Автоматизация сборки электроники на базе 3D-MID

Разработка современного изделия электроники практически всегда подразумевает рост надежности и функциональности, а также уменьшение массы и габаритов, удешевление проектирования и производства по сравнению с изделием-предшественником.

Конструктор часто оказывается перед необходимостью соединить в рамках одного устройства электрические и механические элементы и узлы.

Активно развивающимся по сей день направлением, решающим подобные задачи, является внедрение устройств 3D-MID. Новейшие гибридные монтажные центры S10/S20
от YAMAHA MOTOR способны полностью автоматизировать процесс сборки таких устройств.

Мы не будем подробно останавливаться на изготовлении в 3D монтажных оснований, подходах к решению задачи установки компонентов на поверхности и конструкциях соответствующих сборочных линий или отдельных автоматов. Только кратко напомним о том, что же такое 3D-MID-технология, и покажем, как просто и эффективно реализовать сборку данных устройств на базе одной гибкой и высокопроизводительной платформы i-PULSE (рис. 1). 3D-MID (Molded Interconnect Devices) — литые монтажные основания, изготовленные по технологии создания коммутационных структур.

Трехмерность позволяет значительно упрощать конструкцию изделия самой физической геометрией основания и создавать рабочие поверхности, строго ориентированные между собой. Технология открывает новые возможности для производителей электроники в совершенствовании их изделий. Корпуса и детали конструкции могут становиться элементами электронных схем (рис. 2).

Особенности конструкции устройств 3D-MID предопределили области их предпочтительного применения — в настоящее время это автомобильная электроника, промышленная автоматизация, телекоммуникации, медицинские технологии, потребительская электроника (рис. 3).

Основные сборочные операции для устройств 3D-MID аналогичны используемым в традиционной технологии поверхностного монтажа — это дозирование паяльной пасты/клея, установка компонентов и пайка оплавлением. Различие заключается в необходимости размещения компонентов на криволинейных поверхностях либо поверхностях, находящихся под углом, отличным от угла 90°, между осью Z сборочной головки и плоскостью расположения установленного компонента. В этом и состоит главная проблема. Для того чтобы качественно и надежно установить компонент, нужно обеспечить перпендикулярность его монтажной плоскости к оси перемещения сборочной головки. Это же требование справедливо и для операции дозирования.

Техпроцесс состоит из следующих основных этапов:

1. Входной контроль деталей 3D-MID.
2. 3D-дозирование паяльной пасты/клея.
3. 3D-установка компонентов поверхностного монтажа, в том числе светодиодов и переключателей.
4. Пайка с последующей трехмерной автоматической оптической инспекцией.
5. Установка контактных штырьков.
6. Нанесение защитного покрытия.
7. Окончательная сборка и монтаж кабелей.
8. Окончательный функциональный контроль:тактильный, оптический и электрический.
9. Упаковка готовых изделий.

3D гибридные модульные монтажные центры S10 и S20 реализуют этапы No 1, 2 очень простым и технологичным решением. Активный держатель монтажных оснований, оснащенный многоосевыми манипуляторами, предназначен для интегрирования в сборочномонтажную платформу i-PULSE и устанавливается либо на конвейер, подобно обычной печатной плате, либо фиксируется в свободной рабочей зоне автомата. Манипулятор содержит одну или несколько отдельных позиций для размещения и фиксации устройств 3D-MID при сборке (рис. 4).

Линейка 3D гибридных модульных монтажных центров от YAMAHA MOTOR представлена двумя моделями — S10 и S20.



Спецификация модели S10 (рис. 5):

• скорость сборки при оптимальных условиях: 45 000 комп./ч (для монтажной головы 12x2);
• максимальный размер печатной платы: 1330x510 мм (опционально);
• работа с любыми существующими и перспективными компонентами: от 0201 (01005 — в дюймовой системе) до 120x90 мм (опционально), высотой до 30 мм;
• емкость питателей: до 90 позиций (8-мм лента); 
• ширина автомата: всего 1250 мм.

Более емкая по количеству размещаемых питателей, модель S20 (рис. 6), имеет следующие характеристики:

• скорость сборки при оптимальных условиях: 45 000 комп./ч (для монтажной головы 12x2): максимальный размер печатной платы: 1830x510 мм (опционально);
• работа с любыми существующими и перспективными компонентами: от 0201 (01005 — в дюймовой системе) до 120 90 мм (опционально), высотой до 30 мм;
• емкость питателей:
• ширина автомата: 1750 мм.

Ключевые преимущества единой платформы i-PULSE:

• Большие возможности модернизации.
• Базовый автомат может быть дооснащен практически до максимальной комплектации на предприятии заказчика.
• Высокоточное и высокоскоростное дозирование пасты/клея.
• Скорость 0,07 с/доза, минимальная доза пасты 300 мкм (3σ).
• Точность ±50 (μ+3σ).
• Быстрая смена с головы дозирования (рис. 7) на монтажную голову и обратно оператором автомата (2–3 мин).
• Автоматическая калибровка размеров точки.
• Надежные шнековые клапаны, обеспечивающие бесконтактное нанесение.
• Цветная оптическая камера распознавания реперных знаков. Обновленная многоуровневая система подсветки компонента.
  
• Интеллектуальные электрические питатели серии F3. Наиболее стабильная быстрая и одновременно точная подача компонентов. Для лент шириной 8–88 мм. Работа с отрезками от 10 см. Сменные тележки для ленточных питателей и палет для быстрой переналадки производства (рис. 8).

• Возможность 3D-монтажа, монтажа микросборок, монтажа в «колодец», а также монтажа по технологии PoP (Package on Package), (рис. 9). 
• Программный контроль усилия взятия и установки компонентов. Система расчета и компенсации коробления печатной платы. 
• Взаимодействие с автоматизированными шкафами хранения. Учет затраченных компонентов, планирование сборки и производства изделий.
• Много возможностей расширения производства при росте объемов выпускаемой продукции. Минимальные затраты по приобретению и размещению нового станка. Полная совместимость всех автоматов.
  
• Японские надежность и качество. Минимальные требования к обслуживанию. Низкие эксплуатационные затраты.

В последние годы электронные продукты,которые содержат платы управления, смартфоны и планшетные устройства, электромобили, производство «зеленой энергии» и светодиодное освещение, становятся все более интегрированными.

Для того чтобы достичь легкости, компактности и высокой производительности в сочетании с меньшими расходами на изменения и переналадку с обычного двумерного размещения компонентов на трехмерное, модули S10 и S20, имея высокие гибридные возможности, обеспечат более гибкую поддержку 3D-MID, что приведет к значительному уменьшению затрат за счет сокращения дополнительного оборудования, необходимого для сборочных работ. Это и есть революция производства.