Манипуляторы для поверхностного монтажа электронных модулей

Тенденции современной электронной промышленности к уменьшению габаритных размеров плат и увеличению плотности монтажа повышают требования к оборудованию, предназначенному для сборки и ремонта электронных изделий. Сокращение размеров электронных компонентов не только коснулось производителей массовых изделий, но и превратилось в проблему для мелкосерийных изготовителей, подтолкнув их к началу механизации и автоматизации сборочно-монтажного производства. Самое бюджетное решение на данном этапе — манипулятор установки компонентов [1]. Это первый шаг на пути освоения технологии поверхностного монтажа (SMT). Оборудование позволяет при минимальных инвестициях повысить качество выпускаемой продукции и снизить потребности в высококвалифицированных монтажниках.

Полуавтоматические системы установки принципиально отличаются от автоматов — у них отсутствует привод установочной головки и перемещение осуществляет оператор. Автоматизация процесса заключается в запоминании управляющим устройством координат установки каждого компонента и в блокировке перемещения манипулятора в заданных точках. Такой принцип установки удобен в мелкосерийном производстве и в лабораторных условиях. Производительность установки компонентов достигает 700 шт./ч [2].

Установщик SMP‑330 фирмы «Термопро» (рис. 1) предназначен для оснащения рабочего места монтажника SMD-компонентов в мелкосерийном производстве и обеспечивает проведение ручных операций по нанесению паяльной пасты или адгезива методом дозирования и установке SMD-компонентов посредством переноса из питателей с помощью вакуумного пинцета. Установщик может быть оснащен различными типами питателей для подачи компонентов из лент различной ширины или россыпи.

Рис. 1. Манипулятор настольного монтажа SMP 330

При монтаже компонентов с шагом выводов до 0,5 мм манипулятор обеспечивает точное дозирование мелкозернистых паяльных паст типов 5, 6 через насадки диаметром 0,15–0,2 мм с высокой повторяемостью. При монтаже компонентов с шагом выводов более 0,5 мм дозирование мелкозернистых паяльных паст типов 3, 4 происходит через насадки диаметром от 0,25 мм [3].

Ручной манипулятор для установки компонентов на печатную плату XMP‑300 американской фирмы Bokar (рис. 2) быстро и надежно устанавливает поверхностно монтируемые компоненты с ленточных питателей и лотков для россыпи. Захват, удержание, ориентация компонента в пространстве и установка на плату осуществляется с помощью вакуумного захвата. Встроенная система автоматического управления вакуумом обеспечивает его включение при захвате и выключение при установке, что существенно повышает производительность манипулятора.

Рис. 2. Внешний вид манипулятора ХМР 300

В зависимости от применяемых опций базовая система ХМР может иметь ленточные питатели, пневматический или цифровой дозатор паяльной пасты/клея. Возможна установка видеосистемы для вывода изображения компонентов на монитор [4].

Манипулятор ЭМ‑4725 производства ОАО «Планар-СО» (Беларусь) (рис. 3) предназначен для монтажа на поверхность печатных плат SMD-конденсаторов и резисторов, транзисторов в корпусах типа SOT, интегральных микросхем и других элементов, а также для нанесения припойной пасты или клея при помощи дозатора [5].

Рис. 3. Манипулятор поверхностного монтажа ЭМ 4725

Манипулятор состоит из вакуумного пинцета, привода Y вакуумного пинцета, дозатора, панели управления, подлокотника и монитора. Устройство осуществляет монтаж SMD-элементов на печатную плату в такой последовательности:

1. нанесение клея либо паяльной пасты на поверхность платы при помощи дозатора;
2. присоединение SMD-элементов на поверхность платы вакуумным пинцетом.

В заводской комплектации манипулятора ЭМ‑4425 предусмотрены блок управления, головка монтажа, оптический датчик, видеокамера, монитор, компрессор, педаль и переключатель. Манипулятор может быть оснащен ленточными, кассетными или карусельными питателями. С помощью вращающихся бобин (рис. 4а) ленточные питатели обеспечивают подачу компонентов, упакованных в блистер-ленты.

Рис. 4. Виды питателей:
а) ленточный;
б) кассетный;
в) карусельный

Кассетные двухъярусные питатели предназначены для хранения на рабочем месте SMD-компонентов в обрезках лент. При двухъярусной конфигурации достигается максимальная концентрация различных SMD-компонентов на одном рабочем месте (рис. 4б). Кассетные питатели для обрезков лент устанавливаются на платформу с помощью винтов. На каждой платформе может быть размещено несколько питателей.

