Nuo prototipo iki masinės gamybos: kodėl svarbios SMT montavimo ir padėjimo mašinos

Suprantama SMT „pick and place“ mašinos modernioje elektronikos gamyboje

Paviršiaus montavimo technologijos (SMT) ir automatizacijos raida

Paviršiaus montavimo technologija, arba sutrumpintai SMT, radikaliai pakeitė elektronikos gamybą, leisdama inžinieriams komponentus tvirtinti tiesiai ant PCB paviršių, nebereikiant daugybės varstymo skylių, kurių reikėjo naudojant skyluteseinę technologiją. Privalumai buvo akivaizdūs jau iš karto. Plokštės galėjo talpinti daugiau detalių tame pačiame plote, gamyklos surinkdavo produktus žymiai greičiau, o signalai keliaudavo trumpesnį atstumą, kas reiškė gerovesnę bendrąją našumą. Laikui bėgant, tai, kas prasidėjo rankiniu komponentų dedimu, palaipsniui perėjo į mašininį darbą. Mes nuo paprastų pusiau automatinės aparatūros perkopėme prie visiškai automatizuotų gamybos linijų. Šiuolaikinė įranga gali tiksliai montuoti komponentus su tikslumu iki apie 25 mikronų. Toks tikslumas yra itin svarbus dabar, kai ant plokščių vis labiau stengiamės sutalpinti vis mažesnius, bet vis sudėtingesnius mikroschemas.

SMT komponentų montavimo mašinos pagrindinė funkcionalumas PCB surinkime

Automatizuotos PCB surinkimo proceso širdis yra SMT komponentų montavimo mašina, kuri atlieka visą pagrindinį darbą – tiksliai ir labai greitai montuoja komponentus į reikiamas vietose ant grandinės plokštės. Šios mašinos paima detalias naudodamos vakuumo antgalius, nustato jų tipą naudodamos vizijos sistemas, apie kurias taip dažnai girdime, tada deda jas ant plokštės neįtikėtinai tiksliai – iki mikronų lygio. Jos gali dirbti su beveik bet kokiomis detalėmis – nuo labai mažų 01005 korpusų, kurių matmenys tik 0,4 mm iki 0,2 mm, iki didelių integruotųjų grandynų. Kai kurios aukščiausios klasės modelių gali sumontuoti daugiau nei 80 tūkstančių komponentų kas valandą. Dar labiau pagerina šiuos sistemas jų gebėjimas patikrinti tokius dalykus kaip komponento orientacija, ar poliarizuota detalė teisingai įdėta, bei ar detalė išvis yra vietoje – tiek prieš, tiek po to, kai ji buvo pastatyta. Toks dvigubas tikrinimas padeda išlaikyti aukštą kokybę visoje gamybos partijoje, nereikalaujant nuolatinio žmogaus priežiūros.

Kaip komponentų montavimo mašinos revoliucionizavo komponentų tikslumą

Paimk ir padėk mašinų įvedimas visiškai pakeitė komponentų montavimą ant grandinių plokščių. Kai žmonės tai darė rankiniu būdu, dažniausiai jie galėjo pasiekti tik apie 85–90 procentų tikslumą. Dabar su automatizacija reguliariai pasiekiamas daugiau nei 99,9 % tikslumas. Kodėl toks didelis šuolis? Na, šios mašinos yra aprūpintos išmaniomis vaizdo sistemomis, kurios naudojasi mažais orientacijos taškais, vadinamais fideleliais, kad tinkamai išlygintų plokštes. Jos taip pat naudoja labai aštrius kameras, kad patikrintų, ar detalės tinkamai orientuotos, bei aptiktų problemas, tokias kaip sulankstyti kontaktai ar trūkstamos dalys, dar prieš ką nors pritvirtinant. Skirtumas iš tiesų stulbinantis. Šios mašinos sumažina montavimo klaidas apie 95 % lyginant su tuo, ko galėjo pasiekti žmonės. Šis progresas tapo lemiamu veiksniu, leidžiančiu gaminti mažesnes elektronines priemones. Gamytojai gali masiškai patikimai gaminti mažytes įrangą, neperdaug išlaidaudami perdarymo kaštams, be to, jų gamybos linijos bendrai veikia žymiai greičiau.

