Automatická výroba elektroniky probíhá na výrobních linkách složených z modulárních automatů pro osazování, pájení a testování desek plošných spojů a z nich vzniklých modulů, které po montáži do pouzder tvoří hotové elektronické výrobky. V minulosti postupoval každý výrobce od návrhu a vývoje, přes konstrukci, výrobu, vyzkoušení až po zabalení ve vlastním podniku a pak uvedl produkt na trh. Nyní je výroba většinou rozdělena do kroků, které vykonávají jednotlivé na sebe navazující specializované firmy. Některé firmy se zabývají pouze vývojem elektronických zařízení, jiné návrhem desek plošných spojů a popř. i jejich výrobou, další firmy desky osazují a zkoušejí. Ve vyspělých státech Evropy a Ameriky probíhá stále ještě výzkum, vývoj a konstrukce desek plošných spojů (DPS), zatímco sériová a hromadná automatická výroba se v současnosti soustřeďuje do Asie.
Výroba desek plošných spojů
Deska plošného spoje je opatřena vodivými spoji, na které jsou pájením připevněny elektronické součástky. Pro zcela jednoduchou spotřební elektroniku jsou používány DPS jednostranné nebo dvoustranné, pro složitější moduly DPS vícevrstvové se vzájemně propojenými vodiči mezi jednotlivými vrstvami, dnes zpravidla laserem vrtanými a pak pokovenými otvory.
Současné DPS již nejsou jen mechanickým podkladem a pasivním nosičem plošných spojů a součástek na ně osazených povrchovou montáží, nýbrž ve svých vrstvách často skrývají pasivní součástky i aktivní prvky a integrované obvody speciálně upravené pro vkládání do desek plošných spojů.
Obrazce plošných spojů na DPS podle zapojovacího schématu jsou navrhovány za pomoci speciálního softwaru, který předává data zařízením pro jednotlivé výrobní kroky:
- osvětlovací zařízení k provedení spojů v jednotlivých vrstvách DPS,
- automaty na zhotovování spojovacích otvorů mezi vrstvami,
- potisk ochrannými (nepájecími) laky,
- nanášení lepidel automatickými dispenzory pro připevnění součástek povrchovou montáží (nutné pro pájení vlnou) nebo i deponování pájecí pasty pro pájení přetavením.
Automatické výrobní linky jsou vybaveny specializovanými automatickými zařízeními, mezi něž patří: manipulační systémy pro DPS, označovací automaty, zařízení pro nanášení pájecí pasty nebo lepidla šablonami, přístroje pro automatickou optickou kontrolu nanesené pasty nebo lepidla, automaty pro osazování součástek, průběžné pájecí pece, automaty pro kontrolu pájení (optické nebo rentgenové), další elektrická testovací zařízení a přístroje pro kontrolu fungování vyrobených modulů.
Osazování DPS
Před zahájením montáže je každá deska označena jednoznačným kódem. Údaje o použitých materiálech a součástkách jsou zaznamenány do datového souboru přiřazeného k DPS, do kterého jsou dále vkládány údaje z kontroly prováděné po každém výrobním kroku. To dovoluje po celou dobu výroby průběžně sledovat každý kus a přiřazovat k němu současné podmínky na výrobní lince. Tato data jsou rovněž využívána při centrálním vyhodnocení v řídicím počítači a k následující optimalizaci výrobního procesu. Tím je omezován počet chyb a zlepšována kvalita vyráběné elektroniky.
Dříve byly desky označovány samolepicími etiketami s čárovým nebo maticovým kódem, nyní je maticový kód zpravidla vypalován laserem do krycího laku, do mědi plošných spojů nebo přímo do základního materiálu desky. Poté je podle přesných šablon z kovu nebo ze speciálních plastových fólií (na obr. 1 vpravo) na desku nanesena pájecí pasta (pro pájení přetavením) a nebo lepidlo (pro pájení vlnou). Šablony jsou vyráběny leptáním nebo laserovým řezáním. Správné nanesení pasty nebo lepidla je opticky zkontrolováno za použití pokročilých metod strojového vidění (obr. 2).
