0201 montagem, da colocação difícil à convencional
Este artigo explica e discute os princípios orientadores que regem a colocação do 0201 em operações de montagem de alto volume e alta mistura.
Por Ming Gan, ming@smthelp.com
Embora geralmente considerado um desenvolvimento relativamente recente, as placas de circuito impresso (PCBs) estão disponíveis desde o início dos anos 1950. Desde então, a demanda por produtos eletrônicos menores, mais leves e mais rápidos levou componentes eletrônicos, PCB e tecnologia de equipamentos de montagem para SMT.
A primeira aceitação geral do SMT ocorreu no início dos anos 80, quando máquinas como a Dynapert MPS-500 e a FUJI CP-2 entraram no mercado. Naquela época, os resistores e capacitores 1206 (3216) eram os componentes de colocação mais populares. No entanto, em um ou dois anos, o 1206 deu lugar ao 0805 (2125) como o pacote de componentes mais comum para colocação de SMT.
O surgimento da embalagem 0402 (1608) apresenta mais desafios em todos os aspectos da montagem de PCB. Em termos de desenvolvimento de máquinas, os bicos de vácuo tornaram-se menores e mais frágeis. Um novo foco é colocado no alimentador do componente, que atua como uma unidade de melhoria, dando à máquina peças mais precisas.
Com o advento dos componentes 0402, os desafios do processo aumentaram para aqueles que precisam ser resolvidos para a colocação bem-sucedida do componente. A impressão em pasta de solda torna-se ainda mais crítica – a espessura do estêncil e a malha de pasta de solda são considerações de processo cada vez mais importantes. A tecnologia necessária para tal colocação também envolve novos custos significativos.
A combinação desses fatores cria uma nova forma de embalagem que é a mais lenta de se adotar na história da indústria eletrônica. No total, por quase cinco anos, a embalagem 0402 foi amplamente aceita na indústria – e muitas montadoras hoje nunca colocam uma folha 0402.
Durante o último ano e meio, a colocação do 0201 tem sido um tópico importante de discussão em todo o setor. Devido aos requisitos de tamanho, peso e consumo de energia, muitos montadores de placas OEM precisam incorporar componentes e tecnologias ainda menores em seus produtos. Os fabricantes contratados (CM, fabricante contratado) também devem ter novas tecnologias para manter o processo de montagem atualizado e fornecer aos clientes uma gama completa de serviços. Para os fabricantes de máquinas, o desafio é desenvolver equipamentos de montagem mais resistentes a obsoletos em uma era de mudanças tecnológicas dinâmicas.
Desafio de posicionamento 0201
O posicionamento do componente 0201 é mais desafiador do que a intervenção do componente na frente dele. A principal razão é que o pacote 0201 tem aproximadamente um terço do tamanho 0402 correspondente.
Embora esses obstáculos sejam muito grandes, eles estão longe de serem intransponíveis. Claro, eles precisam de toda a determinação, porque a tecnologia necessária para a colocação do 0201 requer muito dinheiro e a promessa da alta administração de pesquisa e desenvolvimento (P&D).
A chave para a colocação confiável do 0201
Na FUJI, o agressivo programa de P&D produziu a capacidade de tornar todas as máquinas de montagem de circuitos compatíveis com o 0201 a 100% de velocidade, com uma confiabilidade de sucção mínima de 99,90%, uma confiabilidade de sucção alvo de 99,95% e mínima confiabilidade de colocação. É 99,99%. No início, todos os aspectos do projeto foram avaliados quanto à sua capacidade de trabalhar em um programa 0201 completo, e a combinação de elementos únicos de parâmetros de componentes de máquinas estreitamente relacionados provou ser fundamental para o sucesso. Esses parâmetros incluem:
Figura 1 Mesa alimentadora de componentes. O programa de P&D concluiu que a capacidade de posicionar com precisão a mesa do carro – e fazer ajustes mínimos para compensar a imprecisão da fita – é um fator chave para alcançar a confiabilidade de captação do componente acima de 99,95%.
Para conseguir isso, a mesa do alimentador deve ser usinada com precisão para garantir o posicionamento repetível dos alimentadores individuais e combinada com um sistema servo de ciclo semifechado de alta resolução usando um guia móvel linear de duas pistas. Esse design permite pequenos ajustes – com base nos resultados da precisão da sucção conforme julgado pelo sistema de visão. Isso garante que o componente esteja o mais próximo possível do centro.
Alimentador de componentes. O alimentador deve ser fabricado com tolerâncias extremamente rígidas para garantir a repetibilidade da posição de sucção, independentemente da altura do componente e de um grande número de possíveis posições do componente. O mecanismo usado para posicionar e travar o alimentador na posição deve ser durável e preciso, mas de fácil utilização. Além disso, os materiais usados para fabricar o alimentador devem ser de alta resistência e peso leve para permitir uma operação ergonômica, garantindo a entrega precisa e repetível da fita transportadora.
