Pogoste težave pri SMT postopkih dvigovanja in postavljanja (in kako jih odpraviti)

Smt pick and place machine : Diagnoza in odprava težav z natančnostjo postavitve komponent

Natančnost postavljanja komponent ostaja eden najpomembnejših dejavnikov pri ocenjevanju naprav za postavljanje komponent (pick and place) v tehnologiji površinskega montaže (SMT). Že majhna odstopanja okoli 50 mikronov lahko privedejo do resnih težav pri zapletenih konstrukcijah tiskanih vezij. Ko pogledamo, kaj se dogaja narobe, vizualni sistemi običajno zaznajo tri glavne težave. Prva je kotna nagnjenost, pri kateri se komponente zavrtijo za približno plus ali minus 3 stopinje, ker jih šopi ne držijo ustrezno. Nato opazimo premike v X/Y položaju večje od 25 mikronov, ki se pojavljajo predvsem takrat, ko se pozicijski sistem naprave začne odmikati. In nazadnje variacije tlaka na osi Z pogosto povzročijo zoprne napake tipa »tombstone«, ki so še posebej opazne pri majhnih komponentah velikosti 0402. Če pogledamo globlje razloge za nastanek teh težav, obrabljeni šopi povzročijo skoraj 4 od vsakih 10 primerov. Neustrezni mehanizmi dovajanja prispevajo skoraj 30 %, medtem ko vibracije, močnejše od 2,5 G, ki kršijo smernice IPC-9850, sestavljajo preostanek težavnih točk.

Ugotavljanje vzrokov napak pri postavljanju in nagnjenosti komponent

Napake pri postavljanju komponent so ponavadi posledica težav s stroji in načinom obratovanja. Šopi se običajno obrabijo ali deformirajo, kar verjetno pojasnjuje okoli 40 % vseh težav z natančnostjo, ki jih opazimo na proizvodni liniji. Ti obrabljeni šopi resnično motijo stabilnost oprijema pri delovanju s hitrimi hitrostmi. Napake pri kalibraciji se postopoma kopičijo tudi zato, ker se stroji ne morejo za vedno ohraniti popolnoma nastavljeni. Spremembe temperature in redni mehanski napori povzročajo majhne odmike v položaju, ki se s časom kopičijo. Nato imamo še mehanizme dovajalnikov. Ko zobniki začnejo pokazovati poškodbe ali ko vzmeti izgubijo napetost, se komponente preprosto ne poravnajo pravilno že preden so postavljene. In ne smemo pozabiti niti na vibracije. Preveč tresenja po celotnem sistemu vse te manjše težave le še poslabša, kar vodi do tega, da komponente končajo izven tirnice ali popolnoma narobe postavljene na ploščo.

Kalibracijske tehnike za optimalno natančnost SMT postopkov pick and place

Pravilna kalibracija strojev ostaja ključnega pomena za maksimalno izkoriščanje njihovih zmogljivosti s časom. Ko govorimo o laserski kalibraciji višin šob, dejansko govorimo o ohranjanju konstantnega tlaka vzdolž Z osi. To je zelo pomembno pri delu s kovinskimi deli, saj sicer lahko majhne komponente med sestavo prevrni (pojav 'tombstoning'). Pri vizualnih sistemih kalibracija vključuje standardne fiducial markerje, ki pomagajo odpraviti težave s pozicioniranjem v obeh smereh X in Y, običajno z natančnostjo okoli 10 mikronov. Resnična prednost nastane z dinamičnim nadomestitvenim programjem, ki upošteva raztezanje in krčenje materialov ob spreminjanju temperatur med dolgimi proizvodnimi cikli. Te avtomatske preveritve kalibracije, ki se izvajajo med serijami, ne le zmanjšujejo napak, ki jih povzročijo operaterji, temveč zagotavljajo tudi trajno natančnost dan za dnem, ne da bi znatno upočasnile celoten proizvodni proces.

