Оптимизация затрат при производстве техники специального назначения. Часть 1

Традиционные принципы организации сборочных производств, построенные на масштабировании людских ресурсов под целевые объемы производства (см. рис. 1), приводят к огромному количеству проблем и не позволяют эффективно решать задачи обеспечения экономической эффективности в сегодняшних реалиях.

Рис. 1. Цех ручного монтажа

Перечислим основные проблемы, вызванные активным использованием ручного труда в сборке радиоэлектронной аппаратуры:
– нестабильное качество как следствие негативного влияния человеческого фактора;
– высокие затраты на персонал в условиях дефицита квалифицированных специалистов;
– ограничение технологического уровня производства в силу невозможности применения ручного труда для монтажа современной компонентой базы.
В результате предприятия, следующие по этому пути, теряют заказы со всеми вытекающими отсюда последствиями либо просто не достигают требуемых финансовых показателей.
Уже давно стало понятно — одной из основных перемен в производстве является его автоматизация, что подтверждает и мировая практика. Разумеется, полная автоматизация не всегда возможна и к этому процессу следует подходить аккуратно, но мировая практика показывает, что предприятия с более высокой степенью автоматизации процессов более успешны на рынке.
После прочтения некоторого количества различных публикаций на данную тему может сложиться обманчивое впечатление, что подавляющее большинство автоматизированных решений является оптимальным для сборки ответственной аппаратуры, и только компания А (или Б, или В и т.д.) знает в этом толк.
Очень часто при проектировании автоматизированного решения не учитывается множество факторов, и в результате предприятие получает линию, которая не в состоянии решать как раз те самые задачи, которые определяют конкурентоспособность предприятия на технологическом уровне и обеспечивают реальную оптимизацию затрат. Это выражается еще и в том, что часть задач продолжает решаться вручную, уровень дефектности остается высоким, приходится докупать дополнительное оборудование.
Давайте попробуем разобраться, какими же качествами должно обладать оптимальное решение для автоматизации сборочных процессов при производстве спецтехники, чтобы обеспечивать конкурентный уровень технологии и оптимальную себестоимость. Эффективное сборочное производство должно обязательно обеспечивать конкурентоспособные показатели по следующим факторам:
– проведение сборки с использованием современной компонентной базы;
– минимизация себестоимости сбор­ки и контроля качества;
– увеличение уровня выхода годных изделий;
– сокращение времени обработки заказа (внутреннего или внешнего) и производства продукции.
Рассмотрим эти факторы в применении к отечественным реалиям и требованиям российского рынка. В рамках данной темы мы подготовили к публикации цикл статей, освещающих различные аспекты сокращения производственных затрат при автоматизации сборочно-монтажных производств, ориентированных на производство техники специального назначения.
В настоящей статье мы рассмотрим вопросы, связанные с переходом на современную компонентную базу, и способы, обеспечивающие реальное сокращение затрат при автоматизации нанесения паяльной пасты.

Рассматривая вопрос оптимизации затрат при нанесении паяльной пасты и сохранения при этом передового технологического уровня предприятия, следует совершить небольшой экскурс в текущее состояние дел в мировой электронной индустрии.
Нам не удастся избежать глобальной технологической эволюции, как бы нам того ни хотелось. Рынки Юго-Восточной Азии, Европы и Северной Америки, где разрабатывается, производится и потребляется большинство производимой радиоэлектронной аппаратуры (в т.ч. специального назначения) и компонентов, диктуют мировой порядок.
Вспомните, что было с бессвинцовой технологией. До последнего не угасала надежда на то, что эта беда обойдёт нас стороной, но сейчас практически все компоненты поступают в бессвинцовом исполнении. А ведь прошло всего несколько лет.
С «бессвинцовыми делами» мы как-то разобрались и научились жить и работать, однако также стоит обратить внимание еще на три тенденции:
– минимизацию размеров компонентов;
– увеличение количества и плотности выводов микросхем;
– активное использование технологии монтажа штыревых компонентов на пасту.
Последний пункт является наиболее сложным с точки зрения установки компонентов, и мы его рассмотрим в следующей статье. А вот первые два весьма существенно влияют на выбор технологии нанесения паяльной пасты и во многом определяют задачи завтрашнего, а зачастую и сегодняшнего дня.

Минимизация размеров компонентов вызвана, в первую очередь, стремлением к снижению массогабаритных характеристик изделий. Это актуально для всех классов радиоэлектронной аппаратуры, в т.ч. для спецтехники.
На сегодняшний день использование электронных компонентов размерами 01005 по объёму обогнало компоненты 0805. Размеры компонентов в корпусах 01005 находятся в диапазоне от 100×304…200×400 мкм. Внешний вид таких компонентов представлен на рисунке 2.

