«Бессвинцовые» автоматы установки компонентов, или Влияние бессвинцовой технологии на конструкцию автоматов

Евгений Липкин

Введение

Очень часто важно и то, что работа по «бессвинцовой» технологии может помочь в привлечении дополнительных заказов.

Как правило, когда речь идет о подборе оборудования с возможностью работы по бессвинцовой технологии, вопрос сужается до выбора соответствующей системы пайки. Стоит признать, что пайка является действительно ключевой операцией с точки зрения освоения бессвинцовой технологии, однако не единственно важной.

В отличие от паяльных паст, содержащих свинец, бессвинцовые пасты в большинстве случаев характеризуются практически отсутствующим эффектом самоцентрирования компонентов при пайке (рис. 1).

Рис. 1. Пример эффекта самоцентрирования компонента при пайке, характерного для традиционной (свинцовой)технологии

Эти факторы оказывают существенное влияние на процессы нанесения пасты и установки компонентов на платы, так как для получения качественной продукции необходимо обеспечить новый уровень точности нанесения паяльных паст и установки компонентов. Эта статья посвящена изменениям, которые были внесены в автоматы установки компонентов производителями в связи с развитием бессвинцовой технологии.

В общем виде направление внесения изменений в конструкцию автоматов установки компонентов можно выразить простой схемой (рис. 2).

Рис. 2. Направления внесения изменений в конструкцию автоматов установки компонентов, вызванные внедрением бессвинцовой технологии

Приведенная схема демонстрирует вполне очевидные выводы: если компонент не может быть выровнен при пайке относительно контактных площадок, его нужно сразу ставить точно; если паста не позволяет удержать неоплавленный компонент на месте при вибрациях, то следует эти вибрации уменьшить.

Точность, приведенная в спецификации автоматов установки компонентов, замеряется в идеальных лабораторных условиях при температурах (помещение и агрегаты станка), близких к идеальным. При этих измерениях учитывается только точность позиционирования компонента относительно контактной площадки в соответствии с данными программы.

В реальных условиях компоненты подвергаются вибрациям в процессе сборки и при транспортировке уже после установки, станок также подвергается различным видам деформации, и фактическая точность позиционирования компонента после выхода из автомата может быть далека от ожидаемой и не соответствовать рекомендуемым критериям качества.

Дальнейший анализ и исследования более детально обозначили направления конструктивных изменений в области разработки и производства автоматов установки компонентов (рис. 3). Можно легко заметить, что все современные разработки отличаются от предшествующих.

Рис. 3. Схема причинно-следственных связей между конструктивными особенностями автоматов установки компонентов и качеством сборки при бессвинцовой технологии

Уменьшение габаритов станка

Специалисты в области станкостроения прекрасно знают: чем станок компактней, тем легче обеспечить его точность. Это объясняется в первую очередь тем, что относительные величины искажения и деформации при меньших габаритах установки выливаются в меньшую ошибку в абсолютном выражении.

Одним из наиболее «проблемных» видов деформации является температурное расширение конструкции автомата установки компонентов. Подобные изменения определяются изменением температуры в рабочем помещении, нагреванием узлов автомата в процессе работы, расположением источников тепла и холода в рабочем помещении, особенностями выделения тепла разными узлами автомата и системой их вентиляции, различиями в степени расширения узлов станка при нагревании и другими факторами.

Основной закон теплового расширения гласит, что тело с линейным размером L в соответствующем измерении при увеличении его температуры на ΔΤ расширяется на величину ΔL, равную:

ΔL = αLΔT

где α — коэффициент линейного теплового расширения.

Основным материалом, используемым при изготовлении большинства станин автоматов установки компонентов, является чугун. Для расчетов влияния размера установки на ошибку, возникающую при температурных деформациях станины, мы учитываем, что коэффициент линейного температурного расширения чугуна в среднем равен 10^-5 град^-1, коэффициент расширения в диапазоне эксплуатации автоматов установки компонентов постоянен и материал станка имеет свойства изотропности (однородности) при расширении. Идеальная температура эксплуатации автоматов установки компонентов, рекомендуемая большинством производителей, составляет 24 °C.

