A felületi szerelési! áramkörök gyártásának lehetséges főfolyamatai P A T A K I BÉLA Remix
ÖSSZEFOGLALÁS
PATAKI
A cikk bemutatja a felületi szereléaű áramkörök n é g y fő t í p u s á n a k elsődleges célhierarchiáját. Tárgyalja a cél hierarchiákból l e v e z e t h e t ő lehetséges f ő f o l y a m a t o k a t . V é g ü l á t t e k i n t é s t ad a felületi szerelési gyártórendszer kialakításának t o v á b b i lépéseiről.
1981-ben szerzett villamos mérnöki oklevelet a Buda pesti Műszaki Egyete men, az Elektronikai Te chnológia Szakon. Azóta a Remix dolgozója. Elein te a hibrid IC-k gyártás
1. Módszertani bevezető Tetszőleges ipari termék gyártási folyamatát és gyártórendszerét az alábbi három fő lépésben célszerű létrehozni [1]: 1. a gyártmány célhierarchiájának megszerkesz tése, 2. a folyamathálózat megtervezése a célhierarchia alapján, 3. a gyártórendszer kialakítása a folyamathálózat igényei szerint. A megfogalmazott globális célból az elsődleges célhierarchia technológiai megközelítésű funkció elemzéssel bontható k i . Az elsődleges célhierarchia a végtermék és a kiindulási alkotóelemek közötti lépcsőfok-gyártmányok kapcsolati gráfja, amely a végtermékhez vezető munkafolyamatokat foglalja magában. A gráfból kiadódó folyamatok a gyártás lehetséges főfolyamatai, vagyis azok a folyama tok, amelyekben a termék naturális készültségi foka növekszik. A főfolyamat azonban még nem teljes egész. Erőforrás-nyelőhelyeinek feltárásával meghatá rozhatók azok az implicit célok, amelyeket az elsődleges célhierarchia nem képez le a folyamatok területére. Ezek alkotják a másodlagos célhier archiát, amely alapján megtervezhetők a gyártás feltételi folyamatai. A feltételi folyamatok a fő folyamat önfenntartó működését biztosítják. A teljes folyamathálózat ismeretében már megtervezhető-szervezhető a gyártórendszer. E cikk a felületi szerelésű áramkörök elsődleges célhierarchiáit és az azok alapján megtervezhető lehetséges főfolyamatokat mutatja be. A munka további lépéseinek csupán a jelzésére szorítkozik.
BÉLA
fejlesztésével, elsősorban azok programvezérélt lé zeres értékbeállításával foglalkozott. Jelenleg a felületi szerelésű áram körök gyártórendszerének kialakításán dolgozik. Le velező tagozatos szervező szakmérnök - hall gató.
, Szerelés Vszerelt ]tisztitás [kész
| táció U
J
pramkor,
~1 ;
gramtoj ;
alkatrész] alkatról i beszerzési szek j
1. ábra.
A felületi szerelésű áramkörök n a g y v o n a l ú hálódiagramja
gyártásának
B e é r k e z e t t : 1986. V I I I . 10. ( A )
T l — tisztán felületi szerelésű, egy oldalon szerelt T2 —- tisztán felületi szerelésű, két oldalon szerelt V I — vegyes szerelésű, egy oldalon felületszerelt V2 — vegyes szerelésű, két oldalon felületszerelt Az áramkörök gyártásának nagyvonalú folya matábrája az 1. ábrán látható. Ez ábrázolás technikai szempontból (csakúgy, mint a későb biekben a gyártási főfolyamat-ábrák) tevékenység orientált logikai hálóterv, amelynek elemei a következők [2]: — A hálógráf csúcsai (szögpontjai) eseményeket, esetünkben az áramkörök állapotában beállt változásokat jelölnek. — A hálógráf élei (ágai) tevékenységeket, esetünk ben gyártási lépéseket jelentenek. — A szaggatott vonalak ún. látszattevékenységek, amelyek azt jelképezik, hogy egyes események bekövetkezése szükséges feltótele egy másiké nak. (Időtervezéskor a látszattevékenységek 0 tevékenységi időt kapnak.) Vizsgálódásunkat a pontvonallal határolt folya matszakaszra korlátozzuk. Emiatt a folyamatáb rák hálódiagramjai nem egyetlen kezdő esemény nyel indulnak majd, hanem a pontvonal által metszett tevékenységnyilak csonkjaival. A négy áramkörtípus gyártásában döntő különbség csak a szerelésben van, ezért a célhierarchia- és a folya matábrákat csak erre érdemes megrajzolni. A tisztítás minden esetben automatikusan hozzá értendő, az 1. ábrának megfelelően. Az első lépésben modellünket a „szerelés = =beültetés + forrasztás" mélységig részletezzük. A félvezető chip alkatrészeknek közvetlenül a hordozóra szerelését (bare chip and wire, flip
408
Híradástechnika
2. Az elsődleges célhierarchiák 2.1. A célhierarchia-gráfok
szerkesztése
A globális cél felületen szerelt áramkörök soro zatgyártása. Ez négy részcélból, a felületen szerelt áramkörök négy alaptípusának gyártásából tevő dik össze. A négy alaptípus:
XXXVIII.
