3D-MID: области применения и технологии производства

• 2.1.1 3D-фотолитография

• 2.1.3 Аддитивное лазерное структурирование

• 3. Материалы

• 5. Установка компонентов на устройства 3D-MID: концепции современного сборочного оборудования
• 6. Требования, предъявляемые процессом автоматической сборки

• Условные обозначения, принятые в таблице:
• Прочность на отрыв: «+» — > 0,8 Н/мм, «0» — 0,5−0,8 Н/мм, «-» — как правило, такой способ металлизации не применяется Паяемость: «+» — стандартный процесс, «0» — требуется подбор параметров, «-» — специальный процесс 1 Специальный процесс
• 4. Монтаж компонентов на 3D-MID
• Монтаж компонентов на 3D-MID может проводиться как на паяльную пасту, так и на токопроводящий клей в зависимости от температурной стойкости используемых термопластов. В случае, если применяемый термопласт выдерживает температуру пайки оплавлением, то возможна сборка по технологии поверхностного монтажа: существуют автоматы, способные устанавливать компоненты на 3D основания сложной формы. В противном случае используется групповая пайка оплавлением легкоплавкими припоями, точечная пайка или монтаж на токопроводящий клей.
• 5. Установка компонентов на устройства 3D-MID: концепции современного сборочного оборудования
• Основные сборочные операции для устройств 3D-MID аналогичны применяемым в традиционной технологии поверхностного монтажа — это дозирование паяльной пасты/клея, установка компонентов и пайка оплавлением. Отличие их реализации заключается, в частности, в повышенных требованиях к процессу установки компонентов. При этом основная проблема заключается в необходимости установки компонентов на криволинейные поверхности либо поверхности, располагающиеся под углом, отличным от угла в 90° между осью Z сборочной головки и плоскостью расположения установленного компонента.
• Для реализации операции пайки оплавлением имеет существенное значение стойкость термопластиков к воздействиям высоких температур — далеко не все из них в состоянии выдержать температуру пайки оплавлением. В то же время для них характерен более высокий ТКР, чем у традиционных материалов печатных плат на основе эпоксидной смолы. Такие материалы, как полибутилентерефталат/полиэтилентерефталат (PBT/PET), полиамид (PA6/6T) и жидкокристаллический полимер (LCP), хорошо подходят для бессвинцовой пайки. Если требуется применение других термопластичных материалов или следует минимизировать тепловые напряжения, перспективной альтернативой является технология создания соединений с помощью изотропных проводящих адгезивов.
• Можно также применять точечную пайку. Монтаж бескорпусных кристаллов на 3D-MID возможно производить при помощи традиционной ультразвуковой/термокомпрессионной сварки, а компонентов flip chip — при помощи изотропных проводящих или непроводящих адгезивов.
• Классификация трехмерных монтажных оснований по критерию расположения поверхностей установки компонентов приведена в таблице 2.

Таблица 2 Классификация трехмерных монтажных оснований

6. Требования, предъявляемые процессом автоматической сборки При установке компонентов важнейшим требованием является обеспечение перпендикулярности плоскости установки компонента к оси перемещения сборочной головки. Это же требование справедливо и для операции дозирования, однако здесь оно даже более жесткое: для надежного нанесения пасты допускается меньший угол между иглой дозатора и плоскостью монтажного основания, чем в случае установки компонентов.

Необходима механическая фиксация компонентов на наклонных поверхностях, в противном случае весьма вероятно сползание компонентов с посадочных мест под воздействием собственной массы при изменении положения устройства 3D-MID, вибрациях, линейных ускорениях и пр. В особенности это свойственно компонентам с большой массой и малой областью контакта с паяльной пастой. Для осуществления фиксации рекомендуется выполнение механических литых конструкций вокруг таких компонентов — например, бортиков у их нижних краев, или же установка компонента в полость. Другое решение — нанесение адгезива под компонент с отверждением в процессе удержания компонента насадкой, при этом автомат должен обладать возможностью установки головки дозирования адгезива. Рекомендуется применение быстро отверждаемых адгезивов или адгезивов с УФ-отверждением — это также потребует от сборочного автомата соответствующего оснащения.