Pereiti nuo prototipo prie masinės gamybos naudojant SMT automatizavimą

Iššūkiai, kai pereinama nuo rankinės surinkimo prie didelės apimties gamybos

Perkelti produktą iš prototipo etapo į visapusišką gamybą yra nemažas uždavinys, ypač kai įmonės pereina nuo rankinio surinkimo prie visiškai automatinio proceso. Išlaikyti vienodą kokybę visuose tų vienetų egzemplioriuose tampa tikru galvos skausmu. Tiekimų grandinės valdymas greitai tampa sudėtingu, kai staiga reikia milžiniškų komponentų kiekių. O juk dar belieka laikytis itin siaurų tolerancijų, būtinų šiandienos mažyčiams elektroniniams konstrukcijoms. Daugelis gamintojų tai sužinojo sunkiu būdu. Kai planavimas atliekamas netinkamai, produktai pasiekia klientus po ilgo laiko, pradeda pasitaikyti defektai, o operacinės išlaidos tiesiog auga toliau. Šios problemos ne tik sumažina pelną – jos taip pat apsunkina konkurenciją su varžovais, kurie anksčiau susitvarkė.

Kaip SMT montavimo įrenginys užtikrina sklandų mastelio keitimą

SMT komponentų montavimo mašinos iš tiesų efektyviai sprendžia mastelio problemą, nes nuosekliai montuoja komponentus labai tiksliai ir dideliu greičiu, nepriklausomai nuo to, kiek reikia pagaminti. Šios mašinos gali sumontuoti daugiau nei 80 tūkstančių detalių kiekvieną valandą, išlaikydamos tikslumą iki mikronų lygio visose gamybos serijose. Tai reiškia, kad beveik visiškai išeliminuojama žmogaus klaida, palyginti su rankiniu surinkimu. Protingi maitinimo įrenginiai kartu su aukščiausios kokybės vaizdo sistemomis leidžia labai greitai perjungti nuo vienos produkto rūšies prie kitos, todėl gamyklos nepraranda brangaus laiko keičiant gamybos partijas. Kai šios sistemos integruojamos į visą gamybos liniją, jos sukuria sklandžiai veikiantį procesą, kuris tęsiasi net didėjant paklausai. Gamytojai gali greitai padidinti gamybos apimtis, nesumažindami kokybės standartų ar nedarbuodami papildomų darbuotojų gamykloje.

Atvejo tyrimas: Laiko iki rinkos sumažinimas naudojant automatizuotas montavimo sistemas

Viena elektronikos įmonė pastebėjo didžiulį pagerėjimą, kai atsisakė senamadiško rankinio prototipavimo ir perėjo prie automatizuotos paviršiaus montavimo technologijos. Surinkimo laikas sumažėjo beveik trečdaliu, o pirmojo bandymo išeiga išaugo nuo maždaug 82 procentų iki įspūdingų 99,2 procentų. Naujoji automatizuota sistema tvarko viską – nuo mažyčių 01005 mikroschemų iki sudėtingų rutulinės gardelės masyvų, pašalinant dešimtis nuobodžių rankinių operacijų. Tai, kas anksčiau užtrukdavo 12 visų savaičių, dabar atliekama per keturias. Ir tai tinka ne tik mažoms partijoms – tas pats supaprastintas procesas puikiai veikia ir didelės apimties gamybai, lengvai aprūpindamas daugiau nei 50 tūkstančių vienetų serijas. Šis realaus pasaulio pavyzdys būtent ir parodo, kodėl šiuo metu tiek daug gamintojų verčiasi į automatizaciją – ji tiesiog leidžia gaminti greičiau, stabiliau ir galiausiai žymiai ekonomiškiau, didinant gamybą siekiant patenkinti paklausą.

Tikslumas, greitis ir kokybė: svarbiausi SMT komponentų montavimo automato privalumai