évfolyam,
1987. 9.
szám
c
O
/CEK
e. Aí.-'ih
d.
(H 283-2| 2. á&ra. A cólhierarchia-gráfokban használt rajzjelek a) egy oldalon f é m e z e t t panel, b) két oldalon f é m e z e t t , furatfémezett panel, c) felületre szerelhető alkatrész ( F E ) d) furatba szerelhető alkatrész ( F U ) , e) F E forrasztás, / ) F U forrasztás
chip, tape automated bonding) egyelőre hagyjuk figyelmen kívül. Ezeket az eljárásokat a felületi szerelésre való áttéréskor még irreális lenne azon nal bevezetendőnek tekinteni. Az alkatrészek vezető ragasztós beültetése pedig fejletlensége miatt csak elvétve, különleges esetekben használa tos, így ettől is nyugodtan eltekinthetünk. Ha később a fenti technológiák alkalmazása mellett döntünk, akkor az ezeket is figyelembe vevő modell a jelenlegi mintájára már könnyen megal kotható. A 2. ábrán a rajzjelek jegyzéke, a 3 . . .6. ábrákon pedig a négy áramköri alaptípus elsődleges cél hierarchiája látható. A gépiparban használatos ábrázolástechnika, a gyártmánycsaládfa i l l . a belőle képzett funkcióséma a felületi szerelésű áramkörök modellezésére meglehetősen kedvezőt len, ezért a célnak megfelelő speciális ábrázolás módot kellett kialakítani. A célhierarchia-ábrákon legfelül a szerelt áramkör, legalul a hordozó és az alkatrészek halmaza található. A gráf egy magas ságban lévő csúcsai azonos számú állapotváltozás sal érhetők el a kiindulási állapotból, i l l . azonos számú állapotváltozásnyira vannak a végállapot tól. 2.2. Az áramkörök
célhierarchiái
A T l és T2 gráfok (3. és 4. ábra) élei olyan álla potokat kötnek össze, amelyeket egyetlen állapot változás választ el egymástól. Először azt nézzük meg, hogy van-e olyan technológiai lehetőség, amellyel egyszerre két vagy több állapotváltozást érhetnénk el, és ennek megfelelően két vagy több
EL O [H28F3I 3.
ábra.
Tl
Híradástechnika
áramkörök
XXXVIII.
elsődleges
évfolyam,
célhierarchiája
1987. 9.
