные установочные автоматы (для установки пассивных устройств).

Базовый револьверный автомат использовался для установки пассивных ПМИ (например, конденсаторов, резисторов) на самых ранних стадиях развития технологии поверхностного монтажа. Револьверная головка автоматического установщика представлена на рисунке 1.

пример автоматического установщика радиоизделий на печатную плату с револьверной головкой

Рисунок 1 — Пример автоматического установщика с револьверной головкой

Несколько захватывающих головок располагают вокруг стационарной револьверной головки, вращающейся в горизонтальной плоскости. Движущаяся тележка устанавливает ленты питателей, из которых радиокомпоненты подаются в каждую головку. После захвата элемента револьверный барабан поворачивает его к оптической рабочей станции для получения изображения на камере прибора с зарядовой связью. Это изображение затем обрабатывается и идентифицируется, чтобы установить радиокомпонент в заданном месте печатной платы. При вращении револьверной головки движущийся стол позиционирует печатную плату таким образом, чтобы нужное место находилось точно под головкой с компонентом. Головка опускается на печатную плату, устанавливая ПМИ. Затем головка поворачивается для захвата следующего радиоэлемента — цикл повторяется. В таблице 1 даны общие технические характеристики револьверных установочных автоматов. Эта технология постоянно используется для установки мелких пассивных устройств (типоразмеров 0101 и 01005). Растет ее использование в монтаже бескорпусных кристаллов (флип-чипов) на печатных платах с большей плотностью радиокомпонентов. Производители оборудования и пользователи должны постоянно решать вопросы с установкой новых ПМИ с различной геометрией выводов.

Таблица 1 — Технические характеристики установочных револьверных автоматов

Характеристика Величина (описание)
Размер устанавливаемых элементов От пассивных устройств типоразмером 0201 до компонентов в матричных корпусах размером 10 мм
Количество устанавливаемых элементов Несколько сотен
Скорость установки 25 000-40 000 компонентов в час
Основные функции 1. Захват кристаллов (чипов) и компонентов в матричных корпусах
2. Подвижная револьверная головка и печатная плата для увеличения скорости установки
3. Гибкость в эксплуатации — захват компонентов как с лент, так и россыпью

Портальные установочные автоматы (для установки активных устройств).

Конструкция портальных автоматов отличается от револьверных тем, что печатная плата неподвижно фиксируется на месте, а движущаяся установочная головка захватывает радиоэлементы и устанавливает их в правильное положение (рисунок 2).

портальные системы автоматической установки компонентов на печатную плату

Рисунок 2 — Портальная система, используемая для установки крупных компонентов в матричных поддонах

Питатели также являются неподвижными. Портальные автоматы, как правило, используются для размещения больших радиокомпонентов (например, SOICs, PLCCs и т.д.). Некоторые технические характеристики портальных автоматических установщиков приведены в таблице 2.

Таблица 2 — Технические характеристики портальных установочных автоматов

Характеристика Величина или описание
Размер устанавливаемых ПКИ Элементы в корпусах SMT (SOD, SOT, SOIC, PLCC, CCGA, BGA), а также компоненты сложной формы
Количество устанавливаемых ПКИ Несколько сотен
Скорость установки 5 000-15 000 компонентов в час
Основные функции 1. Установка элементов негабаритых размеров и сложной формы с высокой точностью
2. Подвижная головка, неподвижные печатная плата и питатели
3. Гибкость в эксплуатации — захват элементов с лент, из туб, матричных носителей и россыпью

Некоторые модели этого оборудования специально разработаны для монтажа на печатных платах разнообразных ПМИ. Каждый портальный автоматический установщик приспособлен для установки различных компонентов, поскольку оборудован многошпиндельной установочной головкой. Монтажная головка автоматического установщика размещается над питателем, откуда захватывает элемент. Затем головка переносит ПМИ к видеокамере нижнего просмотра для проверки, после чего устанавливает компонент на печатной плате. Вторым вариантом является двухпортальная система с двумя блоками установочных головок, каждая из которых может устанавливать как один тип радиокомпонентов, так и несколько благодаря шпиндельной головке.

Некоторые функции портальных установщиков позволяют приблизить их скорость монтажа к самым «высокоскоростным» моделям револьверных автоматов. В таблице 3 приведены некоторые технические характеристики двухпортальных систем. Функции портального автомата, которые позволяют повысить скорость установки радиоэлементов: слайсинг ленты питателя для бесперебойной работы машины и упрощение банка данных, что позволяет быстро заменять типы компонентов на различных технологических линиях. Кроме того, контроль радиокомпонентов может производиться во время движения установочных головок («на лету») благодаря видеокамере, установленной на самой головке, что исключает из производственного цикла промежуток времени, необходимый для центрирования ПМИ с помощью стационарной камеры нижнего просмотра.

