Bežné problémy v SMT strojoch na umiestňovanie súčiastok (a ako ich odstrániť)

Smt pick and place machine : Diagnostika a riešenie problémov s presnosťou umiestnenia súčiastok

Presnosť umiestnenia komponentov zostáva jedným z najdôležitejších faktorov pri hodnotení strojov pre technológiu povrchovej montáže (SMT). Dokonca aj malé nesúosnosti okolo 50 mikrónov môžu viesť k vážnym problémom v komplexných návrhoch plošných spojov. Keď sa pozrieme na to, čo sa deje zle, vizuálne systémy zvyčajne identifikujú tri hlavné problémy. Prvým je uholové skosenie, pri ktorom sa súčiastky otáčajú o plus alebo mínus 3 stupne, pretože trysky ich nedržia správne. Potom vidíme posuny polohy v osiach X/Y nad 25 mikrónov, ktoré sa vyskytujú hlavne vtedy, keď sa polohovací systém stroja začne posúvať. A nakoniec, kolísanie tlaku v osi Z často vedie k známemu defektu „hrobkový efekt“, ktorý je obzvlášť viditeľný u malých súčiastok veľkosti 0402. Hlbšie preskúmanie príčin týchto problémov ukazuje, že opotrebené trysky spôsobia takmer 4 z každých 10 prípadov. Nesprávne mechanizmy podávania prispejú takmer o 30 %, zatiaľ čo vibrácie silnejšie ako 2,5 G, ktoré porušujú smernice IPC-9850, tvoria zvyšok problematických miest.

Identifikácia príčin chýb pri umiestňovaní a natočenia komponentov

Chyby pri umiestňovaní komponentov zvyčajne súvisia s problémami strojov a spôsobom ich prevádzkovania. Trysky sa často opotrebúvajú alebo deformujú, čo pravdepodobne vysvetľuje približne 40 % všetkých problémov s presnosťou, ktoré pozorujeme na výrobnej ploche. Tieto opotrebené trysky výrazne narušujú stabilitu uchopenia pri behu na vysokých rýchlostiach. Chyby kalibrácie sa tiež postupne hromadia, pretože stroje prostoj jednoducho nepresne nastavené navždy. Zmeny teploty a bežné mechanické namáhanie spôsobujú malé posuny v polohe, ktoré sa postupne kumulujú. Potom tu máme aj mechanizmy podávačov. Keď sa na ozubeniach začnú objavovať poškodenia alebo keď pružiny stratia svoju pevnosť, komponenty sa jednoducho nezarovnajú správne už pred samotným umiestnením. A nemali by sme zabudnúť ani na vibrácie. Príliš veľa chvenia v celom systéme zhoršuje všetky tieto malé problémy, čo vedie k tomu, že komponenty skončia mimo dráhy alebo úplne nesprávne umiestnené na doske.

Kalibračné techniky pre optimálnu presnosť strojov na montáž SMT

Udržiavanie správne kalibrovaných strojov je kľúčom k tomu, aby sa z nich v čase vyžali najlepšie výsledky. Keď ide o laserovú kalibráciu výšky trysiek, hovoríme vlastne o udržiavaní konštantného tlaku pozdĺž osi Z. To je veľmi dôležité pri práci s malými súčiastkami, pretože inak môžu tieto drobné komponenty počas montáže skončiť v polohe známej ako „tombstoning“. Pri vizuálnych systémoch sa kalibrácia zakladá na štandardných referenčných značkách (fiducial markers), ktoré pomáhajú opraviť problémy s polohovaním v oboch smeroch X a Y, zvyčajne s presnosťou okolo 10 mikrónov. Skutočná magia sa odohráva v softvéri dynamickej kompenzácie, ktorý zohľadňuje tepelné rozťahovanie a smršťovanie materiálov počas dlhých výrobných cyklov. Tieto automatické kalibračné kontroly, ktoré prebiehajú medzi jednotlivými dávkami, nielen znížia chyby spôsobené obsluhou, ale tiež zabezpečia stabilnú presnosť deň za dňom, a to bez výrazného spomalenia celého výrobného procesu.