szám
JBL CD
CD CD ^ CD
j
CD |H283-4|
i. ábra. T2 áramkörök elsődleges célhierarchiája
szinttel juthatnánk följebb a gráfban. Egy lépés ben két oldalt nem tudunk beültetni. Beültetést és forrasztást egyszerre szintén nem végezhetünk. A T2 áramkörök két oldalának együttes forrasztása elvégezhető újraömlesztéses forrasztással, feltéve hogy a vízszintesen tartott panel alsó oldalára az alkatrészeket előzőleg rá is ragasztottuk, nehogy lepotyogjanak. A forraszpasztát azonban a hordozó mindkét oldalán lévő forrasztási felületekre csak egyenként, fecskendős vagy mártópálcás adagoló val tudnánk felvinni, ami sorozatgyártáshoz nem elég termelékeny eljárás. Szitanyomtatáskor a hordozó teljes felületének fel kell feküdnie, de így a második oldal nyomtatásakor az elsőn lévő forraszpaszta elkenődne. Vagyis a T2 gráfba a legfelső csúcs és a középső szint jobb oldali csúcsa között csak laborszintű darabszámok esetén érde mes berajzolni a két oldal egy lépésben végzett forrasztását jelképező ágat. Mivel azonban ese tünkben sorozatgyártás a megvalósítandó cél, ezt a lehetőséget elvethetjük, a gráfnak ezt az élét mellőzhetjük. Végül azt kell megvizsgálnunk, hogy tartalmaznak-e a célhierarchia-gráfok te chnológiailag kivitelezhetetlen állapotváltozást jel képező élt. A T l és T2 gráfokban nem találunk ilyet. Végeredményül azt kapjuk, hogy modellünk jelenlegi részletezettségi fokán a T l áramkörök gyártásának egy, a T2 áramkörökének pedig két járható útja, lehetséges főfolyamata kínálkozik. A V l áramköröknél található egy olyan lehető ség, amellyel egy lépésben két állapotváltozás érhető el. Ez az alkatrészek együttes hullámfor rasztása, amit épenséggel külön-külön volna nehe zebb elvégezni. Ezt a V l gráfban (5. ábra) ponto zott szaggatott vonal, míg az általa fölöslegessé tett éleket szaggatott vonal jelöli. Egy ilyen „áthidaló" ág nem csak a vele egy szinten lévőket teszi fölöslegessé, hanem az alsóbb szinteken lévők egyikét-másikát is. Ha ugyanis valamelyik állapotból a célállapot felé kizárólag fölösleges ágak vezetnek, akkor nyilván az alulról hozzá vezető ágakra sincs szükség. A megmaradó utak techno lógiailag járhatóak, így tehát a V l áramkörök két különböző főfolyamattal gyárthatók. 409
A V2 áramkörök esetében (6. ábra) szintén a hullámforrasztás az, amivel a pontozott szaggatott vonal mentén haladva átugorhatjuk a második szinten lévő állapotokat. Az előző típusnál leírt módszerrel visszafelé lépegetve adódnak a szag gatott vonallal jelölt fölösleges élek. A megmara dók között kettő olyan található, amely technoló giai korlátba ütközik, ezeket pontvonal jelzi. Mindkét esetben a furatba szerelhető alkatrészek kel azonos oldalon lévő, felületre szerelhető alkat részeket kellene úgy beforrasztani, hogy a furatba szerelhető alkatrészek már be vannak ültetve. A furatba szerelhető alkatrészeket azonban sem a hullámforrasztó berendezés forraszfürdőjébe nem márthatjuk bele, sem pedig az újraömlesztéses forrasztással járó hőigénybevételnek nem tehetjük k i a tönkretétel számottevő kockázata nélkül. Az ilyen, technológiailag lehetetlen ágak pontosan ugyanúgy tesznek fölöslegessé náluk alsóbb szintű ágakat, mint a már ismert, áthidalások következ tében fölöslegessé vált ágak. Ha ezt is végig követjük felülről lefelé haladva, akkor azt az eredményt kapjuk, hogy a V2 áramkörök gyár tása négyféle főfolyamattal képzelhető el.
\rrn/^ ^ 1
rm ^
^
C D
"'
o
tó
H283-S
5. á&ra. V I áramkörök elsődleges célhierarchiája
/ÜH\ r m / 4\rm/
4*
\rm/ I
'
4HN
rm \rrry
?nv
ED
rm
I I
ra —t--i— )
|
/TED\
rm
\TED
nn i
i
/tru\
I
1 i
rni
J E
/TED\
ED
/
[ED
[ED
fED
rm
CEH
i i -•t-—r-
í : r i
|
1
- t - -
\rnv
rm rm
!— JED,
/TED\
O
rm EH
rm
rm
rm rm
DZD
rm
IH283-6]
rm ábra.