Таблица 3 — Технические характеристики высокоскоростных портальных установочных автоматов

Характеристика Величина или описание
Размер устанавливаемых ПКИ Элементы в корпусах SMT (SOD, SOT, SOIC, PLCC, CCGA, BGA), а также компоненты сложной формы
Количество устанавливаемых компонентов Несколько сотен
Скорость установки 15 000-21 000 компонентов в час
Основные функции 1. Установка элементов сверхгабаритных размеров и сложной формы с высокой точностью
2. Установка элементов с повышенной плотностью
3. Питатели повышенной емкости подачи элементов из лент, туб, матричных носителей и россыпью

Дальнейшие улучшения оборудования для монтажа радиокомпонентов могут быть реализованы в автоматах с модулями параллельно работающих головок. Технические характеристики такого оборудования приведены в таблице 4. Несколько установочных модулей способны захватывать, центрировать и устанавливать радиоэлементы в соответствующее место печатной платы. Печатная плата перемещается шаговым конвейером таким образом, чтобы место установки находилось точно под захваченным элементом.

Таблица 4 — Технические характеристики модульных портальных систем

Характеристика Величина или описание
Размер устанавливаемых ком-понентов От пассивных устройств типоразмером 0201 до компонентов в матричных корпусах размером 25 мм
Количество устанавливаемых компонентов Несколько сотен
Скорость установки 60 000-100 000 компонентов в час
Основные функции 1. Установка чип-компонентов и компонентов в матричных корпусах
2. Монтаж печатных плат большого размера
3. Несколько ленточных питателей

Система машинного зрения.

Сжатое визуальное представление является одним из самых важных достижений в системе машинного зрения, которая используется для монтажа ПМИ. На ранних стадиях развития автоматизации функция «захват — установка» была основана на работе механических упоров (фиксаторов), переключателей, а также точности инструментов, что обеспечивало установку ПМИ в нужном месте с правильным расположением выводов относительно контактной площадки. По мере повышения плотности монтажа и разнообразия радиокомпонентов эта технология оказалась слишком медленной для поддержания больших объемов производства и снижения брака установки элементов. Главным стимулом для перехода от механического центрирования к установке с помощью машинного зрения стало уменьшение размеров выводов на элементах. В DCA/FC — компонентах используются кристаллы с шариковыми выводами размером менее 0,1 мм. Типоразмеры пассивных устройств, как правило, 0402 и 0201.

Радиокомпоненты в квадратных корпусах с малым шагом имеют расстояние между выводами до 0,3 мм. В каждом из этих случаев жизненно необходима высочайшая точность установки, которая может быть получена только с помощью технологии машинного зрения. Кроме того, наблюдается устойчивый рост числа устройства сложной формы — индуктивностей, светодиодов, поверхностно-монтируемых разъемов и т.д. В результате получаются печатные платы с огромным разнообразием радиокомпонентов. Поэтому значительно дешевле и быстрее перепрограммировать компьютерные системы машинного зрения для распознавания этих элементов, чем переоборудовать машины, работающие на основе механических реле и фиксаторов.

Системы машинного зрения, в которых используются электронные камеры и оптика совместно со специализированным программным обеспечением для управления шаговыми двигателями, отвечают за позиционирование радиокомпонента и печатной платы (или ее участка) относительно друг друга с необходимой точностью. Для реализации этой цели установочный автомат должен идентифицировать радиокомпонент в револьверной или портальной головке и установить положение этих головок относительно платы. В то же время установочный автомат должен определить позицию платы. Программное обеспечение связывает эти два требования, поскольку программирует автомат с помощью рисунка, который и определяет место каждого из ПМИ на печатной плате. Процессы распознавания элемента и положения печатной платы рассмотрены ниже, затем будут даны некоторые сведения об ограничениях в функциях систем машинного зрения.

Распознавание радиокомпонента обычно происходит по конфигурации его выводов. Конфигурация выводов включает в себя две характеристики: форму вывода — балочный, «крыло чайки» или шарик припоя и положение вывода, например, расположение периферийных выводов на двух, а не четырех сторонах корпуса, или расположение матричных выводов по всей поверхности корпуса, а не по периметру. Система машинного зрения определяет положение корпуса на основе координат выводов, например, два или четыре угловых вывода, или шарики пропоя. Дополнительные реперные метки или несимметричное расположение выводов (например, отсутствуют угловые выводы или шарики припоя) используются для угловой ориентации элемента относительной координатной системы автомата.

Кроме определения типа и ориентации ПМИ, системы машинного зрения также запрограммированы распознавать брак компонентов. Например, квадратные плоские корпуса с мелким шагом выводов часто имеют брак в виде изгиба мелких выводов, особенно по углам из-за износа пресс-форм или неправильного обращения. У матричных корпусов (BGA, CSP и DCA) могут отсутствовать шарики припоя. Поврежденный радиокомпонент отправляется в «бункер брака», а из питателя для установки выбирается новый компонент. Следует отметить, что функция распознавания ПМИ у систем машинного зрения разработана в основном для установки компонентов. Несмотря на то, что распознавание бракованных радиоэлементов может быть запрограммировано, слишком высокая степень контроля может значительно замедлять процесс монтажа компонентов. Таким образом, оптимальный подход — это позволить системе машинного зрения распознавать только серьезный брак, ориентируясь на те дефекты, которые могут возникнуть между входным контроль и установкой компонентов. С другой стороны полный входной контроль компонентов нужно выполнять перед загрузкой компонентов в питатели автомата.

