22 AUTOMA 8-9/2013
téma
výr obní, montážní a balicí linky
Výroba desek plošných spojů
Deska plošného spoje je opatřena vodi- vými spoji, na které jsou pájením připevně- ny elektronické součástky. Pro zcela jedno- duchou spotřební elektroniku jsou používány DPS jednostranné nebo dvoustranné, pro slo- žitější moduly DPS vícevrstvové se vzájemně propojenými vodiči mezi jednotlivými vrst-
vami, dnes zpravidla laserem vrtanými a pak pokovenými otvory.
Současné DPS již nejsou jen mechanic- kým podkladem a pasivním nosičem ploš- ných spojů a součástek na ně osazených po- vrchovou montáží, nýbrž ve svých vrstvách často skrývají pasivní součástky i aktivní prv- ky a integrované obvody speciálně upravené pro vkládání do desek plošných spojů.
Obrazce plošných spojů na DPS podle zapojovacího schématu jsou navrhovány za pomoci speciálního softwaru, který předává data zařízením pro jednotlivé výrobní kroky:
– osvětlovací zařízení k provedení spojů v jednotlivých vrstvách DPS,
– automaty na zhotovování spojovacích otvo- rů mezi vrstvami,
– potisk ochrannými (nepájecími) laky, – nanášení lepidel automatickými dispenzory
pro připevnění součástek povrchovou mon- táží (nutné pro pájení vlnou) nebo i depo- nování pájecí pasty pro pájení přetavením.
Automatická výroba desek plošných spojů
Automatické výrobní linky jsou vybaveny specializovanými auto- matickými zařízeními, mezi něž pa- tří: manipulační systémy pro DPS, označovací automaty, zařízení pro nanášení pájecí pasty nebo lepidla šablonami, přístroje pro automatic- kou optickou kontrolu nanesené pas- ty nebo lepidla, automaty pro osazo- vání součástek, průběžné pájecí pece, automaty pro kontrolu pájení (optické nebo rentgenové), další elektrická testovací zaří- zení a přístroje pro kon- trolu fungování vyrobe- ných modulů.
Osazování DPS
Před zahájením montáže je kaž- dá deska označena jednoznačným kódem. Údaje o použitých materiá- lech a součástkách jsou zazname- nány do datového souboru přiřaze- ného k DPS, do kterého jsou dále vkládány údaje z kontroly
prováděné po každém výrob- ním kroku. To dovoluje po celou dobu výroby průběžně sledovat každý kus a přiřa- zovat k němu současné pod- mínky na výrobní lince. Tato data jsou rovněž využívána při centrálním vyhodnocení v řídicím počítači a k násle- dující optimalizaci výrobní- ho procesu. Tím je omezo- ván počet chyb a zlepšována kvalita vyráběné elektroniky.
Dříve byly desky označo- vány samolepicími etiketa- mi s čárovým nebo matico- vým kódem, nyní je matico- vý kód zpravidla vypalován laserem do krycího laku, do mědi plošných spojů nebo přímo do základního mate-
riálu desky. Poté je podle přesných šablon z kovu nebo ze speciálních plastových fólií (na obr. 1 vpravo) na desku nanesena pájecí pasta (pro pájení přetavením) a nebo lepidlo (pro pájení vlnou). Šablony jsou vyráběny leptáním nebo laserovým řezáním. Správné nanesení pasty nebo lepidla je opticky zkon- trolováno za použití pokročilých metod stro- jového vidění (obr. 2).
Automatická výroba elektroniky probíhá na výrobních linkách složených z mo- dulárních automatů pro osazování, pájení a testování desek plošných spojů a z nich vzniklých modulů, které po montáži do pouzder tvoří hotové elektro- nické výrobky. V minulosti postupoval každý výrobce od návrhu a vývoje, přes konstrukci, výrobu, vyzkoušení až po zabalení ve vlastním podniku a pak uve- dl produkt na trh. Nyní je výroba většinou rozdělena do kroků, které vykoná- vají jednotlivé na sebe navazující specializované firmy. Některé firmy se zabý- vají pouze vývojem elektronických zařízení, jiné návrhem desek plošných spo- jů a popř. i jejich výrobou, další firmy desky osazují a zkoušejí. Ve vyspělých státech Evropy a Ameriky probíhá stále ještě výzkum, vývoj a konstrukce de- sek plošných spojů (DPS), zatímco sériová a hromadná automatická výroba se v současnosti soustřeďuje do Asie.