Protokoly údržby na udržanie dlhodobej presnosti umiestnenia

Udržiavanie presnosti v priebehu času vyžaduje pravidelnú údržbu, ktorá zahŕňa prevenciu aj odstraňovanie problémov, keď nastanú. Väčšina výrobcov odporúča kontrolovať trysky a meniť ich približne po každých 50 tisíco položeniach pri presnej práci, hoci to môže závisieť od skutočných podmienok používania. Mesačné kontroly by mali zahŕňať skontrolovanie napätia remenov, overenie správneho zarovnania vodičiek a skontrolovanie, ako sa dávkovače zapájajú s komponentmi, aby sa zabránilo tomu, že malé problémy sa stanú väčšími. Dôležitá je aj stabilita prostredia. Snažte sa udržiavať teplotu v rozmedzí približne 2 stupne Celzia a vlhkosť medzi 40 až 60 percentami relatívnej vlhkosti. To pomáha vyhnúť sa tým otravným posunom kalibrácie, ktoré sa postupne vyskytujú v priebehu času. A nezabudnite zaznamenať všetko, čo sa počas týchto údržbových prací robí. Dobrá dokumentácia umožňuje technikom včas zaznamenať vzory opotrebenia a vymeniť diely ešte predtým, ako skutočne zlyhajú, čím sa ušetrí výpadok a náklady na opravy v budúcnosti.

Prekonávanie problémov s rozpoznávaním fiduciálnych značiek a zlyhaní víziových systémov

Hlavné príčiny nepresného zisťovania fiduciálnych značiek pri SMT operáciách

Väčšina problémov s rozpoznávaním fiduciálnych značiek sa dá pripísať trom hlavným príčinám: nekonzistentné osvetlenie, posunutie kalibrácie kamery a odchýlkam medzi jednotlivými doskami plošných spojov. Staré alebo blikajúce svetlá vytvárajú tieňa a odlesky, ktoré jednoducho preblesknú tieto malé referenčné značky. Všetci to už videli – kamery postupne strácajú svoju dokonalú kalibráciu počas mesiacov prevádzky, čo spôsobuje, že raz spoľahlivé značky je ťažšie nájsť. Potom tu sú samotné dosky – skrútené povrchy, spájkovacie masky nanášané príliš hrubé na niektorých miestach a príliš tenké na iných, ako aj nános prachu a zvyškov, ktoré len zabraňujú správnemu rozpoznaniu. Podľa najnovších údajov z priemyselného výskumu zo Správy o zostavovacej technológii za rok 2024 tieto problémy s víziovými systémami predstavujú približne jednu tretinu všetkých chýb pri umiestňovaní SMT súčiastok na výrobných linkách dnes.

Optimalizácia osvetlenia a kamerových systémov pre spoľahlivé rozpoznávanie

Kvalitné osvetlenie zásadne pomáha pri znížení otravných tieňov a odrazov a zabezpečuje rovnomerné osvetlenie celého pracovného priestoru. Väčšina úspešných usporiadaní využíva niekoľko nastaviteľných svetiel, čo im umožňuje efektívne pracovať s rôznymi materiálmi a súčiastkami vo všelijakých výškach bez problémov. Pravidelné kontroly kamery sú rovnako nevyhnutné, najmä pri práci s certifikovanými kalibračnými cieľmi. Nastavenie zaostrenia, expozície a odstránenie akýchkoľvek skreslení by mali byť súčasťou bežnej údržby. Niektoré závody ešte viac posunuli automatizáciu dopredu tým, že tieto kalibračné postupy priamo začlenili do svojich plánov údržby. Najlepšie výsledky dosahujúce približne 99,8 % úspešnosť rozpoznávania kombinujú kruhové svetlá s koaxiálnymi osvetľovacími systémami pre lesklé povrchy. Najlepšie prevádzky zvyčajne naplánujú ďalšie kalibrovanie po približne 200 hodinách výrobného času, aby všetko bezproblémovo fungovalo.

Riešenie skreslenia dosky a výziev týkajúcich sa odrazivosti povrchu

Keď sa dosky s plošnými spojmi krivia, vznikajú rôzne problémy s ohniskovými rovinami, čo má za následok čiastočné rozmazanie, ktoré znemožňuje videniu systémom správne rozoznať, čo sa deje. Na vyriešenie tohto problému mnohé nastavenia využívajú techniky zamerania na viacerých rovinách v kombinácii s postupmi mapovania výšky, ktoré automaticky upravujú zaostrenie cez tieto skreslené úseky a obnovujú potrebnú jasnosť. Zaostrávanie na lesklé povrchy predstavuje úplne inú výzvu. Kľúčom je tu použitie polarizačných filtrov spolu s osvetlením pod nižšími uhlami, čím sa zníži otravné odlesky a zároveň sa zlepší kontrast obrazu. Niektoré pokročilé 3D systémy videnia idú ešte ďalej zachytávaním detailných topografických informácií, ktoré im umožňujú rozlíšiť skutočné značky od odrazov odrážajúcich sa od povrchu. Podľa nedávnych testov publikovaných minulý rok tieto prístupy zvýšili spoľahlivosť rozpoznávania približne o 45 % pri práci s náročnými materiálmi.

