ПРОИЗВОДСТВО ПОД КЛЮЧ – ЭФФЕКТИВНЫЙ ВАРИАНТ

ОБОРУДОВАНИЕ www.electronics.ru
ПРОИЗВОДСТВО ПОД КЛЮЧ –
ЭФФЕКТИВНЫЙ ВАРИАНТ реализации
ЭЛЕКТРОННОГО ПРОИЗВОДСТВА
А.Василенко entb@liontech.ru
Производство под ключ – одна из самых востребованных сегодня
услуг, предоставляемых компанией "ЛионТех". Работа начинается
с постановки задачи и составления технического задания. Чаще
всего заказчик требует решения конкретной текущей задачи
и не хочет тратить время на проработку вариантов дальнейшей
модернизации. И его можно понять – ограниченность ресурсов не
позволяет проводить работы в широком масштабе. Когда же ресурсы
накапливаются, заказчик начинает задумываться о развитии уже
сложившегося производства, но тогда приходится решать уже
другие задачи – как разместить новые мощности и дополнительное
оборудование на имеющихся площадях. Заместитель генерального
директора компании "ЛионТех" Алексей Сергеевич Василенко
представляет в статье вариант построения без особых ограничений
электронного производства, которое он назвал "производство
мечты". Маловероятно, что кто-то решится реализовать на практике
этот вариант полностью, но отдельные решения этого проекта могут
пригодиться читателю.
С
егодня наиболее востребованы гибкие многономенк латурные, но в то
же время и высокопроизводительные
производства. Очень часто используется двухсторонний монта ж (SMDи DIP-компоненты расположены на обеих сторонах платы). Предположим, что предстоит
построить производство, основной продукцией которого будут компьютеры, например,
"тонкие клиенты" или моноблоки. Кроме того,
производство дол ж но иметь возмож ность
быстро перенастраиваться на выпуск другой
продукции, так как компания-заказчик может
оказаться контрактным производителем.
172
печатный монта ж
Составление проекта
Техническое задание. Необходимо создать
высокопроизводительное многопрофильное
производство по выпуску современной элект роник и,
удовлетворяющей
т ребованиям
к высокому качеству выпускаемой продукции.
При разработке проекта надо иметь в виду, что
очень часто выпуск продукции должен осуществляться в кратчайшие сроки, но не за один
цикл. Выпуск может быть разбит на партии (по
мере необходимости заполнения склада готовой продукции).
Производительнос ть.
Д ирек торов
за водов ма ло интересует производительность
№6 (00041) 2012
ОБОРУДОВАНИЕ www.electronics.ru
оборудования в час, их интересует, сколько
единиц продук ции будет выпускать производство в смену, неделю, месяц, год. Зададим
пр оизвод ите льно с т ь
800 –1000
ш т./с мена
(8 или 10 ч). При этом для SMD-компонентов
производительность в среднем составляет
1 200–1500 шт. на плату (1000–1 200 с одной
стороны и 100–300 – с обратной), а для DIPкомпонентов – 20–50 шт.
Размер печатных плат. В основном печатные
платы имеют размер до 250×350 мм. Однако
они могут достигать размеров 450×450 мм
и более. Минимальный размер платы не имеет
большого значения, так как маленькие платы
обычно объединяют в мультизаготовку, поэтому
можно задать минимальный размер платы
50×50 мм.
Размеры SMD-компонентов и минимальный
шаг выводов микросхемы. Существует много
методик расчета максимальных размеров компонетов, но они занимают много времени.
На практике эти размеры не больше 50×50 мм
для SMD-компонентов и до 100×35 мм – для разъемов. При проектировании технологической
линии необходимо учитывать возможность
появления заказа на монтаж с "экзотическими"
компонентами размерами до 150×50 мм. В проект заложен шаг выводов планарных микросхем
не менее 0,3 мм и минимальный размер чипкомпонента – до 0201. Применение компонентов меньшего размера маловероятно, но надо
иметь в виду, что компоненты 01005 тоже существуют и может потребоваться их установка.