Obr. 2. Zařízení S3088 SPI pro třírozměrnou optickou kontrolu nanášené pájecí pasty firmy Viscom (foto:
Viscom)
Obr. 1. Velká deska plošných spojů a příslušná šablona pro nanášení pájecí pasty belgické firmy Electrocircuits (foto: Electrocircuits)
Obr. 3. Zařízení počítačové tomografie v-tomex-x m pro tří- rozměrnou metrologii firmy Phoenix-xray (foto: Phoenix-xray)
AUTOMA 8-9/2013 23
téma
Na DPS s naneseným lepidlem nebo páje- cí pastou jsou osazovacími automaty pokládá- ny součástky SMD (Surface Mount Device), a to rychlostí, která se každým rokem zvyšu- je, zatímco součástky SMD se stále zmenšují.
Nejvýkonnější osazovací automaty dosahují rychlosti až 120 tisíc součástek za hodinu.
Při sériové výrobě jsou menší desky pro zpracování spojeny do velkých DPS o roz- měrech odpovídajících šíři dopravníku (např.
460 × 460 mm) – viz obr. 1 vlevo. Tyto velké
desky se však při šablonovém nanášení lepi- dla nebo pasty prohýbají a musí být zdola na více místech podepřeny kovovými sloupečky zakončenými silikonovými
čepičkami. Podepření roz- měrných desek rovněž eli- minuje vibrace, které vzni- kají při rychlém osazování součástkami SMD.
Pájení DPS
Při výrobě DPS se po- užívají tyto dva typy auto- matického pájení:
– přetavení pájecí pas- ty v průběžných pecích nebo v parách tekuti- ny, jejíž výparný bod je shodný s tavicí teplotou použité pájecí pasty, – klasické pájení vlnou te-
kuté pájky.
Automatická pájecí zařízení jsou dnes většinou konstruována pro bezolovnaté pá- jení. Přestože je zákonem zakázáno použí- vat při výrobě elektroniky olovo, přetrvávají mnohé výjimky (zejména pro automobilový průmysl). Proto musí mít firmy provádějící osazování a pájení dvě nebo více výrobních linek (samostatně pro olovnaté a bezolovna- té pájení) a dva oddělené sklady (pro sou- částky s olovnatými a bezolovnatými páje- cími ploškami).
Zatímco dříve byly některé součástky (ze- jména mechanické prvky a mechanicky ná- ročné součástky, jako např. konektory, spína- če, relé apod.) vkládány a pájeny ručně nebo poloautomaticky, jsou nyní již většinou pou- žívány automaty pro selektivní pájení mini- vlnou a součástky jsou vkládány speciální- mi roboty.
Po průchodu DPS pájecí pecí následuje její řádné čištění od zbytků nečistot a příprava pro následné zkoušky. Desky jsou čištěny me-
chanicky, proudem vzduchu nebo chemicky.
Kontroly a testování
Pro dosažení vysoké spolehlivosti automatic- ky vyráběné elektroniky je nutné vykonávat průběžné nedestruktivní zkoušky (op- tické, rentgenové, elektric- ké a funkční) téměř po kaž- dém výrobním kroku.
Po osazení SMD se nej- prve provede optická kont- rola úplnosti (osazení všech součástek a jejich správ- ných hodnot). Po pájení je kon trolováno bezchybné zapájení všech páje- cích plošek a ověřována kvalita zapájení vidi- telných i neviditelných pájecích míst. Rentge-
nem jsou kontrolovány vnitřní vady vícevrst- vových spojů, bondování1) v zapouzdřených obvodech a skryté pájecí body. Zejména po zavedení modulů s polem pájecích kuliček BGA (Ball Grid Array) bylo nutné začít kon- trolovat skrytá pájecí místa, která lze zviditel- nit pouze na obrazovce speciálního rentgenu.
Značný pokrok ve zpracování obrazů umožnil v posledních několika letech pře- chod od plochých a šedých rentgenových obrazů k barevným třírozměrným zobraze- ním s možností natáčet je a provádět příčné
řezy v libovolných polohách. Obrazy jsou pak ukládány ke kompletní dokumentaci o DPS.
Novinkou je prostorová (3D) rentgenová kon- trola za použití počítačové tomografie CT (Computer Tomography). Příkladem je na obr. 3 zařízení pro rentgenovou třírozměrnou kontrolu s počítačovou tomografií a pro me- trologii s mikrofokusovou rentgenkou firmy Phoenix-xray (dnes součást koncernu Gene- ral Electric).
Pro elektrické zkoušky jsou na DPS zpra- vidla vytvořeny plošky pro měření, na které je automaticky přiložena matrice dotykových hrotů, spojená s měřicími přístroji a kontrol- ními systémy.
