Procesul de Plantare Automatizata a Componentelor Electronice

Politehnica

Procesul de Plantare Automatizata a Componentelor Electronice

Byadmin ianuarie 1, 2024

Cuprins

Introducere

Introducere în tehnologia S.M.T.

Clasificarea componentelor electronice

Ambalarea componentelor S.M.D.

Materiale în tehnologia S.M.D

Considerente teoretice pentru componentele S.M.T.

Generalități

Componente pasive S.M.D

Componente active S.M.D

Componente Active Integrate S.M.D

Producția de serie pentru plăci electronice

Generalitați

Linia de producție a plăcilor elecronice

Procesul de plantare automatizata a componentelor electronice

Concluzii

Bibliografie

Abrevieri de bază

S.M.T. – Surface Mount Technology = technologia plantării pe suprafață

S.M.D. – Surface Mount Device = componente plantate pe suprafață

P.C.B. – Printed Cricuit Board = placă electronica cu circuite printate

T.H.T. – Trough Hole Tehnology = tehnologie componente cu pini prin gaură

E.I.A. – Electronic Industries Association = Standard In Industria Electronică

Introducere

Lucrarea de față are rolul de a prezenta în linii mari aspectul ingineriei electronice, și necesitatea, dezvoltarea, și complexitatea electronicii existente în cadrul liniilor actuale de producție de serie a echipamentelor electronice cu precadere asupra procesului de plantare automatizată a componentelor electronice pe plăcile electronice. Astfel s-a propus ca temă a lucrării, un subiect foarte vast și de o importanță extrem de mare în cadrul tehnologiei electronice actuale, acela de process de plantare propriu zisă a componentelor electronice. Cum este menționat în prezenta lucrare acest process este unul critic și de o importanță foarte mare in cadrul procesului total de productie în masă a plăcilor electronice.

Componentele electronice se dezvoltă din ce în ce mai mult, producătorii și dezvoltatorii vizând astfel aspecte precum fiabilitate, costuri, integrare, etc. aspecte care afectează și se reflectă in dezvoltarea mașinilor de plantare a acestor componente electronice.

Liniile de producție de serie a echipamentelor electronice, reprezintă un subiect foarte bun pentru a susține acest aspect legat de procesul de plantatere al componentelor electronice , deoarece necesitatea de eficientizare a liniei în scopul creșterii puterii de producție, aduce cu sine o serie de soluții inginerești integrate precum mașinile de plantare. Datorită faptului că automatizarea în cadrul liniilor de producție necesită precizie și eficientă ridicate, aceste mașini se bazeaza pe o tehnica avansată ce cuprinde computer de bord, software specializat și o sumedenie de componente care sa susțina procesul executat. Toate acestea au fost descries și analizate in capitolul IV.

Prima parte a lucrării prezintă date teoretice despre componentele electronice și de asemenea detalii specifice despre tipurile de componente electronice si tehnologiile de executare ale acestora. Aceste date sunt necesare pentru a oferii suport teoretic în întelegerea funcțională a aspectelor legate strict de linia de producție de serie a echipamentelor electronice, prezentată în capitolul III.

În ultima parte a capitolului III se prezintă linia de producție cu posibilitațile pe care le oferă in dezvoltare de soluții inginerești bazate pe integrarea senzorilor inteligenți în dezvoltarea și îmbunătățirea proceselor de producție. Scopul este de a se oferi o întelegere generală asupra faptului că, liniile de producție de echipamente electronice, sunt și vor fi un subiect foarte important pentru ingineria electronică, ce necesită resurse extraordinar de mari și care oferă, pe lîngă posibilități de dezvoltare tehnologică, și resurse financiare considerabile ce pot menține un mediu de dezvoltare al electronicii avansate. De asemenea este evidențiat locul procesului de plantare al componentelor electronice în cadrul intregului process de producție

Capitolul IV, prezintă concret, una din aplicațiile complexe din procesului de plantare automatizată a componentelor electronice, în care se întâlnesc soluții electronice avansate bazate pe integrarea senzorilor inteligenți si în circuitele electronice ale utilajelor folosite în liniea de producție de serie a echipamentelor electronice. Abordarea este una descriptivă datorită complexității aplicației prezentate, scopul fiind evidențierea necesității electronicii cu soluțiile prezentate în această lucrare.

Introducere în tehnologia S.M.T.

Încă din 1970, în industria electronică miniaturizarea a devenit mai importanta decât costurile. Așa s-a înfiripat idea de tehnologie în dimensiuni minimale care, în versiunea tehnologiei S.M.T., a revoluționat echiparea circuitelor imprimate. Astăzi, tehnologia S.M.T. este considerată tehnologia viitorului iar gradul înalt de automatizare specific acesteia a creat standarde noi de calitate și fiabilitate în domeniu. La ce să ne gândim când vorbim de tehnologia S.M.T.?

Circuitele imprimate convenționale (P.C.B.) folosesc componente care sunt conectate prin pini care trec prin găuri (tehnologie de plantare în gaură = T.H.T.) pe fața cealaltă a cablajului pe care se solderizează în val (sau manual). Componentele S.M.D. creează marele avantaj de a se așeza și solderiza cu zonele lor de contact direct pe padurile circuitului imprimat. Acesta este principiul inovatic al tehnologiei S.M.T..

O mare varietate de componente S.M.D. există în arealul practic; configurația lor acoperă o gamă opțională de la componente fără terminale cu extremități metalizate până la componente cu terminale lungi și flexibile. Fiecare tip de terminal și încasetare asigură totalitatea cerințelor impuse de manipulare și montaj cerute de standardele internaționale.

Clasificarea componentelor electronice

Clasificarea componentelor electronice se poate realiza:

După modul de lipire pe placă :

Componente ale căror piciorușe trec prin placă (T.H.T. pin through hole)

Figura nr. 1.1 Componentă T.H.T.

Clasificarea componentelor T.H.T.: axiale si radiale

Componente Axiale = componente T.H.T. (pin through hole) care au două piciorușe ce ies din componentă orizontal în ambele capete.

Componente Radiale = componente T.H.T. (pin through hole) care au două sau mai multe piciorușe ce ies vertical din partea inferioară a componentei.

Componente ale căror piciorușe sunt lipite pe suprafața plăcii (S.M.T.)

Figura nr. 1.4 Componentă S.M.D

Exemple de componente S.M.T.:

După modul de montare pe placă:

Componente cu polaritate sunt componentele care au o conexiune pozitivă (pol pozitiv sau anod) și una negativă (pol negativ sau catod) cu placa.

Figura nr. 1.8 Exemple de marcări de polaritate

Componente cu orientare sunt componentele care trebuie montate într-o anumită poziție.

Figura nr. 1.9 Exemplu de marcare de orientare

Componente fără polaritate și fară orientare

Exemple de componente și notația lor simbolică:

Condensator= C

Rezistor= R

Circuit integrat= U,IC

Cristal= Y,X

Bobină= L

Diodă= D

Conector = P,J,X

Transformator= T

Ambalarea componentelor S.M.D.

Necesitățile de ambalare a componentelor S.M.D. s-au definit în baza necesității de alimentare automată a procesului de plantare și sunt: rola, bagheta, tavița. Dintre acestea, rola este varianta cea mai des întâlnită, în cazurile uzuale asigurând 10.000 de componente pe o singură rolă. Componentele sunt ambalate într-o bandă de masă plastică sau hârtie cu lăcașuri preformate, în care componentei i se asigură un bun control al orientării în momentul "culegerii", o bună protecție în timpul stocării, transportului și manipulării. Dimensiunile standard ale lățimii benzii sunt: 8, 12, 16, 24, 32, 44, 56, 72, 88 mm.

Pentru circuitele integrate cu gabarit mare și componentele cu forme atipice, care nu se acomodează la ambalarea pe rolă, s-au configurat tuburi (baghete), sau tavite. Pe o baghetă se găsesc aproximativ 200 de componente. Ca și în cazul rolelor, mașina de plantat asigură prin mecanismele ei proprii avansul componentelor într-o cadență și cu un pas regulat și reglabil.

Materiale în tehnologia S.M.D

Materialele folosite în tehnologia S.M.T. includ: materialul, circuitul imprimat, adezivi, aliaje de lipit, decapanți dezoxidanti, măști protectoare electric sau chimic, agenți de curățire.
Alegerea substratului circuitului imprimat depinde de tipul componentelor, densitatea de plantare și de costuri.

Adezivii de înaltă eficiență sunt folosiți pentru a reține componentele în pozițiile corecte pe substrat în timpul plantării și solderizării (în cazul solderizării în baie cu val).
Aliajele de lipit asigură lipirea componentei pe padurile circuitului imprimat: solderul ca topitură în cuva mașinii de cositorit în val, solder paste-ul ca strat conductiv (15-30mm) depus prin printare pe padurile circuitului imprimat.

Alegerea aliajelor de lipit, a fluxurilor și agenților de spălare se face în contextul efectiv al procesului tehnologic.

Considerente teoretice pentru componentele S.M.T.

Generalități

Tehnologia montarării pe suprafață sau S.M.T. (S.M.T.=Surface Mount Tehnology) s-a impus în ultimii ani ca principală metodă de fabricație a modulelor electronice.

