Участок поверхностного монтажа для мелкосерийного многономенклатурного производства сложных печатных узлов

Максим Шмаков

Дмитрий Милишников

Татьяна Каспина

Анализ проблемы

Существующая проблема

Большинство российских предприятий являются производителями довольно сложной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) на основе печатных узлов (ПУ), которая обладает далеко не простой конструкцией с точки зрения ее реализации (рис. 1) и миниатюрности применимых компонентов (рис. 2). Необходимо отметить также сложность (многослойность) самих печатных плат (ПП) и многообразие разного рода корпусов компонентов, которые используются в конструкции изделий.

При этом для предприятий в большей степени характерна широкая номенклатура изделий при малой программе выпуска.

Распределение типов сборки показано на рис. 3 [1]:

• смешанный монтаж — 75%;
• только поверхностный монтаж — 18%;
• только монтаж в отверстия — 7%.

Согласно Концепции развития радиоэлектронного комплекса Российской Федерации, качеству РЭА, производящейся для государственных заказчиков, уделяется первостепенное внимание.

В то же время в силу ряда факторов, таких как:

• применение устаревших технологий;
• отсутствие необходимых средств на техническое перевооружение;
• низкие качество и повторяемость свойств применяемых технологических материалов;
• низкая повторяемость технологических операций из-за применения ручного труда;
• недостаток высококвалифицированных специалистов—качество печатных узлов часто не соответствует современному уровню, предъявляемому к аппаратуре специального назначения.

Анализ качества ряда печатных узлов специального назначения с использованием системы контроля рентгеновским излучением выявил часто повторяющиеся фатальные производственные дефекты, наличие которых приводит к выходу РЭА из строя в короткие сроки после начала эксплуатации из-за вибрации, температурных и других воздействий [2].

Ситуация осложняется тем, что с 1 июля 2006 года вступила в силу директива ЕС — RoHS (рис. 4), направленная на ограничение использования вредных материалов (свинца — Pb) в электронике и электронной технике, что приводит к ощутимым изменениям технологии сборки (пайки) РЭА, в частности — к обновлению парка технологического оборудования.

Возможные пути решения

Необходимо создание современного высокотехнологичного сборочного производства печатных узлов.

Начать можно с создания участка поверхностного монтажа (УПМ) как основы для дальнейшего создания на его базе гибкого автоматизированного сборочного производства печатных узлов.

Создание участка поверхностного монтажа

Исходные данные для выбора оборудования

Исходными данными для расчета участка являются:

1. годовая программа выпуска изделий;
2. трудоемкость изготовления изделия (при использовании нового оборудования);
3. оборудование для изготовления изделия, тип, цена, потребляемая мощность;
4. материалы, комплектующие на одно изделие;
5. основные производственные рабочие, разряд работ, часовая тарифная ставка.

Номенклатура изделий составляет порядка 200 наименований при объеме выпуска 2500 изделий в год.

Трудоемкость изготовления изделия при ручной сборке в среднем составляет порядка 22 часа. При переходе на автоматизированную сборку трудоемкость уменьшается до 0,5 часа (в зависимости от выбранного оборудования). (Выбор оборудования рассмотрен далее.)

Нормирование основных операций техпроцесса (с учетом технических характеристик выбранного оборудования) [3]:

1. нанесение паяльной пасты — 1 мин (сюда включено время на контроль платы, контроль нанесения пасты);
2. установка элементов — 0,15 ч, 9 мин + 1 мин на смену заготовки (включая визуальный контроль установки элементов) = 10 мин;
3. пайка — 9 мин (включая визуальный контроль);
4. отмывка — 7 мин (включая визуальный контроль отмывки);
5. контрольные операции — 3 мин;
6. такт выпуска Т₁ = 10 мин.

Обоснование выбора оборудования

Основным требованием к автоматизированному оборудованию, кроме высокого качества сборки, является его гибкость — возможность собирать партии от одного до тысяч единиц печатных узлов.

Данное требование означает быструю переналадку оборудования на сборку различных типов печатных узлов. Переналадка комплекта оборудования должна занимать не более 10–25 минут.

Основные требования к оборудованию:

• высокая надежность;
• наличие сервисной службы в России;
• высокая гибкость (возможность переналадки за 10–20 мин);
• сборка самых сложных печатных узлов (работа с широкой номенклатурой компонентов от 0201 до 45×45 мм).

Оборудование должно быть адаптировано к реальным производственным потребностям, то есть типы и конфигурация оборудования могут измениться после проведения анализа производства с учетом перспектив развития.