Карусельный питатель предназначен для хранения мелких SMD-компонентов россыпью (рис. 4в). Карусель смонтирована на шарикоподшипнике и при помощи рукоятки вращается в любом направлении. В стекле предусмотрена прорезь, через которую оператор имеет доступ к одной из ячеек с SMD.

В таблице 1 приведены технические характеристики манипуляторов для поверхностного монтажа в мелкосерийном производстве.

Для повышения производительности манипулятор дополнительно оснащен дозатором для диспенсорного нанесения пасты и ленточными питателями для подачи SMD-компонентов. На рис. 5 приведена структурная схема модернизированного манипулятора.

Рис. 5. Схема манипулятора ЭМ 4725

Компрессор предназначен для подачи воздуха под давлением к дозатору или создания разряжения в головке монтажа, в зависимости от положения переключателя. Оптический датчик и камера служат для получения изображения и его передачи на видеомонитор. Дозатор осуществляет нанесение паяльной пасты, клея, флюса и других материалов низкой вязкости методом дозирования на печатную плату. Головка монтажа предназначена для захвата SMD-компонентов и их установки на печатную плату. Педаль служит для подачи сжатого воздуха в дозатор. Рабочее место монтажа SMD-компонентов на данном манипуляторе показано на рис. 6.

Рис. 6. Рабочее место установки SMD-компонентов

Для расчета расхода паяльной пасты находим скорость ее истечения из дозатора. На поршень с площадью S₀ действует внешняя сила F, и паста плотностью ρ вытекает из отверстия площадью S (рис. 7). Обозначив скорость движения пасты внутри дозатора через υ₀ и согласно уравнению Бернулли, имеем:

F/S₀+1/2×ρυ²₀ = 1/2×ρυ².            (1)

Рис. 7. Схема дозирования паяльной пасты

Предположим, что скорости движения пасты во всех точках сечения одинаковые, тогда ее масса m, протекающая за время t, равна:

m = ρυS.                           (2)

В стационарном потоке масса m одна и та же для любого поперечного сечения дозатора, поэтому:

ρ₁υ₁S₁ = ρ₂υ₂S₂.                   (3)

Если пасту рассматривать как несжимаемую, то ρ₁ = ρ₂ и условие (3) принимает вид:

υ₁S₁ = υ₂S₂.                        (4)

С учетом выражения (4) получаем:

υS = υ₀S₀.                          (5)

Выражая из формулы (5) υ₀ и подставляя в формулу (1), получаем:

F/S₀ = 1/2 ρυ²[1–(S/S₀)²].            (6)

Обычно площадь отверстия иглы во много раз меньше площади поршня шприца, то есть S << S₀. Тогда, пренебрегая квадратом отношения S/S₀, находим силу, необходимую для выдавливания пасты:

F = 1/2 ρυ²S₀.                          (7)

Скорость вытекания паяльной пасты при этом равна:

где P — давление.

Масса выдавленной пасты за промежуток времени t = 1 c рассчитывается как:

m = S₀υ/ρ.                          (9)

Подставив значение υ из формулы (8), получим:

При этом плотность паяльной пасты будет равна:

ρ = M×ρ_пр/100%,                   (11)

где M — процент содержания металла в паяльной пасте, ρ_пр — плотность припоя в паяльной пасте.

С учетом данных дозатора и пасты Sn62RM92A для S₀ = 6,15×10^–3 см², S = 1,02 см² и ρ = 7,65 г/см³ построена зависимость массы дозированной пасты от давления (рис. 8).

Рис. 8. Зависимость массы дозированной пасты от давления

Методика оценки точности позиционирования

Ввиду малых размеров SMD-компонентов, к оборудованию технологии поверхностного монтажа предъявляются высокие требования по точности. В частности, лучшие представители автоматов‑установщиков позволяют обеспечить точность установки порядка 10–15 мкм. Базовое значение допуска на центрирование и сдвиг корпусов составляет 25 мкм.

Требуемую точность позиционирования можно рассчитать исходя из геометрических размеров контактных площадок, выводов компонентов и возможных их отклонений. В рассматриваемой схеме (рис. 9) учитывается позиционирование припойной пасты относительно контактной площадки. На схеме площадка припойной пасты смещена влево, а вывод — вправо. При расположении их по центру контактной площадки эти погрешности будут равны 0, то есть ∆х = h = 0 [6].