Tehnologia montării pe suprafață a permis realizarea de module electronice mai performante și mai fiabile, cu o greutate, volum și costuri mai scăzute decât tehnologia anterioară, ce utilizează componente cu terminale pentru inserție T.H.T. (Through-Hole-Tehnologhy). Componentele electronice utilizate au primit denumiri corespunzătoare acestor tehnologii.

Întâlnim astfel comonente pentru montarea pe suprafață (S.M.D.= Surface Monted Devices) și componente T.H.T.

O caracteristică definitorie pentru S.M.T. este montarea componentelor electronice pe suprafața circuitului imprimat, fară a pătrunde prin găurile practicate in circuitul imprimat, ca în tehnologia T.H.T.

Această modificare, minoră la prima vedere, avea să influiențeze practic toată industria electronică, de la proiectare, procese de prelucrare sau asamblare, materiale și capsule ale componentelor electronice, etc.

În figura nr. 2.1 se prezintă un condensator ceramic montat în variantele S.M.T. și T.H.T.. Se observă modul de conectare la circuitul imprimat, în cele două cazuri. Se observă , de asemenea și faptul că varianta T.H.T. a condenstorului are două lipituri suplimentare, cele ale terminalelor , fapt care constituie o sursă de reducere a fiabilitătii asamblării.

Figura nr. 2.1 Condensator ceramic S.M.T. și T.H.T.

Idea montării pe suprafață a componentelor nu este nouă. Primele componente S.M.D. așa numitele flat packs sau capsule plate, într-o traducere aproximativă, au fost utilizate la circuitele hibrie în ani 1970.

Metodele de proiectare și echipamentele tehnologice ale tehnologiei montării pe suprafață actuale însă diferite de cele de atunci. Tenologia actuală necesită regândirea profundă a proceselor tehnologice alături de o infrastructură corespunzătoare care să le susțină.

În stadiul actual de dezvoltare nu toate componentele sunt disponibile în variantă S.M.D. și de aceea, procesul tehnologic trebuie să permită și utilizarea componentelor cu montare prin inserție.

Există trei mari categorii de module S.M.T. numite Tipul I, Tipul II, și Tipul III. Ordinea operațiilor și procesarea sunt diferite pentru fiecare tip și fiecare variantă necesită echipament diferit. Tipul I de subasamblu care conține numai componente cu montare pe suprafață, mai este numit si S.M.T. pur. Poate exista varianta echipată pe o față sau pe ambele. Tipul III de subansamblu S.M.T. conține numai componente discrete cu montare pe suprafață (cum ar fi rezistoare, pe fața superioară fiind componente T.H.T.). Tipul III de model reprezintă o combinație între tipurile I și II. De regulă, nu conține nici o componentă S.M.D. integrată pe partea inferioară, conține componente discrete lipite pe această parte.

Complexitatea modurilor electronice S.M.T. poate fi crescută prin utilizarea alături de componentele S.M.D. clasice cu pitch-ul de 50 de mii (1000 mils=1 inch; 50 mii=1,27mm) a componentelor fine pitch (0,5 mm) cu număr mare de terminale fi rezistoare, pe fața superioară fiind componente T.H.T.). Tipul III de model reprezintă o combinație între tipurile I și II. De regulă, nu conține nici o componentă S.M.D. integrată pe partea inferioară, conține componente discrete lipite pe această parte.

Complexitatea modurilor electronice S.M.T. poate fi crescută prin utilizarea alături de componentele S.M.D. clasice cu pitch-ul de 50 de mii (1000 mils=1 inch; 50 mii=1,27mm) a componentelor fine pitch (0,5 mm) cu număr mare de terminale sau ultra fine pitch (sub 0,5 mm) de tipul QEP (Quard Fiat Pack), BGA (Ball Grid Array) sau a componentelor discrete chip cu dimensiuni mici de tipul 0603, 0402, 0201 etc. Detalii privind codificarea componentelor S.M.D. vor fi date odată cu descrierea principalelor tipuri. Subansamblurile S.M.T. complexe din ultima categorie amintită se vor numi Tip IC, Tip IIC și Tip IIIC. Această descriere a variantelor de module S.M.T. nu este universal acceptată, dar este mai utilizată în industria electronică.

Componentele cu monate pe suprafată de tipul pasiv sau activ nu diferă funcțional de componentele cu terminale pentru inserție (T.H.T.), componentele devin acum clasice. Ceea ce le diferențiază este varianta diferită de package (încapsulare) a celor două. Componentele S.M.D. asigură o densitate mare de echipare a circuitelor, în mod special prin dimensiunile reduse ale acestora. Reducerea dimensiunilor este benefică nu numai pentru economisirea spatiului pe placa de circuit imprimat dar și pentru reducerea elementelor parazite ale componentelor, componentele S.M.D. având astfel performanțe electrice superioare, acest lucru fiind valabil atât pentru componentele active cât și pentru cele pasive.

O altă caracteristică comuă componentelor S.M.D. este sloicitarea termică sporită a lor față de componentele T.H.T. în timpul procesului de lipire. Această solicitare le face mai sensibile la apariția de crăpături datorită umidității. Crăpăturile se produc atunci când umiditatea acumulată în componentă este eliberată brusc la apariția șocului termic provocat de procesul de lipire. Pe de altă parte, la lipirea prin procedeul reflow, terminațiile componentelor S.M.D. sunt mai puțin solicitate termic decât terminalele componentelor T.H.T. la lipirea în val, temperatura componentelor S.M.D. în timpul lipirii fiind mai redusă. De aceea, cerințele privind solderabilitatea sunt mai mari pentru componentele S.M.D. Acest fapt este accentuat și de tendința actuală de diminuare a utilizarii fluxurilor active la asamblarea componentelor S.M.D..

Altă caracteristică a componentelor S.M.D. este faptul că, datorită dimensiunilor mici, marcarea acestora este dificilă, în special pentru componentele discrete. Dacă se pierde posibilitatea de identificare a acestora, atunci de cele mai multe ori componentele nu se mai utilizează. Desigur, este posibilă măsurarea lor, dar este o operație mare costisitoare de timp. Dimensiunile mici ale componentelor și posibilitățile limitate de identificate fac ca să se prefere plasarea automată a acestora.

Componente pasive S.M.D.

În cea ce privește componentele pasive S.M.D. există câteva categorii importante cum ar fi rezistoare în straturi groase sau cu peliculă metalică, condensatoare ceramice, condensatoare electrolitice cu tantal, atături de care se impun și mai noile venite condensatoare cu folie, condensatoare electrolitice cu aluminiu, rezistoare (semi)reglabile, condensatoare (semi)reglabile, inductoare, ș.a.

Formele cele utilizate ala componentelor pasive sunt cele dreptunghiulare și cilindrice. Componentele pasive S.M.D. au fost foarte repede asimilate și utilizate în produse deoarece ocupă pe cablajul imprimat un spațiu egal cu jumatate din cel necesar pentru o componenta T.H.T.. În plus, ele se pot plasa pe fața inferioară a circuitului imprimat ca în cazul placilor S.M.T. de tip II și III. Masa acestor componente este de circa 10 ori mai mică decât a componentelor similare cu terminale. Componentele S.M.D. au fost ulilizate pe scară largă în Japonia pentru industria bunurilor de larg consum și în SUA în industria automobilelor, prețul lor scazând sub prețul componentelor T.H.T..

Rezistoare S.M.D.

Cele mai ulilizate tipuri de rezistoare pentru montarea pe suprafață sunt rezistoarele cu formă prismatică rectangulară, rezistoare cunoscute sub numele de chip.

În prezent se utilizează două mari categorii de rezistoare dreptunghiulare pentru montarea pe suprafață: cu straturi groase (thick-film, engl.) și cu straturi subțiri sau cu peliculă metalică (thin film, engl.).

Rezistoare cu straturi groase S.M.D. sunt realizate prin depunerea serigrafică a unei paste rezistive pe un substrat plan de alumină cu puritate de 96%. Toleranța dorită se obține prin ajustare cu laser. La rezistoarele cu straturi subțiri elementul rezistiv este o peliculă de aliaj (de obicei Ni-Cr) pulverizată în vid pe un substrat izolator din alumină de înalta puritate, mai bună de 99,6%.

În figura nr. 2.2 se observă elementul rezistiv aflat pe substratul ceramic. În partea superioară există o glazură sticloasă de protecție sau de pasivare. Contactarea terminalelor se face prin intermediul uni strat de aderență depus, utilizând o pastă de Ag-Pd. Terminalele sunt reprezentate de un strat de lipire din Sn-Pb cu un procent mai mare de Pb decât aliajul eutectic. Acest strat este depus de regulă prin imersarea componentei în topitură sau în soluție chimică. Stratul de barieră de nichel are un rol deosebit în a preveni dizolvarea stratului de argint sau de aur în aliajul de lipit ca urmare a încalzirii din timpul lipirii.

figura nr. 2.2 Construcția rezistorului S.M.D. tip „chip”

Specificarea rezistoarelor “chip” se face prin denumirile stabilite de standardele E.I.A. (Electronic Industries Association). Denumirile reflectă dimensiunile componentelor exprimate în sutimi de inch. De exemplu, rezistorul cu codul 1608 în sistemul metric are lungimea de 1,6 mm și lațimea de 0,8 mm, fiind practice echivalent cu tipul 0603 în codificarea E.I.A..