410
V 2 áramkörök elsődleges célhierarchiája
Híradástechnika
XXXVIII.
évfolyam,
1987. 9. szám
a.O
6-IOI
d H-CZ3-H e.
7. ábra. A f o l y a m a t á b r á k b a n használt rajzjelek a) beültethető F E b) F E gyári kiszerelésben c,) b e ü l t e t h e t ő F U d) F U gyári kiszerelésben e) ragasztócsepp térhálósított ragasztócsepp g) hullámforrasztott F E forrasztás h) forraszpaszta i) újraömlesztóses F E for rasztás
Az elsődleges célhierarchiák megszerkesztése u t á n rátérhetünk a lehetséges főfolyamatok rész letesebb vizsgálatára. 3. A lehetséges főfolyamatok
A tevékenységnyilakat azonosító rövidítések az alábbiak: fsz — forraszpaszta szitanyomtatás h — helyezés úf — újraömlesztóses forrasztás ra — ragasztó adagolás r t — ragasztó térhálósítás ek — előkészítés b — beültetés hf — hullámforrasztás A főfolyamatok ilyen részletességű hálódiagram jai a 8 . . . 11. ábrákon láthatók. Ha nem ütköznénk a már ismertetett technológiai korlátokba, akkor a lehetséges megvalósítások száma jóval nagyobb volna, hiszen mindegyik FE beültetés és forrasztás helyére akár az 1., akár a 2. eljárás behelyettesít hető lenne. Modellünk felbontását csak a rendszerterv ismeretében érdemes tovább finomítani. Ugyanis a technológiák (pl.: gőzfázisú vagy infravörös újraömlesztóses forrasztás), az anyagok (pl.: ultra ibolya sugárkezelést követő hőkezeléssel vagy csak
A célhierarchiákból kiadódó egyes főfolyamatokat jelöljük a következőképpen (rövidítések: F E — felületre szerelhető, F U — furatba szerelhető alkatrész, FE1—FU szerelési oldalán lévő FE, FE2—FU forrasztási oldalán lévő FE) : t l — beültetés, forrasztás t 2 / l — beültetés, forrasztás, beültetés, forrasztás t2/2 —beültetés, beültetés, forrasztás, forrasztás v l / 1 — F E beültetés, F U beültetés, FE és F U forrasztás v l / 2 — F U beültetés, FE beültetés, FE és F U forrasztás v 2 / l — FE2 beültetés, FE1 beültetés, F E l for rasztás, F U beültetés, FE2 és F U forrasztás v2/2 — F E l beültetés, FE2 beültetés, F E l for rasztás, F U beültetés, FE2 és F U forrasz tás v2/3 — F E l beültetés, F E l forrasztás, FE2 beül tetés, F U beültetés, FE2 és F U forrasztás v 2 / 4 — F E l beültetés, F E l forrasztás, F U beül tetés, FE2 beültetés, FE2 és F U forrasztás Részletezzük tovább modellünket! A felületre szerelhető alkatrészek beültetése és forrasztása két módon történhet: 1. beültetés = forraszpaszta szitanyomtatás + he lyezés forrasztás = újraömlesztóses forrasztás 2. beültetés = ragasztó adagolás + helyezés + ra gasztó térhálósítás forrasztás=hullámforrasztás A furatba szerelhető alkatrészek beültetését a modellnek ezen a részletezettségi fokán még nem érdemes tovább bontani. Forrasztásuk minden esetben hullámforrasztás. A folyamatábrák csúcspontjainak rajzjeleit a 7. ábra mutatja be. Ezek egy része nem szerepelt a cólhierarchia-gráfokban, más része pedig szere pelt ugyan, de (a durvább felbontásnak megfele lően) általánosabb jelentéssel. A 7. ábrában külön fel nem t ü n t e t e t t , de a folyamatábrákban szereplő rajzjelek jelentése megegyezik az eddigiekkel. Híradástechnika
XXXVIII.
évfolyam,
1987. 9.
szám
\H283-8a\
\H263-8b\ 8. ábra. T l áramkörök g y á r t á s á n a k lehetséges főfolya matai a) t l . l b) t l .2
ím FE i
FE
tEDK
ek
FE
Km
rt
hf
W3T
H283-9oi
FE
hf ..