Так как устройство 3D-MID может иметь совершенно произвольную форму и габариты по трем осям, важно предотвратить возможные взаимные столкновения собираемого устройства 3D-MID и технологического оснащения, служащего для фиксации и манипулирования устройством 3D-MID, со сборочной головкой и другими элементами оборудования. Достигается это расположением всех элементов технологического оснащения вне рабочей области перемещения головки по осям X, Y, т. е в области над монтажным основанием, где перемещение головки осуществляется только по оси Z, а также в области под основанием (под конвейером автомата). Следует отметить, что конструкция рабочей зоны современных автоматов очень компактна, отличается малыми осевыми перемещениями, поэтому место для размещения элементов технологического оснащения сильно ограничено.

При традиционной 2D-установке от сборочного автомата требуется обеспечить 4 распределенных между компонентом и монтажным основанием степени свободы — 3 линейных и одну вращательную, при 3D этих степеней свободы должно быть по крайней мере 6.

лазерный литье сборочный автомат

7. Концепции построения сборочных автоматов для 3D-MID

Рассмотрим несколько современных концепций автоматов, применяемых для установки компонентов на устройства 3D-MID. Часть из них существует в виде отлаженных и готовых к производству моделей, часть еще не покинуло стадию опытных образцов и проходит испытания и апробацию. После рассмотрения сравним предложенные концепции, отметив их достоинства и недостатки.

Первым и самым простым решением является использование существующего оборудования для 2D-установки компонентов. Разумеется, такое оборудование позволяет собирать только изделия типа 2,5D (Табл. 2), где компоненты располагаются на разных уровнях в плоскостях, перпендикулярных оси вертикального перемещения сборочной головки, поэтому мы оставим его за рамками рассмотрения.

7.1 Линия, оснащенная 6-осевыми промышленными роботами Установка компонентов на устройства 3D-MID имеет много общего с применяемыми в машиностроении традиционными и хорошо отлаженными за многие годы пространственными операциями обработки и сборки, поэтому неудивительно, что ряд компаний пошел по пути использования в качестве сборочной головки гибких, свободно программируемых 6-осевых промышленных роботов в составе производственной линии.

Примером такого подхода может служить гибкая комплексная производственная линия, служащая для выпуска трехмерных мехатронных сборок — переключателей для встраивания в руль мотоцикла (6 типов устройств с 50 различными вариантами установки компонентов, а также прочих устройств 3D-MID с габаритами вплоть до 100×100×100 мм?.

Техпроцесс состоит из следующих основных этапов:

· Входной контроль деталей 3D-MID;

· 3D-дозирование паяльной пасты с последующей оптической инспекции областей нанесения (Рис. 17 а);

· 3D-установка компонентов поверхностного монтажа, в том числе светодиодов, а также переключателей (Рис. 17 б);

· Пайка с последующей трехмерной автоматической оптической инспекцией (Рис. 17 в);

· Установка контактных штырьков;

· Нанесение защитного покрытия;

· Окончательная сборка и монтаж кабелей;

· Окончательный функциональный контроль: тактильный, оптический и электрический;

· Упаковка готовых изделий.

Данные по точности линии не приводятся, заявленное время цикла составляет 2−3 с на компонент.

7.2 Модульный автомат, оснащенный 3D-держаталем монтажных оснований Еще одной реализацией возможности сборки устройств 3D-MID является концепция модульного автомата, оснащаемого в качестве модуля расширения 3D-держаталем монтажных оснований.

Примером может служить система трехмерной микросборки VICO 520 M от компании Hacker Automation Gmb.

Это модульное оборудование обладает различным гибко конфигурируемым оснащением для решения задач микросборки, нанои микродозирования и оптической 3D-инспекции.

