При крупносерийном производстве ключевое значение имеет цена конечного продукта. Поэтому, при принятии решения о покупке производственного оборудования обычно его стоимость просто делят на объем выпускаемой продукции с учетом показателя эффективности. Однако число годных изделий, которое реально можно получить, определяется также конструкцией оборудования, топологией линии, количеством остановок машины и качеством печатных плат. Это и определяет то, насколько правильным было решение о закупке оборудования. Поскольку небуферизованные линии менее эффективны, чем буферизованные, необходимо учитывать также и этот фактор при приобретении линии. Статья представляет собой перевод [1].
Ключом к достижению хорошей производительности линии является согласование различных частей оборудования для поддержки стабильного периода движения плат, движущихся по поточной линии: производственного цикла. С этой точки зрения наиболее важным является оборудование для отбора и размещения компонентов (pick & place); следующей по важности идет установка трафаретной печати.
В типовой производственной линии типа pick & place в качестве первой машины используется установка револьверного типа (chip shooter), которая может выполнять множество функций, но, главным образом, служит для размещения чипов, а последняя установка предназначена для размещения компонентов с мелким шагом или более сложных компонентов. Между этими машинами находятся многофункциональные модули, которые обслуживают широкую номенклатуру компонентов и расширяют возможности загрузки. На рисунке 1 в качестве примера приведена схема типовой производственной линии.
В идеально сбалансированной линии все машины имели бы одинаковый производственный цикл (см. рис. 2).
 |
|
Рис. 1. Пример производственной линии
|
 |
|
Рис. 2. Сбалансированная линия имеет одинаковый производственный цикл для всех четырех машин
|
В идеальной ситуации (когда оборудование работает без каких-либо сбоев), хорошая программа контроля производительности линии определит, корректно ли сбалансирована линия, и выполнит достоверную оценку времени производственного цикла. На рисунке 3 показана динамика несбалансированной линии, в которой эффективность производственного процесса меньше. Оборудование со слишком длительным производственным циклом вызывает блокировку более быстрых машин, которые расположены на более ранних ступенях линии и не могут, поэтому, освободиться от своих плат, в то время как следующие машины переходят в режим ожидания (зависают) из-за недостаточной подачи плат. На рисунке 3 некорректная настройка линии вызывает удлинение производственного цикла машины 3, в результате чего происходит блокировка машины 1 и 2. Машина 4 имеет более короткий производственный цикл (поскольку число микросхем обычно составляет менее 10% от общего числа компонентов, это часто встречается в оконечных установках размещения компонентов), но из-за более длительного производственного цикла машины 3, она в большей степени подвержена зависанию.
 |
|
Рис. 3. Динамика несбалансированной линии, в которой машина 3 имеет слишком длительный производственный цикл
|
Нет машин, которые работают безукоризненно на протяжении всего срока службы. Ошибки отбора, проблемы с лентами, периодическая чистка (например, сопла), движение пустых лент, паузы в подаче компонентов на линию и отбраковка компонентов — все эти факторы могут удлинять производственный цикл. Поэтому, в основном, отклонение (обычно, увеличение) от идеального производственного цикла происходит из-за сбоев или выполнения циклов обслуживания (для установки трафаретной печати это могут быть периоды чистки).
Если бы все сбои происходили в одно и то же время с одинаковым периодом восстановления, линия была бы прекрасно сбалансирована. В действительности, это далеко от истины. Они не происходят одновременно и не все из них имеют одно и то ж время восстановления. Сбои случайны, так же как и время, которое необходимо для их коррекции. Машина начинает простаивать, поскольку в нее не поступают платы, что, в свою очередь, блокирует линию. Чем больше машин или модулей в линии, тем более вероятно, что они будут работать (весьма) неэффективно из-за таких случайных сбоев.