Na DPS s naneseným lepidlem nebo pájecí pastou jsou osazovacími automaty pokládány součástky SMD (Surface Mount Device), a to rychlostí, která se každým rokem zvyšuje, zatímco součástky SMD se stále zmenšují. Nejvýkonnější osazovací automaty dosahují rychlosti až 120 tisíc součástek za hodinu.
Při sériové výrobě jsou menší desky pro zpracování spojeny do velkých DPS o rozměrech odpovídajících šíři dopravníku (např. 460 × 460 mm) – viz obr. 1 vlevo. Tyto velké desky se však při šablonovém nanášení lepidla nebo pasty prohýbají a musí být zdola na více místech podepřeny kovovými sloupečky zakončenými silikonovými čepičkami. Podepření rozměrných desek rovněž eliminuje vibrace, které vznikají při rychlém osazování součástkami SMD.
Pájení DPS
Při výrobě DPS se používají tyto dva typy automatického pájení:
- přetavení pájecí pasty v průběžných pecích nebo v parách tekutiny, jejíž výparný bod je shodný s tavicí teplotou použité pájecí pasty,
- klasické pájení vlnou tekuté pájky.
Automatická pájecí zařízení jsou dnes většinou konstruována pro bezolovnaté pájení. Přestože je zákonem zakázáno používat při výrobě elektroniky olovo, přetrvávají mnohé výjimky (zejména pro automobilový průmysl). Proto musí mít firmy provádějící osazování a pájení dvě nebo více výrobních linek (samostatně pro olovnaté a bezolovnaté pájení) a dva oddělené sklady (pro součástky s olovnatými a bezolovnatými pájecími ploškami).
Zatímco dříve byly některé součástky (zejména mechanické prvky a mechanicky náročné součástky, jako např. konektory, spínače, relé apod.) vkládány a pájeny ručně nebo poloautomaticky, jsou nyní již většinou používány automaty pro selektivní pájení minivlnou a součástky jsou vkládány speciálními roboty.
Po průchodu DPS pájecí pecí následuje její řádné čištění od zbytků nečistot a příprava pro následné zkoušky. Desky jsou čištěny mechanicky, proudem vzduchu nebo chemicky.
Kontroly a testování
Pro dosažení vysoké spolehlivosti automaticky vyráběné elektroniky je nutné vykonávat průběžné nedestruktivní zkoušky (optické, rentgenové, elektrické a funkční) téměř po každém výrobním kroku.
Po osazení SMD se nejprve provede optická kontrola úplnosti (osazení všech součástek a jejich správných hodnot). Po pájení je kontrolováno bezchybné zapájení všech pájecích plošek a ověřována kvalita zapájení viditelných i neviditelných pájecích míst. Rentgenem jsou kontrolovány vnitřní vady vícevrstvových spojů, bondování1) v zapouzdřených obvodech a skryté pájecí body. Zejména po zavedení modulů s polem pájecích kuliček BGA (Ball Grid Array) bylo nutné začít kontrolovat skrytá pájecí místa, která lze zviditelnit pouze na obrazovce speciálního rentgenu.
Značný pokrok ve zpracování obrazů umožnil v posledních několika letech přechod od plochých a šedých rentgenových obrazů k barevným třírozměrným zobrazením s možností natáčet je a provádět příčné řezy v libovolných polohách. Obrazy jsou pak ukládány ke kompletní dokumentaci o DPS. Novinkou je prostorová (3D) rentgenová kontrola za použití počítačové tomografie CT (Computer Tomography). Příkladem je na obr. 3 zařízení pro rentgenovou třírozměrnou kontrolu s počítačovou tomografií a pro metrologii s mikrofokusovou rentgenkou firmy Phoenix-xray (dnes součást koncernu General Electric).
Pro elektrické zkoušky jsou na DPS zpravidla vytvořeny plošky pro měření, na které je automaticky přiložena matrice dotykových hrotů, spojená s měřicími přístroji a kontrolními systémy.
Opravy ve výrobě
V rychlé automatické výrobě a při hromadném pájení vznikají chyby – nejčastěji jde o vynechané, nesprávně osazené, jen zčásti připájené či vadné součástky, nehomogenitu použitých materiálů apod. Proto v pozadí automatických výrobních linek pracují až desítky lidí opravujících vadné desky vyloučené z výrobního procesu automatickými inspekčními a testovacími systémy.