Рис. 2. Чип-компоненты размером 01005 (200×400 мкм)

В частности, по данным компании Murata Manufacturing [1], уже сегодня производство керамических конденсаторов размерами 01005 (см. рис. 3) составляет весомую долю в глобальном объёме потребления.
Более того, Murata Manufacturing в 2012 г. начала производство компонентов существенно меньших, чем 01005. Их размеры — 100×200 мкм.

Рис. 3. Объём производства керамических конденсаторов. По вертикали — процентная доля в общем объёме продаж компании Murata

Важным экономическим аспектом является то, что самый массовый продукт неизбежно становится самым дешёвым. Использование же дефицитных компонентов приводит к усложнению цепочек поставки и существенному удорожанию конечного продукта.
Из-за такой закономерности в ближайшие год-два стремительными темпами с рынка начнут вытесняться «крупногабаритные» (по отношению к 0201 и 01005) и дорогие компоненты.
Для того чтобы обеспечить технологическую конкурентоспособность и низкую стоимость радиокомпонентов, требуется эффективно работать с миниатюрными элементами на своём производстве.
Осуществлять ручной монтаж компонентов 01005 и 0201 практически невозможно. То есть, конечно, можно приложить огромные усилия и установить один-два компонента с требуемой точностью (Левша же подковал блоху!), но обеспечить повторяемость, разумную трудоёмкость и качество можно лишь теоретически.
Единственным решением остается автоматический монтаж. Рассмотрим, каким образом это влияет на нанесение паяльной пасты и как можно оптимизировать стоимость данной технологической операции.
Рассматривая вопросы нанесения паяльной пасты, стоит обратиться к рекомендациям по конструированию контактных площадок под 01005. В качестве рекомендаций по конструированию контактных площадок под компоненты 01005 ассоциация IPC приводит результаты исследования «Конструирование и разработка технологического процесса сборки пассивных компонентов 01005» [2]. Данное исследование курировал Нью-Йоркский Государст­венный университет.
Результатом исследования стали рекомендации по конструированию контактных площадок под компоненты 01005, приведённые в таблице 1 и проиллюстрированные на рисунке 4.

Рис. 4. Рекомендуемая конструкция контактных площадок под компоненты 01005

Поскольку мы говорим о производстве спецтехники, рассмотрим в качестве базового возможного варианта нанесение паяльной пасты дозированием, т.е. без использования трафарета (его отсутствие может сократить время подготовки производства и сборки партии плат).
При таком малом размере контактных площадок (см. рис. 4) крайне важно, с одной стороны, нанести достаточное и равномерное количество паяльной пасты, чтобы обеспечить качественную пайку и исключить дефект «надгробного камня»; с другой стороны, исключить переизбыток паяльной пасты, который может привести к возникновению перемычки (см. рис. 5).
Пример качественного нанесения паяльной пасты на контактные площадки компонента 01005 представлен на рисунке 6.

Рис. 5. Образования перемычки из-за избыточного количества паяльной пасты

Рис. 6. Качественное нанесение паяльной пасты

Давайте определим, какой должна быть доза паяльной пасты, чтобы исключить возникновение перемычек. При этом необходимо учитывать следующие факторы, дополнительно увеличивающие риск возникновения перемычек:
– повторяемость размера дозы современных дозаторов и бестрафаретных принтеров находится в диапазоне 10–15%;
– после установки компонента границы доз паяльной пасты увеличиваются;
– точность позиционирования дозирующего устройства также может варьироваться и составляет 25–70 мкм (при 3 сигма) в зависимости от возможностей применяемого оборудования.

Расстояние между центрами контактных площадок под компоненты 01005 L = 300 мкм.
Таким образом, максимальный радиус доз должен составлять L/2 = 150 мкм (диаметр, соответственно, 300 мкм). С учетом того, что повторяемость размера дозы составляет в среднем 10% (лучше всего посмотреть в спецификации на конкретный дозатор или бестрафаретный принтер), следует учесть этот фактор в вычислениях:
R max = L/2 · (100% – 10%) = 135 мкм,
что соответствует диаметру дозы 270 мкм.
В расчете мы не учли такие факторы как точность позиционирования дозирующего устройства и смещение отпечатка пасты после установки компонента под воздействием усилия установки. Учитывая их, мы получим требования к дозам паяльной пасты на уровне 250 мкм в диаметре.
Согласно технической документации, подавляющее количество современной дозирующей техники не в состоянии обеспечить нанесение таких малых доз с высокой повторяемостью. В частности, каплеструйная технология, ориентированная на высокую скорость, не подходит под задачи, требующие высокой точности, т.к. рассчитана на нанесение дозы только существенно большего диаметра. Для решения таких задач требуются дозирующие установки высокой точности.
Приведем результат дозирования, осуществлённого на установке прецизионного дозирования Axiom X-1010 (см. рис. 7–8). Внешний вид установки представлен на рисунке 9.