Стандартным оснащением системы VICO 520 M является стереоскопическая система трехмерного технического зрения.

Для компенсации возникающих погрешностей изготовления и позиционирования СТЗ автомата определяет положение монтажного основания в пределах рабочей зоны автомата не только в плоскости, но и по вертикали.

СТЗ выполнена на основе двух расположенных под углом камер, каждая из которых обозревает объект с различных ракурсов. ПО автомата вычисляет точное положение объекта в декартовой прямоугольной системе координат, причем не только в плоскости, но и по вертикали в пределах рабочей области, и даже определяет состояние поверхности. Областью поиска 3D СТЗ является куб с длиной стороны 2,5 мм, точность ±2 мкм. Система оснащена алгоритмом компенсации дефектов структуры поверхности с размерами вплоть до 250 мкм и обладает возможностью проводить АОИ готовых сборок.

3D-оснастка для фиксации монтажных оснований — модуль расширения для модели VICO 520 M. Две оси модуля могут управляться независимо друг от друга. Рабочая область может поворачиваться на 360° вокруг оси Z и наклоняться вплоть до 90° по оси X, что добавляет две недостающие степени свободы к четырем, обеспечиваемым сборочной головкой. Таким образом, можно управлять положением устройства 3D-MID, устанавливая его выпуклую/вогнутую поверхность в требуемую для установки компонентов позицию с помощью поворота и наклона. При этом головки дозирования и установки могут достигать каждой точки всего полупространства над монтажным основанием. Само устройство 3D-MID крепится на держателе при помощи специального адаптера.

Головка оснащается автоматически сменяемыми насадками для установки различных компонентов, вторая головка выполняет дозирование материала из картриджей объемом 5 — 10 мл.

Таблица 3

Некоторые технические характеристики системы VICO 520 M

7.3 Интеграция многоосевого робота в существующий автомат 2D-установки компонентов Одним из очевидно перспективных направлений является расширение кинематических возможностей обычного автомата 2D-установки компонентов с помощью интеграции в его структуру многоосевого робота, манипулирующего держателем с закрепленным на нем устройством 3D-MID.

Примером такого подхода служит реализация автомата 3D-установки компонентов в компании Essemtec на основе платформы автоматов Paraquda в сотрудничестве с известной компанией-производителем роботизированных систем KUKA.

Устройство 3D-MID устанавливается на паллету, которая перемещается по конвейеру технологической линии и далее — по конвейеру сборочного автомата. Робот, установленный на станине автомата и располагающийся под зоной сборки, захватывает паллету с конвейера и подает ее в рабочую зону под головкой дозирования пасты/установки компонентов, поворачивая паллету таким образом, чтобы установочная поверхность была перпендикулярна оси Z перемещения насадки с компонентом или наконечника дозатора.

При этом 4 оси (X, Y, Z, ?) обеспечивает традиционная система установки компонентов, а дополнительные 6 осей — робот, в результате чего появляется возможность реализовать для устройства 3D-MID все степени свободы — поступательное движение по осям X, Y, Z и вращение вокруг них.

Система оснащена пневматическим дозатором нанесения паяльной пасты и струйным — нанесения клея, материалов для заливки сверху, покрытий и пр. На одной головке можно установить до двух систем дозирования. Вместо пневматического дозатора может устанавливаться дозатор шнекового типа. После установки компонента осуществляется отверждение адгезива при помощи встроенного в сборочную головку светодиодного устройства УФ-отверждения.

Отмечается самая большая величина перемещения оси по оси Z среди автоматов установки SMD-компонентов — вплоть до 50 мм.

Для составления управляющих программ автомата предлагается соответствующее программное обеспечение, автоматически создающее программу на основе данных, полученных от специализированного MID-модуля САПР NEXTRA. Разработчик отмечает, что при проектировании устройств 3D-MID с учетом технологичности необходимо учитывать:

· Специфические особенности робота

· Размер монтажного основания

· Диапазон перемещения насадки с компонентом по оси Z

· Точность установки.

