Автоматизированное программируемое оборудование и основные операции технологии автоматизированного поверхностного монтажа

Появление нового поколения высокоинтегрированной элементной базы микроэлектроники, программируемых процессорных устройств и программных продуктов по разработке схемотических решений, конструированию и моделированию позволило разработчикам функциональных электрических схем приборов предложить для реализации в конструкции схемотехнически законченные программируемые модули. В рамках задачи оснащения изделий высокотехнологичными малогабаритными приборами нового поколения разработан перспективный базовый конструктив бортовых приборов типа блока управления бортовым комплексом (БУБК), который используется для изделий «Тундра», МЛМ, УМ, НЭМ и др. перспективных изделий, с последующим внедрением в изделия пилотируемой тематики.

Базовый конструктив (рис.1) состоит из унифицированных модулей. Каждый модуль представляет собой конструктивно и схемотехнически законченное изделие. Межмодульный интерфейс выполнен без проводного монтажа и состоит только из разъемов типа РС-104 (64 контакта) исполнения Industrial, установленных на каждом печатном узле. Новый прибор с программируемыми параметрами формируется из готовых модулей. Унификация в разработке приборов, применение высокоинтегрированных, малогабаритных ЭРИ позволяет создать основу для унификации межприборных связей, внедрения цифровых интерфейсов построения изделий при условии освоении в производстве специализированных, прогрессивных технологий электромонтажа и контроля параметров приборов.

Созданные специализированные участки изготовления приборов типа БУБК для изделия МЛМ являются первым этапом работ в организации монтажно-испытательного центра (МИЦ) производства приборов нового поколения, планируемых к изготовлению и замене на изготавливаемых в настоящее время кораблях и последующих изделиях.

рис.1

Реализация первого этапа работ создает основу плавного перехода к замене существующих приборов на современные позволят:

• снизить трудоемкость и себестоимость их изготовления.

• повысить функциональные возможности систем пилотируемых и грузовых кораблей;

• повысить безопасность полетов за счёт дублирования и троирования систем;

• снизить их массовые характеристики, с целью увеличения объема выводимого на орбиту полезного груза;

• повысить качество изделий за счет автоматизации технологических процессов и исключения человеческого фактора в целом;

• уменьшить трудоемкость их изготовления и тем самым снизить их стоимость.

Разработка КД подразделениями ГКБ ведётся с применением широкой номенклатуры специализированных систем автоматизированного проектирования (Altium Disigner, Pcad, CAM 350, Pro Engineer) , что на практике приводит к дополнительной конвертации исходных файлов, что приводит к некорректным данным.

Для реализации данных задач и упорядочивания применяемых программных продуктов, предлагается следующая схема организация работ, в рамках сквозного проектирования-изготовления современных приборов, приведенная на рис. 2

Рис.2

Следовательно: разработчик, конструктор, технолог и производство должны работать в взаимно сопрягаемых программных продуктах, едиными базами данных на основе PLM систем, для обеспечения их оперативного взаимодействия в рамках проектирования-изготовления приборов.

Сам процесс поверхностного монтажа с использованием высокоточной техники подразумевает следование определенному алгоритму действий и операций с этой техникой.

Схема технологического процесса поверхностного монтажа

При получении платы на неё осуществляется нанесение паяльной пасты. Паяльная паста наносится при помощи принтера траффаретной печати DEK Horizon 03iX.

Рис.3. Трафаретный принтер Horizon 03iX – разработка общепризнанного мирового лидера по производству оборудования для трафаретной печати компании DEK.

Благодаря легкости управления, функциональности, надежности и инновационным техническим решениямHorizon 03iX является самым популярным и распространенным автоматическим принтером как у нас в стране, так и во всем мире.

Horizon 03iX с успехом используется и в мелкосерийном многономенклатурном производстве, и в массовом, реализуя высокую скорость, точность и качество нанесения материалов при изготовлении электронных изделий по технологии поверхностного монтажа.

Ключевые особенности

Уникальные технические решения для качественного нанесения паяльной пасты через малые апертуры трафаретов

Непревзойденное удобство работы

 

Программное обеспечение DEK Instinctiv™. упрощает работу оператора и повышает эффективность работы с принтером благодаря простому интуитивно понятному эргономичному интерфейсу на основе графических пиктограмм и системе встроенных подсказок. Управление работой автомата происходит с помощью цветного сенсорного дисплея, клавиатуры и трекбола. 

