Использование трафаретов для упрощения процесса сборки печатных плат

Процесс создания прототипа схемной платы включает в себя довольно большое число этапов. Этот процесс начинается с определения характеристик схемы (разработки технических условий), затем идет этап проектирования схемотехники платы (часто с использованием графического представления схемы), далее следуют этапы проектирования платы на физическом уровне (создание топологии платы) и ее производства, а завершается весь процесс сборкой плат (см. рис. 1). На любом из этих этапов могут появиться ошибки.

Рис. 1. Этапы создания прототипа схемной платы

С увеличением количества компонентов, доступных только в исполнении для поверхностного монтажа (SMT), выполняемая группой разработчиков сборка плат вручную — по крайней мере, для прототипов плат — становится все менее актуальной. Если Вы попытаетесь вручную распаять компонент размера 0804, то поймете, что это довольно трудная задача, не говоря уже о компонентах меньшего размера. Проблема усложняется тем, что вес компонента может быть настолько малым, что даже легкое дыхание оператора может сместить компонент с требуемого положения на плате.
Кроме того, ручная распайка корпусов типа BGA или подобных им просто невозможна. Инженеры, которые занимаются проблемами пайки безвыводных корпусов, в подавляющем большинстве случаев могут лишь посоветовать, как установить на плату поврежденные безвыводные корпуса с тем, чтобы обеспечить тестирование компонентов в условиях лаборатории.
Поэтому, все в большей степени машинная сборка становится обязательным требованием создания прототипа платы. Неприятность заключается в том, что приобретение оборудования для монтажа может быть связано с непомерными тратами. Даже если у Вас уже есть оборудование для монтажа компонентов, Вам в любом случае понадобится трафарет, чтобы наносить паяльную пасту перед тем, как начинать размещение компонентов на плате.
Как найти оптимальное решение при выборе между ручным монтажем платы своими силами и передачей сборки платы в другую компанию? И когда приобретение трафарета становится экономически выгодным?

Процесс сборки платы включает в себя ряд этапов, как показано на рис. 2.

Рис. 2. Процесс сборки платы

Нанесение паяльной пасты

В начале процесса сборки нужно нанести паяльную пасту на новую, свободную от компонентов печатную плату. Паяльная паста наносится только на те участки платы, где нужно создать проводящий контакт между компонентом и металлизированной посадочной площадкой. Обычно для этого применяется паяльный трафарет. Двигаясь по паяльной маске, размещенной непосредственно на плате и зафиксированной в нужном положении, бегунок выдавливает на плату небольшое количество паяльной пасты через отверстия в маске. Поскольку паяльная маска формируется на основе данных, сформированных в процессе проектирования печатной платы, она имеет отверстия в тех местах, где должны располагаться контактные площадки, и, таким образом, припой наносится только на те контактные площадки, которые предназначены для пайки.
Имеются два базовых типа паяльных трафаретов: рамные трафареты для использования в паяльном оборудовании и макетные трафареты для ручного нанесения паяльной пасты.

Размещение компонентов

Размещение компонентов может производиться как вручную, так и с помощью оборудования. При ручном размещении, техник использует пинцет, чтобы расположить каждый компонент на определенном участке паяльной пасты. При машинном размещении специальный механизм с загруженными в него компонентами захватывает компоненты и размещает их на плате. Сила натяжения паяльной пасты обычно достаточна для того, чтобы удерживать компонент в определенном положении. Оборудование для размещения компонентов использует данные о местоположении и ориентации компонентов (которые обычно хранятся в Centroid-файлах) в качестве эталонной информации для корректного размещения компонентов на плате. Centroid-файлы обычно формируют на основе данных, созданных системой автоматизированного проектирования в процессе разработки платы.

Нагрев и пайка оплавлением

После того, как компоненты установлены на плате, следующим этапом процесса сборки является прогон платы через аппарат групповой пайки. Пайка оплавлением припоя является наиболее распространенным способом пайки SMT-компонентов, особенно для прототипов, хотя иногда используется оборудование для пайки волной припоя.

Тестирование
Функциональное тестирование платы с целью проверки ее работоспособности

Как видно из этой последовательности этапов, процесс сборки начинается с нанесения паяльной пасты. На фотоизображении платы (см. рис. 3) видно, что компоненты с поверхностным монтажем при недостаточной точности их пайки могут не только смещаться ближе друг к другу, но также может нарушаться их ориентация или возникать закортки.

