วิธีเพิ่มประสิทธิภาพการประกอบ PCB ด้วยเครื่อง SMT Pick and Place

วิธีเพิ่มประสิทธิภาพในการประกอบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ด้วย เครื่อง pick and place ระบบ SMT

เทคโนโลยีการติดตั้งแบบผิวหน้า (Surface-mount technology หรือ SMT) ได้เปลี่ยนกระบวนการทำอิเล็กทรอนิกส์ประกอบชิ้นส่วน โดยอนุญาตให้วางชิ้นส่วนลงบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ได้โดยตรง โดยไม่ต้องเจาะรู ซึ่งการเปลี่ยนแปลงจากวิธีการสร้างแบบเดิม (through-hole) นี้ มีข้อดีหลัก 3 ประการ ได้แก่ ขนาดและน้ำหนักที่ลดลง (เพราะสามารถออกแบบอุปกรณ์โดยไม่ต้องใช้โครงเหล็กหนัก และใช้ชิ้นส่วนทางกลน้อยลง) ความน่าเชื่อถือที่เพิ่มขึ้น ความหนาแน่นของวงจรที่สูงขึ้น (ซึ่งช่วยให้มีฟังก์ชันมากขึ้นด้วยจำนวนชิ้นส่วนที่น้อยลง) รวมถึงความสามารถในการผลิตชิ้นงานที่เป็นสามมิติ ซึ่งไม่สามารถทำได้ด้วยวิธีการสร้างแบบดั้งเดิม

เครื่องจักรป้อนและติดตั้งชิ้นส่วน (Pick and place machine) คืออุปกรณ์หลักที่จำเป็นในสายการผลิต SMT ซึ่งทำหน้าที่ติดตั้งชิ้นส่วนลงบนแผงวงจร (PCB) ที่ได้รับการเคลือบด้วยตะกั่วด้วยความแม่นยำสูงผ่านกระบวนการแบบวนซ้ำ หัวจับชิ้นส่วนแบบมีหัวฉีดเฉพาะทางจะทำการหยิบชิ้นส่วนจากม้วนหรือถาด จากนั้นระบบตรวจจับภาพจะตรวจสอบมุมหมุนและความแม่นยำในการติดตั้งที่ ±0.01 มม. ระบบเหล่านี้สามารถจัดการชิ้นส่วนตั้งแต่แบบพาสซีฟขนาดเล็ก 0.4x0.2 มม. ไปจนถึงชิ้นส่วน QFP ขนาดใหญ่ (Quad-flat packages) พร้อมอัตราการผลิตมากกว่า 50,000 ชิ้นต่อชั่วโมง ซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการผลิตอิเล็กทรอนิกส์ขั้นสูงในปัจจุบันที่ให้ผลผลิตสูง

3 ปัจจัยขับเคลื่อนประสิทธิภาพในกระบวนการประกอบแผงวงจร

การผลิตแบบ Surface-mount ในยุคปัจจุบันสามารถบรรลุประสิทธิภาพสูงสุดผ่านเสาหลักทางเทคโนโลยี 3 ประการ ได้แก่

การติดตั้งระบบหัวทำงานหลายหัว (4-8 หัว)

การออกแบบแบบมัลติเฮดแบบโมดูลาร์ช่วยเร่งรอบการติดตั้งโดยการจัดการชิ้นส่วนหลายชิ้นพร้อมกัน สายการผลิตที่ใช้หัวควบคุมอิสระจำนวน 4-8 หัว สามารถดำเนินการติดตั้งได้เร็วขึ้นถึง 70% เมื่อเทียบกับเครื่องหัวเดียว แต่ละหัวหุ่นยนต์สามารถหยิบชิ้นส่วนในขณะเคลื่อนที่แบบชัตเทิลพร้อมกัน ช่วยลดการเดินทางกลับไปยังฟีดเดอร์ซึ่งไม่ก่อให้เกิดผลผลิต ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อแผงวงจรที่ต้องการจุดติดตั้งมากกว่า 5,000 จุด

ความแม่นยำในการจัดแนวด้วยระบบภาพ (±0.01 มม.)