Проектируемое производство должно быть ориентировано и на монтаж DIP-компонентов (разъемов, реле, мощных транзисторов и микросхем), аксиальных и радиальных компонентов
в виде резисторов, диодов и конденсаторов.
Другие характеристики проектируемого производства. Возможно, потребуется отмывка
печатных плат и нанесение влагозащитного
покрытия, и для этого должно быть предусмотрено соответствующее оборудование. На производстве должен быть участок для ремонта
изделий как полученных по рекламациям
от заказчика, так и вследствие производственного брака, который тоже случается, даже если
это и "производство мечты". При создании
нового производства надо использовать все возможные средства для минимизации брака.
Для обеспечения высокого качества выпускаемой продукции на производстве должны
№6 (00041) 2012
быть испытательная лаборатория и участок
эксплуатационного прогона. Здесь будут испытываться продукция, анализироваться результаты и выявляться слабые места производства
и, что не менее важно, накапливаться статистика по отказам. Все это позволит усовершенствовать технологию производства и устранить
недочеты, заложенные в комплектации и схемотехнических решениях. Ведь качество – это
главная цель.
Производству необходимы участки тестирования, финишной сборки и упаковки, а также
складские помещения. Разработка последних
производится после того, как определится внутренняя логистика предприятия. Офисные
помещения и кабинеты руководителей – немаловажная часть предприятия, и про них тоже
не стоит забывать.
Цех автоматизированного SMD-монта ж а
печатных плат. Это основной цех завода. Расчеты
производительности, к сожалению, не приводятся, они выходят за рамки статьи. И вниманию читателей предлагается результат – проект
цеха автоматизированного монтажа, в состав
которого входят две производственные линии
с двойными конвейерами. Рассмотрим состав
одной из них.
Состав универсальной
производственной линии
Два пара ллельно зерк а льно-ус тановленных универсальных мультизагрузчик а печатных плат SVML-900X2. Каждый из них может
подавать платы из магазинов двух типов,
а так же имеет функцию подачи плат из стопки.
Дополнительно загрузчики оснащены системой механической и вакуумной очистки печатных плат перед подачей их на линию. Платы
очищаются от пыли и мелких частиц, остающихся после их изготовления и фрезеровки,
а так же от частиц, появляющихся при транспортировке. Пыль и мелкие частицы могут
быть причиной появления брака при нанесении паяльной пасты в принтере и при оплавлении в печи.
Инверторы печатных плат SVT-180Х2 установлены после загрузчиков. Они могут работать
в двух режимах: сквозной проход платы без
ее переворота и проход платы с переворотом
на 180°. Первый режим используется, когда
в линию загружают платы для монтажа первой стороны. Во втором режиме платы с уже
печатный монта ж
173
ОБОРУДОВАНИЕ www.electronics.ru
Рис.1. Принтер трафаретной печати HP-620MD
установленными компонентами на верхней
стороне (из магазинов платы не вынимаются)
размещаются в загрузчике, а переворотный
конвейер подает их на линию уже перевернутыми для монтажа второй стороны. Это позволяет ускорить процесс производства и снижает
трудозатраты персонала.
Принтер трафаретной печати HP-620MD с двумя
независимыми конвейерами (рис.1). По сути, это
два полноценных принтера в одном корпусе.
Каж дый имеет собственный трафарет с независимой системой позиционирования, сухой
(вакуумной) и влажной очисткой, а также снабжен всеми необходимыми функциями для качественного нанесения паяльной пасты. При этом
время цикла каждой части принтера 11 с (без
учета времени нанесения пасты). Этот принтер
по таким параметрам, как точность и повторяемость, сравним с лучшими аналогами
подобной техники. Стандартно принтер может
работать с платами шириной 300 мм и длиной
620 мм, а опционально – с платами до 460 мм.
При размерах плат до 300 мм принтер работает
с двумя конвейерами, но при ширине плат
305–460 мм – только в режиме одного конвейера.
На этом принтере можно наносить не только
пасту, но и клей для приклеивания компонентов перед установкой пайки волной.