Дополнительные требования при выборе оборудования для участка поверхностного монтажа:

• гарантия обеспечения заданной производительности;
• возможность установки практически всей номенклатуры заявленных поверхностно монтируемых изделий (ПМИ);
• возможность быстрой переналадки на выпуск другого типа продукции;
• обеспечение высокого качества и надежности паяных соединений при сохранности электронных компонентов.

Стратегия контроля и соответствующее инспекционное оборудование для данного участка предусматривают многократный контроль печатных узлов в процессе их изготовления для диагностики и точной локализации дефектов максимально близко к источникам их наиболее вероятного возникновения. При внедрении системы отслеживания и паспортизации каждого печатного узла данная технология обеспечивает генерацию всех необходимых исходных данных для быстрого проведения корректирующих и предупреждающих воздействий [2].

Схема технологического процесса (ТП) монтажа ПМИ представлена на рис. 5.

Алгоритм анализа подбора оборудования для участка поверхностного монтажа

Исходными данными для подбора оборудования являются план выпуска и прогноз развития производства. План выпуска определяется конструкторской документацией (КД) выпускаемых изделий и требуемым количеством каждой номенклатуры продукции. КД подразумевает наличие как бумажного варианта, так и файлов из среды разработки PCB и CAD.

Схема алгоритма подбора автоматического оборудования для участка поверхностного монтажа представлена на рис. 6.

Этапы анализа

1. Анализ спецификации изделий для выявления особенностей вхождения типов компонентов и их параметров.

На каждую плату определяются:

• минимальные габариты компонента;
• максимальные габариты компонента;
• число номиналов;
• минимальный шаг выводов устанавливаемых компонентов;
• наличие микросхем, выполненных по технологии BGA;
• минимальный шаг микросхем BGA;
• число типономиналов компонентов для разных типов технологической тары упаковки компонентов (ленты, вибропитатели, матричные поддоны);
• наличие компонентов сложной формы, на которых нет горизонтальной поверхности на линии тяжести (нет возможности для обеспечения захвата стандартными насадками станка установки компонентов);
• число типов чип-компонентов;
• число типов не чип-компонентов.

Все эти данные сводятся в единую таблицу, причем отдельной строкой выделяются вышеперечисленные параметры для спецификации всех PCB вместе.

Выбранное оборудование должно обеспечить запас мощности для увеличения объемов производства на определенное время. Для оборудования электронной сборки нормальный срок окупаемости составляет три года. Соответственно, выбранное оборудование должно обеспечить возможность наращивания объемов производства на срок окупаемости без дополнительных вложений на закупку нового оборудования.

Исходные данные для выбора оборудования

• Типовой представитель печатных узлов (табл. 1):
Таблица 1. Характеристики некоторых комопнентов, используемых в изделиях сложной конструкции

• размер печатных узлов — 250×300 мм;
• количество компонентов на печатном узле — 400–500 шт.;
• количество типономиналов — 150 шт.;
• количество питателей:
• 70% — 8 мм;
• 10% — 12 мм;
• 5% — 16 мм;
• 3% — 24 мм;
• 2% — 32 мм;
• 10% — питателей из пеналов и обрезков ленты;
• толщина печатного узла — от 1 мм;
• тип монтажа — двусторонний с поверхностно монтируемыми изделиями (ПМИ) и отдельными компонентами, монтируемыми в отверстия;
• количество рабочих смен — 1;
• объем партий — от 5 до 50 шт. в зависимости от спроса;
• серийность и номенклатура — единичное и мелкосерийное многономенклатурное производство;
• предлагаемое решение должно обеспечивать выпуск высококачественных изделий в условиях традиционной и бессвинцовой технологий пайки [2].

Виды оборудования и его особенности

Принтер для нанесения паяльной пасты

Процесс нанесения паяльной пасты состоит в совмещении печатных плат с отверстиями в трафарете, продавливании проходом ракеля припойной пасты через отверстия в трафарете и съеме трафарета и его очистки от остатков пасты с нижней стороны.

Оборудование для трафаретной печати можно разделить на две основные группы: встраиваемое в линию и невстраиваемое. Встраиваемое оборудование всегда автоматическое, а невстраиваемое бывает ручное и полуавтоматическое. Выбор, прежде всего, определяется серийностью производства и сложностью выпускаемых изделий.