В результате мы можем построить графики зависимости линейных расширений конструкции автоматов установки компонентов от размера установки при разных избыточных температурах (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость уровня деформации станины автомата (погрешность позиционирования головки) от температуры в помещении и габаритов автомата

График расширения для избыточной температуры 5 °C характеризует линейные расширения станка в выключенном состоянии, так как в подавляющем большинстве случаев на отечественных предприятиях колебания температуры в помещении, вызванные изменениями погоды, сменой времени суток и режима отопления помещения, могут составить ±5 °C.

На графике видно, что при длине станины в два метра в выключенном состоянии изменения линейных размеров автомата, а соответственно, и погрешность установки компонента при колебании температуры в помещении ±5 °C составит ±100 мкм. Если к этому прибавить погрешность установки, которая измерена в идеальных условиях и указана в спецификации (как правило, она составляет ±30 мкм), то мы получим погрешность установки ±130 мкм. Если учесть требования стандарта IPC 610 по точности позиционирования компонента на контактных площадках, которые рекомендуют смещение не более 25% от линейных размеров компонента, то очевидно, что при длине станины в два метра монтаж компонентов меньше 0402 (размеры 1·0,5 мм) будет под вопросом в помещении с переменной температурой. Разумеется, это относится к автоматам установки компонентов, не оснащенным средствами компенсации температурных и других деформаций. Такие автоматы, к сожалению, присутствуют на рынке.

При этом в расчетах мы не учитывали нагрев узлов автомата и их деформацию в процессе работы, когда избыток температуры будет существенно выше 5 °C. Что произойдет в этом случае, видно на других зависимостях, приведенных на графике (рис. 4).

Подобные ошибки неприемлемы и несовместимы с качественной сборкой сложной современной техники, когда используются компоненты с малым шагом и небольшими габаритами.

Кто-то может сказать, что точные приводы и высокое разрешение энкодеров являются решением проблемы. Но ошибочность этих выводов легко доказать простым примером. Так как конструкция автомата неоднородна и выполнена из различных материалов с разными свойствами, то взаимное изменение расположения точек автомата при температурных деформациях может происходить в различных осях и направлениях. Распространены случаи, когда в результате подобных деформаций станины опоры, на которых крепятся направляющие привода, смещаются относительно друг друга и сборочного стола. Происходит отклонение направляющей привода на угол ±0,001°. Это может привести к погрешности позиционирования установочной головки относительно сборочного стола, на котором располагается плата, вплоть до ±17 мкм с каждого метра длины направляющей. То есть при длине направляющих приводов станка в один метр ошибка составит до ±17 мкм, при длине два метра — ±34 мкм. При этом показания энкодера, расположенного на самих направляющих приводов, не могут отразить или помочь скомпенсировать ошибку, так как относительно сборочного стола сместилась сама система координат, в которой перемещается установочная головка.

Именно по этой причине конструкторы современных автоматов делают все возможное, чтобы уменьшить габариты установок без потери функциональности.

Сегодня невозможно встретить автомат установки компонентов с датой разработки позднее 2005 года, габариты станины которого по длине и ширине превышают 1,5-1,8 м. Более того, уже встречаются установки и меньшего размера.

Для того чтобы соответствовать современным требованиям, производители переходят к модульным конструкциям автоматов установки компонентов. В этом случае линия собирается из нескольких небольших автоматов (модулей), размещенных на короткой станине.

Разумеется, можно обеспечить высокую точность гораздо более габаритных станков и машин, но для этого необходимы специальные средства компенсации погрешностей и калибровки. Такие решения, как правило, дорогостоящие, и не все производители оснащают станки этими средствами. Когда речь идет об автоматах установки компонентов, далеко не все модели оснащаются полным арсеналом необходимых средств обеспечения точности, а в результате страдает функциональность.

Автоматическая калибровка автомата установки компонентов в режиме реального времени

Как уже было сказано, одной из основных причин деформации конструкции станка в процессе работы и, как следствие, ухудшения точности являются деформации, возникшие по причине температурных расширений. Они возникают вследствие нагрева узлов автомата установки компонентов в процессе работы, изменения температуры в помещении и под воздействием других факторов.

