Prototypowanie urządzeń elektronicznych przy użyciu montażu SMT w Comarch IoT Plant

Budowa prototypu to dla producentów elektroniki ważny, a jednocześnie problematyczny obszar biznesowy. Zaostrzająca się konkurencja i rosnące wymagania klientów wymuszają szybsze działania i jeszcze efektywniejszą pracę. Czas dostępny na fazę projektową znacząco się kurczy, a przygotowanie prototypu w ramach produkcji krótkoseryjnej wymaga reorganizacji procesów nie tylko w fabryce, ale i całej firmie. Dlatego coraz więcej przedsiębiorstw poszukuje możliwości współpracy w tym zakresie. Tego rodzaju wsparcie oferuje Comarch IoT Plant, zapewniając usługi szybkiego prototypowania i montażu urządzeń elektronicznych (EMS, Electronic Manufacturing Services).

Czym jest prototypowanie elektroniki i dlaczego stanowi wyzwanie?

Budowa prototypu to część szerszego procesu projektowania elektroniki. Pełni rolę fazy kontrolnej między przygotowywaniem projektu w wersji wirtualnej a samą produkcją seryjną. Dynamiczny rozwój technologii połączony z trendem miniaturyzacji urządzeń elektronicznych wymaga inwestycji w etap prototypowania, niemożliwy do przeprowadzenia bez odpowiedniej infrastruktury. Oznacza to, że firmy produkcyjne zmuszone są do zaangażowania dużych zasobów w przygotowanie zaledwie kilku prototypowych układów drukowanych (PCB, Printed Circuit Board). To proces charakteryzujący się podejmowaniem wielu prób i popełnianiem analogicznie wielu błędów. Logicznym sposobem na sprostanie temu wyzwaniu jest outsourcing montażu.

– 95% naszej produkcji związana jest z prototypowaniem w ramach produkcji krótkoseryjnej, w wolumenach do kilkudziesięciu sztuk. Nasi klienci posiadają często własne, wysoce zaawansowane technologicznie fabryki. Jednak nawet w takich przypadkach uruchomienie produkcji jednostkowej na potrzeby stworzenia prototypu wymagałoby szerszych zmian w organizacji pracy zakładu. Na przykład wyodrębnienia osobnej linii produkcyjnej, która działa zwykle 24 godziny na dobę na potrzeby produkcji seryjnej – mówi Piotr Sieńko, Lider procesu SMT w Comarch IoT Plant.

Na tym nie kończą się jednak wyzwania związane z prototypowaniem. Wyprodukowana, wstępna partia płytek PCB wymaga zatrzymania się w celu przetestowania funkcjonalności i uruchomienia kolejnych modułów danego urządzenia. Jeśli wszystko działa poprawnie, może zostać uruchomiona dalsza produkcja. W praktyce to jednak o wiele bardziej skomplikowane.

– Częstą sytuacją na etapie projektowania jest dokonywanie wielu zmian, dlatego montaż prototypów aż do samego końca procesu zakłada wdrażanie niestandardowych rozwiązań. Firmy produkcyjne nie mogą sobie pozwolić na przestoje w fabrykach powodowane kolejnymi modyfikacjami prototypów. Współpraca z zewnętrznym partnerem technologicznym w ramach krótkich serii produkcyjnych daje taką elastyczność. Czasem klient prosi o wyprodukowanie pojedynczej płytki, którą musi uruchomić i przetestować, aby zyskać pewność, że urządzenia działa prawidłowo. Takie testy w większości przypadków odbywają się w siedzibie klienta, ale w ramach przyspieszenia procesu produkcji jesteśmy również w stanie przygotować odpowiednie stanowisko w naszej fabryce. Dopiero gdy klient zyskuje pewność, że wszystko działa prawidłowo, daje nam zielone światło na kontynuację produkcji danej partii – dodaje Piotr Sieńko.

Dostępne metody montażu prototypów elektronicznych 

Istnieją dwie powszechnie stosowane metody mocowania komponentów elektronicznych na obwodzie drukowanym – montaż przewlekany (THT, Through Hole Technology Mounting) oraz powierzchniowy (SMT, Surface-Mount Technology). Pierwszy – THT – wykorzystuje płytki PCB ze specjalnymi otworami, przez które przewleka się wyprowadzenia w formie drucianych nóżek, a następnie lutuje. To czasochłonny proces, wymagający manualnej pracy operatora. Drugi rodzaj – SMT – pozwala na pracę na powierzchni obwodu drukowanego, na której elementy umieszcza się z pomocą specjalistycznych, zaprogramowanych wcześniej maszyn.

Montaż powierzchniowy powoli wypiera starszą metodę przewlekania, ponieważ oferuje dużo więcej zalet, spośród których najważniejsze to:

• szybkość montażu,
• możliwość automatyzacji procesu produkcyjnego,
• miniaturyzacja docelowych urządzeń elektronicznych i uzyskanie dużej gęstości rozmieszczenia komponentów,
• montaż elementów po obu stronach płytki drukowanej,
• niska impedancja połączeń przekładająca się na lepsze właściwości elektryczne przy wysokich częstotliwościach,
• większa odporność mechaniczna na wstrząsy i wibracje ze względu na niewielką masę komponentów,
• opcja łączenia maszyn w jedną, ciągłą linię produkcyjną,
• 2w1 – możliwość zamocowania w ramach montażu SMT także komponentów przewlekanych na płytkach z otworami (proces pin-in-paste).