Согласующий слайд-конвейер устанавливается после принтера для согласования ширины
конвейера. Он придает дополнительную гибкость линии. Данное устройство получает
платы с нанесенной пастой с двух конвейеров принтера и подает в конвейер следующей
единицы оборудования линии. Работает слайдконвейер в четырех режимах.
174
печатный монта ж
Первый режим: получает платы с фронтального конвейера и передает во фронтальный
последующий, получает с тыльного конвейера
и передает на тыльный следующий. Это режим
работы линии с двумя конвейерами.
Второй режим: получает платы с одного
из конвейеров принтера и подает в один
из последующих конвейеров. Такой режим
нужен в том случае, когда изготавливаются платы шириной 305–460 мм на одном
конвейере.
Третий режим: получает платы с одного
из конвейеров принтера и подает в два последующих. Этот режим востребован при изготовлении одной стороны платы на двух конвейерах
линии (необходимое условие – скорость нанесения пасты больше скорости работы остальной
линии). В этом случае не нужны два трафарета
и работает половина принтера.
Четвертый режим: получает платы с двух конвейеров принтера и передает в один из последующих. Данный режим практически не нужен.
Но он может пригодиться, если принтер работает с линией, у которой нет второго конвейера. Он будет необходим и в том случае, если
один из конвейеров в какой-либо из последующих единиц оборудования выйдет из строя,
а скорости нанесения пасты одной половины
принтера будет недостаточно для проведения
качественного процесса. Тогда можно переналадить линию в режим работы одного конвейера и поток плат с двух конвейеров принтера
запустить в один.
Дву хконвейерный
скор о с тной
доз атор 2MD-40X устанавливается после слайдконвейера. Он наносит к лей меж ду контактными площадками для приклеивания
компонентов и фиксации разъемов (процесс
необходим, если высота нанесенного через
трафарет клея недостаточна для приклеивания разъемов), а также пасту в те области на
плате, где необходимо ее большое количество,
например, в отверстия для установки DIPкомпонентов. Дозатор оснащен двумя балками
с линейными двигателями, на каждой из которых установлены по две дозирующие головы
с дополнительными независимыми приводами по всем осям. Скорость нанесения клея
Jet-дозаторами – до 80 тыс. доз/ч на каждый
конвейер.
Затем в линию устанавливается слайдконвейер, аналогичный тому, который стоит
№6 (00041) 2012
ОБОРУДОВАНИЕ www.electronics.ru
Рис.2.
Конвейерные
ворота
SUGC-X2Dual
после принтера. Он необходим для согласования ширины конвейера производственной
линии и ширины конвейеров оптической
инспекции.
Двухконвейерная система 3D-контроля нанесения паяльной пасты MS11Dual. По данным
Ассоциации IPC, причиной брака (до 63%) автоматизированного SMD-монтажа является нанесение паяльной пасты. Введение контроля
нанесения пасты позволит значительно снизить
брак, отбраковать платы с плохо нанесенной
пастой, а также, что более важно, устранить на
ранних стадиях причину появления подобного
брака. Система MS11Dual измеряет объем паяльной пасты на контактных площадках, и в случае
обнаружения отклонения от заложенных в программе норм дает сигнал с последующим перемещением платы в NG-буфер. Система так же
заносит результаты проверки всех плат в базу
(если платы имеют заранее нанесенный штрихкод). В базе статистические данные обрабатываются, и одновременно оценивается работа
и принтера, и дозатора.
После системы 3D-проверк и нанесения
паяльной пасты MS11Dual в оба конвейера
устанавливается NG-буфер SRB-100X2Dual. Он
отбраковывает платы, качество которых не
удовлетворяет критериям, запрограммированным в установке проверки нанесения паяльной
пасты, а платы, не имеющие дефектов, проходят дальше по конвейеру.
Да лее вновь устанавливается согласующий слайд-конвейер, ана логичный тому,
что установлен после принтера, и имеющий
те же функции. В данном случае он необходим для согласования ширины конвейера
и ширины конвейеров автоматов установки
компонентов.
