Несколько слов об оборудовании для монтажа SMD компонентов

Технология surface-mount technology (SMT) берёт своё начало ещё с шестидесятых годов XX века. В это время ещё очень активно проектировалась и промышленно выпускалась аппаратура, где основой служили радиолампы; а полупроводниковые электронные приборы только-только входили в массовое производство; выпуск отдельных видов микросхем уже налажен, но исключительно для спецаппаратуры военного или аэрокосмического назначения. Именно военно-космические отрасли, наиболее бурно развивавшиеся в условиях холодной войны и космической гонки, стали активно соревноваться в уменьшении габаритов, массы и энергопотребления аппаратуры. Одним из методов решения такой инженерной задачи стало уменьшение размера элементной базы и увеличение плотности её расположения.

Электронная промышленность середины двадцатого века ещё вовсю использовала навесной монтаж на специальные монтажные стойки и/или непосредственно между собой. Он требовал множества ручных операций. А ещё применялся печатный монтаж выводных компонентов в отверстия (through hole technology, THT), который серьёзно автоматизировался. Не говоря о первом, даже второй способ не давал высокую плотность: выводные элементы довольно крупногабаритны, требуют много места. Печатные платы тогда приходилось просверливать множеством отверстий, в которых посредством выводов элементы крепились и электрически соединялись.

Все выявленные недостатки требовали устранения: ТПМ-технология стала решением всех проблем. Её суть в пайке спецкомпонентов не на монтажные стойки или продевание гибких выводов через отверстия, а напрямую на полигоны, расположенные с той же стороны, что и дорожки на печатной плате. Их стали называть компонентами для поверхностного монтажа (surface-mount devices, SMD).

Технология предоставила преимущества:

Как следует из перечня преимуществ, SMT-технология способна стать просто «золотой страной Эльдорадо» для изготовителей электроники. Так оно и стало, но годы спустя. Ну а в шестидесятые, о которых идёт речь, её массового использования не произошло, так как были некоторые немаловажные моменты:

Эти моменты были решены в частном порядке для внедрения ТПМ в военной и аэрокосмической отрасли, но в массовой аппаратуре это случилось только в восьмидесятых. В это время ТПМ стала повсеместно доступной, начался массовый выпуск компонентов для применения в этой технологии, а также появились относительно недорогие, но производительные станки для автоматизированного монтажа (pick-and-place machines, P&P). О SMD и станках будет рассказано в посвящённых им разделах статьи.

В общем, вся SMT-технология состоит из пяти этапов:

Этап 1. На печатную плату накладывается специальный трафарет из тонкого листа нержавеющей стали с прорезями, расположенные в точности над контактными площадками для пайки. Этот трафарет, как и печатная плата, легко проектируются в системах автоматизированного проектирования (САПР) и изготавливаются на спецпроизводствах.

Этап 2. На печатную плату наносится паяльная паста, состоящая из припоя и флюса (смотри статью «Несколько слов о флюсах для пайки»). Она попадает через прорези в трафарете только на нужные контактные площадки.

Этап 3. Трафарет изымается. С помощью P&P-станка компоненты размещаются над контактными площадками и фиксируются клеящей способностью паяльной пасты.

Этап 4. Выполняется пайка. Паяют несколькими способами, где самым популярными стала термовоздушная пайка на специальных нагревательных столах, а в условиях массового изготовления в паяльных печах.

Этап 5. Включает визуальный контроль качества с проверкой электрических параметров паяного соединения.

Это специализированные миниатюрные и сверхминиатюрные электронные компоненты для SMT. Не путайте эти два понятия: Surface-mount technology (SMT) — это общее наименование технологии, а surface-mount devices (SMD) — это название группы электронных компонентов, применяемых в SMT-технологии.

Сегодня практически все детали реализуемы в форм-факторе SMD, кроме тех, которые ввиду конструктивных особенностей не бывают миниатюрными: мощные резисторы (смотри статью «Как проверить резистор мультиметром?»), высоковольтные конденсаторы (смотри статью «Как выбрать конденсатор?»), силовые дроссели, трансформаторы, некоторые коммутационные изделия, такие как разъёмы, реле и тому подобные. Многие до сих пор выпускаются как в выводном исполнении, так и для SMT. В таблице ниже представлены наиболее часто используемые SMD компоненты и описание их разновидностей:

SMD получили множество типоразмеров, что обусловлено разнообразным назначением, внутренним устройством, количеством выводов и другими особенностями. Ниже будут перечислены основные. Сведения, представленные ниже, потребуются для понимания некоторых моментов в следующих разделах статьи.