Przebieg procesu produkcji prototypów w ramach montażu SMT

Jeszcze przed uruchomieniem produkcji metodą SMT strategicznie istotnym etapem jest zgromadzenie i analiza dokumentacji technicznej w celu przygotowania programu sterującego pracą automatów na linii produkcyjnej. Dokumentacja powinna zawierać takie pliki jak:

• BOM (Bill of Materials) – listę wszystkich komponentów, które mają znaleźć się na płytce PCB,
• Gerber – wirtualny obraz płytki PCB, na podstawie którego zamawiane są indywidualne szablony do druku pasty lutowniczej, spoiwa łączącego płytkę z komponentami SMD (Surface-Mount Devices) wyszczególnionymi w BOM,
• Pick&Place – zawierający koordynaty dla poszczególnych desygnatorów,
• Schemat montażowy – określający takie parametry jak polaryzacja, orientacja  elementów czy niestandardowe rozwiązania związane z montażem (np. dodatkowe połączenia przewodami kynar, lutowanie elementu na elemencie itp.)

– Dokumentacja na etapie prototypowania przybiera najrozmaitsze postaci. Często jest dostarczana na dosłownie kilka dni przed właściwą produkcją. Zdaję sobie sprawę, że zespoły inżynieryjne klientów działaj pod ogromną presją czasową i niejednokrotnie projekty wędrują między różnymi działami. Trafiają się przypadki, że w dokumentacji znajdą się rozbieżności między poszczególnymi plikami. Staramy się wszystkie różnice wyłapać i dać klientowi jak najszybszą informację zwrotną. Jesteśmy bardzo uczuleni na jak najdokładniejsze przeanalizowanie tego etapu, ponieważ pozwala to uniknąć niespodzianek podczas produkcji, które z kolei mogły by wygenerować dodatkowe koszty, związane np. z przeróbką jakiegoś obwodu – komentuje Piotr Sieńko.

Tak przygotowana dokumentacja pozwala zaplanować dalszy – już właściwy – proces produkcji polegający na montażu elementów elektronicznych na płytce drukowanej. Możemy wyróżnić następujące etapy:

1. Znakowanie laserowe płytek PCB w celu nadania im unikalnego identyfikatora.
2. Nadruk pasty lutowniczej z pomocą napinanego pneumatycznie szablonu.
3. Układanie elementów przy pomocy automatów Pick&Place.
4. Lutowanie w piecu rozpływowym.
5. Kontrola jakości montażu z pomocą automatycznej kontroli optycznej (AOI, Automatic Optical Inspection) lub w razie potrzeby X-Ray i tomografii komputerowej.

Pomiędzy kolejnymi maszynami na linii produkcyjnej znajdują się tzw. transportery, które przesuwają płytkę do dalszego etapu. Ich pracę można zautomatyzować, ale w trakcie montażu prototypów sprawdza się dodatkowa kontrola optyczna dokonywana przez operatorów także między poszczególnymi częściami procesu. Wszystkie etapy montażu są równie istotne, ale w kontekście powodzenia całego procesu na szczególne wyróżnienie zasługują dwa z nich.

 – Kluczowy jest krok drugi, polegający na druku pasty lutowniczej przy użyciu specjalnego szablonu, ponieważ ewentualne problemy, których tu nie wykryjemy – takie jak zbyt duża ilość pasty powodującej zwarcia – będą rzutować na resztę procesu. Ponadto istotny jest krok czwarty, czyli lutowanie rozpływowe, które wymaga ustawienia odpowiedniego profilu temperaturowego. W naszym piecu wyróżniamy siedem stref grzewczych. Pięć pierwszych stref to strefy przygotowawcze, a w dwóch kolejnych zachodzi właściwy proces lutowania połączeń – wyjaśnia Piotr Sieńko.

Do danego produktu dobierany jest konkretny profil rozgrzewania. Dlaczego?

– Komponenty różnią się rozmiarem, masą i pokryciem, jedne z nich nagrzewają się szybciej, inne wolniej, dlatego konieczne jest dość długie rozgrzewanie, aby wszystkie osiągnęły docelową temperaturę. Chodzi również o stopniowe rozgrzanie samej pasty lutowniczej, w której skład wchodzi stop cyny i srebra, ale również topnik mający zdefiniowane parametry aktywacji. Efektem przyspieszonej aktywacji topnika będzie zwiększony voiding, czyli powstawanie nadmiaru pustek w spoinach lutowniczych, których dopuszczalna ilość jest ściśle określona przez normy – dodaje Piotr Sieńko.

Comarch IoT Plant – usługi szybkiego prototypowania i dużo więcej 

Outsourcing prototypowania urządzeń elektronicznych z wykorzystaniem montażu SMT przynosi wiele korzyści biznesowych, nawet w przypadku firm mających do dyspozycji zaawansowane zakłady produkcyjne. Szybki dostęp do parku maszynowego, elastyczność w zakresie stosowanych rozwiązań, skrócenie czasu potrzebnego na montaż, eliminacja kosztów, które trzeba by ponieść w związku z reorganizacją procesów produkcyjnych we własnej fabryce oraz możliwość koncentracji na podstawowej działalności są kluczowymi zaletami takiego podejścia. Przed podjęciem decyzji o wyborze partnera technologicznego warto jednak zwrócić uwagę na jego doświadczenie i jakość usług, które oferuje.

Działająca od 2017 roku, nowoczesna hala produkcyjna Comarch IoT Plant oferuje nie tylko wysokiej jakości usługi w zakresie szybkiego prototypowania i rozwoju produktów, ale również w obszarze montażu urządzeń elektronicznych (EMS) i poprodukcyjnej kontroli jakości. Wieloletnie doświadczenie zdobyte podczas działalności badawczo–rozwojowej (R&D) oraz produkcji urządzeń elektronicznych pozwala nam na dostarczanie produktów, usług EMS oraz projektowania najwyższej jakości, zgodnych z obowiązującymi standardami oraz trendami.