Chybějící součástky je nutné doplnit, připájet nebo vyměnit. K tomu jsou používána ruční nebo poloautomatická zařízení pro opraváře. A stále nové tvary pouzder součástek a jejich speciální vývody dávají výrobcům takovýchto nástrojů, přístrojů a zařízení dostatek příležitostí k uvádění dalších novinek na trh. Příkladem promyšleného pájecího a odpájecího nářadí je multifunkční opravářská souprava WR 2 (obr. 4) německé firmy Weller. Má dvě nezávislé části s automatickou detekcí používaného nářadí, pro které okamžitě použije přednastavená regulační data. Současně je možné pájet a odpájet nebo pracovat s horkým vzduchem.
Přístroje pro opravy lze též výhodně použít pro laboratorní a vývojovou nebo prototypovou a zakázkovou výrobu či k osazování DPS jen několika součástkami, kde se nevyplatí použití nákladných automatů.
Demonstrační linka
Automaty pro výrobu elektroniky, zařízení pro ruční pájení a velký výběr materiálů si lze každý rok prohlédnout na mezinárodním odborném veletrhu o systémové integraci v mikroelektronice s tradičním názvem SMT/Hybrid/Packaging (www.smt-exhibition.com), který se pravidelně koná v jarních měsících na výstavišti v Norimberku. Příští veletrh se uskuteční od 6. do 8. května 2014.
Na letošním veletrhu SMT/Hybrid/Packaging byla již tradičně v provozu demonstrační linka na automatickou výrobu elektroniky, složená z výrobních zařízení různých firem. Po celou dobu veletrhu byla každodenně čtyřikrát uvedena do chodu (obr. 5) a předváděna s odborným výkladem (střídavě v němčině a angličtině). Letošním mottem této demonstrace bylo Budoucí pouzdření.
Během tří dnů před veletrhem technické středisko spolku německých inženýrů (VDE) pod vedením Fraunhoferova ústavu pro spolehlivost a mikrointegraci IZM (Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration) linku instaluje. Na začátku výrobní linky byly připravené desky plošných spojů (vyrobené firmou Schweizer Electronic) vkládány do zásobníkového a podávacího zařízení firmy Rommel, za nímž byl zařazen etiketovací automat firmy Brady (pro označení jednotlivých desek plošným kódem) a jednotka šablonového tisku firmy DEK Printing Machines. Linka byla vybavena automatickým optickým inspekčním systémem firmy ATEcare Service (výrobce Omron), bondovacím automatem německé firmy F & K Devoltec Bondmaschinen, osazovacím automatem firmy Fuji a pájecí pecí firmy IBL Löttechnik (přetavení pájecí pasty v parách kapaliny). Využit zde byl také optický inspekční systém firmy Viscom Technology. Dále zde byla v provozu selektivní pájecí zařízení firmy ERSA PB-Technik, dispenzní automat firmy Nordson Asymtek a dispenzor pro selektivní ochranné povrchy americké firmy PVA. Mezi další použitá zařízení patřilo elektrické testovací zařízení firmy Engmatec a rozřezávací automat firmy LPKF Laser (obr. 6) (s výstupním zásobníkem firmy Rommel).
Mezi zpravidla jednoúčelovými automaty pro jednotlivé výrobní kroky jsou do výrobní linky zařazovány podávací a skladovací jednotky pro manipulaci s deskami plošných spojů, které jsou teprve na konci výroby odděleny do jednotlivých modulů.
Na zkušební desku jsou osazovány pasivní i aktivní součástky v provedení SMD všech velikostí a čipy integrovaných obvodů, které bývají nejen pájeny, nýbrž i lepeny, bondovány, vloženy do desky a stohovány.
Demonstrační linka bývá zdařilou ukázkou toho, co lze již dnes dokázat v oblasti automatické výroby DPS. Na veletrhu SMT/Hybrid/Packaging 2012 byla na demonstrační lince vyráběna deska (rozměr 135 × 110 mm) s obrázkem elektricky poháněného osobního automobilu. Běžící řetězce blikajících světelných diod ukazovaly proud tekoucí z baterie do otáčejících se kol při jízdě dopředu a opačným směrem rekuperační proud nabíjející baterii při brzdění. Přední bílé a zadní červené diody svítily trvale (obr. 7).