В зависимости от размера, пассивные SMD, такие как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности делятся на следующие типоразмеры:

Электролитические конденсаторы делятся так:

Типоразмеры танталовых твердотельных конденсаторов:

Диоды получили следующие типы корпусов:

Светоизлучающие диоды получили типоразмеры:

Полупроводниковые транзисторы и некоторые виды микросхем выпускаются в следующих корпусах:

Корпуса микросхем получили богатую номенклатуру. В таблице ниже будут перечислены часто используемые с указанием характерных особенностей:

Развитие техники для установки SMD, как самой SMT-технологии, берёт начало в шестидесятых годах двадцатого века. Как было сказано ранее, тогда машиностроение не было готово предложить решения для автоматизации ТПМ, и процесс их позиционирования и пайки в общем был ручным, то есть монотонным, трудоёмким, сопряжённым с множеством ошибок. Первые примитивные станки, появившиеся в то время, показывали низкую производительность и монтировали лишь нескольких единиц в минуту, что при «микросерийном» выпуске для космонавтики и военных было вполне приемлемо. Но при нормальном серийном изготовлении массовой продукции требуется производительность выше на несколько порядков.

Так в восьмидесятых годах появляется новое поколение относительно высокоскоростных машин для автомонтажа SMD. Их особенностью было то, что одна машина монтировала детали только одного типа, а при необходимости установки нескольких типов компонентов требовалось соответствующее количество машин, объединённых наподобие конвейера: после выполнения своей операции одна передвигала плату к другой и так далее.

Важно понимать, что в восьмидесятые годы даже они стоили запредельно, а ставить несколько таких машин, а то и несколько десятков, было доступно только компаниям мирового уровня. К тому же многократное последовательное перемещение платы плохо сказывалось на её качестве (элементы смещались от тряски и вибрации при перемещении; возможна была пайка лишь лёгких деталей), а также на производительности в целом.

В девяностые годы на рынке появились станки, устанавливающие нескольких SMD-типов путём автоматической смены вакуумных захватов-сопел. Это резко увеличивало производительность и снижало себестоимость изготовления продукции. В это время монтажное оборудование стало снабжаться машинным зрением (смотри статью «Несколько слов о робототехнике»), дающим автоматический визуальный контроль наличия элемента и соответствия технологическому процессу, с коррекцией его положения при размещении.

В двухтысячные годы оборудование стало снабжаться несколькими соплами-захватами с отдельными для каждого высокоскоростными приводами, что дало возможность параллельного размещения деталей. Наиболее совершенные машины этого периода достигали производительности более 100000 комп/час. Сегодня развитие производственных технологий привело к резкому снижению стоимости STM-машин и быстрой окупаемости, даже в условиях мелкосерийной сборки, не говоря уже о массовом выпуске в условиях крупного предприятия. Также небольшая цена позволяет покупать их ВУЗам для использования в образовательно-практической сфере.

Станки состоят из нескольких комплексных систем:

Отдельно рассказываем о питателях — специализированной оснастки для подачи радиодеталей в станок в таком виде, в котором будет обеспечена возможность их захвата. В современном SMT-оборудовании питатель состоит из катушки с намотанной на неё лентой с радиодеталями или лотка с ними, из которого они подаются в головку захвата и размещения или другие рабочие области. Питатель обычно имеет ременной, фрикционный или вибрационный привод. Есть нескольких типов:

Питатели являются частью процесса SMT, поскольку они создают постоянную ритмическую подачу деталей для системы захвата и размещения или другого оборудования. Это помогает собирать платы быстрее и с высокой эффективностью.

Катушка, используемая в катушечных и ленточных питателях — это специализированный вид упаковки, который помимо высокоплотного размещения предоставляет удобство работы по извлечению и подачи деталей в питатель . Она, как правило, изготавливается из пластика, а лента с элементами из картона или жёсткой плёнки. Снабжена карманами, в которых размещаются радиокомпоненты, закрытые сверху мягкой прозрачной лентой.

