Роботизированные системы установки компонентов для поверхностного монтажа.

Введение

Роботизированные машины

Системы размещения компонентов с использованием технологии поверхностного монтажа (SMT), обычно называемые машинами для захвата и установки или P&P, – это роботизированные машины, предназначенные для установки поверхностно монтируемых компонентов (SMD) на печатные платы (PCB). Они обеспечивают высокоскоростную и высокоточную установку широкого спектра электронных компонентов, таких как конденсаторы, резисторы и интегральные схемы, на печатные платы, которые, в свою очередь, используются в компьютерах, бытовой электронике, а также в промышленном, медицинском, автомобильном, военном и телекоммуникационном оборудовании. Существует аналогичное оборудование для компонентов с сквозным монтажом. Этот тип оборудования также иногда используется для упаковки микросхем методом flip-chip.

1980-е и 1990-е годы

В течение этого времени типичная сборочная линия SMT использовала два различных типа машин для выбора и размещения (P&P), расположенных последовательно. Ненасеченная плата подавалась в машину быстрого размещения. Эти машины, иногда называемые чип-шутерами, размещают преимущественно компоненты низкой точности и простой конструкции, такие как резисторы и конденсаторы. Эти высокоскоростные машины P&P были построены на основе конструкции с одной вращающейся головкой, способной устанавливать до двух десятков рабочих станций. По мере вращения головки станции, проходящие заднюю часть машины, захватывают компоненты из ленточных податчиков, установленных на движущейся каретке. Когда станция движется по головке, она проходит через оптическую станцию, которая вычисляет угол, под которым был захвачен компонент, позволяя машине компенсировать отклонение. Затем, когда станция достигает передней части головки, плата перемещается в правильное положение, сопло вращается для установки компонента в нужной угловой ориентации, и компонент размещается на плате. Типичные чип-шутеры, в оптимальных условиях, могут размещать до 53 000 компонентов в час, или почти 15 компонентов в секунду. Поскольку плата перемещается, а не головка, таким образом можно размещать только легкие компоненты, которые не будут сбиты сильным движением платы. Из высокоскоростной машины плата переходит к прецизионной машине размещения. Эти машины для выбора и размещения часто используют камеры верификации высокого разрешения и системы точной настройки с помощью высокоточных линейных энкодеров на каждой оси для более точного размещения компонентов, чем высокоскоростные машины. Кроме того, прецизионные машины размещения способны обрабатывать более крупные или компоненты неправильной формы, такие как интегральные схемы в больших корпусах или индуктивности и подстроечные резисторы в корпусах. В отличие от машин быстрого размещения, прецизионные машины обычно не используют сопла, установленные на вращающейся головке, а полагаются на подвижную головку, поддерживаемую портальной системой. Эти прецизионные машины используют головки с относительно небольшим количеством захватных сопел. Головка иногда оснащена лазерным сканером, который считывает отражающий маркер на печатной плате для ориентации головки относительно платы. Компоненты захватываются из ленточных податчиков или лотков, сканируются камерой (на некоторых машинах), а затем помещаются в нужное положение на плате. Некоторые машины также центрируют компоненты на головке с помощью двух захватов, которые смыкаются для центровки компонента; затем головка поворачивается на 90 градусов, и захваты смыкаются снова для повторной центровки компонента. Допустимая погрешность для некоторых компонентов составляет менее половины миллиметра (менее 0,02 дюйма).

During this time, a typical SMT assembly line employed two different types of pick and place (P&P) machines arranged in sequence. The unpopulated board was fed into a rapid placement machine. These machines, sometimes called chip shooters, place mainly low precision, simple package components such as resistors and capacitors. These high speed P&P machines were built around a single turret design capable of mounting up to two dozen stations. As the turret spins, the stations passing the back of the machine pick up parts from tape feeders mounted on a moving carriage. As the station proceeds around the turret, it passes an optical station that calculates the angle at which the part was picked up, allowing the machine to compensate for drift. Then, as the station reaches the front of the turret, the board is moved into the proper position, the nozzle is spun to put the part in the proper angular orientation, and the part is placed on the board. Typical chip shooters can, under optimal conditions, place up to 53,000 parts per hour, or almost 15 parts per second. Because the PCB is moved rather than the turret, only lightweight parts that will not be shaken loose by the violent motion of the PCB can be placed this way. From the high speed machine, the board transits to a precision placement machine. These pick and place machines often use high resolution verification cameras and fine adjustment systems via high precision linear encoders on each axis to place parts more accurately than the high speed machines. Furthermore, the precision placement machines are capable of handling larger or more irregularly shaped parts such as large package integrated circuits or packaged inductor coils and trimpots. Unlike the rapid placers, precision placers generally do not use turret mounted nozzles and instead rely on a gantry supported moving head. These precision placers rely upon placement heads with relatively few pickup nozzles. The head sometimes has a laser identifier that scans a reflective marker on the PC board to orient the head to the board. Parts are picked up from tape feeders or trays, scanned by a camera (on some machines), and then placed in the proper position on the board. Some machines also center the parts on the head with two arms that close to center the part; the head then rotates 90 degrees and the arms close again to center the part once more. The margin of error for some components is less than half a millimeter (less than 0.02 inches).

