CC BY
89
УДК 621.396.6
КООПЕРАЦИЯ И ОПТИМИЗАЦИЯ ДЕЙСТВИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО И КОНСТРУКТОРСКОГО СЕКТОРОВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ПЕЧАТНЫХ УЗЛОВ ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СБОРКИ
В.Е. Форманчук, А.Ю. Копейкин
В статье рассматриваются задачи, решение которых позволит наиболее полно реализовать потенциал оборудования автоматизированной сборки печатных узлов с электронными компонентами поверхностного монтажа. Также акцентируется внимание на важности плотной работы в данном вопросе между конструкторами и технологами
Ключевые слова: поверхностный монтаж, AШumDesigner, реперный знак, контактная площадка
Для наиболее полной реализации потенциала автоматизированной сборки печатных узлов необходимо решить следующие задачи:
- разработать единую библиотеку контактных площадок и моделей корпусов электронных компонентов для использования всем предприятием. В каждом элементе данной библиотеки заложены следующие данные, которые необходимы для написания программы в автоматическом установщике электронных компонентов: координаты центра корпуса, тип корпуса, его обозначение и т. д;
- разработать требования к проектированию печатных узлов для автоматической сборки;
- разработать методику создания выходных файлов печатной платы из pcb-файлов проекта AltiumDesigner для последующей передачи их в программную среду установщика компонентов, а так же приведения их к формату, который будет восприниматься программным обеспечением автомата;
Помимо всех вышеописанных задач, выполняемых в САПР AltiumDesigner, конструкторам и технологам необходимо решить задачи немного другого профиля:
- создание дополнительной технологической оснастки для оборудования;
- Модификация технологии автоматизированной сборки печатного узла для решения поставленных задач;
Очевидно, что для решения поставленных задач необходимо плотное взаимодействие конструкторского и технологического отделов. Решение же данных проблем отдельно друг от друга будет не эффективным и может привести к ошибкам в процессе освоения данной технологии. Это связано с тем, что конструктора не
Форманчук Вячеслав Евгеньевич - ВГТУ, студент, тел. +7 (950) 774-18-52
Копейкин Андрей Юрьевич - ВГТУ, аспирант, тел. +7 (908) 133-55-91
обладают информацией об особенностях технологии сборки печатных узлов и не имеют практического опыта работы с данной технологией. В свою очередь, технологи не владеют конструкторской информацией о печатном узле (например, применяемые электронные компоненты и их массогабаритные показатели, особенности конструкции печатного узла, требования к сборке и т. д.).
1. Разработка библиотеки корпусов и контактных площадок
До появления участка автоматизированной сборки печатных узлов контактные площадки проектировались конструктором для ручной установки при помощи паяльной станции. Из-за этого контактные площадки (например чип-резисторов) создавались довольно большими. Использование больших контактных площадок в условиях плотной компоновки печатной платы, а также большого количества проводников на каждом топологическом слое (ввиду использования только одно- и двухсторонних печатных плат) затрудняет проектирование печатной платы.
Использование паяльной пасты, автоматической установки компонентов, а так же пайке в конвекционной печи позволяют уменьшить размеры контактных площадок и, соответственно, облегчить проектирование печатной платы. Минимальные размеры контактных площадок определяются размерами галтели паяного соединения, которые оговорены в ГОСТ Р МЭК 61191-2-2010.
Руководствуясь требованиями вышеописанных документов технологи и конструкторы опытным путём должны определить оптимальные размеры контактных площадок для получения качественных паяных соединений электронных компонентов. При проведении опытных работ по получению оптимальных размеров контактных площадок целесообразно ис-
пользовать специальные инженерные пособия для конструкторов, где приведены рекомендуемые размеры контактных площадок, а также технологические инженерные пособия, где приведены методы получения качественной пайки. Данная информация очень хорошо изложена в инженерных пособиях предприятия ЗАО "Остек"ШЦр:/Ду\у\у.о51ес-рге55.ш/)
После выбора оптимальных размеров контактных площадок элемент заносится в библиотеку. Параметры данного элемента библиотеки будут использоваться для всех электронных компонентов, имеющих аналогичный тип корпуса.
Созданный элемент библиотеки представлен на рисунке 1.
Рис. 1. 3Б-модель чип-резистора
2. Разработка требований к проектированию печатных узлов
Рассматриваемая технология, где установка компонентов производится на автоматизированном установщике, используется паяльная паста, а пайка происходит в конвекционной печи, накладывает определённые требования и ограничения при проектировании печатного узла. Это вызвано многими причинами: от установочных приспособлений установщика, до физический особенностей пайки в конвекционной печи. Составлением этих требований должен заниматься технолог, сопровождающий данный участок сборки.