Для обеспечения точности в каждом монтажном слое основания следует предусматривать реперные знаки, как и на традиционных печатных платах.

Таблица 4 Некоторые технические характеристики концепта автомата от компании Essemtec

7.4 Активный держатель монтажных оснований, устанавливаемый в стандартный автомат 2D-установки компонентов Наконец, четвертым из рассматриваемых вариантов является активный держатель монтажных оснований, оснащенный многоосевыми манипуляторами. Он предназначен для модернизации существующих автоматов установки компонентов и устанавливается на конвейер подобно обычной ПП. Манипулятор содержит одну или несколько отдельных позиций для размещения и фиксации устройств 3D-MID при сборке.

Примером такого манипулятора может служить спроектированное для автомата Siplace HF устройство, предлагаемое группой разработчиков из немецкого Университета Александра Фредерика городов Эрланген-Нюрнберг (Friedrich Alexander University of Erlangen-Nuremberg) в рамках исследовательского проекта, финансируемого Ассоциацией 3-D MID e. V. Схема работы манипулятора представлена на Рис. 8.

Рис. 8 Схема активного держателя монтажных оснований c манипуляторами Конструкция манипулятора включается в себя два основания — одно перемещается и фиксируется на конвейере автомата, второе служит для размещения приводов (Рис. 9) с зубчатыми передачами. Исполнительная часть манипулятора, таким образом, размещается под конвейером и реализует три оси: наклон вокруг оси X, поворот вокруг оси Z и подъем по оси Z. Реализуемые манипулятором степени свободы обеспечивают сборку на внешней поверхности полусферы без возникновения проблем, связанных со столкновениями с элементами сборочной головки. Манипулятор оснащен контроллером для управления приводами и связи с системой управления автомата. Во время позиционирования манипулятора автомат находится в режиме ожидания, либо может осуществлять захват компонентов из питателей.

Рис. 9. Изображение и принцип действия активного держателя монтажных оснований Манипулятор перемещается по конвейеру автомата установки компонентов и закрепляется в пространстве рабочей зоны автомата с помощью его механизмов фиксации (Рис. 10). Установка устройств 3DMID в гнезда манипулятора требует применения специальных адаптеров.

Рис. 10. Внешний вид установленного в автомат Siplace HF активного держателя монтажных оснований Погрешности расположения контактных площадок на монтажном основании, а также погрешности позиционирования устройства 3DMID с помощью манипулятора могут компенсироваться при наличии реперных знаков на каждом рабочем слое устройства 3DMID.

8. Сравнение рассмотренных подходов

Несомненными достоинствами подхода с применением 6-осевых роботов в составе производственной линии являются высокая гибкость при сборке изделий однородной номенклатуры, комплексный подход к реализации техпроцесса, единая система фиксации и транспортировки изделий.

Вместе с тем следует отметить, что при выпуске широкой номенклатуры изделий гибкость линии может оказаться недостаточной, в результате чего потребуется ее длительная и затратная переналадка. Также необходимо принимать во внимание сравнительно малую производительность и точность роботов относительно специализированных автоматов установки компонентов.

При данной реализации техпроцесса робот дозирует пасту и устанавливает компоненты, в общем случае, под углом к вертикали, вследствие чего на точность как процесса дозирования, так и процесса установки компонентов начинается оказывать влияние гравитация. Это затрудняет гарантию качественной сборки вследствие возможного смещения как доз пасты, так и уже установленных компонентов, если они не устанавливались на клей с последующим его отверждением.

Помимо этого, эксплуатация и программирование многоосевых роботов обладают своими особенностями и могут быть непривычны для специалистов производства традиционных сборок по технологии поверхностного монтажа компонентов. Подход, использующий модульный автомат с опциональным 3D-держателем, отличается высокой гибкостью, так как подобный автомат может с успехом применяться для решения других специализированных задач, включая, например, установку компонентов на гибкие платы, сборку многокристальных MEMS-модулей, установку компонентов flip chip и пр. Системы такого рода отличает высокая производительность и точность установки. Тем не менее, разумеется, при выборе этого решения необходимы инвестиции в достаточно дорогое и сложное оборудование.