Рис. 9. Схема для расчета точности позиционирования:
p — шаг выводов;
W — ширина контактной площадки;
Wв — ширина вывода;
l — гарантированный зазор исходя из требований изоляционной прочности;
q — ширина перекрытия выводом контактной площадки;
∆х — погрешность позиционирования (в направлении Х);
Wп — ширина площадки, занимаемой припойной пастой;
g — расстояние от вывода до следующей площадки припойной пасты;
h — погрешность позиционирования припойной пасты

Для оценки точности позиционирования можно использовать три критерия:

1. Минимальное расстояние между отпечатком пасты и соседней контактной площадкой по прочности изоляции:

∆х₁ = P–1/2((W_в + δ_k)–(W+δ_nn))–l,    (12)

где δ_k — допуск на размер SMD; δ_nn — точность изготовления платы.

2. Минимальная ширина зоны перекрытия:

∆х₂ =1/2((W_в+δ_k)+(W+δ_nn))–g.          (13)

    Минимальное значение ширины перекрытия ∆_х2min = 0,5p.

3. Минимальное расстояние с учетом позиционирования припойной пасты:

∆х₃ = p–1/2((W_в+δ_k)+(W+δ_nn))–l–h, (14)

где h ≤ 0,05 мм.

Применение многовыводных ИС требует проектирования печатных плат с узкими коммутационными дорожками и контактными площадками. При этом могут возникнуть проблемы, связанные с обеспечением необходимого диэлектрического зазора и образованием перемычек припоя между соседними контактными площадками и выводами. В таблице 2 приведены составляющие точности и суммарной точности позиционирования компонентов в зависимости от шага выводов.

В соответствии с международным стандартом IPC-A‑610D установлены визуальные критерии качества электронных сборок, а также регламентированы требования приемки для производства электротехнических и электронных сборок [7]. Требования, предъявляемые к установочным размерам и расположению SMD-компонентов на печатную плату, приведены в таблице 3.

Несоблюдение указанных требований приводит к образованию различных дефектов монтажа. На рис. 10 приведены примеры возможных дефектов при монтаже SMD-компонентов.

Рис. 10. Виды дефектов при установке компонентов:
а) величина бокового смещения А более 50% ширины контактной поверхности компонента W или 50% ширины контактной площадки Р;
б) торцевое смещение;
в) ширина галтели припоя составляет менее 50%

Для исследования точности позиционирования и контроля качества установки элементов SMD на печатной плате применен большой инструментальный микроскоп БИМ‑1 (рис. 11). При контроле погрешности установки элементов измеряют величины их смещения по осям Х, Y (Dх, Dу), как показано на рис. 12. Результаты оценки точности позиционирования вакуумным пинцетом и манипулятором приведены в таблицах 4 и 5.

Рис. 11. Большой инструментальный микроскоп БИМ 1

Рис. 12. Схемы оценки погрешности позиционирования SMD

С помощью полученных данных построены графические зависимости точности позиционирования от размеров SMD-элементов (рис. 13), массы пасты (рис. 14) и от количества выводов компонента (рис. 15).

Рис. 13. Зависимость погрешности установки от размеров элемента

Рис. 14. Зависимость точности позиционирования SMD от массы паяльной пасты

Рис. 15. Зависимости точности установки компонентов (1) и угла отклонения (2) от количества выводов компонента

Анализ данных показывает, что установка SMD вакуумным пинцетом имеет значительную погрешность (200–500 мкм). Применение манипулятора ЭМ‑4725 позволяет эту погрешность уменьшить до 2 раз за счет более точного перемещения по координатам X, Y. Для снижения погрешности необходимо использовать оптимальное количество паяльной пасты на контактной площадке, так как если пасты недостаточно или слишком много, растет погрешность позиционирования. С увеличением количества выводов, а значит, и сложности компонента точность позиционирования SMD повышается, что улучшает качество сборки электронных модулей.

Заключение

Применение простых и недорогих манипуляторов для поверхностного монтажа электронных модулей в опытном и мелкосерийном производстве может обеспечить приемлемую точность позиционирования при сборке и в несколько раз повысить производительность по сравнению с вакуум-пинцетом. Использование для поверхностного монтажа электронных модулей манипулятора ЭМ‑4725 предпочтительно благодаря малому значению минимального шага выводов, соотношению цена/качество и возможности оснастить его различными дополнительными опциями.