Vzdrževalni protokoli za ohranjanje dolgoročne natančnosti postavitve

Ohranjanje natančnosti s časom pomeni redno vzdrževanje, ki zajema tako preprečevanje napak kot tudi odpravljanje težav, ko se pojavijo. Večina proizvajalcev priporoča pregled šob in njihovo zamenjavo približno vsakih 50 tisoč namestitev pri natančnem delu, čeprav se to lahko razlikuje glede na dejanske pogoje uporabe. Mesečni pregledi morajo vključevati preverjanje napetosti traku, pravilno poravnavo vodil in preverjanje, kako dozirniki zajemajo komponente, da se prepreči, da majhne težave postanejo večje. Pomembna je tudi okoljska stabilnost. Poskušajte ohranjati temperaturo znotraj približno 2 stopinj Celzija in vlažnost med 40 do 60 odstotki relativne vlažnosti. To pomaga izogniti se nadležnim zamikom kalibracije, ki se počasi pojavljajo s časom. In ne pozabite zabeležiti vsega, kar se naredi med temi vzdrževalnimi sejami. Ustrezen dokumentacijski zapis omogoča tehnikom, da prepoznajo vzorce obrabe dovolj zgodaj, da dele zamenjajo, preden dejansko odpovejo, s čimer prihranijo stroške nedelovanja in popravil v prihodnosti.

Premagovanje težav z razpoznavanjem fiducial in vizualnimi sistemi

Osnovni vzroki natančnega zaznavanja fiducial v SMT operacijah

Večina težav s prepoznavanjem fiducial se pripiše trem glavnim vzrokom: neenakomernosti osvetlitve, odmikom kalibracije kamere ter razlikam med tiskanimi vezji. Staro ali utripajoče svetlobo ustvarja sence in bleščanje, ki preprosto 'izbrišejo' te majhne referenčne oznake. Vsi smo to že videli – kamere počasi izgubijo popolno poravnavo skozi mesece obratovanja, kar naredi nekoč zanesljive označevalnike težje opazne. Nato pa so še same plošče: ukrivljene površine, lepljene maskirne sloje, ki so na nekaterih mestih preveč debeli, na drugih pretenki, ter nabiranje prahu in ostankov, ki preprečuje pravo identifikacijo. Glede na najnovejše podatke iz industrije iz Poročila o sestavnih tehnologijah za leto 2024 te vizualne težave predstavljajo približno tretjino vseh napak pri nameščanju SMT komponent na proizvodnih linijah danes.

Optimizacija osvetlitve in kamer sistemov za zanesljivo prepoznavanje

Primerna osvetlitev naredi vso razliko, ko gre za zmanjševanje nadležnih senc in odsevov ter hkrati enakomerno osvetlitev celotnega delovnega prostora. Večina uspešnih nastavitev uporablja več uravnavljivih luči, da se lahko spopade z različnimi materiali in deli na različnih višinah brez težav. Redni pregledi kamer so prav tako bistveni, še posebej pri delu s certificiranimi kalibracijskimi cilji. Nastavitve fokusa, ravni izpostavljenosti in odpravljanje kakršnih koli izkrivljanj morajo biti del rednega vzdrževanja. Nekatera podjetja so avtomatizacijo pripeljala še dlje tako, da so te kalibracijske postopke vgradila neposredno v svoje urnike za vzdrževanje. Najbolj učinkovita obrata dosegeta okoli 99,8 % stopnjo prepoznavanja s kombinacijo obročastih luči in koaksialnih osvetlitvenih sistemov za sijajne površine. Ti najboljši izvajalci ponavadi načrtujejo novo rundo rekalicije po približno 200 urah proizvodnje, da ohranijo gladko delovanje.