<7T
FE
m
E-
ek
FF h *
§ 1 ^ rt
hf
[H283-9N
FE
ek
FE
^Ö>
7
hf
TFffiT
lEffl. Tíffl
[H283-9cl
9. ábra.
T2 áramkörök g y á r t á s á n a k lehetséges főfolya matai a) t 2 / l . l b) t2/1.2 c) t2/2
411
10331
\H283-10a\
FE
ra
IIOI
FE
ek
hf m r
[H283-lQbl
10. ábra. V I áramkörök g y á r t á s á n a k lehetséges főfolya matai a) v l / 1 b) v l / 2
a, -=-3E
IOI
3
r-3 E
e-
FE
3 6-
3E-
rf lt
—XX—
3 E—
ra
FE.
•S-3 E
3 I
FE FE
e/f
e/f
3E
3E-
rt
IOI
//
3 E-
izKcl 3 E 3E- FU
E
IS
3
FU ek
H-c
- = - a
S=-3 E
i
3
E
lH283-11ol
LZ^MZ
3 E
e/f
3 E-
£E
FE.
—YJJ-
FE ek
—^C—
J E
3 f~
rt
hL
FÜ.
ÁL
JOJ Icffif
FE
IH283-Hb|
e/f
FE
ra
-=-3
E E- — — ] E E-
FE l E D l ek
=^EÉ-3E
3
n-
=-3 E
f^B:
3 E-
3E
3
F-
ra
FE
ek
3 E —
FE
HUE^EF^
ek
412
/)/-
rí
3
rt
FU IS
hf
TÖT E—-3
H
|H283-11c| Híradástechnika
XXXVIII.
évfolyam,
1987. 9. szám
=—=-3 E
fsz
3 E~
-=-3
FE
10=01
e/f
[ED
E
-3
FE
E-
uf
[ED
=—=-i
i
—3 E-
ra
E3k
FE e/f
Á=B\
~vv — 3 E
FU b TÖT
rt
3 f-
J
E
3
ÁLLA
E—
FL/
|H283-11d|
e/f
FÜ, e/f
~
lOl
II
(
1
FE
31
J
] C
]
E
O
F(7,
ff=A
b
:E—3E-
FE] eA
/LiiA
w —\\—
^ —
Í=D\
-
ra
- E—3 E— z
FE
r 3 t
FE 11
Z » Z
0=0
3 E
3 E-
ír
E
3 E-
hf , AEU\
E '
3 E— \
Pl
FU ek ra
rt ,
1
FE
~ " ~
UJJl e*
3
E—3 E-
1
F
IH283 -11e|
3
E-
L^jj;
]
E
3
E-
FE ek ra
mi
133 Q _ 3 E
rf
3
IH283 -11 fí 11. ábra. V 2 áramkörök g y á r t á s á n a k lehetséges főfolya matai a) v 2 / l b) v2/2 ej v2/3.1 v2/3.2 e) v2/4.1 / ; V2/4.2
hőkezeléssel térhálósítható ragasztók) és a beren dezések (pl.: soros vagy párhuzamos működésű beültető automaták) kiválasztása jócskán leszű kíti a figyelembe veendő műveletfajták számát. Ha minden elvileg elképzelhető változatot bele szeretnénk építeni modellünkbe, rengeteg fölös leges munkát végeznénk. Felmerülhet a kérdés, hogy a lehetséges főfo lyamatok közül melyek a legkedvezőbbek. A válasz az, hogy a konkrét áramköri típusok kon strukciójától, a gyártórendszer kialakításától, sőt a gyártórendszer egyes munkahelyeinek az adott időszakban várható terhelésétől függően más-más lehetőség jelentheti a komplex optimumot. Híradástechnika
XXXVIII.