Рис. 3. Фотоизображение платы, на которой допущено нарушение ориентировки компонентов, в результате чего возникли закоротки

Для надежной пайки компонентов со штыревыми выводами, необходимо, чтобы отверстие в плате было заполнено припоем. Другим условием надежной пайки является отсутствие припоя вне посадочных площадок SMT-компонентом, в противном случае могут возникнуть закоротки.

Процесс предварительного нанесения паяльной пасты на плату, а затем размещения компонентов на участках с паяльной пастой имеет большие преимущества, поскольку повышается качество размещения компонентов, так как паяльная паста равномерно распределяется под компонентами перед оплавлением.
Однако возникает вопрос, как наилучшим образом нанести паяльную пасту. Для этого и использую трафарет.

Трафареты специально изготавливают в соответствии с требованиями платы, на которой собираются вести монтаж компонентов. Обычно трафарет изготавливают из листа твердого материала (алюминия, меди или майлара). В большинстве случаев, есть два способа изготовления трафарета: сделать его своими силами или заказать в специализированной компании.

Самостоятельное изготовление трафарета

Лимор Фрайд (Limor Fried), основательница компании Adafruit Industries и весьма влиятельный член сообщества сторонников принципа «сделай сам» (do-it-yourself — DIY), разместила в Интернете описание того, как самостоятельно изготовить трафарет для паяльной пасты.
Мне нравится, как начинаются ее инструкция… «Вам понадобится: 1. лазерный аппарат резки».
Сейчас некоторые из нас имеют возможность приобрести аппарат лазерной резки, но для многих они все же недоступны. Поиск в Интернете дает уровень цен приемлемых моделей аппаратов лазерной резки в настольном исполнении в районе 5000 долл. Я думаю, что если бы у Вас имелись определенные способности к конструированию механических устройств, то Вы могли бы рассмотреть возможность самостоятельного создания аппарата лазерной резки за меньшую цену. Если продолжить поиск, то можно обнаружить набор инструкций, с помощью которых можно примерно за 50 долл. создать собственный лазерный инструмент из прилагаемого списка деталей. Что, как Вы думаете, значится последним пунктом в этом списке? «Изрядное количество терпения».
Дальнейшие исследования приводят нас к общедоступному и бесплатному набору для создания собственного аппарата лазерной резки. Ниже приведем цитату разработчиков этого бесплатного устройства для лазерной резки.
«Аппараты для лазерной резки обычно довольно дороги (Вы можете потратить на них и 30000 долл.), а многие разработчики могли бы делать с их помощью великие вещи — если бы они им владели или хотя бы имели к нему регулярный доступ. К сожалению, системы, которые изготавливают «под ключ» довольно дороги, и нет простого способа их создания. Мы можем это исправить: примерно за 6 месяцев мы можем разработать устройство лазерной резки, которое любой человек может изготовить, использовать и обслуживать. Наиболее важным является то, что это устройство будет общедоступным, что означает, что любой может улучшить и модифицировать ее конструкцию».
Столкнувшись с такого рода рецептами по созданию своего собственного оборудования, в частности трафарета, своими силами, и размышляя о выборе между его самостоятельным изготовлением и покупкой, невольно возникает мысль: не использовать ли услуги специалистов по предоставлению трафарета, как части производственного процесса.

Покупка заказного трафарета

В процессе покупки какого-либо достаточно серьезного производственного оборудования для изготовления трафаретов внутри компании, часто приходит решение, что лучше всего воспользоваться услугами специализированной компании для создания того трафарета, который нужен Вам. Преимуществами заказного трафарета от специализированного производителя являются:
– качество;
– быстрота изготовления;
– возможность повторных заказов.
Помимо использования различных материалов, трафареты выпускаются двух базовых классов: рамные и макетные. Рамные трафареты строятся на базе монтажной арматуры специального типа (рамы) для крепления трафарета на оборудовании для нанесения паяльной пасты.
Макетные трафареты не устанавливаются на раму. Вместо этого, три края трафарета обычно изгибаются под прямым углом, создавая выемку для паяльной пасты, придавая трафарету жесткость и обеспечивая возможность оператору работать с ним. Макетные трафареты оптимизированы для работы с прототипами плат. Макетные трафареты обладают следующими свойствами:
– доступность;
– фактически имеют такое же качество, что и производственные трафареты;
– их можно быстро изготовить;
– компактность;
– удобство в обращении;
– используются однократно и подлежат вторичной переработке.