Riešenie problémov s chybným zdvihnutím a uvoľnením komponentov

Poruchy vysávacích trysiek: ucpanie, opotrebenie a deformácia

Keď ide o zlyhania pri zdvíhaní súčiastok, problémy s vysávacími tryskami sa často nachádzajú na samom vrchu zoznamu. Hlavní viníci? Uzatváranie spôsobené starým cínom, nahromadeným prachom alebo lepkavými zvyškami lepidla, ktoré sa neustále hromadia vo vnútri. Tieto uzávery narušujú saciu silu. Nemali by sme však zabúdať ani na opotrebenie. Keď trysky starnú, začnú sa mierne deformovať, čím vznikajú netesnosti vo vákuu a ťažko sa dosiahne tesné uzatvorenie súčiastok počas montáže. Pravidelné kontroly trhlín alebo iného viditeľného poškodenia sú nevyhnutné. Rovnako dôležité je skontrolovať saciu silu pomocou vhodného meracieho prístroja. Čistenie by malo prebiehať pravidelne, s použitím rozpúšťadiel špeciálne určených na tento účel. Podľa odvetvových údajov približne 45 % týchto frustrujúcich chýb pri umiestňovaní súčiastok na automatických výrobných linkách sa v skutočnosti viaže práve na problémy s tryskami.

Nedostatočný tlak vákua a jeho vplyv na zdvihanie súčiastok

Keď sa podtlak zníži pod požadované úrovne, komponenty sa jednoducho nepripoja správne, čo vedie k rôznym problémom, ako sú zmeškané zachytenia alebo spadnutie dielov počas pohybu pozdĺž výrobnej linky. Najčastejšie nachádzame problémy s netesnosťami vzduchu v hadiciach, znečistenými filtromi, ktoré je potrebné vyčistiť, alebo čerpadlami, ktoré sa postupom času jednoducho opotrebovali. Vždy skontrolujte, či systém dosahuje hodnoty špecifikované výrobcom, zvyčajne okolo 50 až 70 kilopascalov pre bežné komponenty, a to pomocou vhodných meracích prístrojov, nie odhadom. Správy z výrobnej haly ukazujú, že riadna údržba vakuumových systémov znižuje výskyt týchto porúch zachytenia približne na polovicu, čo predstavuje obrovský rozdiel v celkovej produktivite, keď všetko bez prerušenia funguje hladko.

Problémy súvisiace s napájaním: poškodenie ozubených kolies, únava pružín a cudzie nečistoty

Spôsob, akým sa súčiastky privádzajú do strojov, má veľký vplyv na stabilitu výroby. Keď ozubené kolesá začnú prejavovať známky opotrebenia kvôli dlhodobej prevádzke alebo nie sú správne zarovnané, celý proces sa rozbehne a súčiastky sa neposúvajú vo správnom čase. Pružiny, ktoré prešli nepočetnými cyklami, postupne strácajú svoju pevnosť, čo spôsobuje, že súčiastky zaberajú nesprávne polohy namiesto tých požadovaných. Do systému sa tiež často dostávajú zablokovania – kúsky lepiacej pásky, malé rozbité časti alebo dokonca nános prachu môžu uzavrieť dráhu a narušiť správne zachytenie súčiastok. Údržbári musia tieto dráhy pravidelne čistiť, kontrolovať ozubené kolesá na príznaky problémov a vymieňať pružiny ešte pred ich úplným zlyhaním. Tieto jednoduché kroky zabezpečia presnosť procesu privádzania súčiastok a zvyšujú hodnotu celkovej efektívnosti vybavenia (OEE), na ktorej výrobcovia tak závisia.