Deși tipurile de componente pot varia de la producător la producător se poate generealiza că rezistoarele 0201/0402 au puteri nominale de 1/4W, 0402/0603 de 1/16 W, 0805 de 1/10 W, 1206 de 1/8W și 1210 de 1/4W. Pentru rezistoarele jumper curentul nominal este de 1A pentru tipurile 0402, 0603, 0805 și de 2A pentru tipul 1206. Dimensiunile acestor componente se pot observa în figura nr. 2.3 și tabelul nr. 2.1.

Rezistoarele S.M.D. se livrează de regulă în benzi și role („tape and reel”) sau vrac (bulk, engl.). În general, pentru rezistoarele mai mari ca 0805 valoarea nominală se marchează, iar pentru dimensiunile mai mici ca 0603nu. Marcarea se realizează codificat respectând în general standardele internaționale, dar pot fi întâlnite și coduri specifice de firmă, și pentru înlăturarea evenimentelor ambiguitați ce poate să apară, este indicat ca pentru fiecare tip de componentă să fie consultat catalogul firmei producătoare, unde este prezentat modul de marcare.

O variantă a codului de marcare constă din exprimarea cifrelor semnificative ale rezistenței nominale și a unui multiplicator.

Pentru toleranțe de ±20%, ±10%, ±5%, respectiv pentru rezistoare cu valori nominale conform seriilor E6, E12 si E24 pentru exprimarea valorii nominale sunt necesare două cifre semnificative iar codul folosit este de forma :

XYM

unde: X este prima cifră semnificativă , Y a doua cifră semnificativă iar M este ordinal de multiplicare (puterea lui 10) sau numarul de zerouri după primele două cifre X și Y . Valoarea obținută este exprimată în Ω. Această codificarea se poate utiliza numai pentru valori nominale mai mari decât 10 Ω. Pentru valori sub 10Ω se utilizează litera R ca punct zecimal.

Pentru toleranțe mici de ±2.5%, ±2%, ±1%, etc. fiind necesare trei cifre semnificative la exprimarea valorii nominale codul folosit are patru digiti și este de forma:

XYZM,

Cu, X, Y, Z cifre semnificative iar M ordinal de multiplicare. Și în acestă variantă pentru marcarea rezistențelor de valori mici, litera “R” are rolul punctului zecimal.

În tabelul nr. 2.2 sunt prezentate câteva exemple de marcare cu cele două variante sus-amintite. În cazul în care valoarea nominală necesită marcarea cu patru digiți iar rezistorul are dimensiuni mici, se utilizează o marcare pe corpul rezistorului după standardul E.I.A.-96 care reduce marcarea cu un digit. Conform acestei codificări numărul de ordine al unei valori nominale în serie de valori E96 codifică chiar valoarea respectivă. Acest număr este cuprins între 1 și 96 și formează primii doi digiți ai codului de-al treilea digit fiind de fapt o literă cu rol de multiplicator.

Figura nr. 2.3 Dimensiunea rezistoarelor “chip” S.M.D.

Tabelul nr. 2.1 Dimensiunile standardizate (inch)

Tabelul nr. 2.2 Exemple de marcare a rezistoarelor S.M.D. CIP

Rezistoare S.M.D. „cpi” prezintă pe suprafața superioară culoarea stratului de pasivare (negru, albastru, verde) iar pe cea inferioară culoarea materialului substratului (albă) și se pot deosebi de condensatoare care au aceeași culoare pe ambele fețe (de regula gri , maro, albastru, violet). Diferențe esențiale există însă în înalțimea condensatoarelor. Dimensiunea condensatoarelor este impusă de grosimea dielectricului. Au fost sugestii de a realiza rezistoarele la aceeași dimensiune cu condensatoarele, dar acest lucru înseamna pierdere de material. Înalțimea diferită a condensatoarelor face ca pastilele de lipire („land pattern”) să fie diferite pentru rezistoarele și condensatoarele „chip”, chiar dacă au aceleași dimensiuni plane.

Condensatoare S.M.D.

Condensatoare S.M.D. ceramice multistrat

Pentru varianta S.M.D., se utilizează în cvasitotalitatea cazurilor condensatoare ceramice multistrat „chip” cunoscute sub denumirea MLC (Multilayer Chip Capacitor). Aceste condensatoare s-au impus pentru capacitatea specifică mare obținută, fapt ce permite o mai bună utilizare a suprafeței disponibile pe placa de circuit imprimat. Construcția acestor condensatoare este prezentată în figura nr. 2.6.

Figura nr. 2.6 Condensator ceramic multistrat

Condensatoarele multistrat ceramice sunt construite prin stratificarea unor folii dielectrice ceramice care prezintă depuneri conductoare metalice, cu rol de armaături, folii aflate în starea „verde”- („green tape” din engleză). Depunerea armăturilor se realizează prin serigrafie și este concepută astfel încât, după tăierea foliilor, la un capăt să existe un spațiu de gardă, după cum se poate observa în figura nr. 2.7.

figura nr. 2.7 Depunerea armăturilor

Foliile se aranjează apoi astfel încât zona terminată să alterneze. Forma finală „chip” se obține după presare, tăierea și tratament termic (sinterizare) la circa 1200°C. Pentru contractare, se utilizează ca și în cazul rezistoarelor un strat de argint sau argint-paladiu urmat de un strat de barieră de nichel, strat peste care se realizează metalizarea finlă cu Sn-Pn sau Sn, în funcție de cerințele de lipire. Depunerea de nichel provine dizolvarea stratului de argint în stratul exterior de Sn-Pb sau Sn.

Materialele ceramice de tip I sau II fiind cele mai utizate la fabricarea condensatoarelor determină și modul de utilizare în circuit : condensatoare cu rol de de control (al frecvenței, al duratei impulsurilor, etc.) respectiv condensatoare de filtrare / decuplare . Pentru aplicații unde se cere o bună stabilitate într-un domeniu extins de temperatură se utilizează condenstoarelele cu dielectric ceramic de tip I. În aplicații unde este necesar să utilizăm o capaciatate mai mare concentrată într-un volum mai mic, iar stabilitatea acestuia cu temperatura este mai puțin importantă se utilizează condensatoarele de tip II.

Așa cum s-a atras atenția în articolul precedent, dimensiunile plane ale condensatoarelor ceramice „chip” sunt aceleași cu cele ale rezistoarelor. Există însă deosebiri în ceea ceprivește înălțimea acestor componente, condensatoarele având înălțimea dublă față de cea a rezistoarelor. Înălțimea diferită a condensatoarelor face ca pastilele de lipire („land pattern”) să fie diferite pentru condensatoare și rezistoar, chiar dacă au aceleași dimensiuni plane.

În ultimul timp, condensatoarele ceramice multistrat, în special cele produse de firme importante se marchează printr-o inscripționare cu laser. Codul conține una sau două litere și o cifră. Prima literă, care poate lipsi, este codul producătorului (de exemplu A pentru AVX, V pentru Vishay Vitramon, ș.a.) Cea de-a doua literă exprimă cifrele semnificative ale valorii capacității, iar cifra reprezintă codul multiplicatorului adică puterea (exponentul) lui 10 necesar pentru a exprima capacitatea în picofarazi.

În cea ce privește indentificarea tipului condensatoarelor S.M.D. ceramice multistrat care nu sunt marcate se poate folosi ca indiciu culoarea corpului lor, care este de regulă culoarea dielectricului. Condensatoarele tip I pot avea culorile : gri, alb, violet, maro-roșiatic iar cele de tip II maro-roșiatic sau maro închis.

Condensatoarele multistrat ceramice sunt componente destul de fiabile, dar pot prezenta în timp crăpături, în special în zona terminalelor. Aceste crăpături (cracks) pot fi cauzate de suprasolicitare termică (la lipirea în val) sau suprasolicitare mecanică. Solicitările mecanice excessive se pot datora fie lipirii defectuoase, fie cu aliaj de lipire distribuit neuniform sau în exces.

Condensatoarele ceramice sunt livrate uzual în benzi (role), dintre care cea mai răspândită este cea de 8 mm. Există și varianta de livrare în vrac într-o cutie (casetă) care se poate atașa la mașina de plantare automată.

Condensatoare S.M.D. cu folie

În varianta pentru montarea pe supratață au fost realizate și condensatoarele cu folii plastice dielectrice. Construcția cea mai convenabilă a fost cea cu folii metalizate, iar diversele materiale posibile cel mai utilizat este polisterul sau polietilentereftalatul cunoscut sub denumirea comercială de mylar.

Condensatoarele cu folie în varianta S.M.D. sunt condensatoarele de uz general care se utilizează în aplicațiile de curent alternativ sau contiunuu de joasă și medie tensiune sunt cerințe deosebite privind miniaturizarea. Aplicațiile tipice sunt în domeniul auto, telecomunicații și în domeniul aplicațiilor industriale de conversie a energiei.

Capacitatea condensatoarelor cu mylar variază considerabil cu temperatura, fiind de circa ± 5% pe întregul interval al temperaturilor de lucru, interval care este în general cuprins între -55 °C și + 100°C, existând și condensatoare cu limita maximă de temperatură de + 125°C.