Рис. 7. Нанесение доз диаметром 200 мкм (Axiom X-1010)

Рис. 8. Нанесение доз диаметром 147 мкм (Axiom X-1010)

Рис. 9. Установка прецизионного дозирования Axiom X-1010

Таким образом, возможности установки прецизионного дозирования Axiom-1010 позволяют осуществлять качественное нанесение доз паяльной пасты для монтажа компонентов 01005. Более того, установка имеет существенный технологический запас для работы с компонентами ещё меньшего размера.
Теперь рассмотрим другую проблемную область технологической эволюции.

Ни для кого не секрет, с какой скоростью увеличивается количество и плотность выводов микросхем. Это формирует новые требования к оборудованию по установке таких компонентов на печатную плату. В последнее время уже мало кого можно удивить микросхемами в корпусах BGA с шагом 0,5 мм.
Рассмотрим работу с элементами в корпусах LGA (см. рис. 10). В отличие от компонентов в корпусе BGA, компоненты в корпусе LGA имеют плоские выводы. Более того, использование флюс-геля, которое решало ряд вопросов с монтажом BGA, не является решением в случае с LGA.

Рис. 10. Компонент в корпусе LGA

Следует заметить, что микросхемы в корпусах LGA стремительно завоёвывают свое место на мировом рынке по выпуску электронных изделий. На рисунке 11 представлен пример одного из таких корпусов современных микросхем с шагом 0,4 мм [3].

Рис. 11. Чертёж компонента в корпусе LGA (UFLGA96-P-0505-0.40A01) производства Toshiba

В итоге получается, что оптимальный диаметр дозы для компонентов LGA с шагом выводов 0,4 мм не должен превышать 200 мкм. В противном случае велик риск образования различных дефектов, начиная с шариков припоя и заканчивая перемычками.
То же справедливо и для компонентов в корпусе BGA. В дальнейшем будет происходить миграция в сторону более активного использования корпусов LGA. Это объясняется следующими факторами:
– при эффективной организации технологического процесса качество пайки лучше;
– корпус LGA дешевле, чем BGA, за счёт отсутствия шариков;
– прямое соединение компонента и платы обеспечивает лучшую передачу тепла и электрического сигнала.
Таким образом, обеспечив технологическую возможность нанесения паяльной пасты для монтажа современных микросхем, например в корпусе LGA, можно достичь следующих преимуществ:
– привлечь заказы на более сложные изделия;
– оптимизировать массогабаритные характеристики изделия;
– свести к минимуму затраты на ремонт, вызванный неоптимальной технологией.

Часто для операций дозирования необходимы специальные типы паяльной пасты, которые поставляются в картриджах, совместимых только с конкретным оборудованием.
Более того, требуется использование паяльной пасты типов 5 и 6 (размер частиц 15–25 и 5–15 мкм, соответственно), что приводит к:
– зависимости от ограниченного количества производителей и поставщиков пасты;
– высокой стоимости паяльной пас­ты;
– усложнению цепочек поставки;
– возможным перебоям в поставках пасты.
В данной ситуации возможность использовать стандартные картриджи с повсеместно применяемой паяльной пастой позволяет существенно упростить жизнь и сократить затраты. В частности, система прецизионного дозирования Axiom X-1010 может работать с паяльной пастой в стандартных картриджах, начиная с 3-го типа (размер частиц 25–45 мкм) и выше.

Использование современных средств автоматизации нанесения паяльной пасты, таких как прецизионный дозатор Axiom X-1010 или его аналоги, позволяет существенно сократить себестоимость операций нанесения паяльной пасты за счёт следующих факторов, проиллюстрированных на рисунке 12. Дополнительно отметим, что применение систем автоматизированного нанесения паяльной пасты методом дозирования позволяет выйти на новый технологический уровень и решать более сложные производственные задачи.

Рис. 12. Факторы, снижающие себестоимость нанесения паяльной пасты при использовании средств автоматизации