При автоматическом монтаже печатные платы, размеры которых меньше допустимых по спецификации оборудования, объединяют в общую панель (мультиплату) и располагают на заготовке, показанной на рисунке 2.
Панельный реперный знак Технологическая зона
/
о - □ □ ° о И - □ □ ° о - □ □ °
о - □ □ ° о - □ □ ° о - □ □ °
4 ч Линии скрайбироЬания печатных плат
Рис. 2. Пример расположения нескольких плат на одной заготовке
Толщина заготовки платы должна быть от 0.6 мм до 3 мм.
Технологические зоны на заготовке - это места, запрещённые для размещения компонентов. Они должны соответствовать рисунку 3. «Рабочей зоной» здесь является пространство на печатной плате, где размещаются компоненты и проводники.
В технологических зонах обязательно наличие реперных знаков.
Обязательно наличие реперных знаков на печатной плате. Проверочная точка (реперный знак) является центром системы координат на этапе сборки платы. Она создаётся как элемент топологии печатных плат в тех же слоях, где и обычные проводники. Проверочная точка позволяет оборудованию автоматизированной линии установки компонентов корректировать погрешности измерения текущих координат, накапливающиеся в процессе изготовления печатной платы, а также в процессе автоматической установки компонентов на плату. Считывая положение реперных знаков, система технического зрения автомата вносит коррекцию в
свою систему координат, компенсируя различия между измеренным и номинальным положением знака.
Для коррекции линейных сдвигов и сдвигов вращения требуется минимум две проверочные точки. Они располагаются обычно по диагонали, друг напротив друга, внутри или снаружи периметра области, занимаемой данным компонентом.
Хорошей нормой проектирования является размещение глобальных или локальных проверочных точек в трёхточечной системе баз на основе решётки, как это показано на рисунке 4. Первая глобальная проверочная точка размещается в условной позиции «0-0». Вторая и третья проверочные точки размещаются в направлениях X иYот «0-0» в положительном квадранте.
Локальные проРерочные точки для интегральны» схем с полым шагом
Рис. 4. Пример размещения меток отсчёта
Формы проверочных точек изображены на рисунке 4, где А=(1... 3) мм. На данном рисунке изображен минимальный размер запрещённой зоны.
Рис. 5. Применяемые проверочные точки
Рекомендуемый диаметр реперного знака 1 мм. Рекомендуемая форма реперного знака, а так же его размеры изображены на рисунке 5.
Рис. 6. Рекомендуемая форма реперного знака
3. Разработка методики получения выходных файлов для написания программы установки компонентов
Смысл данной задачи заключается в том, чтобы можно было из pcb-файла печатной платы, разработанной в AltiumDesigner конструктором, сформировать файл с данными об электронных компонентах, размещённых на печатной плате, который, после загрузки его в программное обеспечение установщика, позволит практически полностью завершить программу установки электронных компонентов. Установщик допускает написание программы в ручную, однако в данном случае придётся наводить каждый компонент при помощи видеосистемы на своё место на печатной плате, что является довольно долгим процессом. Помимо этого, практически полностью сводится на нет корректирующие свойства реперных знаков. Ручное наведение автомата при помощи видеосистемы обусловлено погрешностями, связанных с человеческим фактором. Другими словами, разработка данной методики очень важна, так как обеспечивает быструю и более точную сборку печатных узлов.
Разработка методики проводиться для автоматического установщика Pantera-XV компании Essemtec.
Для начала, необходимо создать текстовый файл в AltiumDesigner при помощи инструмента BillofMaterials. Здесь необходимо привести текстовый файл к формату, воспринимаемому установщиком, а так же указать основные параметры электронных компонентов.
После формирования текстового файла, его необходимо подкорректировать, так как некоторые данные изначально записаны неверно. Примером некорректной записи может являться запись об угле поворота компонента, а точнее, при действительном угле, равным 0о. Данный параметр в выходном текстовом файле за-
писан 360о. По факту, компонент будет установлен правильно, однако установщик, считывая данные из файла, будет вращать каждый компонент. Это вызовет дополнительные временные затраты при сборке. Для корректировки текстового файла рекомендуется использовать специальные текстовые редакторы, которые поддерживают функцию подпрограмм (т.н. "макросы"). При помощи макросов можно автоматически исправлять типовые ошибки в выходном текстовом файле AШumDesigner, что позволит существенно сэкономить время.
4. Создание дополнительной технологической оснастки для оборудования
Иногда оснастка, поставленная вместе с оборудованием не позволяет выполнить сборку, а заказ необходимой оснастки либо невозможен, либо занимает длительное время. Примером может служить следующая ситуация. Технологией автоматической сборки подразумевается, что планарные микросхемы будут поставляться в матричных поддонах. На этом основан принцип внесения в программу установщика планарных микросхем. Однако, отечественные микросхемы с приёмкой "5" поставляются неформованными и, соответственно, без каких-либо поддонов. ИХ необходимо отформовать и ,в зависимости от того, как отформован компонент, создать матричный поддон, с которого установщик будет подбирать микросхемы и устанавливать их в определённое место на печатной плате. На рисунке 7 изображён другой пример создания оснастки -3D модель направляющего лотка для корпусов SO6-SO16 вибропитателя установщика Pantera-XV.