Автомат должен распознавать положение печатной платы, а затем позиционировать ее так, чтобы нужный участок находился точно под радиоэлементом, захваченным установочной головкой. Во-первых, печатная плата закрепляется на конвейере с помощью механических зажимов, вакуумных патронов или других методов. Затем печатная плата позиционируется под видеокамерой для идентификации на ее поверхности метки совмещения или реперной метки.

Этот процесс повторяется для двух-трех других реперных меток на печатной плате. В этот момент машина «знает» расположение и ориентацию печатной платы, таким образом, благодаря схеме рисунка в ее программе, соотносит реперные метки с участками, предназначенными для размещения каждого компонента. Затем программа соотносит координаты конкретного участка печатной платы с радиоэлементом, который находится в револьверной или портальной головке. В итоге программа посылает команду шаговым двигателям переместить компонент на нужное расстояние и опустить на печатную плату.

Иногда, например, при использовании керамических подложек, которые склонны к усадке в процессе изготовления (например, низкотемпературная керамика, керамика совместного обжига или LTCC), может возникнуть расхождение между местом на рисунке, заложенным в программу, и знакоместом печатной платы, закрепленным за данным радиокомпонентом (контактной площадкой). В этом случае место каждого компонента определяется непосредственно с помощью реперных меток рядом с знакоместом компонента.

Несмотря на то, что местные реперные метки могут повысить точность размещения ПМИ в определенной степени, особенно когда из-за наложения допусков фактическое расположение радиокомпонента расходится с его параметрами в проектной документации, такой подход требует дополнительного времени на обработку информации в машинном компьютере. Результатом является снижение скорости монтажа, что может привести к значительному замедлению процесса, особенно при больших объемах производства.

Ограничения системы машинного зрения определяются по той скорости, с которой компьютер обрабатывает информацию (например, координаты печатной платы, геометрию или брак компонента). Чем больше информации приходится обрабатывать, тем больше требуется времени для установки компонентов. Для изделий с тысячами компонентов на плате даже дополнительные десятые доли секунды на компонент могут значительно снизить производительность производства.

Кроме того, существуют ограничения самих систем машинного зрения (камеры или оптики). Был достигнут компромисс между разрешением камер и диапазоном размеров обрабатываемых радиоэлементов. Основной предпосылкой является число пикселей. Для распознавания характеристики (вывод, шарик припоя, реперная метка и т.д.) системе машинного зрения требуется минимальное количество пикселей. Для распознавания очень мелких деталей (например, шариков припоя на бескорпусном кристалле) требуется не только сильное увеличение, а также высокая разрешающая способность (например, пикселей на единицу длины или площади). Однако, используя ту же систему для распознавания компонентов к крупных BGA-корпусах потребуется совсем другая степень увеличения, которая вполне может находиться за пределами возможностей той же оптики. Более того, даже если корпус попадет в поле зрения камеры, то использование того же высокого разрешения, которое теперь совсем не нужно, сильно перегрузит память компьютера и затормозит обработку изображения, что приведет к замедлению процесса установки компонентов. Наоборот, та же камера, которая может эффективно обрабатывать большие компоненты (32 мм QFP (208 выводов)), превращая их в единое изображение, как правило, не имеет достаточного разрешения для обработки изображений шариков припоя флип-чипов диаметром 0,1 мм. Таким образом выбор оптики особенно важен для повышения эффективности автомата на этапе установки компонентов. Для достижения оптимальной эффективности иногда приходится устанавливать радиоэлементы на одной плате с помощью двух автоматов. Кроме того, на одну единицу оборудования необходимо устанавливать множество камер и оптических систем. Стоимость автомата становится критическим фактором.

После установки радиоэлементов печатные платы подвергаются пайке. Этап размещения радиокомпонентов взаимосвязан с этапом пайки, особенно пайки оплавлением припоя. Эта взаимосвязь обусловлена тем, что неточность установки может быть компенсирована самоцентрированием радиоэлементов под действием силы поверхностного натяжения расплавленного припоя (точнее, поверхностного натяжения флюса и припоя). Это самоцентрирование открываем возможность для размещения пассивных устройств размером более 0603, мелких LCCC-микросхем и матричных радиоэлементов с несколькими сотнями шариков припоя, размещенных с шагом 1,27 мм. К сожалению, для пассивных устройств меньшего размера и с большими массивами шариков припоя процесс самоцентрирования уже не способен компенсировать неточности установки. В случае меньших по размеру пассивных устройств, существует высокая вероятность, что дисбаланс сил поверхностного натяжения может привести к асимметричному движению радиоэлемента и, следовательно, эффекту «надгробного камня». В случае крупных матричных ПМИ неправильная установка (которая становится критическим фактором при монтаже корпусов с мелким шагом очень малых по размеру шариков припоя) не всегда может быть устранена путем самоцентрирования просто из-за большей массы радиоэлемента.