i-PULSE — новые горизонты. Часть 1

Производственный центр позволяет не только устанавливать компоненты, но и совмещать гибридные функции, например автоматическую оптическую инспекцию (AOI) и дозирование клея/пасты на печатную плату (Dispensing). Все ключевые этапы технологии SMT могут быть реализованы при помощи одного современного и компактного устройства. Новая линейка автоматов поверхностного монтажа серии M10/M20 (рис. 1) производства компании i-PULSE (Yamaha Motor Group) впервые была представлена миру в январе 2011 г. в Токио, на выставке INTERNEPCON. Не прошло и года с момента появления этого оборудования, как оно появилось в России. Есть непреложные истины, их называют аксиомы. Так, аксиома № 1 гласит: «Автоматы японского производства — лучшие в мире».

Рис. 1. Автоматы поверхностного монтажа серии М10/М20

На сегодняшний момент более 150 единиц оборудования уже распродано по всему миру. Серия автоматов поверхностного монтажа M10/M20 стала флагманской моделью. Особенности устройств этой производственной линейки:

• M10 — начальный уровень, компактный размер при сохранении гибкости и функциональности автоматов М20;
• М20 — высокая емкость загрузки питателей, возможность расширения гибридными функциями.

В автоматах данной серии можно выбрать наиболее удобный для производственного процесса тип конвейера (как по размерам монтируемых печатных плат (ПП), так и по количеству промежуточных буферов). Например, при монтаже крупногабаритных ПП, часто встречающихся в продукции для светодиодного освещения, более подойдет серия M20, которая в базе имеет возможность зафиксировать и смонтировать печатную плату размером до 1240×510 мм (рис. 2).

Рис. 2. Варианты конвейера для автоматов серии М10/М20

Производителем разработана и успешно внедрена новая высокоскоростная камера для сканирования всей применяемой элементной базы (рис. 3а).

Рис. 3. а) Новая фиксированная высокоскоростная мультисканирующая камера; б) технология D-SCAN; в) контейнер сбора отбракованных компонентов

Возможности данной камеры весьма впечатляющи:

• сканируются компоненты 01005 от 40×40 мм до 120×90 мм, разрешение 0,0375 мм/пиксель;
• захват изображения происходит на скорости до 3000 мм/с (без остановки);
• применен новый алгоритм захвата и обработки изображения D-SCAN (рис. 3б).

Поскольку камеры распознавания на автоматах M10/M20 фиксированы, возникла необходимость сканирования компонентов при ускорении и замедлении установочной головки. После калибровки на разных скоростях соответствующая информация сохраняется в системных настройках автомата. Компоненты, не прошедшие визуальный контроль, отбраковываются в контейнеры, расположенные на передней и задней базах (рис. 3в).

Принципиально новый механизм фиксации ПП в области размещения — еще одна из новинок, о которой следует рассказать подробнее (рис. 4). Теперь ПП не передвигается вверх/вниз в момент ее фиксации в области размещения, а высота максимально допустимого по высоте компонента рассчитывается по простой и предельно понятной формуле: 30 мм минус толщина ПП.

Рис. 4. Принцип фиксации ПП в рабочей зоне автомата

Базовой поверхностью в новых моделях является конвейер, подъемный стол (рис. 5) используется только в случае сборки тонких печатных плат, нуждающихся в дополнительной поддержке. Также следует отметить, что новая система быстрой фиксации печатной платы позволяет использовать максимальную скорость конвейера до 900 мм/с.

Рис. 5. Подъемный стол

Операторам автомата, а также специалистам, отвечающим за закупку данного оборудования, не нужно думать о корректном подборе нужного количества поддерживающих пинов, особенно в случаях, когда на производстве применяется широкая номенклатура ПП, отличающихся по толщине/гибкости и т. п. Благодаря новому принципу фиксации необходим всего один тип магнитных пинов, который обеспечит качественную и надежную поддержку ПП любой толщины. Столик не имеет отверстий, это цельная плита с нанесенной матрицей для удобства запоминания позиций установки пинов поддержки. Пины имеют фиксированную длину (независимо от толщины печатной платы) и магнитное основание.

