Le Pick&Place dell’ultima generazione devono soddisfare diversi requisiti che vanno dalla capacità di eseguire un accurato piazzamento alla capacità di gestire una varietà di package in continua contrazione dimensionale; devono inoltre possedere quella flessibilità necessaria che le renda pronte per il piazzamento di componenti di nuova introduzione.
L’accurata costruzione di una P&P parte dalla selezione del giusto concetto di macchina, in cui rientra lo studio dimensionale, quello dell’architettura modulare e delle sue interfacce meccaniche ed elettroniche. Per raggiungere i target di qualità e di affidabilità oggi richiesti, devono essere selezionate le adeguate tecnologie costruttive volte a ottenere le stringenti prestazioni richieste. Movimentazione, meccatronica e visione, ma anche i materiali, la costruzione tecnologica e le tolleranze influenzano ampiamente la precisione dei diversi sistemi. In aggiunta la precisione finale può essere garantita solo al seguito di una buona calibrazione.
Le cause dell’imprecisione di piazzamento dipendono da alcune variabili riconducibili a due categorie: casuali e probabilistiche.
Gli errori riconducibili alla casualità sono imperfezioni generate in ambito produttivo come quelle dimensionali, il mancato rispetto delle tolleranze di progetto, le calibrazioni imprecise, il logorio delle parti e le derive termiche. Variabili di tipo probabilistico riguardano invece il processo di piazzamento e sono riconducibili alle vibrazioni, agli attriti, alle dispersioni nelle coordinate di piazzamento e alla instabilità dimensionale.
Gli errori casuali mantengono lo stesso valore piazzando componenti di tipi diversi, con la stessa macchina, nelle diverse posizioni, con diverso orientamento e su schede diverse.
Gli errori dovuti alla probabilità assumono valore diverso per ogni componente montato, anche nel caso sia ripetuto il montaggio per lo stesso componente sulla stessa scheda e con le stesse coordinate; questi sono definiti errori di processo perché molti di loro sono specifici della fisica di piazzamento.
Teste parallele per gestire i componenti 0201 e 01005
La tendenza di diverse case produttrici è quella di adottare più teste che lavorano in parallelo. La gestione parallela di più teste consente un maggior controllo rispetto ai sistemi gantry in cui una singola testa si sposta a velocità elevatissime movimentando cinque e più componenti contemporaneamente. La singola testa gantry, essendo una testa multipla, ha di conseguenza una massa maggiore e sembra essere la meno indicata nella movimentazione dei componenti ultra miniaturizzati come gli 01005. La velocità della testa deve essere ridotta quando si movimentano componenti di così piccole dimensioni, ma così facendo si allungano i tempi ciclo e, di conseguenza, aumentano i costi di produzione.
Un’altra particolarità dei componenti così piccoli riguarda la loro nastratura; sono usualmente contenuti in tape di carta, il che potrebbe creare problemi con i residui originati nel momento in cui si rimuove la pellicola di chiusura degli alveoli; inoltre il classico tape da 8 mm risulta a volte inadeguato, per cui è stato introdotto anche il 4 mm a passo 1 mm.
Il processo di prelievo deve essere molto stabile per i componenti 0201 e 01005. Dato che anche lo spazio tra componenti attigui risulta essere molto piccolo, il punto di prelievo del nozzle deve trovarsi perfettamente al centro del componente, diversamente durante il piazzamento potrebbero sorgere problemi di interferenza coi componenti vicini già piazzati.
La maggior parte dei chip è di tipo resistivo o capacitivo; per numero e dimensione determinano la spaziatura tra i componenti e di conseguenza anche la dimensione della scheda. Il minimo interspazio per package 0402 è di 150 µm che scende a 100 µm per uno 0201 e a 50 µm per uno 01005, il che consente di raggiungere densità di 600 componenti per centimetro quadrato, particolarmente utili nell’integrare chip passivi nei moduli di tipo Sistem in Package. Questi dati dimostrano anche che più sono piccoli i componenti, maggiore è l’influenza che raggiunge la spaziatura e più critica diventa la finestra di processo.
Quando si sceglie un sistema di piazzamento è importante poter ipotizzare il potenziale livello di difettosità introdotte, perché il processo deve essere mantenuto sotto stretto controllo per evitare quanti più problemi possibile. Per assicurarsi che il processo non subisca derive, il primo passo è quello di prelevare il componente con una forza controllata per evitare ogni possibile danneggiamento.