На рисунке 4 показан пример динамики линии в процессе производства. Типы сбоев сильно различаются. Простой сбой — например, пропуск отбора компонента, вызывает задержку длительностью менее секунды и устраняется автоматически. Более серьезная неполадка может быть устранена только вмешательством оператора. Частота сбоев нередко менее важна, чем время, необходимое на их устранение. Поэтому важно оценивать как частоту сбоев (число готовых плат между сбоями, как показано на рисунке 4), так и время восстановления для каждого типа отказа и совместно рассматривать оба этих показателя.
 |
|
Рис. 4. Динамика линии, показывающая время восстановления на один сбой (слева) и число плат, изготовленных между двумя последовательными сбоями (справа)
|
Производственные линии должны использовать буферизацию. Это уменьшает эффект зависания и блокировки, поскольку захват печатной платы, чтобы избежать блокировки, может одновременно обеспечить передачу платы для предотвращения зависания. Буферы являются идеальным решением для сохранения движения линии для сбоев, время восстановления которых сравнительно мало. С этой точки зрения, лучше иметь 10 сбоев, каждый из которых требуют 30 с на восстановление, чем 5 сбоев с временем восстановления 1 мин.
Чем больше времени требуется на восстановление системы после сбоя, тем выше вероятность того, что произойдет блокировка/зависание. Но поскольку небольшие сбои происходят всегда, линия без буферизации по определению менее эффективна. Недостаток буферизации заключается в том, что она удлиняет линию, если она не встроена в состав оборудования.
Следующим вопросом является то, сколько буферов и где эффективно их разместить в линии. Если машины или какие-либо подключенные модули по умолчанию не оборудованы участками буферизации, то, вариантов, к сожалению, нет, кроме введения конвейеров/буферов между модулями. Но чем выше объем выпуска и короче производственный цикл, потребность в буферах растет и их необходимо устанавливать перед и после каждой машины отбора и размещения (pick & place). Когда известно заранее, что оборудование будет работать интенсивно, буферы следует включать по умолчанию. В качестве примера можно рассмотреть регулярные циклы очистки установки трафаретной печати. Буферы после установки трафаретной печати должны предохранять первую машину от зависания во время цикла очистки. Как и в случае очистки трафаретов принтера часто в конце линии предусмотрено выполнение более сложных заданий, которые требуют более серьезного (и, обычно, более длительного по времени) вмешательства оператора. В этом случае рекомендуется размещение буферов перед оборудованием, чтобы избежать блокировки линии.
Введение буферов значительно увеличивает общую пропускную способность линии. Это, однако, также увеличивает длину линии за счет дополнительного оборудования и, поэтому, увеличивает вероятность сбоев и остановок в производстве печатных плат. Буферы представляют собой открытые участки, где печатные платы загрязняются в большей степени. Наиболее проблематичными является то, что буферы представляют собой механизмы прерывистого движения, которые подвержены перекосам и могут, потому, вызывать сбои при транспортировке плат. Следовательно, большое значение имеет расчет минимального числа буферов/конвейеров, которое требуется в производственной линии.
В отличие от небуферизованной линии (см. рис. 5), система, показанная на рисунке 6, осуществляет выпуск печатных плат с постоянным ритмом, поскольку буферы сглаживают негативные эффекты в динамике линии, такие как зависание и блокировка.
 |
|
Рис. 5. Небуферизованная линия: возможна блокировка и зависание
|
 |
|
Рис. 6. Буферизованная линия: одна печатная плата (иногда две) находится в буфере между машинами
|
Для каждой машины, в особенности той, которая определяет производительность линии, основные виды сбоев «узкого места» должны быть проанализированы путем выявления основных причин зависания и блокировки. Они вызываются сбоями предшествующих и последующих машин, соответственно. Как только основные причины для машины, определяющей производительность, найдены и решены, другая машина становится «узким местом» и следует выполнить аналогичный анализ для этой машины. В крупносерийной линии, своевременный анализ позволяет оптимизировать производственную линию. Линии с разнообразными типами плат даже более динамичны, поскольку содержимое линии может ежедневно меняться и им необходимо иметь оптимальную конфигурацию и оптимизированный график для типового производства.