Pasiekiamas tiksliumas iki mikronų lygio mažiems komponentams montuoti

Šių dienų paviršiaus montavimo technologijos paimk-ir-pastatyk mašinos gali pasiekti nepaprastai didelį tikslumą mikronų lygyje. Šios mašinos tvarko mažyčius komponentus, tokius kaip 01005 korpusas, kurio matmenys vos 0,4 iki 0,2 milimetrų, su montavimo nuokrypiu, siekiančiu netgi ±25 mikronus. Kai elektroniniai komponentai tampa vis mažesni, o spausdintinės plokštės talpina vis daugiau komponentų kiekviename kvadratiniame coliuje, toks tikslumas tampa būtinas. Mašinos remiasi aukštos raiškos vaizdo sistemomis, kurias palaiko protinga programinė įranga, kontroliuojanti kiekvieno komponento padėtį, orientaciją ir išvestis jį montuojant. Jei kas nors atrodo netinkama, sistema automatiškai atlieka korekcijas nesustodama gamyba. Šis realaus laiko patikrinimas veikia ypač gerai sudėtingiems korpusams, tokiems kaip mikro rutulių gardelės išdėstymas (micro ball grid arrays) ir keturkampiai plokštieji be išvesties komponentai (quad flat no leads). Gamytojai mato apčiuopiamus šios technologijos pranašumus, įskaitant geresnį pirmojo bandymo rodiklį surinkimo metu ir žymiai sumažėjusį poreikį perdirbti defektines plokštes vėlesniame etape.

Didelio greičio našumas: Įrenginiai, sumontuojantys daugiau nei 80 000 komponentų per valandą

Geriausi paviršiaus montavimo technologijos (SMT) komponentų montavimo įrenginiai gali apdoroti daugiau nei 80 tūkstančių komponentų kas valandą dėka kelių antgalių, protingų judėjimo valdymo sistemų ir išradingų maitinimo įtaisų konstrukcijų, kurios sumažina laukimo laiką tarp operacijų. Kompanijoms, gaminančioms produktus dideliais kiekiais, tokie greičio patobulinimai yra itin svarbūs, nes atrodytų, kad tik nedidelis efektyvumo padidėjimas iš tiesų reiškia šimtus ar net tūkstančius papildomų gamintų elektroninių plokščių kiekvieną savaitę. Palyginus šiuos įrenginius su tradiciniais rankinio montavimo metodais, jokios konkurencijos visiškai nėra. Automatizuotos sistemos paprastai veikia apie 20–30 kartų greičiau nei žmonės, be to, ilgų gamybos ciklų metu išlaiko nuoseklų kokybės lygį. Tai reiškia, kad gamyklos gali pasiekti siaurus klientų nustatytus terminus, nesijaudindamos dėl kokybės problemų, kurios gali atsirasti, kai gamyba vyksta iš eilės kasdien.

Defektų mažinimas ir išeigos didinimas masinės gamybos aplinkose

Automatinių SMT komponentų montavimo įrenginių diegimas sumažina defektus didelės apimties gamybos ciklu metu. Pramonės duomenys rodo, kad šie sistemos gali sumažinti montavimo klaidas apie 60 procentų, lyginant su senesniais pusiau automatizuotais metodais. Kodėl jie tokie veiksmingi? Na, jie yra aprūpinti integruotomis automatinėmis optinėmis apžiūros sistemomis, nuolatinio grįžtamojo ryšio mechanizmais ir visą laiką eksplotacijos metu išlaiko tvirtą mechaninę tikslumą. Visa tai praktiškai pašalina nenuoseklumus, kurie natūraliai atsiranda dirbant su žmogaus darbuotojais. Koks rezultatas? Pirmojo bandymo sėkmingumo rodiklis pakyla nuo įprastų 92–95 procentų iki beveik 99,5 procentų – kartais net dar aukštesnis. Šie patobulinimai reiškia mažiau švaistomų medžiagų, pigesnį taisymo darbą ir greitesnį produkto pateikimą rinkai. Įmonėms, kurios stengiasi išlaikyti pelningumą ir spėti įgyvendinti rinkos reikalavimus, šie pranašumai yra absoliučiai būtini.

Lankstumas ir integracija automatinėse SMT surinkimo linijose

Įvairių komponentų tvarkymas: 01005, QFN, BGA ir ultra maži korpusai

Šiandienos SMT komponentų montavimo mašinos yra nepaprastai lankstios, tvarkydamos įvairių tipų komponentų korpusus. Jos gali dirbti su viskuo – nuo mažyčių 01005 dydžio pasyviųjų komponentų iki sudėtingų QFN ir BGA korpusų. Šios mašinos tvarko detalias, kurių matmenys siekia nuo 0,2 mm iki net 150 mm, todėl gamyklose nereikia atskirų įrenginių skirtingų dydžių komponentams. Tikroji šio sprendimo nauda ta, kad gamintojai gali paleisti visiškai skirtingas produkcijos linijas toje pačioje mašinoje, nekeisdami jokios įrangos. Toks lankstumas supaprastina naujų konstrukcijų greitą testavimą ir leidžia lengvai perjungtis tarp produktų pagal poreikį. Tai sumažina tiek išlaidas dėl naujos įrangos pirkimo, tiek reikalingos gamybinės patalpų erdvės kiekį. Svarbiausia, kad šios mašinos apima beveik visus komponentų tipus, kurie šiuo metu naudojami elektronikos gamyboje.