Универсальность под различные применения

Широчайший диапазон способов фиксации печатных плат и несколько вариаций нижней поддержки, в том числе вакуумной, гарантируют стабильное положение плат в процессе работы, их надежную фиксацию и плотное прилегание трафарета, в том числе тонких и гибких, склонных к короблению печатных плат. Для плат, в которых компоненты находятся близко к краю, есть специализированные зажимы по кромке.

Автоматический контроль качества нанесения

Системы контроля качества нанесения пасты сегодня являются необходимостью для оборудования нанесения паяльной пасты. Качественные системы контроля помогают выявить дефекты на ранней стадии и снизить количество брака. При этом создание программ инспекции и выполнение непосредственно самого контроля должны занимать минимальное время.

Hawkeye По умолчанию в принтеры DEK встроена система технического зрения Hawkeye для считывания реперных знаков. При необходимости система может быть использована для высокоскоростной автоматической оптической инспекции качества нанесения пасты. Особенность камер Hawkeye в чрезвычайно высокой скорости инспекции, составляющей 750 или 1700 мм2/сек. Таким образом, камеры могут обеспечить 100 % верификацию / инспекцию поверхности ПП без потери производительности производственной линии. Создание программ инспекции при этом занимает считанные минуты.

Технические характеристики:

Время холостого цикла печати	От 7 до 12 с (в зависимости от типа конвейера)
Максимальный размер области печати (Д х Ш)	510×508 мм
Максимальный размер печатной платы (Д х Ш)	510×508 или 620×508 мм
Минимальный размер печатной платы (Д х Ш)	50×41 мм
Толщина печатной платы	0,2 — 6 мм
Внутренние размеры рамы трафарета (Д х Ш)	736×736 мм
Скорость движения ракеля	2 — 300 мм/с
Диапазон регулирования давления ракеля	0 — 20 кг
Повторяемость	±12,5 мкм для 2,0 cpk

Процесс нанесения полуавтоматизирован. Пользователю нужно лишь составить программу, положить пасту на траффарет и загрузить плату.

В самом начале процесса следует загрузить траффарет в принтер. Для этого следует выгрузить рамку траффарета с помощью пользовательского интерфейса путем нажатия кнопки "выгрузить траффарет". Затем открываем крышку машины и вытаскиваем рамку. Далее при помощи компрессора нам нужно вставитьтраффарет в рамку. Укладываем траффарет нужной нам стороны на монтажный стол. Важно положить траффарет правильной стороной, для этого можно взять плату и сверить их путем наложения траффарета на плату. Укладываем сверху рамку и подключаем к ней форсунку компрессора. Фиксация траффарета в рамке осуществляется за счет гребней-фиксаторов, установленных по контуру рамки. под действием давления гребни разжимаются, при его отсутствии уходят обратно.

После установки траффарета, обезжириваем его специальной жидкостью устанавливаем рамку обратно и наносим на траффарет необходимое количество паяльной пасты. Перед нанесением пасту следует достать из холодильника и дать ей постоять 1 час при комнатной температуре, затем перемешать в специальной центрефуге, паста готова к использованию. Закрываем крышку установки, в интерфейсе нажимаем кнопу загрузить траффарет.

Далее нужно составить программу. Для этого в пользовательском интерфейсе заносятся размеры платы и устанавливаются реперные точки. Загружается плата в приемник и происходит подгонка расположения платы по заданным реперным знакам. Для контроля можно открыть крышку принтера и убедиться в равномерности подгонки расположения платы путем сопоставления отверстий на траффарете и контактных площадок платы. При несовпадении двигаем реперные точки в пользовательском интерфейсе установки.

Затем приступаем к нанесению паяльной пасты. Нажимем в окне программы кнопку "Старт" с зеленой стрелкой. Процесс нанесения занимает несколько минут. Далее производим видуальный контроль качества нанесения пасты, при несоответсвии стереть пасту специальной жидкостью и повторить процесс. Если паста нанесена хорошо, следует переходить к монтажу элементов.

EXPERT-FPSA-ПОЛУАВТОМАТ УСТАНОВКИ КОМПОНЕНТОВ НА ПЕЧАТНУЮ ПЛАТУ.

Настольные манипуляторы серии Expert предназначены для сборки печатных узлов по технологии поверхностного монтажа. Манипуляторы обеспечивают надежную, быструю и аккуратную установку поверхностно-монтируемых изделий электронной техники на печатную плату методом переноса вакуумным пинцетом от питателей. Они идеально подходят для сборки малых партий печатных узлов, доустановки компонентов и изготовления макетных образцов.