Construcția condensatoarelor de bazează pe o structură stratificată (multistrat) neprotejată de folii de mylar metalizat, rezistent la temperaturi ridicate, rezultând în final o formă de tip „chip” care este prezentată în figura nr. 2.8 (a). Este posibilă să se realizeze și o variantă protejată prin mulare în rășină, ca în figura nr. 2.8 (b).

figura nr. 2.8 Condensator chip cu peliculă de polister, variantă neprotejată și condensator S.M.D cu peliculă de polister în varianta mulată în rășină

Condensatoarele electrolitice cu tantal

Condensatoarele electrolitice cu tantal în varianta S.M.D. se utilizează atunci când în aplicații se dorește o capacitate mare și stabilă. Varianta constructivă care s-a impus în practică este varianta cu corp plastic mulat cu terminale îndoite sub corpul componentei. Condensatoarele de acest tip (condensatoare mulate-„Molded Capacitors”) mai sunt numite tip cărămidă („brick”). Corpul condensatoarelor mulate prezintă o teșitură ca o indicație a polarității. Construcția acestui tip de condensator poate fi urmărită în figura nr. 2.9.

figura nr. 2.9 Construcția condensatorului S.M.D. cu tantal

Construcția condensatorului cu tantal în varianta T.H.T., fiind construit în jurul electrodului anodic din tantal sintetizat. Există două clase de valori numite standard și extinsă, în fiecare clasă fiind patru dimensiuni ale capsulei codificate cu literele de la A la D.

Capacitatea condensatoarelor cu tantal variază de la 0,1 la 100 nF iar tensiunea nominală de la 4 la 100 Vcc.

Este de remarcat că diferite firme produc condensatoare cu tantal de mici dimensiuni în varianta „cip”, figura nr. 2.10, asemănătoare condensatoarelor ceramice, de regulă cu codurile 0603 și 0805.

Figura nr. 2.10 Condensatoarele cu tantal varianta „cip”

Acest tip de condensatoare se realizează de regulă pentru tensiuni nominale mici (<10V), dardiferența de dimensiuni față de varianta mulată în plastic este evidentă. Marcarea polarității la aceste componente se face cu o bandă colorată.

Condensatoare electrolitice cu aluminiu

În varianta S.M.D. sunt disponibile și condensatoare electrolitice cu aluminiu. Ele au dimensiuni ceva mai mari decât condensatoarele electrolitice cu tantal, la aceleași capacității și tensiuni nominale. De asemenea, parametrii electrici cum ar fi variația cu temperatura și curentul de fugă sunt inferiori condenastoarelor cu tantal. Condensatoarele electrolitice cu aluminiu de utilizează însă acolo unde nu este posibilă utilizarea condensatoarelor cu tantal.

Condensatoarele electrolitice cu aluminiu se pot utiliza în circuite de alimentare sau în alte circuite cu solicitarea în impulsuri.

Există două variante constructive mai importante, tip cărămidă- „brick”, asemănător tipului cu tantal mulat, având corpul orizontal și de tipul cu placă de bază, cu corpul vertical. În figura 2.11. se poate observa construcția variantei mulate în plastic.

figura nr. 2.11. Construcția condensatoarelor electrolitice cu Aluminiu SM.D. cu montare orizontală

Condensatorul este realizat prin bobinarea a două folii de aluminiu având foi de hârtie ca izolator. Bobina impregnată în acest caz tubul de aluminiu ce conține condensatorul propriu-zis se atașează unei plăci de bază de plastic, cu rol în susținerea terminalelor și fixarea pe plca de circuit imprimat.

Inductoare S.M.D.

Inductoarele montate pe suprafață sunt utilizate în general în aplicații unde se cere o mare densitate de echipare. În unele aplicații de înaltă frecvență, inductoarele monatet pe suprafață pot oferi performanțe similare unor inductoare T.H.T. Desigur, componentele S.M.D. fiind limitate ca dimensiuni, nu se pot obține valori foarte mari ale inductanței sau a factorului de calitate.

În prezent, există două variante de realizare a inductoarelor în variantă S.M.D.: inductoare având conductorul bobinat și inductoare multistrat.

Inductoarele S.M.D. cel mai des utilitzate în prezent sunt de tip clasic, cu fir bobinat. Pentru valori mari ale inductanței se utilizează bobinajul cu miez de ferită, de cele mai multe ori sub forma unui mosor. Pentru utilizarea la frecvențe înalte se utilizează ca suport un material nemagnetic, de obicei alumină. Utilizarea materialelor nemagnetice este impusă de faptul că proprietațile materialelor magnetice se modifică substanțial peste o frecvență de câșiva MHz.

Construcția inductoarelor S.M.D. bobinate poate fi următită în figura nr. 2.12 (a). Inductoarele bobinate pentru frecvențe medii ți joase cu miez de ferită sunt de obicei mulate în rășină, inductorul S.M.D. având aspect similar cu cel al condensatoarelor cu tantal mulate, după cum se poate observa în figura nr. 2.12 (b). Există însă și variante neîncapsulate, la care miezul magnetic de ferită este vizibil, acesta fiind cazul inductoarelor penru curenți mari.

figura nr. 2.12 Structura inductoarelor S.M.D. bobinate cu miez nemagnetic și cu miez magnetic

ALTE COMPONENTE PASIVE S.M.D.

Alături de familiile clasic de componente pasive amintite până acuma, se utilizează o gamă extrem de variată de alte componente electronice pasive sau componente electromecanice pentru montarea pe suprafață. Există astfel, rezistoare variabile, condensatoare reglabile, termistoare, varistoare, comutatoare, conectoare, socluri, rezonatoare piezo-electrice, siguranțe fuzibile, etc. Aceste componente, chiar dacă nu au modificări spectaculoase ale construcției față de varianta T.H.T. trebuie sa reziste trecerii prin cuptorul de lipire, fiind asadar utilizate materiale plastice cu punct de topire mai mare decât al materialelor utilizate în cazul componentelor clasice.

Domeniul componentelor pasive compatibile cu tehnologia S.M.T. este foarte dinamic și în plină ascensiune. În prezent apar în revistele de specialitate la fiecare editie noutăți privind componentele S.M.D., numai trecerea lor în revistă fiind o sarcină dificilă. În figura nr. 2.14 sunt prezentate câteva componente S.M.D..

Componente active S.M.D.

Diode S.M.D.

Odată cu larga utilizare a componentelor pasive S.M.D., pentru a avea o anumită omogenitate a procesului tehnologic de asamblare, au fost cerute de industrie și componente active în variantă S.M.D.. Diodele au fost componente ușor de adaptat pentru montarea pe suprafață și au fost realizate în acest scop diverse variante constructive, unele variante fiind derivate din componentele utilizate în corcuitele hibride. Cu trecerea timpului, câteva din capsule s-au impus în utilizare. Acestea sunt prezentate în figura nr.2.14.

figura nr. 2.14 Diode S.M.D

Capsula cilindrică MELF- Metal Electrode Face este similară cu cea utilizată pentru rezistoare. În cazul diodelor MELF capsula are un corp de sticlă cu electrozi metalici la capete, pentru lipire.Cei doi electrozi metalici conectează de asemenea structura de siliciu care este prevăzută cu bumbi de lipire. Pentru diodele MELF există două variante, identificate ca MLL 34 (SOD-80) și MLL 41 (SOD 87).

Dimensiunile în inch ale capsulelor dielectrice MELF sunt prezentate în figura nr. 2.15

figura nr. 2.15 Dimensiunile în inch ale capsulelor dielectrice MELF

TRANZISTOARE „SMALL OUTLINE”

Tranzistoarele „Small Outline” au fost printre primele componente active utilizate la monatrea pe suprafață. Tranzistoarele sunt disponibile în capsule cu trei sau patru terminale, identificate ca S.O.T. (Small Outline Tranzistor), vezi figura nr. 2.16

Figura nr. 2.16 Capsule pentru tranzistoarele cu montare pe suprafață tip SOT (cele mai utilizate tipuri)

Componente Active Integrate S.M.D.

Capsule folosite la integrate S.M.D.

Evoluția în domeniul capsulelor compoentelor active integrate a fost rapidă. Evoluția rapidă a capsulelor a fost o consecință a cererii de componente cu un număr cât mai mare de terminale având dimensiuni cât mai reduse.

Dacă în ani 1970 capsula standard DIP (Dual In-line Package) domina familia circuitelor imprimate, în prezent se utilizează circuite în capsule de tipul BGA, TAB, CSP, toate fiind compatibile cu tehnologia montării pe suprafață.

În figura nr. 2.17. sunt prezentate diferite familii de capsule ale componentelor active S.M.D. Capsulele ceramice, mai performante sunt scumpe și sunt utilizate în special în domeniul militar.

figura nr. 2.17 Capsule S.M.T. [24]

Capsulele cele mai răspândite în aplicații unde nu sunt cerințe speciale de etanșeitate sunt însă cele din material plastic. Dacă în cazul capsulelor ceramice pot apărea crăpături datorită diferențelor dintre coeficienții de dilatare ai substratului și ai capsulei, în cazul capsulelor plastice crăpăturile apar în special datorită umidității acumulate în interior.