Zamedzenie chýb spájkovania prostredníctvom vylepšeného umiestňovania na SMT

Ako nepresnosti pri umiestňovaní vedú k javu 'hrobkám' a mostíkovaniu spájkovania

Presnosť umiestnenia komponentov má veľký vplyv na to, ako dobre držia spoje olova. Štúdie ukazujú, že približne 38 % tých otravných defektov typu „hrobka“ vzniká, keď chyby pri umiestňovaní presiahnu hodnotu plus alebo mínus 0,1 mm. Keď sú súčiastky zle zarovnané, cínová pasta sa nerovnomerne rozprestiera po doske. To spôsobuje rôzne mokriace sily, ktoré pri ohreve doslova vytiahnu jednu stranu komponentu smerom nahor. Ak sa komponenty posunú bokom smerom k susedným plôškam, výrazne stúpa pravdepodobnosť vzniku nežiaducich cievkových mostíkov počas roztavenia pri reflow procese. Našťastie dnešné pokročilé zariadenia pomáhajú tieto problémy riešiť pomocou laserových korekčných systémov, ktoré dokážu umiestniť komponenty s presnosťou okolo 25 mikrónov. Tieto vylepšenia určite znížili výskyt chýb na výrobnej línii, hoci na dosiahnutie plných výhod je stále potrebné správne nastavenie a údržba strojov.

Optimalizácia parametrov umiestnenia za účelom zníženia chýb pri spájkovaní

Docielenie správnej rovnováhy medzi rýchlosťou a presnosťou pomáha znížiť otravné chyby pri spájkovaní. Pri práci s tryskami je všeobecne rozumné udržiavať rýchlosť ich klesania pod 20 mm/s, aby sa príliš neodrážali. Tlak pri umiestňovaní by mal byť v rozmedzí od 1,0 do 2,5 newtonov, aby sme sa uistili, že neposúvame celtu so spájkovacou pastou z polohy. Pre výrobné linky umožňuje synchronizácia tlačiarň so šablónami a umiestňovacích strojov prostredníctvom nejakej sledovacej sústavy udržať plynulý chod bez zaseknutia sa v dlhých cykloch. Ak súčiastky po vytlačení stojia príliš dlho, zvyčajne viac ako hodinu, začína sa tým zvyšovať pravdepodobnosť problémov s tzv. hrobmi (tombstoning) približne o 40 %. A keď ide o menšie komponenty konkrétne, osvedčilo sa držať sa pokrytia plošiek približne do polovice, čo najlepšie vyvažuje tie náročné sily zmáčania a znižuje pravdepodobnosť vzniku hrobov.

Prípadová štúdia: Zníženie vzniku hrobov (tombstoning) o 68 % optimalizáciou nastavenia strojov

Podľa nedávnej štúdie sa systematickou úpravou strojov podarilo znížiť problémy s „tombstoningom“ približne o 68 %, a to najmä u malých súčiastok typu 01005 a 0201. Čo pomohlo? Jemne doladili víziové systémy tak, aby dokázali rozpoznať značky pre zarovnanie s odchýlkou plus alebo mínus 15 mikrometrov, nastavili tlak trysky presne na 1,2 newtonu a pridali funkciu prevádzkového nastavenia teploty v reálnom čase. Tím tiež predĺžil dobu pobytovej súčiastok v predohrevnej zóne na približne 90 sekúnd a počas nasiakania udržiaval teplotu medzi 150 a 170 stupňami Celzia, čo pomohlo rovnomernému roztaveniu materiálu ešte pred samotným spájkovaním. Okrem odstránenia týchto otravných problémov s „tombstoningom“ tieto zmeny prekvapivo znížili aj výskyt spájkových mostíkov, a to takmer o polovicu počas tej istej výrobnej dávky.

Zabezpečenie integrity súčiastok a prevencia poškodenia materiálu

Bežné príčiny poškodenia súčiastok počas procesu pick and place

Keď sa súčiastky počas operácií povrchovej montáže poškodia, negatívne to ovplyvní výrobné výťažky aj spoľahlivosť výrobkov v priebehu času. Hlavnými príčinami tohto problému sú veci ako nadmerný tlak trysiek, nesprávne zaobchádzanie so súčiastkami a nesprávna orientácia pri ich umiestňovaní. Prílišný tlak z trysiek má tendenciu roztrhnúť krehké obaly súčiastok alebo poškodiť ich koncové body. A priznajme si, že nesprávne zaobchádzanie vytvára vážne riziká elektrostatického výboja, ktoré môžu na mieste spáliť citlivé polovodičové čipy priamo na výrobnej linke. Ďalším problémom je umiestnenie súčiastok pod neprirodzenými uhlami, čo spôsobuje mechanické namáhanie celej konštrukcie. Toto namáhanie môže neskôr skutočne spôsobiť zlomeniny vo vnútorných spojoch alebo dokonca roztrhnúť celé štruktúry obalov.