Установка компонентов

Все оборудование серии Expert оснащено установочными головками с воздушным демпфером для установки компонентов. Благодаря легко контролируемому усилию при установке компонентов и отсутствию усталости оператора точность сохраняется на протяжении всего периода работы.

Встроенный контроллер отслеживает параметры процесса и отображает всю текущую информацию на ЖК-дисплее. Благодаря модульности конструкции функциональные возможности любого манипулятора или полуавтомата серии Expert могут быть увеличены дооснащением необходимыми опциями.

Варианты исполнения

Expert-M — стандартный манипулятор установки компонентов.

Expert-FP — манипулятор установки компонентов с мелким шагом.

Монтаж компонентов с мелким шагом и BGA на Expert-FP

Манипуляторы Expert-FP оснащены регулируемым столиком для точного совмещения компонентов с мелким шагом с контактными площадками, видеокамерой, механизмом блокировки и оптической призмой.

После захвата компонента из питателя оператор, активируя механизм блокировки пантографа, фиксирует компонент над требуемыми контактными площадками. Ориентируясь на изображение, снимаемое смонтированной на пантографе камерой, оператор корректирует столик и поворот насадки и выполняет точное совмещение выводов компонента с контактными площадками. Возможность регулировать высоту расположения насадки с компонентом над платой позволяет производить совмещение компонента непосредственно над контактными площадками без риска задеть выводами нанесенную паяльную пасту. После совмещения насадка с компонентом автоматически опускается на плату.

Точная установка компонентов с мелким шагом при помощи камеры, смонтированной сбоку установочной головки, практически невозможна из-за погрешности параллакса. Опциональная оптическая призма для систем Expert полностью исключает этот эффект. Все четыре стороны компонента видны без искажений при вертикальном обзоре сверху. Эта призма, автоматическое опускание и стопорный механизм насадки обеспечивают все условия для установки компонентов с мелким шагом.

Существуют вспомогательные оптические призмы без увеличения, а также призмы в комбинации с черно-белой или цветной видеокамерами, дающими изображение на экран монитора с увеличением до 10х или 20х.

Эта же камера может быть использована для установки компонентов малого размера или проверки качества установки.

Установка компонентов BGA, CSP или FlipChip также требует прецизионного оптического совмещения. Встраиваемый манипулятор UP3100 превращает Expert в полностью законченное функциональное рабочее место с возможностью установки упомянутых микросхем. UP3100 включает оптическую призму, которая передает наложенные друг на друга изображения выводов микросхемы и контактных площадок платы перед установкой на экран монитора. Совмещая эти изображения, оператор добивается последующей точной установки сложных микросхем на платы.

Таким образом, манипулятор Expert-FP, оснащенный дополнительным модулем UP3100, превращается в полностью завершенное рабочее место, на котором оператор может выполнять сборку печатных узлов сложной конструкции, в том числе с микросхемами QFP с шагом 0,3 мм и BGA в условиях мелкосерийного и опытного производства.

Технические характеристики

		EXPERT-M	EXPERT-FP
Производительность	Установка чипов	400-600 комп./час	400-600 комп./час
	Установка микросхем		100-200 комп./час
	Скорость дозирования	1000-1500 доз/час
Питатели	Карусельный	45 или 90 позиций
	Ленточный / пенальный	12 питателей (8 мм, 12 мм, 16 мм, пеналы от SOP-8 до PLCC84)
	Матричный поддон	1 шт.
	Питатель из обрезков	3 × 8 мм, 1 × 12 мм, 1 × 16 мм
Компоненты	Диапазон	0402 стандарт, 0201 с миникамерой (опция)
	Мин. шаг выводов	0,6 мм	0,4 мм
Плата	Мин. габариты	25 × 25 мм
	Макс. габариты	425 × 253 мм	410 × 246 мм
Габариты установки	Габаритные размеры	750 × 715 × 310 мм (ширина с UP3100 — 925 мм)
	Вес	22 кг

Получая КД и исходный файл в формате PCB от ГКБ, завод осуществляет разработку управляющей программы на основе полученного файла. Разработка управляющей программы осуществляется с создания питателей в приложениии Feeder Loading. Загружем питатели из библиотеки программы или создаем новые если такой питаетель еще не использовался. После создания питателя заходим в приложение Component Library и задавая нужные параметры конструктируем новый компонент, если требуется. Разработка управляющих программ для работы полуавтоматизированного установщика микросхем и ЧИП компонентов на печатную плату EXPERT-FSPA осуществляется в специализированной CAD Conversion системе путем импорта PCB данных из программы автоматизированной разработки печатных плат Pcad (Altium Diseger) в формате .pnp в программу САD (рис.3), создания индивидульных фильтров с указанием нужных нам парметров, конвертации данных и получение готовой программы (рис. 4).