Producția de serie pentru plăci electronice

Generalitați

[4] Producția de serie este procesul tehnologic prin care se creează un număr mare de copii ale unui produs cu ajutorul unor linii de producție. Liniile de producție se bazează pe un process secvențial prin care produsul este creat pas cu pas. Astfel linia este împărțită în mai multe secvențe sau stații la care ajunge produsul parțial complet și la care operatorii stației fac o faza bine definită pentru a duce produsul de la nivel de componente individuale la un ansamblu funcțional ce poate fi testat și folosit pentru scopul proiectat. Pentru a crește productivitatea si numărul total de unitați ce pot fi produse in unitatea de timp, se prefera acest tip de process secvențial în detrimentul unui process prin care un operator creează si asamblează întreg produsul.

Punctul forte al producției de serie este linia de producție care este puternic tehnologizată. Aceasta se bazează pe mașini si roboți sofisticați si performanți care au menirea atât să ofere o productivitate de zeci de ori mai mare decât a unui process manual dar și să ofere soluții de proces ce nu pot fi efectuate manual.

Dat fiind acest aspect rezulă automat faptul că producția de serie este un process ce necesite un capital foarte mare atat pentru aparatura implicată cât si pentru consumul de resurse (energie electrică, petrol, gaz metan, etc.) ridicat. De aceea de fiecare data cand este vorba de producția de masa a unui echipament electronic specific se efectuează un studiu complex prin care se determină dacă producția lui in serie este profitabilă, comparândus-se potențialul de piața al produsului si costurile ridicate de producție.

In concluzie putem spune ca evoluția producției a fost posibilă în special datorită evoluției tehnologiei ce a permis creerea mașinilor de productie de serie fără de care nu se poate vorbi de o linie de producție de seria de echipamente electronice.

Linia de producție a plăcilor elecronice

În cele ce urmează se vor prezenta procesele și mașinile unei linii de SMT.

Schema bloc de mai jos surprinde zona de SMT cu mașinile de bază:

Încercuit cu rosu este prezentat punctual focal al acestei lucrări, mașina de plantatre automatizata de componente electronice. În linea de producți prezentată se observa prezența a 3 astfel de mașini și se bazeaza pe design-ul liniei de producție în funcție de placa electronică.

Aplicarea Pastei de cositor pe plăci

Procesul de aplicare a pastei de cositor este unul automatizat si foarte eficientizat și se bazează pe o mașina ce aplica automat pasta pe fiecare placă sau panou de plăci. Pasta de cositor vine într-un tub special ce este tinut la rece(temperatură controlata strict) si mai apoi este încărcat în masină. Plăcile pot fi singure sau în funcție de dimensiunile lor pot fi legate laolaltă formând panouri de plăci. Acestea sunt despachetate si încărcate în prealabil de catre un operator ce le pregătește pentru a porni procesul de montare a dispozitivelor SMD.

Mașina de aplicare a pastei integrează o electronică foarte performantă și oferă soluții automatizate de control al, vitezei, cantitații de pastă aplicată, nivelului pastei și al altor parametrii toți controlabili cu ajutorul unui ecran de tip tactil ce este conectat la computerul mașinii care are încărcat un software performant de control al electronicii integrate.

Procesul de aplicare a pastei se bazează in mare prin aplicarea unei matrițe cu aperturi în zonele în care se dorește pasta pe placă, de dimensiunile necesare, deasupra placii la o distanță cntrolată de mașină. Mai apoi capul ce aplică pasta trece peste matriță lăsând pasta să treacă prin aperturile matriței și sa se aplice pe zonele metalice dorite ale plăcii electronice.

Mai jos este prezentată o imagine din interiorul unai mașini de aplicare a pastei:

Conveioare automate

Se observa si de pe harta prezentată in figura 3.1 că între mașinile liniei de SMT se găsesc mai multe sisteme de conveioare automate ce transportă plăcile electronice de la o mașină la alta, dintr-un process in altul. Punctul cheie este setarea vitezei conveioarelor ca acestea ca poată să lucreze sincron cu mașinile pe care le leagă. De asemenea aceste conveioare au senzori optici de prezentă ce detectează atunci când plăcile ies din mașină și ajung pe conveior astfel inițiând transportarea acestora spre mașina următoare. De asemenea aceste conveioare pot sa aibă montate ventilatoare sau ionizatoare în funcție de necesitațile procesului sau fazei în care sunt amplasate.

Inspecție automată a pastei

Inspecția automată a pastei se face cu o mașină automatizată în vederea creșterii eficienței procesului. Principiul de funcționare are la bază un cap de inspectare acționat pneumatic ce conține mai mulți senzori optici si pneumatici de pozitionare si măsurare și ca element principal un sensor optic de tip camera de fotografiat ce are capabilitați de măsurare tridimensionale. Acest aspect este foarte important deoarece nu este suficientă doar detecția prezenței sau absenței pastei de cositor ci în cele mai multe zone de pe placă interesează și cantitatea de pastă măsurată volumetric de către sensor. Mașina este setată și controlată de un computer al mașinii ce are instalat un software ce acționează capul de inspecție și conveiorul ce aduce placa electronică în punctual de inspecție. Software-ul permite setarea si modificarea parametrilor de inspecție cum ar fi viteza de inspecție distanțele și zonele ce trebuiesc măsurate. Toate aceste setări modifică de fapt felul în care sunt acționate elementele mobile ale mașinii de către valorile primite de la senzorii de care aceasta dispune.

Masina de Plantare de componente

După ce placa electronică a trecut prin procesul de aplicare si inspecție a pastei de cositor conveioarele o vor aduce în următoarea fază a procesului de populare cu componente SMD. Această fază este faza de plantare de componente. Este de asemenea o fază automată facută cu mașini de plantare de componente ce integrează electronică performantă. Aceste mașini sunt folosite pentru plantarea componentelor de diferite tipuri (rezistori, condensatori, integrate, etc.) cu precizie ridicata si viteză ridicată.

În imagnea de mai jos este fotografiată o mașina de plantare de componente SMD cu scopul de a arăra părțile constituente importante.

Capul de plantare al mașinii este un ansamblu de senzori optici și elemente pneumatice de deplasare și fixare a capului dar și a componentelor. O descriere mai detaliată a unui cap de plantare va fi făcută în capitolul 4.

Conveiorul este elementul principal pentru poziționarea plăcii în zona de plantare recunoscută de mașină. Pozitionarea este facută cu ajutorul senzorilor optici de prezență și masurare a distanței a căror achizitie de date serveste la acționarea elementelor macanice ale conveiorului precum role sau chiar șine.

Dispozitivele de alimentare sunt de doua tipuri după cum se vede și în imagine. Un tip este pentru alimentare cu componente electronice SMD ce se găsesc pe role. Acestea sunt conectate la mașină a cărei software controleaza viteza de alimentare cu componente șincronizănd-o cu prezența capului de plantare pentru ridicarea componentei. De asemenea acest dispozitiv mai execută și funcția de desfacere a foliei protectoare ce acoperă componentele. Celălalt tip de dispozitiv de alimentare este u platformă pe care sunt fixate tăvi cu componente. Aici mașina controleaza amplasarea tăvilor în zona de ridicare iar printr-un senzor optic capul de plantare va identifica prezența și locația componentei în tavă. Majoritatea companiilor de producție de componente folosesc aceste doua tipuri de împachetare, rolă sau tavă, deoarece mașinile de plantare funcționează pe baza alimentarii de acest fel. Mai există și posibilitatea ca un tip de componentă să fie împachetată în pungi sau în învelișuri plastice de tip bagheta, însă aceste metode nu pot fi folosite pentru producția de serie deoarece mașinile nu suportă alimentarea din acest tip de pachete. Principalul motiv este faptul că electronica necesară alimentarii componentelor ar complica și mai mult mașina, complicare ce nu se justifică datorită faptului ca există mașini ce pot sa pună componentele din pungi sau baghete pe role.

Calculatorul mașinii de plantare este un computer ce dispune de numeroase plăci de achizitie de intrare și ieșire necesare actionării elementelor electronice ale mașinii. De asemenea este suportul hardware pentru software-ul mașinii de plantare. Acest software este vital pentru control deoarece el face posibilă setarea complexă a mașinii pentru fiecare placă electronică în parte. Setarea mașinii se face prin importarea unor fișiere de tip .gbr ce conțin date dimensionale si de pozitionare a componentelor și a placii. După importare inginerii specialiști în aceste mașinii fac ultimele setări ce tin de tipul de alimentare al fiecărei componentă și de asemene setari de acuratețe unde este nevoie. Ecranul și dispozitivele de intrare ale calculatorului sunt folosite atât la setarea mașinii cât si la controlul acesteia în timpul producției.

În linia de SMT, după cum se poate observa și în harta prezentată mai sus, se pot folosii una sau chiar mai multe mașini de plantare pozitionate în serie. Se utilizează astfel de amplasării datorită faptului că unele plăci electronice ale echipamentului produs pot sa aibă un număr foarte mare de componente SMD și o singură mașină de plantare nu poate să asigure spatiu suficient pentru toate dispozitivele de alimentare. Astfel totalitatea componentelor este împarțită intre mașinile de care se dispune pe linie. Această împarțire este setată în faza de introducere a echipamentului și este salvată în memoria mașinii sau chiar pe un server din rețea, ca mai apoi să fie utilizată de fiecare dată când se produce placa respectivă.