Ручной принтер подразумевает ручное совмещение печатных плат с трафаретом. Совмещение осуществляется микровинтами и контролируется визуально оператором. Если на изготовляемом электронном модуле есть компоненты BGA (любого типа), микросхемы с шагом Fine Pitch < 0,5 мм и компоненты размера 0603 и менее, то даже для мелкосерийного производства ручной принтер не подходит. Его использование приведет к плохому качеству печати и обилию дефектов после оплавления, а также к полному отсутствию повторяемости.

Для электронных модулей с такими компонентами необходима установка с автоматическим совмещением платы с трафаретом.

Ключевые параметры при выборе оборудования для трафаретной печати:

1. тип установки: встраиваемая в линию, невстраиваемая в линию — ручная или полуавтоматическая;
2. время цикла печати;
3. максимальная зона печати;
4. очистка трафарета: сухая, влажная, влажная + вакуумная;
5. контроль климата внутри установки.

Оборудование для установки компонентов

Оборудование для установки компонентов является узким местом в линии. Установка компонентов — это суть поверхностного монтажа, а все остальное оборудование является обслуживающим и дополнительным.

Невстраиваемые установщики компонентов оснащаются вакуумным захватом с разными типами насадок. Смена насадок осуществляется оператором. Схема работы сводится к захвату компонента из технологической тары, переносу вакуумного захвата с компонентом в место установки на печатные платы и опусканию компонента на поверхность печатных плат с последующим отключением вакуума.

В различных модификациях установок автоматизированы разные вспомогательные операции: своевременная подача требуемой тары с компонентами, лазерная подсветка места установки компонента и прочие, но неизменным остается ручное позиционирование компонента в место установки. Такие устройства пригодны только для опытного производства, так как обладают маленькой производительностью (до 450 комп./ч) и большой вероятностью роста количества ошибок, связанных с человеческим фактором.

Тем не менее, они остаются незаменимыми при изготовлении партий до 10–20 шт., которые при их изготовлении на автоматах потребуют больших затрат из-за вынужденного простоя оборудования на перезагрузку и переналадку.

Встраиваемые в линию установщики ПМИ представляют собой полные автоматы с конвейерной подачей печатных плат. Схема работы автомата должна обеспечивать автономную сборку печатных плат без участия оператора.

Работа автомата заключается в захвате вакуумной насадкой компонента из технологической тары, центрировании компонента, перемещении вакуумного захвата с компонентом в позицию установки и опускании компонента на контактные площадки с отключением вакуума.

Ключевые параметры при выборе установщиков ПМЭ:

1. тип автомата (pick&place, turret, модульный);
2. максимальное число питателей;
3. число захватов;
4. максимальный размер платы;
5. возможности при установке компонентов (минимальный размер, минимальный шаг, максимальные габариты и пр.);
6. производительность;
7. возможность установки питателей из разной технологической тары.

Печи оплавления паяльной пасты

За операцией по установке компонентов обычно следует оплавление паяльной пасты. Под воздействием высокой температуры в паяльной пасте происходит расплавление мелких шариков припоя. В паяльной пасте также содержится флюс, который снимает окисную пленку с выводов компонентов и контактных площадок, обеспечивает хорошую адгезию припоя к поверхностям и защищает сам припой от быстрого окисления.

Но для качественного оплавления пасты недостаточно просто высокой температуры. Необходимо поэтапное нагревание платы до точки оплавления по определенной температурной кривой и такое же постепенное охлаждение. Это предохраняет компоненты и печатную плату от термоудара и коробления и, кроме того, влияет на прочность и адгезию паяного соединения и наличие пустот в нем. Именно эти параметры паяного соединения являются определяющими критериями качества паяного соединения.

Сегодня самый распространенный тип печей оплавления — это конвекционные печи, где горячий воздух нагнетается вентиляторами в рабочую камеру через множество распределенных отверстий и воздействует на печатную плату, которая перемещается по рабочей зоне на конвейере. Снизу под конвейером находятся штыри, удерживающие плату от провисания.

В связи с приходом бессвинцовых технологий и увеличением температур пайки в настоящее время требуется больше времени на нагрев и охлаждение, чтобы выдержать требуемый градиент нарастания температур. Поэтому современные печи становятся длиннее (до 12 м) и имеют большее количество зон (9–11).

Ключевые параметры при выборе печи оплавления:

1. тип используемого принципа оплавления;
2. равномерность нагрева;
3. длина рабочей зоны оплавления;
4. число зон на рабочем уровне;
5. число зон на нижнем уровне;
6. число зон охлаждения;
7. возможная ширина печатной платы;
8. тип конвейера;
9. центральная поддержка;
10. возможность пайки в среде азота [4].