ESD-bezpečné zaobchádzanie a optimalizované nastavenia tlaku trysiek

Ochrana citlivých súčiastok pred poškodením elektrostatickou výbojovou silou skutočne závisí od dodržiavania niekoľkých základných bezpečnostných postupov. Uzemnené pracovné stanice by mali byť štandardným vybavením, rovnako ako vodivé podložky rozprestreté po pracovných plochách a vhodné antistatické obaly na uskladnenie a prepravu. Pri nastavovaní trysiek je potrebné zohľadniť dosť jemné nuansy. Ľahšie súčiastky určite potrebujú menšiu saciu silu, inak môžu byť prievanom rozdrcené. Ťažšie diely si však vyžadujú dostatočnú silu, aby boli pevne uchopené a nezosunuli sa počas manipulácie. Údržbári by mali raz za mesiac kontrolovať tlakové snímače, aby sa zabezpečila presnosť meraní. A nezabudnite občas dôkladne prezrieť samotné trysky. Už najmenšie známky opotrebenia alebo poškodenia môžu narušiť celý proces a spôsobiť rôzne problémy v neskoršej fáze.

Zamedzenie poškodeniu nesprávnou výškou zdvihnutia alebo umiestnenia

Nesprávne nastavenie výšky zdvihu alebo umiestnenia zostáva jednou z hlavných príčin poškodenia materiálu v výrobných linkách. Ak sú výšky zdvihu nastavené príliš nízko, trysky tlačia komponenty priamo do zásobníkov alebo páskových systémov, čo môže ohnúť krehké diely mimo tvaru. Naopak, ak sú tieto výšky nastavené príliš vysoko, dochádza k neúspešným zdvihom, pri ktorých sa stroje musia opakovane pokúšať znova a znova, čo postupom času spôsobuje nadmerné opotrebenie citlivých komponentov. Pri operáciách umiestňovania je veľmi dôležité nájsť správnu rovnováhu – komponenty musia jemne, ale dostatočne pevne dotknúť povrchu cínového plechu, aby sa správne pripevnili, ale nezasekli sa do dosky plošných spojov (PCB). Moderné zariadenia často disponujú laserovými systémami na meranie výšky a automatickými kalibračnými funkciami. Tieto technológie pomáhajú udržiavať konzistentné nastavenia aj pri práci s rôznymi veľkosťami a tvarmi komponentov, čo je stále dôležitejšie, keď sa výrobné tolerancie v odvetviach neustále zužujú.

Číslo FAQ

Aké sú hlavné príčiny chýb pri umiestňovaní komponentov?

Chyby pri umiestňovaní komponentov často vznikajú opotrebením trysiek, nesprávnym fungovaním podávačov alebo nadmernými vibráciami systému.

Ako môže kalibrácia stroja zlepšiť presnosť SMT pick and place?

Správna kalibrácia zabezpečuje konzistentný tlak na osi Z, odstraňuje problémy s polohou pomocou fiduciálnych značiek a využíva softvér pre dynamickú kompenzáciu zmien spôsobených teplotou.

Akú úlohu hraje osvetlenie pri rozpoznávaní fiduciálnych značiek?

Kvalitné osvetlenie pomáha znížiť tieňa a odlesky, čím zabezpečí jasnú viditeľnosť fiduciálnych značiek pre presné umiestnenie komponentov.

Ako sa dajú znížiť chyby spájkovania v SMT prevádzke?

Optimalizáciou rýchlosti umiestňovania, tlaku, synchronizácie medzi šablónovými tlačárňami a umiestňovacími strojmi a udržiavaním správneho pokrytia pájok sa dajú znížiť chyby spájkovania.

Prečo je ESD-bezpečná manipulácia dôležitá pre integritu komponentov?

ESD-bezpečná manipulácia chráni citlivé komponenty pred elektrostatickým výbojom, čím zabraňuje poškodeniu a zaisťuje spoľahlivosť výrobku.