Nel caso della forza di piazzamento ci sono due distinti momenti, l’impatto vero e proprio seguito immediatamente dopo da una forza esercitata in un intervallo definito di mantenimento. Più il componente è di ridotte dimensioni, più deve essere accurato il controllo della forza di posa e mantenimento. C’è da aggiungere che minore è l’area di contatto tra la punta del nozzle e l’area del componente, maggiore è lo stress subito da quest’ultimo. Per un componente 01005 viene consigliato un valore massimo di 2N come forza di posa, per evitare la possibilità che subentrino incrinature.
Una tipica sequenza di piazzamento comprende tre momenti:
• il nozzle col componente si muove in direzione della superficie della scheda alla massima velocità consentita e decelera quando la superficie inferiore del componente raggiunge un’altezza definita in fase di programmazione rispetto alla superficie del PCB;
• a bassa velocità il nozzle col componente continua la sua discesa fino a raggiungere una coordinata leggermente negativa rispetto al piano scheda (over-travel) per assicurarsi che il componente sia piazzato;
• la forza di mantenimento (dwell force) è controllata in molte pick & place attraverso la compressione di una molla, la cui lunghezza determina la forza di pressione
La dwell force può variare di molto (in relazione alla dimensione infinitesimale del componente) a causa dei seguenti fattori che ne influenzano il valore:
• differenza nello spessore della scheda;
• imbarcamento del PCB;
• reazione di contrasto dovuta alla rigidità (o flessibilità) del PCB;
• parallelismi della P&P;
• condizioni proprie della molla.
Per ovviare a questi inconvenienti le più moderne P&P si avvalgono di un sistema servoassistito sull’asse Z; la precisione di posizionamento, unitamente alla retroazione, consente di ovviare ai problemi derivanti da una gestione prettamente meccanica.
Connettori e componenti di grosse dimensioni richiedono una forza di posa superiore per assicurare un piazzamento affidabile.
Durante il ciclo di prelievo viene verificata l’altezza di prelievo, la presenza del componente nell’alveolo del reel e, se è il caso, viene corretta automaticamente la coordinata di pick up.
Handling e visione
Indipendentemente dal tipo di testa utilizzato (revolver, teste multiple o singola testa a più nozzle), la tendenza generalizzata è stata quella di mantenere in posizione fissa il PCB, per evitare che movimenti repentini ad alta velocità facessero scivolare sopra i depositi serigrafici i componenti già posizionati. La suddivisione in tre moduli del convogliatore all’interno del sistema consente di velocizzare la movimentazione della scheda, mentre la disponibilità di un elevato numero di nozzle conferisce flessibilità di montaggio; molte volte sono disponibili, per particolari package, dei nozzle custom. La capacità di montare i vari package con un alto grado di accuratezza dipende poi dalla bontà del sistema di visione, che deve ovviamente evolvere nelle prestazioni di pari passo con la miniaturizzazione dei componenti. Tramontato l’allineamento meccanico, rimane la centratura laser e la visione propriamente detta. L’allineamento laser consente di effettuare la correzione on-the-fly, per componenti di dimensione e geometria diversi, di cui determina con precisione posizione e orientamento (ovviamente non è in grado di verificare numero e spaziatura dei terminali).
La visione con telecamera ha un margine di applicazione assai più ampio, ma la sua incisività è strettamente vincolata alla bontà del sistema di illuminazione. Il backlighting, l’illuminazione da sopra che proietta l’ombra del componente, è utile nella visione dei contorni, va bene per un alto numero di package SMD tradizionali, ma nulla può se tra i particolari da visionare figurano i terminali dei componenti della famiglia area array. Con questi componenti è utile il frontlighting, che consente di distinguere la presenza dei vari bump. Meglio è la disponibilità di una combinazione di fonti di illuminazioni che, opportunamente programmate, illuminano con angoli diversi così da mettere a fuoco i particolari di volta in volta voluti.
Altri requisiti di processo
I cinque criteri classici di scelta di una pick & place sono la velocità (misurata in cph), la precisione, il rapporto costo-prestazioni, la velocità di cambio codice prodotto e il numero massimo di feeder residente in macchina. Con l’aumento dei costi di manodopera e delle difficoltà a essere comunque e sempre competitivi, sono sorte altre necessità orientate ad ottenere il massimo delle prestazioni che una pick & place può offrire. Le richieste riguardano l’ottimizzazione del processo in automatico e la riduzione, se non l’azzeramento, dei periodi non produttivi, il monitoraggio in tempo reale del processo e la tracciabilità. In particolare, il controllo statistico di processo (SPC) consente di riconoscere e arrestare al loro verificarsi eventuali scostamenti dal target desiderato ed evitare che l’anomalia attraversi altri stadi del processo con grave pregiudizio della qualità e della rimuneratività finali. La tracciabilità è un requisito sempre più richiesto in vari settori industriali ed è diventato parte integrante della documentazione che comprova qualità e affidabilità di un prodotto sul lungo periodo.