Рис. 7. Направляющий лоток вибропитателя для корпусов компонентовSO6-SO16
При возникновении подобных проблем технолог, как сотрудник, который знает, что необходимо сделать, начинает работу с конструктором, который, в свою очередь, может спроектировать и создать чертежи для производства. Данные действия позволят избежать длительного простоя технологического участка, а так же создавать различные приспособления для решения поставленных задач.
5. Модификация технологии автоматизированной сборки печатного узла для решения поставленных задач
Решение данной задачи сводится к реализации сборки печатного узла вместе с конструктивными особенностями, применяющимися на предприятии. Примером может служить установка прокладки из стеклотекстолита между печатной платой и микросхемой для улучшения электроизоляционной защиты. На обе стороны прокладки наносится теплопрово-дящий или обычный клей. Таким образом, одна сторона прокладки приклеена к основанию корпуса микросхемы, другая - к печатной плате. Данное решение также повышает прочность соединения между печатной платой и компонентом, что очень важно при сильных вибрационных и динамических нагрузках, которым подвергается печатный узел и всё устройство при эксплуатации. Данная особенность без труда реализовывалась при ручной сборке печатного узла, однако, реализация такого решения при автоматизированной сборке требует нестандартного подхода. Проблемной является операция сборки печатного узла на установщике - технология в чистом виде подразумевает установку компонентов на контактные площадки, уже покрытые паяльной пастой, без помещения прокладок между печатной платой и компонентом. Существуют два решения данной проблемы.
1) После операции нанесения паяльной пасты вручную наносят слой клея, затем устанавливают прокладку и на верхнюю поверхность наносят ещё один слой клея. После этого печатная плата устанавливается в автомат и запускается программа сборки. Однако данное решение связано с некоторыми проблемами:
- возможна ситуация, в которой выводы микросхемы будут не доставать до печатной платы, или же микросхема будет стоять слишком высоко над прокладкой, что не позволит приклеить её к последней. Причины этих проблем - разброс толщины прокладки, а также погрешностей при формовке.
- риск при установке прокладки рукой размазать нанесённую паяльную пасту на печатной плате, что приведёт к дефектам.
2) На операции формовки осуществляют приклейку прокладки к микросхеме. Ожидают, пока клей полимеризуется, и производят формовку выводов. Таким образом, при данном методе возможно визуально проверить положение выводов относительно нижней поверхности прокладки, чтобы избежать проблем первого метода. После этого компоненты с прокладками помещают в оригинальный матричный поддон, разработанный с учётом формовки микросхемы и наличия прокладки. Затем поддон устанавливается в автомат. На печатную плату с нанесённой паяльной пастой ( на место установки микросхемы ) наносят слой клея. После этого печатная плата помещается в установщик и запускается программа установки компонентов. Таким образом автомат установит микросхему вместе с прокладкой, выводами - на контактные площадки непосредственно в паяльную пасту, а прокладкой - в слой клея.
Очевидно, что при сборке на автоматизированном участке возникают проблемы, зачастую требующие внесения изменений в конструкцию сборочной единицы, или же технологического процесса.
Таким образом, решение поставленных задач обеспечит более высокопроизводительную сборку печатных узлов с электронными компонентами поверхностного монтажа, а также позволит снизить технологические простои оборудования, которые часто возникают в процессе производства.
Литература
1. Грачёв А. А. Конструирование электронной аппаратуры на основе поверхностного монтажа компонентов. / А. А. Грачёв, А. А. Мельник, Л.И. Панов -М.: НТ Пресс, 2006. - 384 с.: ил.
2. Справочник инженера-конструктора. -М.: ООО "Резонит", 2001. -44 с.
3. Рекомендации по конструированию печатных узлов с применением поверхностного монтажа. М.: ЗАО-Предприятие"Остек".
Воронежский государственный технический университет
COOPERATION AND OPTIMIZATIONACTIONS TECHNOLOGICAL AND ENGINEERING SECTORS WHEN DESIGNING PRINTED CIRCUIT ASSEMBLIES FOR AUTOMATICALLY
ASSEMBLY
V.E. Formanchuk, A. Y. Kopeykin
The article considers the problems, the solution of which will allow to fully realize the potential of the equipment of the automated Assembly of printed circuit assemblies with electronic components surface mounting. The attention focuses on the importance of the productive work in this matter between designers and technologists
Key words: surface-mount, Altium Designer, Fiducial mark, contact Playground