№6 (00041) 2012
За слайд-конвейером следуют конвейерные
ворота SUGC-X2Dual (рис.2). Ставятся они для
того, чтобы операторы могли "проходить сквозь
конвейер", не обходя его. В данной модели ворот
печатная плата опускается вниз, почти к полу,
перемещается по конвейеру, расположенному
под "лестницей", по которой операторы "проходят сквозь конвейер", а затем снова поднимается на уровень следующего конвейера. Такая
модель ворот позволяет при проходе оператора
не разрывать конвейер, а в случае, если плата
"застрянет", ее можно легко достать, подняв
крышку верхней части "лестницы".
За конвейерными воротами располагаются
последовательно пять автоматов для установки
SMD- и некоторых DIP-компонентов.
Два автомата Mx-400LDE (чип-шутеры) имеют
производительность свыше 42 000 комп./ч каждый (по стандарту IPC 9850). Реальная производительность составляет 25 000–36 000 комп./ч
в зависимости от режимов работы, оптимизации
печатный монта ж
175
ОБОРУДОВАНИЕ www.electronics.ru
программы сборки, сложности платы и многих
других факторов. Автомат работает в один или
в два конвейера, имеет две головы с шестью
вакуумными захватами и может собирать как
одну плату двумя головами на одном конвейере, так и две платы двумя головами на двух
конвейерах. С каж дой стороны автомата размещаются по 50 интеллектуальных питателей
eX-Feeder. Размеры устанавливаемых компонентов – от 0201 до 18×24 мм.
Универс альный автомат установки компонентов Mx-400LX отличается от Mx-400LDE
производительностью, она составляет в среднем 30 000 комп./ч (по стандарту IPC 9850) или
до 18 000–24000 шт. SMD-компонентов и до 2500
микросхем/ч. Производительность этого автомата ниже, чем предыдущего, за счет того, что
каж дая голова имеет по четыре скоростных
вакуумных захвата и один мультифункциональный. Этот автомат позволяет устанавливать
компоненты размерами от 01005 до 50×50 мм
или 100×35 мм, т.е. появляется возможность
сборки плат с мелкими компонентами.
Далее устанавливается мультифункциональный автомат Mx-400LP2DE, к которому с передней
и задней стороны установлены автоматические
питатели микросхем из поддонов TF5, каждый
из которых подает в автомат до 20 матричных
поддонов с микросхемами. Кроме того, есть возможность поставить с каждой стороны по два
вибропитателя на пять пеналов каждый или
до 20 ленточных питателей. Две головы автомата имеют по три мультифункциональных
вакуумных захвата. Автомат предназначен для
быстрой и точной установки различных микросхем и компонентов нестандартной формы,
однако легко устанавливает и чип-компоненты.
Размеры компонентов от 0201 до 50×50 мм или
100×35 мм. Опционально можно работать с компонентами до 01005. Производительность автомата при установке чип-компонентов – 22 тыс.
шт./ч (по IPC 9850), а производительность при
установке микросхем – до 7 тыс. шт./ч.
В конце линии устанавливается специализированный автомат Mi40LDE с автоматическими
питателями микросхем из поддонов TF5. Этот
автомат похож на Mx-400LP2DE, но отличается
тем, что на каждой балке расположены два
вакуумных захвата, с обеих сторон добавлены
камеры линейного сканирования, в базе стационарно установлены лазерные сканеры, а на головах – лазерные сканеры высоты. Автомат может
использоваться как обычный мультифункциональный автомат установки SMD-компонентов
с той лишь разницей, что максимальные размеры компонентов увеличены до 150×50 мм,
а производительность составляет 16 тыс. шт. (по
IPC 9850) для чипов и 3 тыс. шт. – для микросхем. Но основная задача этого автомата – установка реле, разъемов и других DIP-компонентов.
Разработан он и поставляется в компании, которые производят автомобильную электронику.