Intelektualių maitinimo įtaisų ir vaizdo sistemų vaidmuo adaptaciniame montavime

Šiuolaikinėse gamybos aplinkose protingi maitintuvai, sujungti su sudėtinga vaizdo technologija, leidžia gamybos linijoms prisitaikyti pagal poreikį per visą operacijų trukmę. Šie intelektiniai maitintuvai koreguoja detalių padavimo būdus ir valdo maitinimo greitį priklausomai nuo to, kas iš tikrųjų naudojama linijoje šiuo metu, dėl ko sumažėja užkimšimai ir užtikrinamas sklandus procesas. Kamerų sistemą, esančią keliose kampinėse padėtyse, išsamiai apžiūri kiekvieną komponentą prieš surinkimą, tikrindama matmenis, formas ir tikslią padėtį net tuomet, kai susiduriama su neįprastai formuotais daiktais ar mažomis detalėmis, kurios būtų sunkiai tvarkomos rankiniu būdu. Sistema tobulėja atpažįstant komponentus judant į priekį dėka mašininio mokymosi metodų, kurie pagerina atpažinimo gebėjimus. Laikui bėgant tai lemia žymiai mažesnes klaidas dėl neteisingo detalių išdėstymo, o klaidų dažnis žymiai sumažėja lyginant su tuo, ko paprastai pasiekia žmogaus darbuotojai be tokios pagalbos.

Integracija su aukštupio (spausdinimo) ir žemupio (AOI, reflow) procesais

Kai paviršiaus montavimo technologijos (SMT) komponentų montavimo mašinos tampa viso surinkimo proceso dalimi, gamintojai pradeda pastebėti tikrą našumo gerėjimą. Šios mašinos darbo metu gauna informaciją iš lydymo masės spausdinimo įrenginių, todėl komponentai patenka tiksliai ten, kur reikia ant plokštės, dėl ko elektros jungtys tampa žymiai patikimesnės. Toliau gamybos linijoje šios mašinos bendrauja su automatinėmis optinėmis apžiūros sistemomis ir kaitinimo krosnelėmis, užtikrindamos nuolatinę kokybės kontrolę viso gamybos proceso metu. Sistema veikia gan protingai – jei AOI aptinka bet kokius komponentų neteisingo išdėstymo aspektus, mašina automatiškai pati save sureguliuoja, kol problemos nespėja plisti per visą partiją. Įmonės, kurios jau įgyvendino tokį integravimą, paprastai registruoja apie 40 % sumažėjusį broko kiekį ir apie 30 % geresnį bendrą įrangos našumą. Tai rodo, kaip svarbu, kad šiandienos elektronikos įrenginių gamyboje skirtingos gamybos proceso dalys be trukdžių veiktų kartu.

ATEITIES TENDENCIJOS IR PRAKAIKOS ĮTAKA SMT MONTAVIMO TECHNOLOGIJOJE

Dirbtinio intelekto optimizavimas ir prognozuojamoji techninė priežiūra naujos kartos mašinose

Naujausios kartos SMT komponentų montavimo įrenginiai dabar naudoja dirbtinį intelektą, kuris padeda rasti geresnius būdus komponentams montuoti ir net nustatyti, kada gali sugesti detalės. Šie protingi sistemos analizuoja ankstesnius našumo duomenis ir gali aptikti problemas dar iki jų iškylančios, dėl ko netikėtos sustojimo trukmės sutrumpėja apie 30 procentų, kaip teigia pramonės ataskaitos. Tai, kas tikrai išskiria šiuos įrenginius – jų gebėjimas dinamiškai keisti nustatymus, pavyzdžiui, keisti, kiek stipriai siurbiamosios antgaliai laiko komponentus, ar tiksliai derinti, kur komponentai patenka ant plokštės. Tai užtikrina sklandų veikimą net tada, kai gamybos sąlygos per dieną keičiasi. Ilgalaikis poveikis? Mažiau švaistomų medžiagų ir lėtesnis įrangos susidėvėjimas reiškia, kad gamyklos savininkai ilgiau naudoja savo įrangą, o bendrosios išlaidos dėl pakeitimų ir remonto mažėja.