Возможен такой вариант, что компания, которая выполняет сборку плат, подходит для Вас наилучшим образом. А, может быть, Ваш проект настолько прост (например, используются все компоненты со штыревыми выводами), что лучше всего взять паяльник и вручную распаять огромное количество компонентов.
Как же найти оптимальное решение? Проще всего использовать макетные трафареты в следующих случаях.
– Имеется значительное число компонентов с поверхностным монтажем.
– Ожидаются многократные изменения, но на данном этапе принят окончательный вариант размещения компонентов.
– Нужно упростить процесс пайки (с высоким качеством).
Рассмотрим, как можно улучшить технологический маршрут используя трафарет. Оценивая время, которое требуется для сборки платы при ручной пайке, мы получим время захвата/размещения/пайки, равное 2 мин 20 с на один компонент.
Это в среднем. Для пассивных компонентов времени потребуется меньше, а для крупных дискретных компонентов или разъемов — значительно больше. Но если учитывать этап заливки контактных площадок припоем, размещения компонента с помощью пинцета и припайки выводов, то время 2:20 на компонент выглядит вполне реальным. Поскольку техник выполняет подготовку и пайку каждого компонента индивидуально, время подготовки и оплавления входит в среднее расчетное время для каждого компонента.
Другая картина появляется при использовании паяльного трафарета для пайки. В отличие от ручной пайки, при использовании трафарета техник быстрым движением наносит тонкий слой паяльной пасты на всю плату. Время, необходимое для нанесения пасты становится фиксированным, т.е. время нанесения пасты для крупной и сложной платы и для более компактной и простой платы одинаково. Примем, что для нанесения паяльной пасты на плату с использованием трафарета необходимо 2 мин 30 с.
Время, которое занимает размещение компонентов на печатной плате с помощью пинцета должно быть примерно таким же самым, что и при ручной пайке, за исключением того, что при использовании трафарета Вы будете размещать компоненты все сразу. Это время уменьшается и увеличивается в зависимости от количества компонентов, которые необходимо разместить, а интервал времени, необходимый для захвата, размещения и перемещения компонента на нужную контактную площадку, можно оценить примерно в 20 с на каждый компонент. Вспомним, что 20 с входит в интервал времени 2 мин 20 с, который требуется для ручной пайки. Наконец, применение трафарета означает, что Вы можете использовать процесс оплавления в печи для нагрева паяльной пасты и закрепления всех компонентов одновременно. Опять-таки, эта стадия требует фиксированного интервала времени. Поскольку Вы можете выполнять сборку следующей платы во время процесса оплавления предыдущей платы, оставим время оплавления за рамками этой оценки.
Напоследок примем, что трудозатраты на сборку в условиях лаборатории составляют 25 долл в час. И предположим, что Вы потратили 120 долл на приобретение трафарета.
Полученные цифры вполне показательны, ведь требуется лишь небольшое количество компонентов всего для одной платы, чтобы трафарет начал окупать себя — вначале, за счет сэкономленного времени, а затем, по общему качеству работы и увеличенному выходу годных после сборки. Анализ сэкономленного за счет применения трафарета времени дал следующие результаты:
– 50 компонентов/3 платы — сэкономлено 120 долл;
– 50 компонентов/3 платы — сэкономлено 242 долл;
– 10 компонентов/2 платы — сэкономлено 14 долл;
– 10 компонентов/10 плат — сэкономлено 70 долл;
– 80 компонентов/5 плат — сэкономлено 320 долл;
– 80 компонентов/2 платы — сэкономлено 130 долл.
Кроме того, если стоимость вашей пустой печатной платы и компонентов превышает 100 долл, то нужна всего одна неправильно собранная плата, чтобы оправдать стоимость макетного трафарета. Дополнительный эффект от увеличенного выхода годных может дать экономию, даже если временные и трудовые затраты соизмеримы.

Компания Sunstone Circuits предлагает трафареты, специально предназначенные для того, чтобы Вы могли сделать процесс сборки платы внутри своей компании более быстрым, простым и качественным. Использование трафаретов для сборки плат становится все более распространенным подходом при переходе на SMT-компоненты и постоянно растущем числе используемых комплектующих.