Nové druhy plošných spojů
Klasické plošné desky, které v sériové výrobě i nadále převažují, jsou stále více nahrazovány nejrůzněji formovanými moduly s třírozměrnými „plošnými“ spoji. Téměř sto firem zabývajících se touto novou výrobní technikou jsou členy výzkumného sdružení 3D MID (Molded Interconected Device) pro výzkum, konstrukci a výrobu třírozměrných elektronických modulů. Tyto moduly jsou v poslední době často používány v průmyslové výrobě (zejména automobilové), ve zdravotnictví a jiných oborech (např. při miniaturizaci senzorů).
Moduly jsou vyráběny na zcela jiných výrobních linkách. Nejprve je z plastu vylisována nosná část modulu, na kterou jsou galvanicky naneseny spoje, sledující povrch mnohdy velmi komplikovaných tvarů, pak je nanesena pájecí pasta, do které jsou osazovány součástky SMD speciálními třírozměrnými osazovacími automaty. Nakonec jsou součástky pájeny přetavením v parách. Pájení vlnou není vzhledem k tvarování podkladu možné. Při menším počtu pájecích bodů je používáno mikropájení laserem. Optická kontrola a testování vyžadují nová zařízení schopná pracovat v prostoru.
Na obr. 8 je modul tvaru automobilu (o rozměrech 60 × 35 × 15 mm) s prostorovými spoji vyrobený na demonstrační lince sdružení 3D MID na veletrhu SMT/Hybrid/Packaging 2012.
Dalším novým způsobem výroby plošných spojů je jejich lisování z měděné fólie, která je současně nosným prvkem miniaturních součástek. Není to zcela nová technika, ale je přizpůsobena požadavkům dnešní miniaturizace. Již v 30. letech minulého století byly vyráběny radiopřijímače s vylisovanými a třírozměrně zohýbanými spoji z měděných pocínovaných pásků. Plošné spoje s možností současného pájení většího počtu bodů byly vynalezeny až koncem 40. let.
Dnešní metoda lisování plošných spojů se nazývá SCB (Stamped Circuit Board) a je vhodná zejména pro hromadnou výrobu. Z cívky se odvíjí měděný pás (tloušťka 0,15 mm), prochází lisovacím zařízením a opět se navíjí na cívku. Obdobně je lisována i podkladová fólie zpevněná skleněnými vlákny (tloušťka 0,15 mm), která je v dalším výrobním kroku slisována s plošným spojem.
Na obr. 9 je elektronika miniaturního senzoru v můstkovém zapojení. Délka lisovaných plošných spojů na fotografii je 17 mm. Hlavním výrobcem je firma Heraeus, která také provádí mikrostříkání plastů pro zapouzdření elektroniky do modulů.
Ing. Jan Hájek
Obr. 1. Velká deska plošných spojů a příslušná šablona pro nanášení pájecí pasty belgické firmy Electrocircuits (foto: Electrocircuits)
Obr. 2. Zařízení S3088 SPI pro třírozměrnou optickou kontrolu nanášené pájecí pasty firmy Viscom (foto: Viscom)
Obr. 3. Zařízení počítačové tomografie v-tomex-x m pro třírozměrnou metrologii firmy Phoenix-xray (foto: Phoenix-xray)
Obr. 4. Ruční pájecí souprava WR2 firmy Weller s elektronickým řízením teploty páječek a sadou stojánků
Obr. 5. Demonstrace výrobní linky na výrobu DSP na veletrhu SMT/Hybrid/Packaging 2013
Obr. 6. Laserový rozřezávač desek plošných spojů MicroLine 6000 S německé firmy LPKF (foto: LPKF)
Obr. 7. Deska se symbolem automobilu vyrobená na demonstrační lince na veletrhu SMT/Hybrid Packaging v roce 2012
Obr. 8. Modul s prostorovými spoji
Obr. 9. Elektronika senzoru na lisovaných plošných spojích (zdroj: Heraeus)