évfolyam,
1987. 9.
szám
4. A munka további lépései A főfolyamatok u t á n azok feltételi folyamatait is meg kell terveznünk. A termelés feltételi folya matai öt fő csoportra (irányító, ellátó, realizáló, előkészítő, gyártásvégrehajtási), és azokon belül számos alcsoportra oszthatók [3]. Ezek közül elsősorban a gyártásvégrehajtás feltételi folyama taival kell foglalkoznunk. Ez azonban nem jelenti azt, hogy a többi egyáltalán nem érinti a gyártás fejlesztés feladatkörét. Hiszen pl. a szitanyomta táshoz szükséges szitafeszítés és maszkolás nem más mint szerszámgyártás, ami az ellátó folya matok közé tartozik. 413
A gyártásvégrehajtás feltételi folyamatainak egy része (tárolás, anyagmozgatás, ellenőrzés, csomagolás stb.) egybeépül a főfolyamattal, míg más része (kisegítő, kiszolgáló, gazdálkodó folya matok) külön települ tőle. A gyártórendszer létre hozása szempontjából fontosabbak számunkra a főfolyamattal egybeépülök, mivel ezek erősen befolyásolják a gyártórendszer helyszükségletét. A tárolás magában foglalja a panelok, az alkat részek, valamint a technológiai alap- és segéd anyagok raktározását, a félkész áramkörök tárolá sát az egyes munkafázisok között, valamint a kész áramkörök raktározását. Az ellenőrzéshez tartozik az üres panelok rövidzár/szakadás mérése, optikai ellenőrzése és forraszthatósági vizsgálata, az alkat részek mérése-válogatása és forraszthatósági vizs gálata, az anyagok (pl. forraszpaszta) minőségének ellenőrzése, a gyártási lépések közötti optikai (pl. a beültetést követő komparaszkópos) ellen őrzés, a kész áramkörök ,,in circuit" és funkcionális tesztelése, valamint a technológiák és betartásuk ellenőrzése. Az anyagmozgatás esetünkben az egyes gyártási lépések közötti belső szállítást jelenti. A csomagolás megtervezésekor gondolni kell a MOS alkatrészeket is tartalmazó, és emiatt az elektrosztatikus feltöltődésre érzékeny áram körökre is. Ha a teljes folyamathálózatot megterveztük, hozzáláthatunk a rendszertervezéshez. Ez egyrészt a rendszerelemek (elsősorban berendezések) kivá lasztását, másrészt a gyártórendszer struktúrájá nak (egyedi, soros, fészek, gépkör, műhely) meg határozását és a telepítés megtervezését jelenti.
A berendezések kiválasztását érdemes olyan (rendszerint számítógépes) döntéselőkészítósi mód szerrel végezni, amely képes több változat közül több, különböző fontosságú értékelési szempont szerint, számszerű vagy szóbeli minősítések alap ján az összességében legkedvezőbbet kiválasztani. A Remixben erre a célra a K I P A eljárást [4] alkalmazzuk. A rendszerelemek szimbólumaihoz fel lehet rajzolni az egyes főfolyamatoknak megfelelő gyárt mányátfutási gráfokat. A kooperációs fok ez alapján kiszámított értékéből és a berendezések számából egy tapasztalati diagram segítségével határozható meg az optimális struktúra. [1]. A felületi szerelés esetében ez majdnem biztosan minden esetben vegyes soros-fészek struktúra. A soros részt a „ragasztó adagoló — FE helyező — ragasztó térhálósító— hullámforrasztó—tisztító" együttes alkotja. 5. Köszönetnyilvánítás Köszönet illeti dr. Kocsis József docenst a folya matszervezés módszertani ellenőrzéséért. I B O D A L O M [1] Dr. Kocsis József: Munkafolyamatok tervezése és szervezése ( T a n k ö n y v k i a d ó , B p . 1985). [2] Dr. Papp Ottó: H á l ó t e r v e z é s az ipari gyakorlatban (Műszaki K ö n y v k i a d ó , B p . 1985). [3] Dr. Kocsis József: A vállalati termelőrendszer felté teli folyamatainak szervezése ( B M E Mérnöki To v á b b k é p z ő I n t é z e t , B p . 1986). [4] Dr. Kindler Jázsef—dr. Papp Ottó: Komplex rend szerek v i z s g á l a t a (Műszaki K ö n y v k i a d ó , B p 1977).