Краткие характеристики выбранного оборудования:

• Устройство подготовки паяльной пасты:
• время подготовки паяльной пасты к использованию не более 15 мин;
• перемешивание и подогрев паяльной пасты в одном цикле.
• Устройство измерения вязкости:
• широкий диапазон измерения вязкости материалов;
• стандартизированный метод измерения.
• Высокопрецизионный полуавтомат трафаретной печати.

Программное управление диапазоном перемещения ракеля, скоростью перемещения ракеля, а также программируемое время разделения печатной платы и трафарета после нанесения:

• максимальный размер области печати (Д×Ш), мм — 405×432;
• максимальный размер печатной платы (Д×Ш), мм — 500×450;
• диапазон регулирования скорости ракеля, мм/с — 10–70;
• диапазон регулирования давления, кг — 0–15;
• поддержка печатной платы снизу посредством магнитных держателей.
• Сверхгибкий автомат начального уровня для установки компонентов:
• максимальные габариты печатной платы, мм — 560×360;
• максимальное количество устанавливаемых типономиналов компонентов, упакованных в 8-миллиметровую ленту — до 208;
• максимально возможная производительность с одной установочной головкой до 4000, а с двумя установочными головками — до 6400 комп./ч;
• диапазон устанавливаемых компонентов: от chip 0201 до finepitch, QFP, BGA 60×60 мм;
• точность установки компонентов, мкм — 30;
• CAD-конвертер;
• интеллектуальные питатели.
• Конвейерная печь конвекционного оплавления:
• длина рабочей зоны, мм — 3500;
• количество зон — 7 зон нагрева и 2 зоны охлаждения;
• максимальная ширина печатных узлов, мм — до 505;
• скорость конвейера, м/мин — 0,2–2,0.
• Рабочее место визуального контроля печатных узлов:
• максимальное увеличение до 80 крат;
• рабочее поле стола 300×250 мм или 460×250 мм;
• максимальные размеры печатной платы 300×300 мм или 460×460 мм;
• антистатическое исполнение;
• проекционная система с изменяемым углом зрения и углом обзора;
• возможность подключения цифровой и видеокамеры.

Материалы на одно изделие

При сборке (пайке) печатных узлов по технологии поверхностного монтажа используется в основном паяльная паста.

Расчет численности рабочих

При расчете численности рабочих необходимо знание сборки по технологии поверхностного монтажа и, соответственно, ТП сборки печатных узлов по данной технологии.

Для сборки печатных узлов по технологии поверхностного монтажа численность рабочих рассчитывалась следующим образом:

1. начальник участка — 1;
2. инженер-технолог — 1;
3. оператор — 1 (п/а трафаретной печати + печь конвекционного оплавления);
4. комплектовщик — 1;
5. монтажник — 2 (инспекционный конвейер — 1, ремонтный центр — 1);
6. контролер — 2 (раб. место для визуального контроля печатных узлов + система визуальной инспекции — 1, установка рентген-контроля — 1);
7. слесарь-сборщик — 2;
8. кладовщик — 1.

В таблице 2 показано количество персонала участка поверхностного монтажа на смену.

Разработка системы оплаты труда рабочих

Оплата труда сотрудников предприятия производится в виде сдельной или повременной формы оплаты труда, в соответствии с тарифными ставками и должностными окладами. Тарифные ставки для рабочих и должностные оклады ИТР устанавливаются с учетом квалификации сотрудника и заключенного трудового договора.

При сдельной оплате труда сотруднику оплачивается работа в зависимости от объема, утвержденных норм времени и стоимости разряда выполняемых работ при надлежащем качестве, определяемом в соответствии с установленным порядком на предприятии.

При повременной оплате труда сотруднику выплаты производятся исходя из величины тарифной ставки или должностного оклада и отработанного времени.

Фонд оплаты труда подразделений второй группы зависит от величины доходов предприятия, выполнения планов и возложенных на подразделение функций, а также доходов от оказания услуг сторонним организациям и населению, экономии материальных и финансовых ресурсов.

На участке поверхностного монтажа используется труд высококвалифицированных рабочих (5-го и 6-го разрядов), это связано со сложностью применяемого оборудования. Оплата труда работников в основном сдельная, кроме начальника отдела и инженера-технолога.

Исходя из данных по предприятию:

• тарифная ставка 5-го разряда — 110 рублей (ЗПСР/163, где ЗПСР — средняя заработная плата за месяц);
• заработная плата инженера-технолога — 12 000 рублей в месяц;
• заработная плата начальника участка — 17 000 рублей в месяц.