2000 год - настоящее время

Из-за высокой стоимости использования двух отдельных станков для установки компонентов, ограничений по скорости чип-монтажников и негибкости оборудования, производители оборудования для монтажа электронных компонентов отказались от данной технологии. Чтобы преодолеть эти ограничения, они перешли к модульным, многоголовым машинам с несколькими порталами, позволяющим быстро заменять головки на различных модулях в зависимости от выпускаемой продукции, а также к машинам с несколькими мини-башенками, способными устанавливать весь спектр компонентов с теоретической скоростью до 136 000 компонентов в час. Самые производительные станки достигают скорости до 200 000 CPH (компонентов в час).

Операция

Устройство размещения компонентов является частью более сложной машины, которая выполняет определенные запрограммированные этапы для создания сборочной платы (PCB). Несколько подсистем совместно работают для захвата и точной установки компонентов на плату. В этих системах обычно используются пневматические присоски, закрепленные на устройстве, напоминающем плоттер, что позволяет точно перемещать присоску в трех измерениях. Кроме того, каждое сопло может вращаться независимо.

Компонентные кормы

Компоненты поверхностного монтажа размещаются на передней (и часто задней) поверхности машины. Большинство компонентов поставляются на бумажной или пластиковой ленте, в ленточных катушках, которые загружаются в подающие устройства, установленные на машине. Более крупные интегральные схемы (ИС) иногда поставляются и размещаются в лотках, которые складываются в отсек. Чаще используемые ИС поставляются в лентах, а не в лотках или блоках. Усовершенствования в технологии подающих устройств означают, что ленточный формат становится предпочтительным способом подачи компонентов на SMT-машине. Ранние подающие головки были значительно более громоздкими, и поэтому не предназначались для выполнения роли подвижной части системы. Вместо этого сама печатная плата (ПП) устанавливалась на движущуюся платформу, которая выравнивала области платы для установки компонентов под подающей головкой.

Конвейерная лента

Через середину машины проходит конвейерная лента, по которой перемещаются незаполненные печатные платы, и зажим платы в центре машины. Плата фиксируется в зажиме, а головки подбирают отдельные компоненты из подающих устройств/лотков, поворачивают их в нужную ориентацию и затем с высокой точностью устанавливают на соответствующие площадки на печатной плате. Высокопроизводительные машины могут иметь несколько конвейеров для одновременного производства нескольких одинаковых или различных видов продукции.

Инспекция и система визуализации

Часть, переносимая от подающих устройств по обе стороны конвейерной ленты на плату, фотографируется снизу с помощью камеры высокого разрешения и системы освещения. Её силуэт проверяется на наличие повреждений или отсутствия (не был захвачен), а неизбежные ошибки позиционирования при захвате измеряются и компенсируются при установке компонента. Например, если компонент был смещен на 0,25 мм и повернут на 10° при захвате, головка захвата корректирует положение установки, чтобы разместить компонент в нужном месте. Некоторые машины оснащены этими оптическими системами на манипуляторе и могут выполнять оптические вычисления без потери времени, что позволяет добиться более низкого коэффициента отбраковки. Высококачественные оптические системы, установленные на головках, также могут использоваться для захвата деталей нестандартных компонентов и сохранения их в базе данных для последующего использования. Кроме того, доступно современное программное обеспечение для мониторинга производства и взаимосвязи базы данных производственного участка с базой данных цепочки поставок в режиме реального времени. ASM предлагает дополнительную функцию для повышения точности при установке светодиодных компонентов на высококачественную продукцию, где критичен оптический центр светодиода, а не расчетный механический центр, основанный на конструкции выводов компонента. Специальная камера измеряет как физический, так и оптический центр и вносит необходимые корректировки перед установкой. Она также может получать изображения в режимах одиночного или множественного поля зрения. Отдельная камера на головке установки фотографирует фидуциальные метки на плате для точного измерения её положения на конвейере. Два фидуциальных знака, измеряемых в двух измерениях каждый и обычно расположенных по диагонали, позволяют измерять и компенсировать ориентацию и тепловое расширение платы. Некоторые машины также способны измерять сдвиг платы, измеряя третью фидуциальную метку на плате.

Вариации

Для минимизации расстояния, которое должен пройти захватный портал, обычно используют несколько сопел с независимым вертикальным перемещением на одном портале. Это позволяет захватывать несколько компонентов за один проход к питателям. Кроме того, современное программное обеспечение в машинах нового поколения позволяет различным манипуляторам работать независимо друг от друга, что дополнительно повышает производительность. Компоненты могут временно фиксироваться на печатной плате как самой влажной припоем, так и небольшими каплями отдельного клея, наносимого дозирующим устройством, которое может быть интегрировано в машину для установки компонентов. Клей наносится перед установкой компонента. Он может подаваться через сопла или методом струйного дозирования. Струйное дозирование предполагает нанесение материала путем его распыления на поверхность, в данном случае – на печатную плату.