Наиболее полно такое оборудование проявит себя на высокотехнологичном производстве, сочетающем разнообразные операции микросборки изделий электроники и оптоэлектроники, вплоть до работы непосредственно с бескорпусными кристаллами и полупроводниковыми пластинами, где одной из задач будет высокоточная установка компонентов поверхностного монтажа на устройства 3D-MID.

Основные преимущества подхода со встроенным в стандартный 2D-автомат многоосевым роботом заключаются в следующем:

· Эксплуатация и программирование такого 3D-автомата сходно с обычным 2D-оборудованием;

· Могут использоваться те же самые питатели компонентов, запасные части, система технического зрения, оснащение и программное обеспечение по установке компонентов;

· Сохранение вертикальной ориентации головок установки компонентов и дозирования, вследствие чего накопленный опыт и наработанные параметры могут быть перенесены на новую операцию;

· Высокая производительность.

Недостатком подхода является, главным образом, необходимость инвестиций в новое оборудование — модифицированное по конструкции и с доработанной системой управления — что может оказаться затруднительным для небольших компаний-производителей с ограниченным бюджетом.

Преимущества подхода с активным держателем оснований заключаются в использовании существующего оборудования, относительно низких капитальных вложениях, малом вмешательстве в конструкцию автомата, поддержании заявленного для 2D-установки уровня производительности.

Вместе с тем, необходимо отметить зависимость системы управления манипулятором и его конструкции от конкретной модели оборудования, что, скорее всего, потребует различных аппаратных или программных реализаций манипулятора для различных моделей автоматов.

Также можно предвидеть возникновение трудностей с использованием типовых установок загрузки/выгрузки вследствие очевидно более высокой массы и габаритов по высоте манипулятора в сравнении со сборками на печатных платах, при довольно большом объеме ручных подготовительных операций.

Заключение

Возрождающийся в последние несколько лет интерес к технологии 3D-MID вызвал к жизни развитие соответствующих технологий и сборочного оборудования. Уже выпускаются или готовятся к серийному производству устройства 3D-MID с самой современной элементной базой — не только традиционными поверхностного монтируемыми компонентами, но и светодиодами, бескорпусными кристаллами с разваркой проволочных выводов, компонентами flip-chip — как с традиционными золотыми столбиковыми выводами, так и устанавливаемые на полимерные литые столбики, выполненные на поверхности самого устройства 3D-MID. Производители оборудования, видя растущий интерес разработчиков электроники к данной технологии, начинают предлагать новые сборочные решения и адаптировать существующие технологии сборки к новым задачам.

В данном реферате были затронуты современные концепций установки компонентов на трехмерные монтажные основания. Среди них пока нет очевидного лидера — каждое решение наиболее эффективно проявляет себя при соответствующем характере производства. Далеко не для каждого производителя экономически оправданным будет решение по организации полноценной сборочной линии, оснащенной промышленными многоосевыми роботами. С другой стороны, при серийном производстве решения с применением оснастки в виде устанавливаемых на конвейер манипуляторов могут не оправдать себя с точки зрения затрат времени на переналадку. Решения, связанные с приобретением нового специализированного оборудования, видятся разумным компромиссом между двумя описанными подходами, но повлекут необходимость капиталовложений, которые могут оказаться значительными с учетом высоких технологий, заложенных в это довольно сложное оборудование.

Тем не менее, вовлеченность большого числа научных и производственных компаний, и их специалистов в работы над данной темой, а также быстрота появления новых решений позволяют надеяться на хорошее будущее технологии 3D-MID с точки зрения сборочного оборудования и дальнейшее расширение выбора гибких и производительных автоматов для сборки устройств 3D-MID.