После получения готовой программы загружем ее в приложение Expert Assembly. В котором монтажник осущевствляет установку компанентов на печатную плату.

Рис. 3 Рис. 4

Для реализации задачи внедрения на Предприятии технологий сквозного проектирования-изготовления приборов нового поколения требуется разработка единого (ГКБ и ЗЭМ) стандарта определяющего порядок применения программных продуктов, передачи данных проектирования для подготовки производства и разработки управляющих программ для технологического оборудования по производству электронных печатных узлов, порядку архивирования и хранения данных.

Манипулятор Expert позволяет устанавливать элементы в полуавтоматическом режиме в соответствии с разработанной технологом управляющей программы, указывая оператору положение захвата компонентов, а так же правильное положение установки его на печатную плату.

Место установки компонента определенно программой рамкой за границу которой установщик не даст поставить элемент.

Все действия оператора отражаются на мониторе, что позволяет избежать ошибок при установке.

Опция установки микросхем с малым шагом выводов на базе специальной системы из линз призм и ПЗС камеры обеспечивает требуемое совмещение выводов микросхемы с контактными площадками микросхем ACTEL.

Разработка управляющих программ с применением программного обеспечения EXPERT-FPSA.

Библиотека Component Library- содержит информацию по всем типам компонентов

Библиотека Feeder Loading- содержит информацию по всем питателям/ячейкам поворотного стола

Expert Assembly- команда запуска программы установки компонентов/ дозирования паяльной пасты

CAD Conversion- программный модуль для автоматизированного преобразования данных САПР в программы EXPERT-PLACE

CAD Conversion- программный модуль для автоматизированного преобразования данных САПР в программы EXPERT-PLACE

Библиотека компонентов-Component Library

Минимальный размер компонента – Максимальный размер компонента –

(400х200 мкм) 55 х 55 мм

Поиск уже имеющихся компонентов

Запускаем Component Library, выбираем каталог LIB. В окне поиска указываем в соответствии с КД на модуль наименование компонента

Выбираем требуемый компонент его внешний вид автоматически отображается на экране. В случае отсутствия компонента, создаем новый

Разработка специальной базы данных для нового компонента:

- открываем Component Library и активизируем уровень чертежа Component Casing

Выделяем центральный квадрат в поле Desing, задаем нулевую точку отчета координат. Вводим размеры корпуса по x и y.

Компонент будет показан на экране.

Создание контактных выводов. В поле Desing формируем размер контактных площадок выводов компонента. Вводим размеры вывода в поле данных х,у.

Для создания остальных выводов в поле Desing указываем требуемое количество выводов компонента. Для остальных сторон делаем те же действия.

Программирование питателей компонентов в Feeder Loading для правильной подачи их во время установки их на печатную плату

Открываем окно управления питателями и создаем новый

В появившемся окне выбираем тип питателя:

Виртуально заполняем питатель нужными нам компонентами ( в соответствии с КД) из окна Component List:

По завершению процедуры сохраняем его под именем сборки модуля.

Разработка управляющей программы (управление процессом установки компонентов на печатную плату) в CAD Conversion.

Импортируем данные из Pcad в формате .pnp в программу САD:

Создаем индивидуальные фильтр в котором указываем

требуемые параметры ( тип корпуса; номинальный номер;

координаты x,y; угол поворота относительно нулевой точки):

Конвертируем данные в требуемую форму соблюдая алгоритм и установленные правила программирования в среде CAD Conversion:

Программа CAD Conversion автоматически формирует требуемую управляющую программу:

Установка компонентов по разработанной управляющей программе на Expert- FPSA

Открываем требуемую управляющую программу предварительно разработанную в CAD Conversion:

Определяем и программируем установщик по выбранным реперным знакам:

Выбираем тип питателя для конкретной печатной платы:

Устанавливаем компоненты на печатную плату контролируя ход и правильность установки на мониторе:

По завершению установки компонентов плата отправляется в конвекционную печь для завершения процесса пайки.