Запускаем мелкосерийное производство электроники. Личный опыт

В любой компании, занимающейся разработкой электроники в России регулярно поднимаются два вопроса, которые приводят к жарким холиварам: как паять прототипы и где запускать серийное производство. Ответ на каждый вопрос, по сути, сводится к выбору между аутсорсом либо производству собственными силами. В статье описывается личный опыт обустройства лаборатории для прототипирования единичных экземпляров и мелкосерийного производства электроники собственной разработки. Возможно, кому то он окажется полезен при построении собственного свечного заводика.

Чтобы статья получилась максимально практичной в ней будут приводиться ссылки на поставщиков оборудования, которое используется нами. Не сочтите за рекламу.

Прототипирование единичных плат при разработке

Начинали с типичного набора: паяльник плюс фен. Паста наносилась на плату ручным дозатором, электронные компоненты расставлялись пинцетом, после чего вся плата прогревалась феном. Результат получался крайне нестабильный: каждая 2-ая - 3-ья плата оказывалась нерабочий по причине: залипух, непропаев и перегретых микросхем. Вызвано это было двумя проблемами:

• ручное дозирование паяльной пасты обладало крайне низкой повторяемостью (по причине человеческого фактора). Трафарет использовать возможности не было в силу частого применения микросхем c шагом 0.4-0.5мм и smd-компонентов в корпусах 0402 и 0201.

• прогрев платы феном приводил к тому, что прежде чем пады микросхем нагревались до нужной температуры (температуры оплавления припоя), сама микросхема разогревалась на несколько десятков градусов выше этой самой температуры оплавления.

В итоге, проблема была решена покупкой следующего оборудования:

• прецизионный вакуумный дозатор паяльной пасты ND-350;

• компрессор воздушный безмасляный bambi PT24;

• нижний подогреватель платы НП-24 с регулятором термопрофиля ТП 1-10кд;

• сопла для дозатора;

• микроскоп SE400-Z;

После этого монтаж прототипов свелся к следующей последовательности:

• компрессором подается 2 Атм на дозатор;

• дозатором наносится паяльная паста на контактные площадки;

• пинцетом (в ручную) расставляется SMD-мелочевка, а вакуумным пинцетом в составе дозатора расставляются микросхемы (QFN и BGA в том числе). При расстановке задействуется микроскоп.

• после этого плата с нанесенной паяльной пастой и расставленными компонентами переносится на подогреватель плат;

• на плату устанавливается датчик температуры;

• на ПК, к которому подключен регулятор температуры запускается графическая утилита редактирования термопрофиля с который и запускается процесс нагрева и охлаждения подогревателя плат по заданному термопрофилю;

В итоге, на порядки удалось снизить количество случаев непропая/залипух/перегрева. Соответственно, выросла повторяемость. Уже не гадаем, затаив дыхание, заработает спаянная плата или нет.

Достигнутые технологические нормы монтажа:

• SMD-мелочевка вплоть до 0201;

• микросхемы QFN/LQFP с шагом вплоть до 0.4 мм;

• BGA микросхемы с шагом вплоть до 0.8 мм;

Пример нанесения пасты на футпринты 0201 и QFN-микросхему с шагом 0.5мм (нижняя на фото):

Учет и хранение электронных компонентов

Помимо собственно монтажа, при разработке электроники и ее прототипировании довольно головоломным является вопрос учета и хранения электронных компонентов. Для прототипирования, как правило, закупаются компоненты в количествах 2-10-100 штук, которые приходят в обрезках лент и в пакетиках. Если вы работаете над разработкой нескольких устройств, то номенклатура компонентов, необходимых для монтажа может достигать сотен наименований. И если у вас не организован учет и хранение компонентов, то монтаж прототипа устройства сводится к следующей неприглядной картине: монтажник обкладывается коробками, в которых лежат десятки пакетиков с различными компонентами и при расстановке компонентов на плату, монтажник раз за разом перебирает пакетики в поисках нужного компонента. Не стоит даже заикаться о производительности труда при таком подходе.

Необходимо вводить учет и хранение компонентов, чтобы в любой момент времени вы знали есть ли у вас такой-то компонент, в каком количестве (хотя бы приблизительно) и где его взять. Чем меньше времени занимает на поиск компонента, тем лучше.