Преж де чем начать установку компонентов
в отверстия, автомат определяет реперные знаки
и сканирует поверхность платы. Затем, захватив DIP-компонент, проносит его над ССD или
линейной камерой, вносит в установленный
в базе лазерный сканер, там его вращает и определяет соосность выводов. Если все в порядке,
автомат устанавливает DIP-компоненты в отверстия, если нет, то возвращает в поддон или сбрасывает. После установки DIP-компонента лазерный измеритель высоты проверяет высоту углов
компонента относительно печатной платы. Этот
автомат также можно использовать и для монтажа SMD-компонентов.
Рис.3. Слайд-конвейер между автоматом Mi40LDE и печью оплавления
176
печатный монта ж
№6 (00041) 2012
ОБОРУДОВАНИЕ www.electronics.ru
Рис.4. Печь оплавления TSM Twin N70-i153/2MD
Общая производительность автоматов установки компонентов составляет 152 000 комп./ч
(по IPC 9850) для чип-компонентов, однако реальная производительность – 80 000–100 000 комп./ч
и меньше, в зависимости от сложности платы,
оптимизации программ и квалификации персонала. Производительности автоматов в линии
должно хватить на сборку 800 заданных плат
за 8 ч или 1000 – за 10 ч.
Все автоматы работают с питателями на
быстросменных тележках, которые можно программировать вне линии. Написание рабочих
программ на установщики можно также вынести на отдельный компьютер. Таким образом,
подготовить программу и запрограммировать
питатели к новому изделию можно без остановки производства, и, следовательно, переход
на выпуск нового изделия займет значительно
меньше времени. Необходимо просто заменить
тележки в автоматах, запустить новую рабочую программу и пропустить несколько плат
в режиме отладки и проверки. Размер печатных
плат – 250×680 мм в режиме работы с двойным
конвейером и 460×680 мм при работе с одним
конвейером.
Далее устанавливается слайд-конвейер, аналогичный тому, что установлен после принтера,
и имеющий те же функции. Он необходим для
согласования ширины конвейера и ширины
автоматической оптической инспекции установки компонентов. Здесь можно было бы вновь
поставить ворота SUGC-X2Dual, но перемещение платы с установленными, но не запаянными, компонентами может вызвать смещение и возникновение брака. Поэтому ворота не
устанавливаются.
За слайд-конвейером расположена двойная система проверки монтажа компонентов
MV-7UDual-15MP. На ней проводится контроль на
соответствие номиналам и их размещению на
плате. Информация заносится в базу, а бракованные платы поступают в NG-буфер. Система имеет
№6 (00041) 2012
Рис.5. Авто­
мати­ческая
оптическая
инспекция
для проверки
монтажа
компонентов
MV-7UDual-15MP
две независимые головы с камерами разрешением до 15 Мпикселов. Точность системы позволяет читать самый мелкий шрифт и проверять
компоненты 01005. Скорости системы достаточно
для проверки всех компонентов без задержки
конвейера. После оптической проверки устанавливается NG-буфер, в него попадают отбракованные платы, а платы, не имеющие дефектов,
перемещаются дальше по конвейеру.
Далее устанавливается слайд-конвейер для
согласования ширины конвейеров инспекции
и печи (рис.3).
Печи оплавления. В связи с высокой производительностью проектируемого производства
к печам оплавления предъявляются особые требования. С одной стороны, скорость прохождения платы через печь должна быть высокой,
а с другой, – плата должна пройти по заданному
термопрофилю. Для выполнения этой задачи
длина зоны активной конвекции должна
составлять не менее 4 м. В данном случае
используется печь с длиной зоны 5 м, а общая
длина печи составляет почти 7 м. Длинная
печь имеет множество недостатков, в частности
ее масса составляет около 5 т, а транспортировка практически невозможна. Но по заказу
возможна разработка печей различных размеров. Печи больших размеров можно разделить
на 2–3 части с последующей сборкой на месте
инсталляции оборудования. Масса такой печи
меньше, так как не требуется усиленной рамы,
транспортировка легче, а специалистам компании, монтирующим данную печь, понадобится
всего 1–2 дня для проведения всех необходимых
работ. Кроме того, в печи можно проводить
пайку в азотной среде при невысоком энергопотреблении. За счет применения азотной
среды снижается количество брака, особенно
при работе с бессвинцовыми материалами.