O alimentador aciona a roda dentada. A roda dentada desempenha um papel fundamental na capacidade da máquina de posicionar a fita componente. A forma, a conicidade e o comprimento dos dentes da roda dentada afetam significativamente a capacidade do alimentador de posicionar a fita. Outros fatores também foram investigados, como o diâmetro do pinhão e a quantidade de correias em contato com o pinhão. Alterações no projeto básico da roda dentada resultaram em maior precisão de posicionamento, com projetos anteriores aumentando em 20% na direção X e 50% na direção Y.
Figura 2 suga a cabeça. Depois de alimentar corretamente o componente, o próximo passo é puxar o componente para o bocal de vácuo e trazê-lo para a placa. Os bicos de vácuo são compatíveis para absorver o choque durante os componentes de pick-and-place, compensam pequenas variações na altura da pasta de solda e reduzem o risco de quebra do componente. Por esses motivos, o bocal deve poder se mover dentro de sua fixação.
A seleção do material, a dureza do material, as tolerâncias de usinagem e as características térmicas devem ser entendidas para construir uma cabeça de sucção confiável. O bocal deve se mover livremente dentro de seu suporte sem sacrificar a precisão (Figura 1).
O eixo do bico é montado. O eixo do bocal também é um elemento chave do projeto – eliminando o overdrive ao manter todo o bocal em alinhamento direto com o conjunto do eixo. A sobrepressão é causada pela inércia gerada quando o cabeçote é movido para cima e para baixo. Se o bocal e o eixo não estiverem em linha reta, há um pequeno chicote – ou sobrepressão. A sobrepressão causa uma alteração na precisão do posicionamento, que é determinada pela velocidade do movimento, pelo peso do bico e pelo peso do componente. Ao eliminar a sobrepressão, o alinhamento direto reduz o número de fatores negativos associados à colocação de componentes pick-and-place (Figura 2).
Figura 3 projeto do bocal. Variações no design do bocal são um fator importante para permitir que o componente 0201 seja recebido. Para desenhar um componente de 0,6 × 0,3 mm, o bocal deve ter um diâmetro externo não superior a 0,40 mm. Isso forma um eixo longo e fino do bocal que é frágil, mas também deve manter a precisão para manter a alta confiabilidade da sucção. Mudanças do eixo linear para o design cônico aumentam a resistência do bocal e permitem que o bocal resista à flexão (Figura 3).
Estrutura matriz. Todas as máquinas geram vibrações durante a operação. O projeto da estrutura de base é um primeiro passo fundamental para reduzir os efeitos de velocidade e movimento da vibração e ressonância harmônica. Ao usar uma estrutura de base de ferro fundido e tecnologia estrutural de ponta, a vibração e a ressonância harmônica podem ser reduzidas a um nível controlável dentro da máquina, de modo que os efeitos negativos possam ser tratados.
Até o padrão
Através de todos os seis fatores principais, os obstáculos para a colocação confiável do 0201 foram eliminados. Como resultado, o foco de P&D mudou para componentes menores e mais novos, e o 0201 não é mais considerado uma tecnologia de embalagem de componentes de ponta.
Para a colocação do componente 0201, a janela de processo aceita é de aproximadamente 75 μm X e 75 μm Y a 3 。. Para obter confiabilidade de posicionamento de 6 贴, as tolerâncias X e Y devem ser reduzidas para 50 μm. O mais recente equipamento de colocação de alta velocidade tem uma classificação de 66μm com um desvio padrão real de aproximadamente 35~45μm. À medida que o componente 0201 se torna mais amplamente utilizado e o processo de fabricação se torna mais rigoroso, pode-se obter maior precisão.
A diferença no tamanho dos componentes entre os fornecedores representa um desafio para a alimentação e colocação do 0201. A alimentação a granel está sendo inaugurada e deve estar disponível em 2001.
Embora a máquina agora tenha essa capacidade, apenas uma pequena porcentagem de usuários estará pronta para assumir a colocação 0201 nos próximos 12 a 24 meses. Isso é semelhante à introdução de uma matriz de grade de esferas (BGA) e componentes 0402, nos quais os recursos da máquina estão à frente do estado do processo.
Desafio à frente
Embora a colocação de componentes 0201 seja agora um recurso padrão de novos equipamentos de colocação, é necessário trabalho adicional para melhorar o processo geral para o usuário final. A relação entre fabricantes de máquinas, fornecedores de componentes, fabricantes de placas, fábricas de fôrmas e fabricantes de pasta de solda precisa ser fortalecida para criar um processo de desenvolvimento mais contínuo. O resultado final será um entendimento unificado do processo e uma melhor relação de trabalho que beneficiará os usuários finais, especialmente tornando as novas tecnologias de produção mais rápidas e eficientes.
Por Ming Gan, ming@smthelp.com