Планировка для участка поверхностного монтажа

Исходные данные для разработки планировки участка поверхностного монтажа (УПМ) (рис. 7), с учетом выбранного оборудования, представлены в таблице 3.

Базовые требования к помещению (согласно требованиям международного стандарта IPC-J-STD-001) и технические параметры микроклимата на участке поверхностного монтажа приведены в таблице 4.

Расчет окупаемости создания участка поверхностного монтажа

Исходные данные для расчета

Исходные данные для расчета экономической эффективности приобретения линейки для участка поверхностного монтажа сведены в таблицах 5, 6 (стоимость приобретаемого оборудования).

Окупаемость приобретаемого оборудования по годам за счет экономии затрат на зарплату

Окупаемость приобретаемого оборудования по годам за счет экономии затрат на зарплату представлена в таблице 7 и на рис. 8 (график окупаемости).

Вывод по расчету

Резкое снижение трудоемкости (более чем в 40 раз) обосновано переходом на автоматизацию процесса сборки печатных узлов в условиях опытного и мелкосерийного производства и, соответственно, уходом от ручного труда. При этом экономятся затраты на зарплату в среднем на 6 млн руб. в год, что обеспечивает окупаемость оборудования стоимостью 13,1 млн руб. за 3 года.

Окупаемость приобретаемого оборудования по годам за отказ от услуг контрактного производителя

Использование услуг контрактного производителя

Обычно цена за монтаж SMD компонентов рассчитывается исходя из количества точек паек на печатной плате согласно КД заказчика и технологических особенностей монтируемых компонентов (расценки, взятые из реальных коммерческих предложений российских предприятий на 2007 год, приведены в таблице 8).

Данные взяты из договора заказа сборки электронного модуля одного из контрактных производителей.

Предмет договора

Подрядчик обязуется выполнить работы по изготовлению (монтажу) электронных модулей “mxm-shmakov” из комплектующих Заказчика в количестве и в сроки, указанные в Приложении 2 (количество 4 шт., срок — 3 недели), являющемся неотъемлемой частью настоящего договора, и передать их Заказчику, а Заказчик обязуется принять результаты работы и оплатить выполненные работы в размере, указанном в п. 2.1. Цена настоящего договора.

Цена договора, в соответствии с Приложением 3 (табл. 9), являющимся неотъемлемой частью настоящего договора, составляет 31 707 руб. 02 коп. (тридцать одна тысяча семьсот семь рублей 02 копейки), в том числе НДС 18% — 4836 руб. 66 коп.

Стоимость сборки одного электронного блока составляет 7926,76 руб. (в том числе НДС 18% — 1209,17 руб).

Рассчитаем окупаемость приобретаемой линейки поверхностного монтажа за счет экономии средств на контрактную сборку.

Исходные данные для расчета окупаемости линейки поверхностного монтажа при ожидаемом экономическом эффекте в случае отказа от контрактной сборки приведены в таблице 10.

Вывод по расчету

В связи с отказом от контрактного производителя и использованием приобретаемого оборудования при сборке печатных узлов мы получаем срок окупаемости линейки поверхностного монтажа, равный 0,67 года. При этом экономится в среднем 19,5 млн руб. в год.

Заключение

Подводя итоги, можно с полной уверенностью сказать, что создание собственного автоматизированного производства позволяет избежать больших экономических потерь, которые возникают: 1) при использовании ручной сборки или 2) при использовании услуг контрактного производителя. Но, к сожалению, для этого (как видно из расчетов) необходимо некоторое время.

Также хочется отметить то, что окупаемость линейки можно ускорить, если «дозагрузить» производство дополнительными контрактными заказами, как это делает большинство российских предприятий («Фаствел», «Альтоника», «ЛВС-электроникс» и т. д.).

И закончить хочется словами Герберта Н. Кассона: «…Современное оборудование ничего не стоит, поскольку быстро себя окупает и затем начинает увеличивать прибыль».

Литература

1. Медведев А. Обновление технологий в российской электронной промышленности // Технологии в электронной промышленности. 2005. № 2.
2. Концепция создания современного высокотехнологичного сборочного производства печатных узлов / ЗАО «Предприятие ОСТЕК». М., 2006.
3. Пилипенко О. Мысли омонтаже // Технологии в электронной промышленности. 2005. № 3.
4. Лукачев С. Подбор оборудования и оснастки для оснащения производства по технологии поверхностного монтажа // Производство электроники. 2006. № 7.