ระบบภาพแบบความละเอียดสูงสามารถตรวจจับความคลาดเคลื่อนของตำแหน่งที่เล็กที่สุดถึงระดับ ±0.01 มม. ผ่านการรู้จำตำแหน่งแบบเรียลไทม์ ระบบเหล่านี้สามารถชดเชยการบิดงอของแผงวงจร (PCB) การขยายตัวจากความร้อน และความคลาดเคลื่อนของฟีดเดอร์ระหว่างการใช้งาน ช่วยลดปัญหาการจัดแนวที่ผิดพลาดหลังกระบวนการรีฟโลว์ลงได้ถึง 40% โดยเฉพาะกับแพ็กเกจไมโคร-BGA และชิ้นส่วนแบบ 01005

กลยุทธ์การปรับปรุงระบบฟีด

การจัดการตัวป้อนอัจฉริยะช่วยลดคอขวดในการจัดการวัสดุผ่านการปรับให้เทปเลื่อนไปพร้อมกันและการติดตามชิ้นส่วนแบบทำนายล่วงหน้า การวางตัวป้อนอย่างมีกลยุทธ์ช่วยลดระยะการเคลื่อนที่ของหัวหุ่นยนต์ ในขณะที่การตรวจจับความกว้างแบบอัตโนมัติช่วยลดเวลาในการเปลี่ยนอุปกรณ์ลงถึง 50%

ผลกระทบของการทำให้เป็นระบบอัตโนมัติต่อตัวชี้วัดการผลิต

การเปรียบเทียบอัตราการผลิต: แบบแมนนวลเทียบกับแบบอัตโนมัติ (25,000 เทียบกับ 50,000 ชิ้นต่อชั่วโมง)

การประกอบแผงวงจรแบบแมนนวลมีข้อจำกัดอยู่ที่ประมาณ 25,000 ชิ้นต่อชั่วโมง (CPH) เนื่องจากข้อจำกัดของมนุษย์ ในขณะที่เครื่อง SMT อัตโนมัติสามารถผลิตได้มากกว่า 50,000 ชิ้นต่อชั่วโมง การเพิ่มประสิทธิภาพ 50% นี้ช่วยลดรอบการผลิตและเพิ่มประสิทธิภาพพื้นที่โรงงานโดยไม่เพิ่มค่าแรงงาน

การลดอัตราความบกพร่องด้วยระบบตรวจสอบภาพอัจฉริยะ

ระบบตรวจสอบแบบผสานรวมสามารถตรวจจับความผิดปกติในระดับไมโคร เช่น การเกิด tombstoning และ solder bridging ได้ในความเร็วสายการผลิต การแจ้งเตือนความผิดปกติแบบเรียลไทม์ช่วยป้องกันการแก้ไขปัญหาในขั้นตอนถัดไป โดยการวิเคราะห์อุตสาหกรรมแสดงให้เห็นว่าการตรวจสอบแบบอัตโนมัติช่วยลดต้นทุนการดำเนินงานได้มากถึง 90% เมื่อเทียบกับการตรวจสอบด้วยวิธีการแบบเดิม

คุณสมบัติเครื่องจักรขั้นสูงเพื่อเพิ่มผลผลิต

การควบคุมแกน Z แบบไดนามิกสำหรับชิ้นส่วนขนาดเล็ก

ตัวขับแบบพีซอิเล็กทริก (Piezoelectric) ปรับความสูงของหัวจ่ายในระหว่างการติดตั้งสำหรับชิ้นส่วนที่มีขนาดต่ำกว่า 0.4 มม. แก้ปัญหาเรื่องการสะสมของความคลาดเคลื่อน การปรับเทียบแรงแบบปรับตัว (ช่วง 2–30 กรัม) ช่วยป้องกันปัญหาการเกิดชิ้นส่วนตั้งไข่ (tombstoning) โดยการรับประกันการสัมผัสของครีมตะกั่วอย่างสม่ำเสมอ

ระบบยืนยันชิ้นส่วนโดยใช้การเรียนรู้ของเครื่อง

เครือข่ายประสาทแบบคอนโวลูชัน (Convolutional neural networks) วิเคราะห์ข้อมูลภาพเพื่อตรวจจับข้อบกพร่องด้วยความแม่นยำ 99.92% ลดข้อบกพร่องจากการติดตั้งลง 70% เมื่อเปรียบเทียบกับการตรวจสอบแบบเดิม