Reševanje težav z ukrivljanjem plošče in odsevnostjo površine

Ko se tiskana vezja izkrivijo, povzročijo različne težave s fokusnimi ravninami, kar vodi do delnega zamegljevanja in otežuje pravilno branje vizualnih sistemov. Za odpravo tega problema mnoge nastavitve sedaj uporabljajo večravninske tehnike fokusiranja skupaj s postopki preslikave višin, ki samodejno prilagajajo fokus prek izkrivljenih območij ter ponovno vzpostavijo bistveno jasnost. Borba s sijajnimi površinami predstavlja popolnoma drugačen izziv. Ključ je v uporabi polariziranih filtrov skupaj z osvetlitvijo pod nižjimi koti, da se zmanjša moteči blešč in hkrati izboljša kontrast slike. Nekateri napredni 3D vizualni sistemi še naprej napredujejo tako, da zajemajo podrobne topografske informacije, kar jim omogoča ločevanje resničnih označevalcev od le odbojev na površini. Po nedavnih testih, objavljenih lansko leto, so ti pristopi povečali zanesljivost prepoznavanja za okoli 45 % pri delu s težkimi materiali.

Odpravljanje napak pri dvigu in spustu komponent

Motnje pri sesalni šobi: zamašitev, obraba in deformacija

Ko pride do napak pri dvigu komponent, težave s sesalnimi šobami običajno spadajo med najpogostejše vzroke. Glavni krivci? Zamašitve, povzročene s starim lepkom za lot, nabranim prahom ali lepljivimi ostanki lepila, ki se nenehno kopičijo znotraj šobe. Te zamašitve motijo sesalno moč. Ne smemo pa pozabiti niti na obrabo. Ko šobe starejše, se začnejo rahlo deformirati, kar povzroča uhajanje vakuuma in težave pri ustvarjanju tesnega zapora na komponentah med sestavljanjem. Redni pregledi razpok ali drugih vidnih poškodb so nujni. Enako pomembno je preverjanje moči sesanja s primernim merilnim orodjem. Čiščenje je treba izvajati redno, z uporabo topil, ki so posebej zasnovana za ta namen. Če pogledamo podatke iz industrije, približno 45 % vseh frustrirajočih napak pri dvigu in postavljanju na avtomatiziranih proizvodnih linijah dejansko izhaja iz težav s samimi šobami.

Nezadosten vakuumski tlak in njegov vpliv na dvig komponent

Ko vakuumski tlak pade pod zahtevane ravni, komponente preprosto ne bodo pravilno držale, kar povzroči različne težave, kot so zamujeni prijem ali odpadajoči deli med premikom po proizvodni liniji. Najpogosteje najdemo težave z zračnimi puščavami v ceveh, umazanimi filtri, ki jih je treba očistiti, ali črpalkami, ki so se sčasoma preprosto obrabile. Vedno preverite, ali sistem dosega specifikacijske vrednosti proizvajalca, običajno okoli 50 do 70 kilopascalov za redne komponente, in to storite s primernimi merilnimi orodji, ne zgolj ugibanjem. Poročila iz tovarn kažejo, da redno vzdrževanje vakuumskih sistemov zmanjša napake pri prijemih za približno polovico, kar bistveno izboljša splošne stopnje produktivnosti, ko vse teče gladko brez stalnih ustav zaradi padlih delov.

Težave, povezane s podajalniki: poškodbe zobnikov, utrujenost vzmeti in tuji delci

Način, kako se dele vnaša v stroje, je zelo pomemben za ohranjanje stalne proizvodnje. Ko zobniki začnejo pokazovati znake obrabe zaradi dolgotrajne uporabe ali niso pravilno poravnani, pride do motenj v sinhronizaciji in dele ne napredujejo takrat, ko bi morali. Poševni počasno izgubijo trdnost, saj so bili izpostavljeni številnim ciklom, kar pomeni, da dele ostanejo v nenavadnih položajih namesto tam, kjer bi morali biti. V sistem tudi pogosto pride do zagozditve – koščki lepilne traku, majhni razbiti deli ali celo nabiranje prahu lahko blokirajo pot in motijo pravilno zajemanje delov. Ekipa za vzdrževanje mora redno čistiti te tire, preverjati zobnike glede morebitnih težav ter menjavati počasnje, preden popolnoma odpovejo. Ti preprosti koraki zagotavljajo natančnost procesa vnašanja in povečujejo vrednost skupne učinkovitosti opreme (OEE), ki jo proizvajalci tako cenijo.