Вниманию опытных технологов/операторов предлагаются различные варианты комплектаций установочной головы (рис. 6).

Рис. 6. Варианты комплектаций установочной головы

Вариант четыре оси — один привод входит в стандартную комплектацию автоматов данной серии.

В случае широкого применения на производстве микросхем с мелким шагом (в том числе и BGA/CSP) опытный пользователь отдаст предпочтение варианту, в котором на каждый из четырех шпинделей приходится индивидуальный привод оси вращения.

Независимые AC-сервоприводы угла поворота позволяют значительно повысить точность установки компонентов на печатную плату.

Каркас установочной головы стал значительно легче (рис. 7).

Рис. 7. Установочная голова автомата серии M10/M20

Рассматривая установочную голову, следует выделить следующую функцию контроля усилия при захвате и установке компонента (рис. 8).

Рис. 8. Контроль усилия при захвате и установке компонента

Для уменьшения нагрузки на корпус компонента при захвате и установке на плату появилась возможность контролировать усилие по оси Z. Регулировка доступна в свойствах компонента при использовании насадок без специальных демпфирующих пружин (P005 и выше). Диапазон регулировки 5–60 Н, стандартное значение 30 Н.

Новые облегченные насадки Р-типа (Р051, Р052, Р053) и система автоматической смены насадок (ANC) емкостью на 24 места (рис. 9) разработаны специально для этой серии автоматов. Совместно с системой автоматической идентификации насадок перед сборкой печатной платы насадки в ANC распределяются оптимально для конкретной программы (что существенно сокращает время на их смену в процессе работы автомата).

Рис. 9. Насадки P-типа и магазин насадок

Лазерный сенсор проверки компланарности выводов компонентов (рис. 10) — отдельная опция, предлагаемая для заказчиков, которые предъявляют исключительные требования к качеству монтажа микросхем. Компоненты с поврежденными выводами отбраковываются до установки на ПП.

Рис. 10. Лазерный сенсор проверки компланарности выводов компонентов

Выделим отдельно возможность опционально дооснастить автомат лазерным сенсором для контроля высоты установки компонентов на поверхность ПП (рис. 11).

Рис. 11. Лазерный сенсор для контроля высоты установки компонентов на поверхность ПП

Деформация печатной платы (прогибы/выпуклости) измеряется лазерным детектором для динамического изменения высоты установки компонентов.

Примечание. Для бесконтактого способа дозирования паяльной пасты (дополнительная возможность новых автоматов) необходима установка данной опции. Об этом будут подробно рассказано во второй части статьи.

Новый дизайн сменной тележки CFB-36 (рис. 12) для питателей на 36 мест (8 мм) предоставляет удобство переналадки, автоматическую коррекцию при фиксации в автомате, без необходимости дополнительных подключений («зафиксировал и работай»).

Рис. 12. Тележки базы CFB-36

Новый дизайн системы автоматической смены паллет CTF-40 (рис. 13) на 40 JEDEC-мест («паллетная тележка») гарантирует высокую скорость работы, быструю и удобную переналадку.

Рис. 13. Система автоматической смены паллет CTF-40

Следует описать и другие варианты работы с паллетами. Во-первых, в случае отсутствия необходимости смены «паллетных тележек» доступен вариант фиксированной системы автоматической смены паллет FTF-40 (данный тип питателя будет постоянно находиться на задней стороне автомата и занимать одну базу на 36 мест). Во-вторых, в случае незначительной номенклатуры микросхем возможен вариант простого паллетного столика, размещаемого в рабочей зоне автомата и не занимающего место для размещения ленточных/пенальных питателей.

Автомат серии M10/M20 имеет четыре базовые точки для динамической коррекции позиционирования по осям Х и Y (рис. 14). Возникновение погрешности может быть вызвано каким-либо нагревом или постепенным износом механических частей.

Рис. 14. Базовые точки для динамической коррекции позиционирования по осям Х и Y

Сервопривод оси конвейера не имеет энкодера, поэтому настройка происходит с помощью базовой точки на плоскости конвейера (используется обучающая TEACH-камера, размещенная на установочной голове). После этого система проверяет параллельность подвижной части (рис. 15), а также высоту конвейера в трех точках (используется насадка P005).