Miniatiūrizacija ir „Industry 4.0“: formuojantys protingų gamyklų ateitį

Kai komponentai toliau mažėja iki tokio dydžio kaip sub-01005 korpusai, SMT įrangai reikia tapti žymiai tiksliau, kad spėtų įtempti gamybos reikalavimus. Tuo pat metu Industrija 4.0 keičia tai, kaip visiškai veikia komponentų montavimo įrenginiai. Šie įrenginiai jau nebe tik deda dalis – jie virsta protingais centrais, kurie nuolat bendrauja su kitomis gamyklos sistemomis. Tikro laiko ryšys tarp skirtingų etapų leidžia gamintojams dinamiškai koreguoti nustatymus, sekti produktus per visą procesą ir, jei reikia, atlikti nuotolinę kontrolę. Toks tinklalaidinis požiūris iš esmės padaro gamybą žymiai lankstesnę. Gamyklos gali greitai prisitaikyti, kai dizaineriai keičia brėžinius arba kai staiga pasikeičia klientų užsakymai, viską darant taip, kad surinkimo linija toliau veiktų sklandžiai, be didelių pertraukų.

Pasaulinė augimo perspektyva: naujovių kūrėjai SMT srityje

Numatoma, kad pasaulinės paviršiaus montavimo technologijos įrangos rinkos žymiai išaugs, kasmet augdama apie 5,8 % iki 2033 metų. Šis augimas daugiausia lemiamas didėjančių poreikių vartotojų prietaisų ir automobilių gamybos sektoriuose. Remiantis regionine analize, Rytų Azijos ir Ramiojo vandenyno regionas išlieka dominuojantis rinkos požiūriu, užtikrindamas maždaug 35 % visų pasaulinių pardavimų. Tuo pat metu matome naujoviškas idėjas ne tik iš žinomų kompanijų, bet ir iš mažesnių dalyvių, prisijungiančių prie šios srities. Dėl technologinių patobulinimų pažangios įrangos kaina tampa prieinamesnė, todėl net vidutinės apimties gamyklos dabar gali naudotis aukščiausios kokybės SMT sistemomis. Toks prieinamumas keičia visų pramonės šakų veikimą, greitina gamybos ciklus ir leidžia greičiau platinti naujus elektronikos produktus visame pasaulyje.

Dažnai užduodami klausimai

Kas yra SMT ir kodėl tai svarbu gaminant elektroniką?

Paviršiaus montavimo technologija (SMT) leidžia komponentus montuoti tiesiogiai ant spausdintinių grandinių plokščių (PCB) paviršiaus, todėl ji yra būtina inovacija kompaktiškoms ir efektyvioms elektroninėms konstrukcijoms.

Kaip SMT komponentų montavimo įrenginiai padidina tikslumą montuojant komponentus?

Šie įrenginiai naudoja pažangias vaizdo sistemas ir tikslią iki mikrono lygio montavimo vietą, kad pasiektų daugiau nei 99,9 % tikslumą, dėl ko klaidos sumažėja žymiai lyginant su rankiniu montavimu.

Kokios yra šiuolaikinių SMT komponentų montavimo įrenginių greičio galimybės?

Aukščiausios klasės SMT komponentų montavimo įrenginiai gali sumontuoti daugiau nei 80 000 komponentų per valandą, todėl jie yra nepaprastai efektyvūs didelės apimties gamybai.

Kaip automatizavimas SMT surinkime sumažina defektus?

Automatizavimas apima integruotas apžiūros sistemas ir nuolatines atsirkaitos mechanizmus, kurie išlaiko aukštą tikslumą ir sumažina defektus maždaug 60 % lyginant su senesniais metodais.

Kokių būsimų pokyčių galime tikėtis SMT technologijoje?

Būsimos SMT sistemos, greičiausiai, naudos dirbtinį intelektą optimizavimui ir numatomojo techninio aptarnavimo užtikrinimui bei prisitaikys prie miniatiūrizacijos reikalavimų ir „Industry 4.0“ integracijos protingesnėms gamykloms