Opravy ve výrobě
V rychlé automatické výrobě a při hro- madném pájení vznikají chyby – nejčastě- ji jde o vynechané, nesprávně osazené, jen zčásti připájené či vadné součástky, nehomo- genitu použitých materiálů apod. Proto v po- zadí automatických výrobních linek pracují až desítky lidí opravujících vadné desky vy- loučené z výrobního procesu automatickými inspekčními a testovacími systémy.
Chybějící součástky je nutné doplnit, při- pájet nebo vyměnit. K tomu jsou používá- na ruční nebo poloautomatická zařízení pro opraváře. A stále nové tvary pouzder sou- částek a jejich speciální vývody dávají vý- robcům takovýchto nástrojů, přístrojů a za- řízení dostatek příležitostí k uvádění dalších novinek na trh. Příkladem promyšleného pá- jecího a odpájecího nářadí je multifunkční opravářská souprava WR 2 (obr. 4) němec- ké firmy Weller. Má dvě nezávislé části s au-
1) Bondování je metoda pevného spojení součástek (čipů) s deskou plošného spoje pomocí jemných drátků obvykle ze zlata nebo hliníku o vysoké čistotě, přivařených pomocí termokomprese, ultrazvukem nebo termosonicky ke kontaktní plošce. Bondování se také používá u spojů s požadavkem na co nejmenší termoelektrické napětí, které může vznikat při spojení kovů. (zdroj: Wikipedie)
Obr. 5. Demonstrace výrobní linky na výrobu DSP na veletrhu
SMT/Hybrid/Packaging 2013 Obr. 6. Laserový rozřezávač desek plošných
spojů MicroLine 6000 S německé firmy LPKF (foto: LPKF)
Obr. 4. Ruční pájecí souprava WR2 firmy Weller s elektronickým řízením teploty páječek a sadou stojánků
24 AUTOMA 8-9/2013
téma
výr obní, montážní a balicí linky
součástky pájeny přetavením v parách. Páje- ní vlnou není vzhledem k tvarování podkla- du možné. Při menším počtu pájecích bodů je používáno mikropájení laserem. Optická kontrola a testování vyžadují nová zařízení schopná pracovat v prostoru.
Na obr. 8 je modul tvaru automobilu (o rozměrech 60 × 35 × 15 mm) s prostoro- vými spoji vyrobený na demonstrační lince sdružení 3D MID na veletrhu SMT/Hybrid/
Pack aging 2012.
Dalším novým způsobem výroby ploš- ných spojů je jejich lisování z měděné fólie, která je současně nosným prvkem miniatur- ních součástek. Není to zcela nová technika, ale je přizpůsobena požadavkům dnešní mi- niaturizace. Již v 30. letech minulého století byly vyráběny radiopřijímače s vylisovanými a třírozměrně zohýbanými spoji z měděných pocínovaných pásků. Plošné spoje s možnos- tí současného pájení většího počtu bodů byly vynalezeny až koncem 40. let.
Dnešní metoda lisování plošných spo- jů se nazývá SCB (Stamped Circuit Board) a je vhodná zejména pro hromadnou výro- bu. Z cívky se odvíjí měděný pás (tloušť- ka 0,15 mm), prochází lisovacím zařízením a opět se navíjí na cívku. Obdobně je lisová- na i podkladová fólie zpevněná skleněnými vlákny (tloušťka 0,15 mm), která je v dalším výrobním kroku slisována s plošným spojem.
Na obr. 9 je elektronika miniaturního sen- zoru v můstkovém zapojení. Délka lisovaných plošných spojů na fotografii je 17 mm. Hlav- ním výrobcem je firma Heraeus, která také provádí mikrostříkání plastů pro zapouzdře- ní elektroniky do modulů.
Ing. Jan Hájek Obr. 7. Deska se symbolem automobilu vyrobená na demon-
strační lince na veletrhu SMT/Hybrid Packaging v roce 2012
Obr. 8. Modul s prostorovými spoji
Obr. 9. Elektronika senzoru na lisovaných plošných spojích (zdroj: Heraeus)
tomatickou detekcí používaného nářadí, pro které okamžitě použije přednastavená regu- lační data. Současně je možné pájet a odpájet nebo pracovat s horkým vzduchem.
Přístroje pro opravy lze též výhodně po- užít pro laboratorní a vývojovou nebo proto- typovou a zakázkovou výrobu či k osazování DPS jen několika součástkami, kde se nevy- platí použití nákladných automatů.