Рис. 15. Проверка параллельности подвижной части конвейера

Алгоритм Dynamic Camera Correction использует стеклянные компоненты — имитация QFP (большого или малого размера). Каждый из шпинделей установочной головы берет компонент из специального трея, далее происходит захват изображения камерой и корректировка параметров (если быть точным, то корректировка центра шпинделя/насадки). Эту функцию можно использовать в автоматическом режиме, либо после редактирования системных параметров, либо перед стартом сборки каждой печатной платы (рис. 16).

Рис. 16. Алгоритм Dynamic Camera Correction

Так как доводка шабрением (scraping) используется только для тех станин, которые не прошли внутренний контроль, применяется технология маппинга координат по осям X и Y (рис. 17). На специальную калибровочную поверхность нанесены точки привязки (через каждые 5 мм по двум осям), автомат сканирует их и определяет погрешность при позиционировании. Информация сохраняется в системных настройках.

Рис. 17. Маппинг координат

Скорость движения установочной головы увеличена почти в два раза по сравнению с предыдущим поколением автоматов i-PULSE (серии M4, M6), поэтому для точного времени срабатывания захвата изображения камерой (тайминга) установлен дополнительный энкодер на оси Х (рис. 18).

Рис. 18. Дополнительный энкодер на оси Х

Внутри автомата в углах расположены специальные гасители вибрации (рис. 19). Еще один установлен на задней части LCD-монитора.

Рис. 19. Гасители вибраций

Сервомоторы осей Х и Y закрыты в металлические боксы с вентилятором (рис. 20). Охлаждение сервомоторов Z и Т происходит естественным образом, но также в зоне парковки установочной головки есть два дополнительных вентилятора, встроенных в крышку автомата.

Рис. 20. Индивидуальное закрытое охлаждение сервомоторов

Рассматривая техническое оснащение автомата в целом, нельзя не отметить и удобства сервисного обслуживания.

Замена фильтра эжектора стала проще, и обслуживание автомата теперь занимает гораздо меньше времени (рис. 21).

Рис. 21. Простейшая процедура замены фильтров

Более удобным стало программирование автоматов, которое раньше зачастую занимало половину рабочего времени оператора (при работе с насыщенными и сложными ПП большой номенклатуры и маленькими сериями выпуска). На автоматах применяется новый пользовательский интерфейс iMS 5. Программа сборки теперь редактируется в оперативной памяти одновременно с библиотеками компонентов, паллет и т. п. (локальными, принадлежащими этой программе, но также есть и глобальные). Появилась возможность самому создавать меню быстрого доступа к необходимым функциям. Кроме того, стало возможным автоопределение высоты компонента в паллете (рис. 22). Автомат берет насадку P005 и опускает ее до касания поверхности компонента (момент касания определяется по пороговому значению вакуума, создаваемого при перекрытии отверстия насадки). Начальное значение Start Z = 10 мм.

Рис. 22. Автоопределение высоты компонента в паллете

Реализована функция автоматического определения правильности установки паллеты, поскольку JEDEC-паллеты имеют один срезанный угол. В описании паллеты можно установить параметр Reference Corner, и если паллета будет перевернута на 180°, машина предупредит об этом и выдаст ошибку перед началом сборки.

Производитель автоматов поверхностного монтажа i-PULSE уже заслужил всеобщее признание как производитель сверхнадежного и современного оборудования. Сегодня компания выпускает современные автоматы, позволяющие нам создавать все более сложную и технологичную продукцию современной электроники.

За 2011 г. конструкторами и разработчиками i-PULSE реализованы и уже доступны для заказа дополнительные возможности для автоматов данной серии, описание которых будет продолжено в следующей части статьи:

• высокоточные быстросменные головки для дозирования паяльных паст/клея;
• новый тип ленточных питателей серии F3;
• новый тип мультилинейного вибропитателя F3-MSF.

В заключение напомним аксиому №2: «Вложения в качественное оборудование ничего не стоят, так как они быстро окупаются и начинают приносить прибыль».