Линия сборки печатных плат

Когда говорят про линию сборки печатных плат, многие сразу представляют себе просто ряд станков, соединённых конвейерной лентой. Но это лишь каркас. Настоящая линия — это скорее живой организм, где важнее не оборудование само по себе, а логика его взаимодействия, подготовка материалов и, что часто упускают из виду, адаптация под конкретный тип плат. Вот, к примеру, мы в своё время начинали с довольно стандартного набора: принтер паяльной пасты, установка поверхностного монтажа (SMT), печь оплавления. Казалось бы, всё есть. Но первые же серийные заказы на многослойные платы с BGA-компонентами показали, где кроются подводные камни.

От планирования до первого включения

Планирование линии — это не про то, чтобы купить самое дорогое. Это про баланс. Если у тебя 80% заказов — это мелкосерийное производство или прототипирование, то высокоскоростная SMT-голова, требующая часов на переналадку, будет простаивать. Гораздо важнее была точность позиционирования и возможность быстрой смены задания. Мы это на себе прочувствовали, когда взяли контракт на сборку управляющих плат для медицинских датчиков. Там и компоненты мелкие (0201), и требования к пайке жёсткие. Пришлось пересматривать весь процесс нанесения паяльной пасты и калибровки зрения монтажников.

Здесь стоит сделать отступление про паяльную пасту. Многие технологи, особенно начинающие, фокусируются на марке принтера, а про пасту думают в последнюю очередь. А ведь от её вязкости, размера частиц и активности флюса зависит очень многое. Была у нас история с одним заказом от компании ООО 'Сиань Циюнь Чжисюнь Электронные Технологии' — они как раз занимаются инновациями в области электронных схем и принесли плату со смешанным монтажом: и SMD, и THT-компоненты в одной зоне. Стандартная паста с высоким содержанием флюса давала подтёки на выводные элементы. Пришлось подбирать другой тип, менее активный, и корректировать профиль печи, чтобы флюс успевал улетучиться до того, как расплавленный припой доберётся до ножек разъёмов.

Собственно, печь оплавления — это отдельная тема для разговора. Можно купить самую современную, с десятком зон и азотной средой, но если не выстроить термопрофиль под конкретную плату и конкретную пасту, брак будет колоссальный. Мы в начале наделали ошибок, пытаясь использовать 'типовой' профиль из базы данных. Результат — холодная пайка на одних платах и перегрев деликатных микросхем на других. Пришлось завести правило: для каждого нового типа сборки (а лучше для каждого нового заказа, если он отличается по массе или слоям меди) снимать свой профиль с помощью термопар. Да, это время, но оно окупается отсутствием возвратов.

Интеграция и логистика на линии

Когда основные агрегаты работают, возникает следующий пласт проблем — интеграция и логистика. Конвейерная лента — это не просто транспорт. Её скорость, синхронизация с работой монтажных головок, система считывания меток (fiducial marks) — всё это должно быть отлажено как часы. Малейший сбой — и плата встанет под углом на входе в печь, или компонент будет установлен со смещением. У нас был случай, когда из-за вибрации от соседнего цеха камера vision system начала 'съезжать' на пару пикселей. На глаз на готовой плате не видно, но при тестировании выяснилось, что контакты QFN-корпусов запаяны не полностью. Искали причину неделю.

Особенно критична логистика компонентов. Линия сборки печатных плат останавливается не тогда, когда ломается дорогой автомат, а когда у оператора заканчивается катушка с резисторами на 10 кОм. Система учёта и предварительной подготовки (kitting) — это кровеносная система производства. Мы внедрили сканирование штрих-кодов при смене катушек на SMT-машине. Казалось бы, мелочь. Но это сразу дало понимание, какой компонент в каком заказе расходуется, и позволило автоматически формировать заявки на склад. Это сильно сократило простои.

Ещё один момент — послепечная обработка. После оплавления платы часто нужно охладить по определённой кривой, провести визуальный контроль (AOI или даже ручной), а потом, возможно, добавить компоненты сквозного монтажа (THT) или выполнить программирование. Здесь линия часто превращается из линейной в ячеистую. Приходится организовывать буферные зоны, чтобы не создавать заторы. Мы для плат, требующих последующего программирования микроконтроллеров, сделали отдельный отводящий конвейер к программировочным стойкам. Это ускорило общий цикл.