Кроме температурной, существуют и другие виды деформации конструкции автомата, которые могут повлиять на точность монтажа. В частности, деформация конструкции автомата, вызванная установкой на неровный пол.

Как было описано выше, в результате деформации узлов автомата происходит взаимное смещение друг относительно друга системы координат установочной головки и стола, на котором расположена плата.

Для того чтобы обеспечить высокую точность установки компонентов на плату при различных негативных факторах, в современных автоматах установки компонентов применяются средства калибровки в режиме реального времени.

Например, для того чтобы исключить проблему снижения точности, в автомате SM-421 используются специальные реперные точки (рис. 5), позволяющие совместить системы координат головки и платы. С установленной периодичностью камера чтения реперных знаков на платах, расположенная на одном суппорте с установочной головкой, считывает координаты этих специальных реперных точек на станине, сравнивает с эталонными координатами и при необходимости вносит поправку в систему позиционирования установочной головки.

Рис. 5. Реперные точки для калибровки автомата в режиме реального времени автомата SM-421

Данная система позволяет обеспечить максимально возможную точность и повторяемость установки компонентов. Результаты измерения точности и повторяемости установки компонентов с помощью автомата SM-421, оснащенного функциями автоматической калибровки и термокомпенсации, приведены на рис. 6. По результатам измерений фактическая точность оказалась в диапазоне ±11 мкм при 3σ.

Рис. 6. Результаты измерения точности и повторяемости установки компонентов (SM-421) с включенными функциями автокалибровки и термокомпенсации

Уход от подвижного сборочного стола. Фиксированный сборочный стол

Большинство автоматов установки SMT-компонентов, разработанных в 1980-х годах, имели подвижный сборочный стол. При такой конструкции печатная плата фиксировалась на подвижной платформе, которая пошагово перемещалась в процессе сборки по одной или двум осям по заданной программе.

Применение подобной технологии существенно упрощало систему приводов и снижало ее стоимость. Именно поэтому такая конструкция была популярна в течение длительного времени.

Однако со временем большинство компаний отказались от производства подобных автоматов по двум основным причинам (рис. 7). Во-первых, такие автоматы характеризуются большой длиной, как правило, не менее 3 м, что, как известно, не способствует высокой точности установки компонентов. Во-вторых, в процессе перемещения сборочного стола перемещается и плата вместе с установленными на нее неоплавленными компонентами. А так как мы говорим о применении бессвинцовой технологии, то при пониженной клейкости пасты любые вибрации могут быть критичны для смещения компонентов в процессе монтажа.

Рис. 7. Основные недостатки конструкции автоматов установки компонентов с подвижным сборочным столом при переходе на бессвинцовую технологию

Современной альтернативой подвижному сборочному столу является фиксированный сборочный стол. В этом случае плата неподвижна в течение всего цикла сборки и не подвергается избыточным вибрациям и ускорениям.

Минимизация ускорений при транспортировке платы

Большое внимание разработчики современных автоматов установки компонентов уделяют снижению вибраций и ускорений платы с компонентами при транспортировке по конвейерной системе и сборочному столу. Несмотря на значения ускорения конвейера (и без того низкие), разработчики продолжают попытки уменьшить их в несколько раз (рис. 8).

Рис. 8. Снижение ускорения платы при транспортировке в автоматах производства компании Samsung Techwin: а) серии SM-3xx; б) серии SM-4xx

К сожалению, не все автоматы установки компонентов в состоянии обеспечить такой низкий уровень ускорений при транспортировке по конвейеру, и это, как правило, приводит к смещению компонентов уже после установки на плату.

Заключение

Переход на бессвинцовую технологию требует комплексного подхода к выбору технологического оборудования. Современные автоматы установки компонентов должны учитывать новые технологические требования, такие как более высокая точность монтажа и минимальная вибрация платы и компонентов при сборке. Учитывая приведенные критерии, можно выбрать современный автомат установки компонентов, который позволит эффективно работать по двум технологиям — бессвинцовой и свинцовой и осуществлять качественный и точный монтаж компонентов любой сложности и размеров.