Procesul de Lipire. Cuptorul

Dacă până în acest punct pasta de pe placă era încă in stare vascoasă, după ce au fost plasate componentele pe pasta vascoasă este timpul ca acestea să fie lipite pe placă. Procesul de lipire constă în trecerea plăcilor printr-un cuptor ce incălzeste pasta la temperaturi de până la 350° C, după răcire aceasta devenind solidă, sudând astfel componentele pe placă.

Acest proces este unul controlat îndeaproape, cuptorul utilizat având presetat un profil termic special pentru placa electronică ce se produce în serie. Profilul termic al cuptorului cuprinde pe lânga temperaturile la care se încalzește placa si viteza cu care aceasta trece prin cuptor find un proces complet replicabil.

Din punct de vedere constructiv, cuptorul dispune de un calculator ce rulează software-ul specific cuptorului, un conveior ce trece plăcile prin cuptor, controlat de software, mai multe zone verticale de încălzire, si una sau mai multe zone verticale de răcire. Pe lănga acestea mai dispune de senzori de masurare a temperaturii si de detecție a plăcilor astfel încât sa poata afișa pe ecran, pe tot parcursul procesului de lipire, o statistică completă a parametrilor din cuptor.

După lipire plăcile sunt răcite înainte să iasă din cuptor fiind aduse la temperaturi joase ce asigură finalizarea lipirii. Un conveior va prelua placa de la ieșirea din cuptor și o va transporta spre ultima fază importantă a procesului de populare a plăcii electronice cu componentele SMT.

Inspecția optică automată

Ultima fază a liniei de SMT este cea de inspecție a plăcilor ce au trecut de cuptor, deci au toate conponentele electronice SMD lipite pe placa electronică.

Procesul de inspecție este efectua de asemenea automat de o mașină de inspectie optică automată. Acest echipament se bazează pe o electronică integrată de foarte mare prezie ce integrează senzori optici performanți. Similar cu mașina de plantare a componentelor, și aceasta mașină dispune de un cap , de inspectare de această dată, care integrează o mare parte din electronica mașinii. Elementul de bază este o cameră performantă ce fotografiază toate zonele de interes ale plăcii inspectate.

O importanță la fel de mare ca și capul de inspecție o are și computerul mașinii, în speța software-ul instalat. Si de această dată computerul dispune de plăci de achizitie performante ce primesc datele de la senzori si trimit date spre elementele pneumatice de acționare. Software-ul execută compararea tuturor imaginilor preluate de senzor cu imagini salavte in prealabil la setarea mașinii. Orice defect găsit este înregistrat pentru serialul plăcii în sistemul de rețea al liniei, astfel informația cu privire la defectele înregistrate este facută disponibilă, printr-o simplă scanare, operatorilor sau tehnicienilor ce vor diagnostica sau repara placa.

Zona de PTH

Această zona din linia de producție de serie a unui echipament electronic are rolul de a popula plăcile electronice ale echipamentului cu componentele de tip PTH (Pin Trough Hole) si de a le lipii mai apoi. La fel și aici se gasesc integrate soluții ingenerești ce folosesc senzori inteligenți pentru eficientizare si automatizarea procesului. Aceasta zona este din ce in ce mai putin prezentă în noile proiecte deoarece odată cu evoluția tehnologiilor de integrare a componentelor electronice se renunță pe cat posibil la componentele conectate cu pini, ce necesită montarea în găuri create prin placă, acestea fiind prezente doar unde nu pot fi găsite alte soluții de inlocuire a lor cu componente de tip SMD, montate pe suprafață.

Mai jos se prezintă o posibilă dispunere a stațiilor si mașinilor pentru zona de PTH a unei linii de producție de serie a echipamentelor electronice.

Atât in figura 3.4 cât și în figura 3.1 am prezentat un design de linie de producție pentru plăci electronice ce a fost creeat în perioada de introducere a unei plăci noi. Mașinile au fost amplasate si softul aplicativ pe care automatizarea procesului este bazat, au fost create de echipa de ingineri de producție în funcție de schema electronica a plăcii de produs si de asemenea în funcție de componentele electronice ce trebuiesc utilizate pe această placă.

Componente PTH și procesul de inserție

Componentele PTH sunt acele componente care se conectează în circuitele plăcii electronice cu ajutoril unor conectori de tip pin, ce intră prin găuri realizate pe placă electronică și sunt lipite pe partea opuse plasării lor. Deși se dorește inlocuirea lor cu componente de tip SMD care sunt mult mai usor de populat pe placă și ocupă un spațiu mai redus, există cazuri în care nu se pot realiza eficient alternative de înlocuire. Spre exemplu componentele precum capacitori de putere, bobine mari de filtrare, conectori, butoane nu pot fi intotdeauna înlocuite de componente similare in tehnologie SMD din cauza aspectelor fie legate de funcțioare, fie dimensionale, fie legate de tehnologii de productie de serie a acestor componente.

Datorită in special aspectelor legate de formă, dimensiuni și fixare a acestor componente pe plăcile eletronice, se preferă utilizarea unui proces de inserție manual sau combinat deoarece este foarte dificilă realizarea unor mașini ce pot să plaseze în totalitate aceste componente automat. Un aspect ce justifică această dificultate, este faptul ca exista componente precum scuturi metalice sau conectori ce sunt specifici și întalniți doar la un singur produs și ar avea nevoie de sisteme de plantare particularizate sau unice.

Deoarece avansul tehnologic se orientează cât mai mult posibil spre înlocuirea componentelor PTH cu cele SMD, soluțiile automatizate de inserție a componentelor PTH sunt mai rare și nu foarte dezvoltate. Există totuși astfel de mașini automate. Principiul de functionare al acestora se bazeaza pe utilizare componentelor ce sunt plasate pe role. Acestea sunt ghidate spre locul de inserție unde le sunt îndoiți pinii și taiat excesul acestora iar mai apoi ghidați spre un cap actionat pneumatic si dirijat de senzori ce va apăsa componenta atfel încât pinii acesteia sa treacă prin găurile plăcii. Se finalizează procesul de inserție prin adaugarea manuală a ultimelor componente ce nu au putut fi puse automat, în caz ca exista, după care placa este pregatită pentru cuptorul ce va lipi componentele cu cositor.

Se observă în imaginea de mai sus, în care este reprezentată o hartă a liniei de producție, înainte de zona de inserție, existenșa a doua stații numite stații de depanelizare. La aceste stații există o mașină cu o lamă diamantată folosită la tăierea plăcilor. Este necesară aceasta operație deoarece există cazuri în care pe linia de SMT plăcile folosite au fost de fapt panouri ce conțin doua, patru sau chiar mai multe plăci lipite la olaltă. La stațiile de depanelizare aceste placi sunt separate prin tăiere. De asemenea există cazuri în care plăcila au părți în exces ce trebuiesc înlăturate înainte de procesul de inserție.

Cuptorul cu val de cositor pentru lipirea componentelor PTH

Componentele PTH pot fi lipite atât manual cât și cu un proces automatizat. Manual, procesul de lipire durează mult și este evitat de obicei. Există insă cazuri în care este folosit ca proces de bază. Spre exemplu atunci când plăcile produse au foarte puține componente PTH și nu se justifică utilizarea unui porces automatizat. De asemenea lipirea manuală mai poate fi utilizată și în procesul de retușare ce va fi prezentat în subcapitolul următor.

În cazul în care numărul componentelor PTH si a pinilor acestora este mare, se utilizează un proces automatizat ce se bazează pe utilizarea uni cuptor special cu val de cositor.

În imaginea de mai jos, figura 3.5, este prezentat un cuptor cu val de cositor ce a are ușile protectoare deschise pentru a se putea vedea părțile funcționale.

Înainte de a prezenta cuptorul cu val, trebuie prezentat un aspect foarte important pentru procesul de lipire a componentelor PTH. Deoarece valul de cositor atinge toti pinii de dedesuptul plăcii pentru a putea să îi lipească cu cositor, în cazul în care există componente deja lipite pe această față a plăcii acestea vor trebui protejate pentru a nu fi afectate de cositor. De aceea în liniile de producție de serie a plăcilor electronice se utilizează tăvi speciale cu rolul de protecție și fixare a plăcilor ce vor trece prin cuptorul de lipire a componentelor PTH. În imaginea alăturată este prezentată o astfel de tavă.

Se observă numeroase aperturi, acestea sunt zonele unde există pini ce trebuiesc lipiți, restul zonelor fiind protejate atât mecanic cât și termic. Materialul din care sunt confecționate aceste tăvi este unultermorezistent. De asemenea aceste tăvi au diferite sisteme de fixare a plăcilor fie prin cleme rotative, fie prin cleme arcuite sau chiar prin elemente de fixare cu închidere specială.