Учет мы начинали с excel файла. После этого запилили простое серверное приложение. Веб-интерфейс его выглядит следующим образом:

По сути, простая табличка с возможностью одновременно поиска по каждому полю. Преимуществ перед excel-файлом два:

• поиск одновременно по нескольким полям. Например, нужно найти какой-нибудь конденсатор емкостью 0.1uf и в корпусе 0402 с температорой от -40;

• доступность с любого ПК/смартфона; Бывает полезно, когда возникает необходимость узнать наличие компонента, а вы не в офисе;

На бэке обычный Postgresql с двумя-тремя таблицами. Пишется на коленке за пару дней. Если кому-то будет интересно, - выложу наше поделие на github.

Как хранить компоненты? Первым делом на ум приходят кассетницы:

Но они бывают не очень удобны для SMD-рассыпухи. Гораздо бОльшая плотность хранения достигается, если расскадывать SMD-рассыпуху в пустые SMD-книги:

При должной дисциплине, если все посылки с компонентами сразу же расскладывать по книжкам и кассетницам, и сразу же вносить в базу, то разбуди вас ночью вы сможете сказать, есть ли у вас в наличии stm32f103cbt6 и сколько их осталось.

Эргономика

Не бойтесь экспериментировать с расстановкой. Например так:

И последнее: при разработке не экономьте на вытяжке. Дышать формальдегидами не полезно для здоровья. Самая дешевая локальная вытяжка стоит в пределах 1-2 зарплат монтажника.

Мелкосерийное производство

Наиболее распространенное мнение по поводу того, где дешевле производить электронику, - в Китае. Но если быть более точным, то там дешево обходится массовое производство: тысячи и десятки тысяч изделий. Если же речь идет о десятках-сотнях устройств, то издержки связанные с логистикой и растаможкой (ввозить готовые устройства дороже, чем комплектующие) становятся заметными и очевидность ответа на вопрос снижается. К примеру, популярный лоу-костер jlcpcb.com предлагает такие тарифы. На первый взгляд все очень красиво, $0.0015 за точку пайки, но если копнуть глубже, то выясняется, что все компоненты у них делятся на две группы: "обычные" и "не обычные". Обычные уже заряжены в фидера на сборочных линиях и их установка действительно стоит те самые доли цента. Но если в вашей плате есть "не обычные" компоненты, которые нужно в ручную заряжать в фидера, то каждая такая операция обойдется вам уже в $3 за компонент. При размещении заказа вы так же можете заметить, что цены на компоненты заметно выше, чем если бы вы их приобрели на "их" складе - lcsc.com. Вы можете поискать другую производственную компанию, но навряд ли вы найдете что-то более дешевое, особенно, если вам нужно спаять 10-100 плат.

В итоге, мы долгое время заказывали платы с частичным монтажом в Китае. Недостающие компоненты паяли сами. И тут возникала дилемма: либо паять самим и тратить на это время, либо заказывать мелкосерийный монтаж на аутсорсе, который либо обходился дорого (компании по SMD монтажу), либо возникали вопросы к качеству (подслеповатый дедушка с феном).

В итоге, эта проблема долгие годы висела незакрытым гештальтом. Постоянно присматривался к бюджетным (читай Китайским) SMD-установщикам. Выбор сильно ограничивался, поскольку нам нужна была точность хотя бы 0402 и крайне желателен был интегрированный автоматический дозатор пасты. Одно время почти решились на покупку VP2800HP. Но в самый последний момент наткнулись на нелицеприятный отзыв. В добавок к этому постоянно сталкивался с отзывами на форумах, что Китайцы, получив деньги за станок резко теряли к вам интерес и у людей возникали вопросы с тех. поддержкой.

В итоге, станком мы обзавелись только когда появился отечественный станок Сатурн-Атлас, заткнувший за пояс по соотношению цена/качество и Китай, и многие западные дорогие станки, такие как Mechatronika M10V.

Заявленные Сатурном характеристики (вплоть до 0201 и QFN-0.4мм) казались нереальными при такой стоимости (990к руб со встроенным дозатором паяльной пасты). Но потребность в станке уже настолько назрела, что все-таки внесли аванс (на свой страх и риск) за станок и стали ждать поставки. Спустя 4 месяца его доставили в упакованном виде:

Спустя две недели приехал инженер пуско-наладки, 4 дня сборки станка и обучения работе на нем получили вот такого красавца в работе:

К большому облегчению, станок соответствует всем заявленным характеристикам: 0201 и QFN-0.4мм (включая нанесение паяльной пасты!):

Еще одной особенностью является стоимость фидера - 4.5к рублей. У многих других производителей установщиков SMD-компонентов стоимость питателей гораздо выше. Что в итоге приводит к тому, что полный комплект питателей порой стоит как сам станок. В итоге, станок с дозатором, с НДС, с пусконаладкой, с 16-ью питателями обошелся в 1.1 млн. Осталось докупить оставшиеся ~40 питателей.