Demonstrační linka
Automaty pro výrobu elektroniky, zaří- zení pro ruční pájení a velký výběr materiá- lů si lze každý rok prohlédnout na meziná- rodním odborném veletrhu o systémové inte- graci v mikroelektronice s tradičním názvem SMT/Hybrid/Packaging (www.smt-exhibiti- on.com), který se pravidelně koná v jarních měsících na výstavišti v Norimberku. Příští veletrh se uskuteční od 6. do 8. května 2014.
Na letošním veletrhu SMT/Hybrid/Packa- ging byla již tradičně v provozu demonstrač- ní linka na automatickou výrobu elektroniky, složená z výrobních zařízení různých firem.
Po celou dobu veletrhu byla každodenně čty- řikrát uvedena do chodu (obr. 5) a předvádě- na s odborným výkladem (střídavě v němčině a angličtině). Letošním mottem této demon- strace bylo Budoucí pouzdření.
Během tří dnů před veletrhem technické středisko spolku německých inženýrů (VDE) pod vedením Fraunhoferova ústavu pro spo- lehlivost a mikrointegraci IZM (Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration) lin- ku instaluje. Na začátku výrobní linky byly připravené desky plošných spojů (vyrobe- né firmou Schweizer Electronic) vkládány do zásobníkového a podávacího zařízení fir- my Rommel, za nímž byl zařazen etiketova- cí automat firmy Brady (pro označení jed- notlivých desek plošným kódem) a jednotka šablonového tisku firmy DEK Printing Ma- chines. Linka byla vybavena automatickým optickým inspekčním systémem firmy ATE- care Service (výrobce Omron), bondovacím automatem německé firmy F & K Devoltec
Bond maschinen, osazovacím automatem fir- my Fuji a pájecí pecí firmy IBL Löttechnik (přetavení pájecí pasty v parách kapaliny).
Využit zde byl také optický inspekční sys- tém firmy Viscom Technology. Dále zde byla v provozu selektivní pájecí zařízení firmy ERSA PB-Technik, dispenzní automat firmy Nordson Asymtek a dispenzor pro selektivní ochranné povrchy americké firmy PVA. Mezi další použitá zařízení patřilo elektrické tes- tovací zařízení firmy Engmatec a rozřezáva- cí automat firmy LPKF Laser (obr. 6) (s vý- stupním zásobníkem firmy Rommel).
Mezi zpravidla jednoúčelovými automa- ty pro jednotlivé výrobní kroky jsou do vý- robní linky zařazovány podávací a skladovací jednotky pro manipulaci s deskami plošných spojů, které jsou teprve na konci výroby od- děleny do jednotlivých modulů.
Na zkušební desku jsou osazovány pa- sivní i aktivní součástky v provedení SMD
všech velikostí a čipy integro- vaných obvodů, které bývají nejen pájeny, nýbrž i lepeny, bondovány, vloženy do desky a stohovány.
Demonstrační linka bývá zdařilou ukázkou toho, co lze již dnes dokázat v oblasti auto- matické výroby DPS. Na ve- letrhu SMT/Hybrid/Packaging 2012 byla na demonstrační lince vyráběna deska (rozměr 135 × 110 mm) s obrázkem elektricky poháněného osob- ního automobilu. Běžící řetěz- ce blikajících světelných diod ukazovaly proud tekoucí z ba- terie do otáčejících se kol při jízdě dopředu a opačným smě- rem rekuperační proud nabíje- jící baterii při brzdění. Přední bílé a zadní čer- vené diody svítily trvale (obr. 7).
Nové druhy plošných spojů
Klasické plošné desky, které v sériové výrobě i nadále převažují, jsou stále více na- hrazovány nejrůzněji formovanými modu- ly s třírozměrnými „plošnými“ spoji. Téměř sto firem zabývajících se touto novou výrob- ní technikou jsou členy výzkumného sdruže- ní 3D MID (Molded Interconected Device) pro výzkum, konstrukci a výrobu třírozměr- ných elektronických modulů. Tyto moduly jsou v poslední době často používány v prů- myslové výrobě (zejména automobilové), ve zdravotnictví a jiných oborech (např. při mi- niaturizaci senzorů).
Moduly jsou vyráběny na zcela jiných výrobních linkách. Nejprve je z plastu vy- lisována nosná část modulu, na kterou jsou galvanicky naneseny spoje, sledující povrch mnohdy velmi komplikovaných tvarů, pak je nanesena pájecí pasta, do které jsou osazo- vány součástky SMD speciálními třírozměr- nými osazovacími automaty. Nakonec jsou