Trecând la cuptor, primul element ce se identifică este un echipament folosit pentru aplicarea soluției decapante pe zonele descoperite ale plăcii. Soluția decapantă este o substanță chimică pe bază de rășină ce conține în compoziția lui și un acid. Rolul acestei soluții este de a proteja zonele metalice unde se va fi lipit cositorul împotriva proceselor de oxidare sau corodare ce apar datorită fenomenelor termice implicate. Echipamentul de aplicare a soluției decapante este format dintr-o pompă cu rezervor, un circuit acționat pneumatic ce mișcă pompa pe orizontală și verticală, senzori optici de detecție a prezenței plăcii.

Pompa de soluție decapantă printr-un cap special împraștie soluția uniform și într-o cantitate controlată.

Acționarea pneumatică este folosită la mișcarea capului pompei astfel încât se permite ajustarea procesului de aplicare a soluției în funcție de placa folosită

Senzorii optici de prezentă sunt foloșiti pentru detecția poziției corecte a tăvii astfel încât aplicarea soluției să fie cât mai eficientă evitându-se consumul în exces.

Transportul plăcii prin cuptor este asigurat de utilizarea unui conveior ajustabil după mărimea tăvilor purtătoare. Viteza conveiorului este controlată de computerul cuptorului pentru a se putea respecta profilul termic de lipire necasar diferitelor tipuri de componente sau plăci. Actionarea conveiorului este facută cu motoare electrice.

Înainte de lipirea cu cositor este necesară aducerea plăcilor la o temperatură optimă procesului de lipire, temperatură care de asemenea pregatește placa astfel încât se evită defecte ce ar putea apărea din cauza trecerii bruște la o temperatură ridictă. Incălzirea se realizează cu un cuptor de preâncălzire ce încășzeste placa printr-un proces de convectie cu aer fierbinte ce utilizează un sistem de ventilație controlat electronic. Se poate vedea și în imaginea ce prezintă cuptorul, zona de preîncălzire ce are dedesupt un sistem format din mai multe zone de încălzire si deasupra o hota ce facilitează circulația aerului fierbinte. Se utilizează mai multe zone pentru a obține o încălzire gradată. Temperaturile sunt controlate de către computerul mașinii și măsurate cu senzori.

După ce placa a ajuns la temperatura necesară și este pregătită de lipire, conveiorul o va aduce în zona de lipire. În această zonă există o cuvă cu cositor ce topește cositorul și îl menține la temperatura necesară pentru a fi lichid. Cuva deține o pompă specială ce permite creerea unui val permanent de cositor. Întreg procesul de lipire se bazează pe existența acestui val de cositor controlat ce facilitează aplicarea cositorului topit pe pinii componentelor. Cuva este de asemena controlată de computerul mașinii. Se utilizează un senzor de prezență astfel încăt cuva sa încalzească cositorul si să porneasca pompa ce creează valul cu câteva secunde înainte de a ajunge placa în rest fiind oprită pentru a eficientiza consumul. Acest lucru este posibil datorită temperaturilor joase de topire a cositorului ce pot fi atinse relativ repede de către cuvă.

După ce placă trece peste val în intregime aceasta va ieși din cuptor iar conveiorul de la ieșire ce dispune de un sistem de ventilație și ionizare răcește placa finalizând astfel procesul automat de lipire. Se foloseste ionizarea împreună cu materiale electro-conductive din care sunt create tăvile ce poartă plăcile, deoarece este necesară descărcarea statică a plăcilor pentru evitarea atragerii prafului ce poate să compromită lipiturile. De asemenea utilizarea materialelor ce permit descărcarea electrostatică pe întregul proces de producție a echipamentelor electronice este foarte importantă pentru portecția componentelor electronice utilizate. Mai multe despre acest aspect vor fi prezentate intr-un ultim subcapitol al acestui capitol.

După ce lipirea componentelor a fost încheiată, urmează înca doua procese ce incheie procesul normal de producție a plăcilor electronice ale echipamentului electronic ce se produce.

Retușarea lipiturilor

Se realizează de către operatori instruiți și calificați. După cum ii spune șă numele, procesul are rolul de a identifica posibile defecte de lipire și de a le corecta. Stațiile de retușare sunt dotate cu aparatură de lipit cu posibilitatea selecției unei largi game dimensionale de capuri de lipire. Aceasta facilitează retușarea deoarece exista o gamă variată de dimensiuni ale zonelor în care se aplică cositor. De asemenea se mai folosesc unelte precum clești de tăiere, în cazul în care pinii pomponentelor PTH sunt prea lungi, și unelte pentru curățare a plăcilor. Pentru curătare se utilizează perii cu o textură specială și substanțe pe bază de alcool pentru curătarea plăcilor. Este necesară curătarea plăcilor deoarece există posibilitatea ca soluția decapantă folosit la lipire să ramână pe placi. Având la bază rașini, aceasta este înlăturată cu substanțe pe bază de alcool cum ar fi, de exemplu, alcoolul izopropilic.

Defectelelegate de lipituri ce pot sa apară, sunt detectate prin inspecție vizuală de către operatori. De aceea se dispune de lupă sau microscop, și iluminare adecvată. Printre aceste defecte se numără, scurt circuit cauzat de exces de material, pini care nu au fost lipiți, componente deteriorate și altele. Operatorii intervin și corectează majoritatea defectelor de lipituri, însă pentru componente, plăcile se vor trimite la stațiile de reparare.

Datorită faptului că se lucrează cu substanțe chimice si procese de lipire stațiile sunt dotate cu sisteme de ventilație, ce absorb fumul sau vaporii de alcool, pentru protecția operatorilor.

Conectori fixați prin presare

Un ultim proces ce poate fi prezent înainte de finalizarea procesului de producție a plăcilor electronice din componența echipamentului electronic porduc, este procesul de fixare a connectorilor ce nu necesită lipire. Acesti conectori au pini lați cu aperturi ce creează un efect te tip arc, iar placile au găuri speciale în zona unde vor intra pinii fiind aplicate aliaje din material conductiv. Datorită formei speciale a pinilor , prin presare, aceștia intră în gauri și rămân ficși.

Presarea se poate face utilizănd prese manuale, însă de cele mai multe ori se preferă utilizarea preselor automate ce oferă un control mărit al presiunii, o eficiență mărită și de asemenea posibilitatea de ajustare la tipurile de placă si conector utlizate.

Principiul de funcționare a presei se bazeaza pe un sistem pneumatic controlat de un computer ce deține un software specializat. De asemenea presa dispune de senzori optici de măsurare a distanțelor și de prezență astfel facilitănd controlul computerizat al presei. De asemenea se mai dispune de senzori optici ce formează o cortină optică de siguranță ce previne acționarea presei în cazul în care operatorul nu și-a retras mâinile dupa introducerea plăcii in presă. Astfel după ce placa este introdusă și senzorul de tip cortină transmite semnalul, cum că nu exista nimic în interiorul presei înafară de placă, opeartorul transmite semnalul de acționare de la o manetă ce necesită acționarea cu amblel mâini ce crește și mai mult siguranța operațiunii. Presa exte acționată de către computer ce transmite sistemului pneumatic datele legate de pozitionarea bratului de presare, presiunuea necesară, si timpul de presare. Toți acești parametri sunt calculați automat pe baza parametrilor dimensionali ai conectorilor și plăcilor introduți in profile de presare create în prealabil de ingineri. Astfel operatorul trebuie sa selecteze profilul de presare aferent plăcii, să pozitioneze placa în interiorul presei și dupa ce și-a retras mâinile să actioneze maneta ce declanșază presarea. [4]

Procesul de plantare automatizata a componentelor electronice

În acest capitol este prezentată o analiză a procesul de plantare al componentelor electronice cu ajutorul masinii automatizate de plantat componente dintr-o linie de producție. Abordarea este una descriptivă, pas cu pas, a procesului de setare si functionare si a componentelor principale a unei astfel de mașini.

În figura nr. 4.1 este prezentată un exemplu de mașină de plantat automat componente S.M.D..

figura nr. 4.2 Cap de plantat

Mașina are următoarele părți principale:

Capace de protecție (figura nr. 4.1.1) – pentru a acoperi traseul de mișcare a gantry-urilor.

Paravane de protecție (figura nr. 4.1.2) – pentru a preveni accesul în mașina din lateral.

Capace deasupra conveiorului de intrare și ieșire (figura nr. 4.1.3 și figura nr. 4.1.4) – pentru a preveni accesul la P.C.B.-uri. Dacă unul dintre capacele precedente se deschide, se va tăia imediat alimentarea la gantry-uri și se va afișa pe ecran mesajul "Close the cover“.

Când mașina lucrează este interzisă atingerea parților în mișcare (figura nr. 4.2). Înăuntrul mașinii se afla un puternic câmp magnetic permanent. Acest echipament este periculos pentru persoanele cu pacemakere, implante metalice.

Înainte de a lucra în interiorul mașinii pentru mentenanță este recomandat să se întrerupă alimentarea ei.

Figura nr. 4.2 reprezintă un cap de plantat pentru componentele mici.