Катушки используют в отрасли SMT для снижения стоимости упаковки и обработки радиодеталей. Они также более компактны, чем лотки или трубки.

Современные китайские фирмы-изготовители предлагают богатую номенклатуру недорогих, но высокопроизводительных настольных станков для автоматизированного монтажа SMD, которые являются прямыми конкурентами продукции американских, немецких и японских лидеров. В разделе будут описаны наиболее доступные и универсальные модели, которые успешно применимы как в небольшом частном предприятии, так и в промышленности в условиях мелко- и среднесерийного изготовления.

В серию входит несколько настольных станков, отличающихся как геометрическими параметрами, так и функционалом, но имеющими высокую точность позиционирования и производительность.

Это недорогие, но ультрасовременные высокопроизводительные настольные станки для SMT с программным управлением. Все они способны работать с независимыми катушечными/ленточными питателями , а также есть возможность использования вибропитателей (опционально); возможна установка компонентов от типоразмера 0402÷5050, а также микросхем в корпусах SOIC, QFP, BGA и других. Средние модели (ZB3245TS/ZB3245TSS) этой серии имеют систему машинного зрения для распознавания и позиционирования ; шесть камер старшей модели (ZB3545TP) полностью следят за процессом, сводя риск брака к минимуму. Как старшая, так и средняя и младшая модель (ZB3245T) имеют высокую производительность, эргономику, качественные комплектующие и удобное программное обеспечение, в котором легко и оперативно разрабатывается карта монтажа. Эта серия станков будет уместна как при мелкосерийном запуске, так и в образовательно-практической деятельности высших учебных заведений.

Если серия ZB3245/ZB3545 — это недорогие станки с достойными, но всё же со средними характеристиками, то машина ZB4050LS от компании Zhengbang уже для профессионального применения и исключительно надёжна, способна долго работать без перерыва и необходимости наладки.

Это классический напольный SMT-станок. Он предназначен для долговременной работы в условиях средне- и крупносерийного производства. ZB4050LS совместим с независимыми лентами или катушками в количестве до 64 . Станок оснащён системой машинного зрения с тремя камерами для автоматической визуальной инспекции всех этапов технологического процесса. Комплектуется промышленным ПК с предустановленным рабочим ПО. Шесть размещающих головок имеют исключительную производительность и предназначены для пайки деталей типоразмера 0402÷5050 и аналогичных по габаритам, а также SOIC-, QFP-, BGA-микросхем и других. Станок ZB4050LS высокопроизводителен, эргономичен, получил качественные комплектующие и удобное ПО, с которым быстро и легко запускается в работу . Модель относительно недорогая и быстро окупается.

Продукция компании QIHE составляет серьёзную конкуренцию технике Zhengbang и предлагает серию высокоточных высокоскоростных настольных станков.

Машины серии TVM802 — недорогое, но многофункциональное и в чём-то даже инновационное решение с программным управлением . Все станки работают с независимыми катушечными/ленточными питателями, которых в разных моделях от 29 до 58. Все модели серии оснащены системой машинного зрения.

Модели TVM802AX, TVM802BX, TVM802B+ поставляются с промышленным компьютером с предустановленным программным обеспечением, необходимым для работы станка, а также позволяющим в режиме реального времени отслеживать основные параметры работы.

Станки этой серии созданы для установки электронных компонентов типоразмера 0402÷5050 и аналогов, микросхем в корпусах SOIC, QFP, BGA и других. Все машины серии высокопроизводительны, эргономичны, собраны на качественных комплектующих и получили удобное ПО . Они отличаются демократичной для подобного оборудования ценой и быстро окупаются.

Если серия TVM802 представлена недорогими моделями с достойными, но всё же со средними эксплуатационными параметрами, то TVM926 от компании QIHU — профессиональное решение, отличающееся исключительной надёжностью , и способное беспрерывно работать без постоянной наладки.

Модель оптимальна для средне- и крупносерийного производства электроники . TVM926 поддерживает работу с независимыми катушечными/ленточными питателями числом до 64 . Установлена система машинного зрения, промышленный компьютер с предустановленным ПО для работы.

Четыре размещающих головки дают огромнейшую производительность и поддерживают типоразмер 0402÷5050 и изделия с аналогичными габаритами, корпусные микросхемы в форм-факторе SOIC, QFP, BGA и других.