Контроль качества: не только AOI

Автоматический оптический контроль (AOI) — это must have для любой современной линии. Но его часто воспринимают как панацею, а это не так. AOI отлично видит смещения, перевороты компонентов, наличие паяльной пасты. Но он не видит качества самой паяной точки под микросхемой, не видит микротрещин. Поэтому AOI — это лишь первый, хотя и очень важный, рубеж.

Для сложных сборок, особенно с BGA и QFN, обязателен рентген-контроль (AXI). У нас такого аппарата не было, и мы долгое время отправляли выборочные платы на сторону. Это создавало задержки. Когда же взяли в аренду компактный AXI-аппарат и встроили его в линию после печи (с выборочным контролем каждой 5-й платы), количество скрытого брака, вскрывавшегося уже у заказчика, упало практически до нуля. Особенно это важно для заказчиков вроде ООО 'Сиань Циюнь Чжисюнь Электронные Технологии', которые сами являются интеграторами и поставляют свои продукты дальше, в готовые устройства. Для них надёжность каждой платы — это репутация.

Но никакая автоматика не заменит опытного инженера. У нас был технолог, который по оттенку блеска паяного соединения мог определить, был ли перегрев. Или по звуку работы паяльной пасты в дозаторе понимал, что её вязкость изменилась. Поэтому мы всегда сочетали автоматические системы контроля с выборочным контролем специалистов, особенно для первых плат в партии или после смены материала.

Адаптация под специфику заказа

Гибкость — вот что отличает хорошую линию от просто сборочного цеха. Один заказ — это платы для светодиодных вывесок, крупные компоненты, большой шаг. Другой — это высокоплотная плата для телекоммуникаций. Настройки, оснастка, даже скорость конвейера — всё должно меняться.

Мы, например, для плат с алюминиевой подложкой (Metal Core PCB) сделали специальные несущие паллеты с улучшенным теплоотводом, чтобы они не деформировались в печи. А для гибких печатных плат (FPC) пришлось разработать систему вакуумной фиксации на тех же паллетах, чтобы они не съезжали и не морщились при монтаже. Это не было описано в инструкциях к оборудованию — пришлось додумывать самим, методом проб и ошибок.

Сейчас многие говорят про Industry 4.0 и полную цифровизацию линии. Это, конечно, будущее. Но на практике даже простое отслеживание статуса каждой платы в реальном времени (где она: на печати, монтаже, в печи, на контроле) даёт огромный выигрыш в управляемости. Мы начали с малого — разместили на каждой паллете RFID-метку и поставили считыватели в ключевых точках. Теперь менеджер производства видит всю картину на экране, а не бегает по цеху с планшетом.

Экономика и перспективы

Собирать линию сборки печатных плат с нуля — дело капиталоёмкое. И часто окупаемость считают только по стоимости оборудования. Но на деле, расходники (сопла дозаторов, шлейфы камер, фильтры для печи), ПО для программирования, обучение персонала — это тоже постоянные затраты. Иногда дешевле отдать сложный заказ на сторону, как мы одно время сотрудничали с apexpcb-cn.ru по некоторым проектам, а свои мощности использовать для более предсказуемых и серийных задач.

Перспективы же я вижу в дальнейшей миниатюризации и росте сложности. Компоненты 01005 уже не редкость, а про корпуса типа CSP (Chip Scale Package) и говорить нечего. Это требует ещё более точного оборудования, ещё более стабильных условий в цеху (температура, влажность, чистота). И, что важно, более тесного сотрудничества с разработчиками плат (Design for Manufacturing — DFM). Часто присылают файлы, с которыми идеальная сборка просто невозможна. Приходится вступать в переговоры, предлагать свои корректировки в трафарет или расположение компонентов.

В итоге, возвращаясь к началу. Линия сборки печатных плат — это не набор станков. Это процесс, который постоянно нужно настраивать, адаптировать и улучшать. Это сочетание точной техники, качественных материалов и, что главное, знаний и опыта людей, которые на этой линии работают. Без этого последнего компонента даже самая дорогая линия будет выдавать брак. А с ним — можно добиваться качества даже на оборудовании, которое уже не первой свежести. Проверено на практике.