На рисунке 7 машиной, определяющей производительность линии, является машина 2. Количество сбоев этой машины определяет, что линия никогда не достигнет средней длительности производственного цикла менее 30 с даже при неограниченной буферизации. Буферизация до некоторой степени улучшает средний производственный цикл, который, как показано на рисунке 7, составляет 35 с. Уменьшение производственного цикла линии потребует анализа (и решения) основных причин сбоев, блокировки и зависания этой машины, а затем можно перейти к анализу следующей машины, определяющей производительность линии.
 |
|
Рис. 7. Анализ узких мест линии
|
Установки трафаретной печати требуют частых циклов чистки, и для предотвращения блокировки следует вводить буферы между принтером и первой машиной в линии. В новых установках трафаретной печати типа MCP от Assembléon процесс очистки реализуется параллельно с выравниванием платы для уменьшения числа требуемых буферов.
Автоматизированный оптический контроль также может быть узким местом, требующим буферизации до и после этой операции. Известно, что кроме реальных сбоев в оборудовании автоматизированного оптического контроля встречаются ложные сбои, которые требуют вмешательства оператора. Чем более надежен процесс размещения компонента, тем лучше автоматизированный оптический контроль может выполнять свою задачу. Оборудование А-серии имеет высокий выход годных плат (наименьший коэффициент дефектности плат в отрасли), а, кроме того, в них отсутствуют нестабильные отклонения положения компонентов при их размещении (разброс компонентов), что значительно улучшает надежность монтажа и замены компонентов.
Установки прямого револьверного типа и стандартное оборудование для размещения микросхем могут часто иметь одинаковый производственный цикл. В основном, все же, установки размещения компонентов в конце линии выполняют более сложные задачи (например, размещение модулей, разъемов, экранов, вспомогательных элементов, катушек, а также загрузку), которые на практике повышают вероятность появления сбоев. В таком случае не всегда целесообразно иметь полностью сбалансированную линию. Возможно, более низкая нагрузка для машины в конец линии с использованием буферов в начале линии позволит преодолеть такие отклонения в продолжительности технологических циклов различных машин. Балансировка в этом случае затрагивает различные участки производственной линии, а размещение чипов передается на установку в конце линии, которая используется меньше, просто для выравнивания нагрузки по всей линии. Теоретически это дает повышение производительности, но на практике это приводит к увеличению производственного цикла конечной установки размещения компонентов (см. рис. 8). Установки размещения в конце линии могут иметь большие размеры загрузочного устройства с меньшим числом компонентов на катушке. Они работают без нагрузки довольно быстро и большую часть времени эти катушки не состыкованы между собой и потому работают вхолостую (даже когда они работают поочередно). Кроме того, чем более сложные компоненты находятся в этих лентах, тем выше частота сбоев в таких установках.
 |
||
|
а)
|
б)
|
в)
|
|
Рис. 8. Иллюстрация того, как сбалансированная линия приводит к появлению разбаланса (а, б) и практический подход снижения нагрузки на конечную установку размещения (в) компонентов
|
||
Важна стабильность всего процесса в линии. Чем больше модулей в линии, тем более различным будет их поведение, особенно во времени (различное программное обеспечение, микропрограммы, драйверы, обновления, доработки и т.д.), вплоть до выхода системы из под контроля. Предполагаемая длительность производственного цикла, поэтому, никогда не будет достигнута, а реальная пропускная способность будет недостаточна. Следовательно, очень важно найти баланс между оптимизированным программным обеспечением линии и программными средствами установки. Настраивать компоненты линии следует централизованно, чтобы предотвратить постоянные неконтролируемые отклонения на уровне целой производственной линии.
Достижение наилучшей производительности линии также требует поддержки от производителя оборудования. Экспертная группа специалистов по технологии компании Assembléon проводит аттестацию линии путем оценки эффективности производственных процессов и моделирования работы линии. Это обеспечивает количественное улучшение показателей работы линии путем анализа сбоев на уровне системы и предоставления рекомендаций по улучшению конфигурации линии и размещению буферов с целью достижения максимальной производительности (см. рис. 9).
 |
|
Рис. 9. Линия для крупносерийного производства с буферами, которые предотвращают отклонения в динамике линии
|