ระบบเปลี่ยนหัวจ่ายสำหรับการผลิตล็อตผสม

หุ่นยนต์แบบคารูเซล (Robotic carousels) สามารถเปลี่ยนหัวจ่ายได้ภายใน ±2 วินาทีระหว่างชิ้นส่วนแบบ 01005 และชิ้นส่วน QFN ขนาด 50×50 มม. ลดของเสียที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงการผลิตลง 40%

แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดในการรวมระบบ

ระบบควบคุมแบบปิดระหว่าง SPI-Pick&Place-Reflow

ระบบควบคุมแบบปิดจะเชื่อมต่อระหว่างการตรวจสอบครีมตะกั่ว (SPI) อุปกรณ์ติดตั้งชิ้นส่วน และเตาอบรีฟโลว์ (reflow ovens) ผ่านการแบ่งปันข้อมูลแบบเรียลไทม์ ผู้ผลิตรายงานว่ามีข้อบกพร่องของตะกั่วลดลง 30% ด้วยการปรับค่าพารามิเตอร์โดยอัตโนมัติ

การผนวกรวมข้อมูล MES เพื่อการปรับตัวแบบเรียลไทม์

ระบบการดำเนินการผลิต (MES) ช่วยรวบรวมข้อมูลด้านอัตราการผลิตและแผนที่ข้อบกพร่อง เพื่อให้สามารถดำเนินการปรับปรุงประสิทธิภาพแบบไดนามิก โรงงานที่ใช้การผสานรวม MES จะสามารถรักษาระดับการดำเนินงานไว้ที่ 95% หรือมากกว่า โดยการแปลงข้อมูลประสิทธิภาพให้เป็นการดำเนินการเชิงป้องกัน

กรอบการคำนวณ ROI

ต้นทุนการหยุดทำงาน เทียบกับ การทำงานต่อเนื่องของเครื่องจักร (การวิเคราะห์ OEE)

การหยุดทำงานแบบไม่ได้วางแผนไว้ล่วงหน้า อาจมีค่าใช้จ่ายสูงถึง 5,000 ดอลลาร์สหรัฐต่อชั่วโมง เครื่องจักรที่มีประสิทธิภาพโดยรวมของอุปกรณ์ (OEE) ระดับ 85% สร้างรายได้เพิ่มขึ้น 17% เมื่อเทียบกับเครื่องจักรที่มี OEE ระดับ 70% ซึ่งช่วยให้ระยะเวลาคืนทุนสั้นลงผ่านการรักษาระดับการผลิตและลดข้อบกพร่อง

คำถามที่พบบ่อย

เทคโนโลยี Surface-Mount (SMT) คืออะไร

Surface-Mount Technology (SMT) เป็นกระบวนการผลิตวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่มีการติดตั้งชิ้นส่วนลงบนพื้นผิวของแผงวงจรพิมพ์ (PCBs) โดยตรง

SMT ช่วยปรับปรุงกระบวนการประกอบ PCB ได้อย่างไร

SMT ทำให้ชิ้นส่วนมีขนาดเล็กลง น้ำหนักเบา และมีความน่าเชื่อถือสูงขึ้น ช่วยเพิ่มความหนาแน่นของวงจร และทำให้สามารถประกอบเป็นโครงสร้างสามมิติที่ซับซ้อนได้

ปัจจัยหลักที่ขับเคลื่อนประสิทธิภาพในการผลิตของ SMT มีอะไรบ้าง

ปัจจัยหลักทั้งสามที่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพคือ การตั้งค่าระบบหลายหัว ความแม่นยำในการจัดแนวภาพ และระบบป้อนวัสดุที่ได้รับการปรับปรุง ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและลดข้อบกพร่อง

ระบบอัตโนมัติส่งผลตัวชี้วัดการผลิตในกระบวนการ SMT อย่างไร

ระบบอัตโนมัติช่วยเพิ่มความเร็วในการติดตั้งชิ้นส่วน ลดข้อบกพร่อง และลดต้นทุนการดำเนินงาน ส่งผลให้ตัวชี้วัดการผลิตดีขึ้น

ผลกระทบของระบบ Machine Learning ใน SMT คืออะไร

Machine Learning ช่วยในการตรวจสอบชิ้นส่วน ลดอัตราข้อบกพร่อง และเพิ่มความแม่นยำในการติดตั้งผ่านการวิเคราะห์ข้อมูลขั้นสูง