Definiții

S.M.T. – surface mount technology = technologia plantării pe suprafață

S.M.D. – surface mount device = componente plantate pe suprafață

M.T.C. – matrix tray changer = turnul de componente cu tăvi

Feeder – modulul de alimentare cu componente al mașinii

Setup – ansamblul de componente și feedere care sunt asezate în mașinile de plantat

Pick-up – poziția de ridicare a componentei de către mașina

Pitch – distanța la impachetarea componentelor (distanța în mm dintre mijlocul a două componente adiacente)

Conveyour – sistemul de benzi transportoare (poate fi parte integrantă în mașina)

Docking station – unitate alimentare și comunicare a meselor cu Feedere

Pornirea unui produs

Scop

Definirea secvențelor de pași la pornirea unui produs.

Procedura

Se v-a încarca setup-ul pe mașini:

Direct cu mesele pregătite din kitting (dacă există)

Sau se vor monta direct în mașină dacă setup-ul offline nu este disponibil

Asigurați-vă că fereastra de pick-up a feederelor este închisa (figura nr. 4.3).

Verificați poziția de pick- up și indexul la fiecare feeder în concordanță cu tipul componentei care este pusă în feeder.

Puneți tăvile în suport cu tăietura în colțul stanga sus indiferent dacă tava are suport de plastic sau nu.

Atenție: dacă tava nu are suport de plastic se poate pune în orice poziție, asa că fiți atenți la marcare (figura nr. 4.4).

După fiecare modificare a meselor cu feedere este necesară recalibrarea mașinii

Selectați produsul ce urmează a fi construit. Apasați butonul care arată o săgeată verde . Acela va trimite jobul de la computerul de linie la mașinile de placement.

Porniți programul “Line control GUI”, de la calculatorul de linie

Dacă este necesar puneți nozzle-urile manual pe mașină.

Este obligatorie verificarea setup-ului prin:

Scanarea componentelor cerute de mașină cu ajutorul scanerelor

sau verificarea vizuală cu ceea ce cere mașina dacă scanerul nu functionează.

Este necesară verificarea tuturor feederelor dacă sunt la poziția corectă și au componentele corespunzatoare – PN corect.

Operații cu feedere

Procedura

Pozitionați feederul pe masă (figura nr. 4.5)

Introduceți cablul de alimentare în poziția corectă

Pe feeder sunt 3 butoane :

Punctul din figură arată track-ul selectat, se află în dreapta jos a track-ului.

figura nr. 4.11Selectarea track-ului

Pozițiile corecte de pick-up pentru feedere sunt :

8 mm feeder (figura nr. 4.12)

12-16 mm feeder (figura nr. 4.13)

24-32 mm and larger feeder (figura nr. 4.14)

Pe un feeder triplu, dacă nu este unul de tip gold (are lamele galbene) pentru componente 0402 este necesară punerea unui spațiator sub fereastra de pick-up. (figura nr. 4.15).

figura nr. 4.12 8 mm feeder figura nr. 4.13 12-16 mm feeder

figura nr. 4.14 24-32 mm feeder figura nr. 4.15 Spațiator

Ciclul de plantarea componentelor

În figura nr. 4.16 este prezentat ciclul de plantare a componentelor S.M.T pe P.C.B. cu ajutorul unui cap de plantare tip “RV 12”

figura nr. 4.16 Cap de plantare “RV 12”

Descriere:

Principiul de functionare al unui cap cu 12 nozzel-uri este strange și planteaza. Capul se rotește în jurul unei axe orizontale. În plus față de acest spațiu de economisire oferă următoarele beneficii:

Datorită diametru mic, forțele centrifuge sunt semnificativ mai mici. Rezultatele sunt de mare viteză, plantarea de încredere și același ciclu de timp pentru toate componentele. Componentele sunt ridicate și introduse fiabil, cu ajutorul vidului, urmată de un “sarut” de aer blând. O serie de teste de vid monitorizează dacă componenta a fost ridicata și plasata cu exactitate.

Concluzii

Pentru a concluziona aspectele prezentate în această lucrare, se poate vedea clar, că procesul de plantare automatizată a componentelor electronice, s-a dezvoltat odată cu dezvoltarea numeroaselor tipuri de componente electronice in tehnologie S.M.D și că este un punct cheie al oricărei linii de producție în masă de plăci electronice.

În partea teoretică au fost prezentate marile categorii de ocmponente electronice și numeroase detalii teoretice cu privire la construcția și funcționarea acestora. S-a vazut astfel ca acestea sunt create astfel încât sa suporte procesul de plantare și chiar de productie a plăcilor electronice, fără de care ele nu ar putea fi folosite pentru scopul lor principal.

Astfel se poate spune că procesul de plantare al componentelor electronice este un process complex ce se bazează pe setarea mașinilor de plantare automatizată si menținerea acestora in normele de functionare stabilite de producție. Fiind un punct critic din intreg procesul de producție.

Studiul de caz prezentat la sfârșitul lucrării arată cât de complexă este o astfel de mașinăă de plantat componente și prezinta pe scurt fiecare dintre aspectele și componentele principale din structura mașinii si felul in care acestea functionează impreuna pentru a realize procesul de plantare automatizată a componentelor electronice.

Esența lucrării constă in cercetarea prezentată asupra procesului de plantare automatizată bazată pe numeroasele aplicații create specific pentru ca utilizareea maținii sa poată să fie eficientă la nivel de process de plantare integrat in procesul de producție. Astfel , s-a observat ca pentru producția unei plăci electronice este necesară o analiză amănunțita a schemeni electrice a plăcii ce este de asemenea introdusă la nivel aplicativ în computerul de bord al mașinii de plantare, dar și asupra tipului de ocmponente, la nive de capsula, dimensiune, material de impachetare, etc. detalii critice pentru creearea aplicativa a sistemului de feedere si alimentare a mașinii cu componente electronice.

Bibliografie

[1] D.Scurtu, C.Gordan, R.Reiz, L.Morgoș: Dispozitive și circuite electronice, Editura Universității din Oradea, 2004

[2] Simona Castrase – Dispozitive si circuite electronice Vol. I, Editura Universității din Oradea, 2003

[3] D.Scurtu, C.Gordan, R.Reiz, L.Morgoș: Dispozitive și circuite electronice, Îndrumător de lucrări de laborator, Editura Universității din Oradea, 2004

[4] Negrean Alexandru Proiect de Diplomă “Senzori optici si pneumatici pentru măsurări integrate in liniile de producție ” Universitatea din Oradea ,2012

[5] http://en.wikipedia.org/wiki/Electronic_components Articol consultat la data de 29.05.2014

[6] http://en.wikipedia.org/wiki/Surface-mount_technology Articol consultat la data de 29.05.2014

[7] http://www.elmatic-systems.ro/Senzori.php Articol consultat la data de 30.05.2014

[8] http://en.wikipedia.org/wiki/Electrostatic_discharge Articol consultat la data de 31.05.2014

[9] http://www.sensors-transducers.machinedesign.com/guiEdits/Content/bdeee4/bdeee4_8.aspx Articol consultat la data de 231.05.2014

[10] http://en.wikipedia.org/wiki/Image_sensor Articol consultat la data de 30.05.2012

http://en.wikipedia.org/wiki/Pressure_sensor Articol consultat la data de 30.05.2012

[11] Imagine provenita de pe site-ul http://www.essemtec.com/images/countries/Master/PrintingTechnologyDay_PRESS.jpg accesat la data de 20.04.2014 ”

[12] Imagine provenita de pe site-ul https://www.manncorp.com/pick-and-place/index.php?auto=done accesat la data de 20.04.2014

[13] http://en.wikipedia.org/wiki/SMT_placement_equipment Articol consultat la data de 30.05.2014

[14] Imagine provenita de pe site-ul http://www.picbasic.co.uk/forum/attachment.php?attachmentid=6482&d=1336881165 accesat la data de 20.04.2014

[15] Imagine provenita de pe site-ul http://upload.ecvv.com/upload/Product/201011/China_Universal_Wave_Solder_Pallets_with_ROSH201011241615057.jpg accesat la data de 20.04.2014

[16] ”SIPLACE X-Series” Manual de utilizator, 11/2005 Ediția US, Item No. 00194401-03, Siemens AG, Automation and Drives Electronics Assembly Systems, Pirntat in Germania.

[17] http://en.wikipedia.org/wiki/Component_placement#Stick_feeders Articol consultat la data 30.06.2014

[18] V.Sgarciu, D.Popescu – Echipamente pentru masurarea si controlul parametrilor de proces, Ed.Electra-ICPE, 2003.

[19] Danglemayer, G. Theodore, ESD Program Management: A Realistic Approach to Continuous Measurable Improvement in Static Control, ISBN 0-412-13671-6

[20] „Traductoare și interfațarea lor cu calculatorul” Vol 1 Editura Universității din Oradea 2001 Coordonator Maghiar Teodor Autori Călugăreanu Mircea, Tutănescu Ioan, Bondor Karoly

[21] „Sisteme de Achiziții de date” Editura Universității din Oradea 2005, ISBN:973-613-868-2 , A. Gacsádi, V. Tiponuț

[22] „Testarea echipamentelor de telecomunicații” –curs- Editura Universității din Oradea 2012, I. Gavriluț

[23] „Tehnologia electronică și fiabilitate” , Ed. Imprimeriei de Vest, Oradea, Draghiciu Nicolae, Popescu Daniela

[24] ] Imagine provenita de pe site-ul https://learn.sparkfun.com/tutorials/integrated-circuits/ic-packages