Preprečevanje napak pri lotu z izboljšanim SMT postopkom postavljanja

Kako nepreciznosti pri postavljanju povzročajo tombstoning in mostičenje lota

Natančnost postavitve komponent ima velik vpliv na kakovost spajkanja spojev. Študije kažejo, da se okoli 38 % zoprnih napak tipa »nadmorska plošča« pojavi, kadar napake pri postavitvi presegajo plus ali minus 0,1 mm. Ko komponente niso popolnoma poravnane, se letev za spajkanje neenakomerno razporedi po plošči. To povzroči različne sile močenja, ki med segrevanjem dejansko potegnejo eno stran komponente navzgor. Če se komponente premaknejo v stran proti sosednjim kontaktom, je veliko večja verjetnost nastanka nezaželenih mostičkov iz spajke, ko se vse stopi med reflow postopkom. Sreča pa današnja napredna oprema pomaga pri boju proti tem težavam z laserskimi sistemi za popravljanje, ki omogočajo postavitev komponent z natančnostjo okoli 25 mikronov. Te izboljšave so nedvomno zmanjšale napake na proizvodni liniji, čeprav za pridobitev vseh koristi še vedno zahtevajo pravilno nastavitev in vzdrževanje strojev.

Optimizacija parametrov postavitve za zmanjšanje napak pri spajanju

Pravilno ravnotežje med hitrostjo in natančnostjo pomaga zmanjšati nevšečne napake pri lotenju. Pri delu z šobami je na splošno priporočljivo omejiti hitrost njihovega spuščanja na manj kot 20 mm/s, da se preveč ne odskakujejo. Pritisk postavitve naj ostane med 1,0 in 2,5 N, da se zagotovi, da ne potisnemo leme pod paste iz položaja. Na proizvodnih linijah sinhronizacija tiskalnikov s stencili in postavljalnih strojev prek neke vrste sledilnega sistema omogoča gladko tečenje procesa brez zatikanja v dolgih ciklih. Če komponente po tiskanju počakajo predolgo, običajno več kot uro, se verjetnost problemov z grobnimi kamni poveča za približno 40 %. Pri manjših komponentah pa se je najbolje držati pokritosti približno polovice ploščice, saj to najbolje uravnava težavne moči navlaževanja in zmanjšuje verjetnost nastanka grobnih kamenov.

Primer primera: Zmanjšanje pojave grobnih kamenov za 68 % s prilagoditvijo strojev

Glede na nedavno opravljeno študijo je sistematična prilagoditev strojev zmanjšala težave s tombstoningom za približno 68 %, zlasti pri majhnih paketih komponent 01005 in 0201. Kaj je delovalo? Natančno so prilagodili vizualne sisteme, da lahko zaznajo označbe poravnave z natančnostjo ±15 mikrometrov, nastavili tlak šobe na natanko 1,2 newtona ter dodali funkcijo prilagajanja temperature v realnem času. Ekipa je poleg tega podaljšala čas bivanja komponent v predogrevalni coni na približno 90 sekund in med namakanjem ohranila temperature med 150 in 170 stopinj Celzija, kar je omogočilo enakomerno taljenje pred dejanskim lotenjem. Te spremembe so poleg odpravljanja nadležnih problemov s tombstoningom presenetljivo zmanjšale tudi pojavljanje mostičkov iz solda in jih zmanjšale skoraj za polovico med isto serijo proizvodnje.

Zagotavljanje celovitosti komponent in preprečevanje poškodb materiala

Pogoste vzroke poškodb komponent med postopkom dvigovanja in postavljanja

Ko komponente pridejo do poškodb med operacijami površinskega montaže, to resnično vpliva tako na izkoristek proizvodnje kot na zanesljivost izdelkov v času. Glavni krivci za ta problem so stvari, kot je prevelik pritisk šob, neustrezno rokovanje sestavnih delov in napačna orientacija pri postavljanju. Te močne šobe pogosto razpoke občutljive ohišja komponent ali poškodujejo njihove priključne točke. In naj bo jasno, neustrezno rokovanje ustvarja resne tveganje elektrostatičnega praznjenja, ki lahko neposredno na proizvodni liniji uniči občutljive polprevodniške čipe. Nato je tu še problem namestitve komponent pod nenavadnimi koti, kar povzroča mehansko napetost na vseh elementih. Ta napetost lahko sčasoma povzroči lom notranjih povezav ali celo popolnoma pokvari strukturo ohišja.