печатный монта ж
177
ОБОРУДОВАНИЕ www.electronics.ru
Рис.6. Универсальная линия в демонстрационном центре компании "ЛионТех" в Москве
Конвекционная двухконвейерная печь Twin
N70-i153/2MD (рис.4) имеет 15 зон нагрева и три
зоны охлаждения с двумя независимыми туннелями, в которых регулируются температуры
в зонах. Эта печь для транспортировки разделяется меж ду восьмой и девятой зонами
и оснащена азотогенератором. В принципе,
производитель может встроить генератор непосредственно в печь. Однако этой возможностью
пользоваться не всегда целесообразно. Лучше
взять более мощный генератор, производительности которого будет достаточно для двух
печей.
Охлаждающий конвейер SCC-Х2D устанавливается после печи. Он необходим при производстве сложных многослойных и теплоемких
плат. Далее опять следует слайд-конвейер.
После слайд-конвейера устанавливается
двойная система проверки монта ж а компонентов MV-7UDual-15MP (рис.5). Она позволяет определить наиболее распространенные
дефекты: смещение компонента, эффект "надгробного камня" и т.д. Отбракованные платы
отправляются в NG-буфер. Система имеет две
независимые оптические головы, в каж дой
из которых установлено до пяти камер с разрешением до 25 Мпикселов. Информация о результатах проверки сохраняется в базе для дальнейшего анализа. Вообще многие считают, что
задача оптической инспекции – выявлять брак
и отделять бракованные платы от качественно
собранных. И это отчасти верно. На самом
деле, в нашем производстве это не основная
функция комплекса систем оптического контроля. Основная же его задача – отработка технологического процесса и минимизация брака.
178
печатный монта ж
В одном из следующих выпусков журнала более
подробно будет описана работа комплекса,
состоящего из системы 3D-инспекции пасты,
двух систем оптического контроля, ремонтного
центра и рабочего места оператора, которые связаны в одну единую информационную сеть.
В конце производственной линии установлен
двухконвейерный автоматический разгрузчик
печатных плат SMU-900Х2Dual.
Итак, сформированы две одинаковые универсальные линии (рис.6). Они могут монтировать одновременно по два изделия, т.е. всего
четыре. Это могут быть разные печатные платы
с разными размерами. Гибкость такого производства очень высока, так как каждая линия
может производить монтаж двух сторон печатной платы одновременно. Таким образом, появляется возможность получать полностью смонтированные платы с SMD-компонентами менее
чем через час после запуска сборки этой платы
и сразу же эти платы можно отправлять на монтаж DIP-компонентов, а далее – в другие цеха
и участки. Рассмотрим пример: надо собрать
материнскую плату компьютера. С обратной
стороны платы обычно находится не более чем
15–20% от общего числа компонентов. Запустив
три из четырех конвейеров для сборки верхней
стороны платы и один конвейер для сборки
нижней, можно минимизировать простой оборудования, так как общая производительность
трех конвейеров для монтажа одной стороны
платы и одного – для монтажа второй стороны
будут практически идентичны.
Каждая линия – гибкая, производительная
и универсальная; на ней можно собирать практически любые платы. Не стоит бояться внушительной общей длины линии, так как ее
можно уменьшить, удалив некоторые единицы
оборудования (например, слайд-конвейер), не
уменьшая производительности всей линии,
но это потребует дополнительных затрат.
Слайд-конвейеры же позволяют перенаправить
поток печатных плат с одного конвейера на
другой, а так же разделять этот поток с одного
конвейера на два, а это придает дополнительную гибкость всей линии и повышает эффектность ее работы. Похожие линии стоят на производстве в Японии, Южной Корее и Китае,
и наши заказчики, посетив такие предприятия, давали им высокую оценку.
Отзывы, замечания и конструктивные предложения
можно присылать по адресу entb@liontech.ru
●
№6 (00041) 2012