Rokovanje v skladu z zaščito pred ESD in optimizirane nastavitve tlaka šob

Zaščita občutljivih komponent pred škodo zaradi elektrostatičnega praženja resnično zadeva upoštevanje nekaj osnovnih varnostnih ukrepov. Ozemljene delovne postaje morajo biti standardna oprema, skupaj s prevodnimi podložkami, razprostrtimi po delovnih površinah, ter ustrezno antistatično embalažo za shranjevanje in prevoz. Ko gre za nastavitev šopičev, je dejansko vključenih kar nekaj odtenkov. Lažje komponente potrebujejo zagotovo manj vakuumsko moči, sicer jih podtlak stisne. Težji deli imajo drugačno zgodbo – potrebujejo dovolj moči, da jih varno prijemajo brez drsenja med rokovanjem. Osebje za vzdrževanje naj vsaj enkrat mesečno preveri tlak senzorjev, da se prepriča, da ostajajo merjenja natančna. In ne pozabite čez čas temeljito pregledati tudi same šopiče. Že majhni znaki obrabe ali poškodb lahko popolnoma pokvarijo celoten proces in povzročijo vso vrsto težav v nadaljnjem postopku.

Preprečevanje škode zaradi napačne višine dviganja ali postavljanja

Napačna višina dviganja ali postavitve ostaja eden najpomembnejših vzrokov poškodb materiala v proizvodnih linijah. Ko so višine dviganja nastavljene prenizko, šobe posledično pritisnejo komponente neposredno v napajalnike ali trakove, kar lahko ukrivi občutljive dele. Če pa so višine nastavljene previsoko, pride do neuspešnih dvigov, zaradi česar morajo stroji poskušati znova in znova, kar sčasoma povzroči dodatno obrabo občutljivih komponent. Pri operacijah postavljanja je zelo pomembno najti pravo ravnovesje – komponente se morajo nežno, a dovolj trdno dotakniti površine lepila, da se pravilno prilepijo, ne da bi se zakleščile v tiskano vezje. Sodobna oprema pogosto prihaja z laserskimi sistemi za zaznavanje višine ter samodejnimi kalibracijskimi funkcijami. Te tehnologije omogočajo ohranjanje doslednih nastavitev tudi ob delu z različnimi velikostmi in oblikami komponent, kar postaja vse pomembnejše, saj se proizvodne tolerance v industriji vedno bolj zožujejo.

Pogosta vprašanja

Kateri so glavni vzroki napak pri postavljanju komponent?

Napake pri postavljanju komponent pogosto nastanejo zaradi obrabljenih šob, neustreznih mehanizmov za vajkanje in prekomernih vibracij sistema.

Kako lahko kalibracija stroja izboljša natančnost SMT postopka dvigovanja in postavljanja?

Pravilna kalibracija zagotavlja dosleden pritisk na osi Z, odpravi težave s pozicioniranjem z fiducialnimi označevalniki ter uporablja programske opreme za dinamično kompenzacijo sprememb temperature.

Kakšno vlogo igra osvetlitev pri prepoznavanju fiducialnih točk?

Primerna osvetlitev pomaga zmanjšati sence in bleščanje ter zagotovi jasno vidnost fiducialnih označevalnikov za natančno postavljanje komponent.

Kako se lahko zmanjšajo napake pri lotu v SMT procesih?

Optimizacija hitrosti postavljanja, pritiska, sinhronizacije med tiskalnimi predložniki in postavljalnimi stroji ter ohranjanje ustrezne pokritosti ploščic zmanjša napake pri lotu.

Zakaj je ESD-varno rokovanje pomembno za integriteto komponent?

ESD-varno rokovanje ščiti občutljive komponente pred elektrostatičnim razelektritvijo, preprečuje poškodbe in zagotavlja zanesljivost izdelka.