異型DIP件自動安裝常見問題分析及解決方案
2021 | 05 | 26

異型件拋料:

異型件拋料一般可分為來料不良拋料,與設備誤判拋料兩種狀況

來料不良拋料:為了保證THT工藝DIP焊接后焊點的品質,IPC相關標準規定,DIP件PIN針直徑與其通孔直徑的比值(我們用B表示)不能超過1:1.6,而在實際應用中,大多數客戶會將該比值控制在1:1.4左右。因此,來料不良應該分別分為異型件來料不良和PCB來料不良,來料不良判斷主要指異型件PIN針或PCB通孔偏差超出行業公差范圍和設備精度能力之和。

1.1.1異型件來料不良:異型件來料不良主要表現在異型件PIN針直徑或PIN針之間的間距超出公差值范圍。

異型件PIN針直徑我們用Φz表示,PIN針直徑的公差值我們用Gz表示;

異型件PIN針根部距離我們用Hg表示,端部距離用Hd表示;

異型件PIN針大多數在四PIN以上,且絕大部分為多行多列的分布形式排列,因此,

我們將PIN針之間的行間距用Hz表示,其公差值我們用Ghz表示;PIN針之間的列間距用Lz表示,其公差值用Glz表示;

那么,以下四種情況都應該判斷為異型件來料不良:

異型件PIN針直徑超范圍不良,即Φz≤Φz Gz;

測量方法:見右圖

異型件末端距離與根部距離超范圍不良,即Hd-Hg≤公差值;

測量方法:見右圖

異型件PIN針行距超范圍不良,即Hz≤Hz Ghz;

測量方法:見右圖

異型件PIN針列距超范圍不良,即Lz≤Lz Glz;

測量方法:見右圖

在實際生產應用中,如果對異型件PIN針采用了視覺檢測,我們還發現有第四種拋料因素——PIN針有異物。由于目前的視覺檢測還不具備分辨、剔除異物的能力,因此,發現PIN針有異物也同樣會被判斷為來料不良而拋料!

以上不良計算公式只能作為異型件來料不良的初步判斷依據,不能作為自動插裝的實際應用!自動插裝的實際應用計算公式將在“異型件PIN針折彎”及“異型件整體浮高”章節中闡述。

1.1.2 PCB來料不良:PCB來料不良主要表現在PCB通孔直徑或通孔之間的間距超出公差值范圍。

A>PCB通孔直徑我們用Φb1和Φb2表示,PCB通孔直徑的公差值我們用Gb表示;

B>PCB通孔大多數在四個以上,且絕大部分為多行多列的分布形式排列,因此,我們

將PCB通孔之間的行間距用Hb表示,其公差值我們用Ghb表示;PCB通孔之間的列間距用Lb表示,其公差值用Glb表示;

那么,以下三種情況都應該判斷為PCB來料不良:

PCB通孔超范圍不良,即Φb1≥Φb1 Gb或Φb2≥Φb2 Gb;

測量方法:由于PCB板翹曲變形直接影響PCB通孔的形狀(由圓形變成橢圓形)因此,在量測PCB通孔時,應該成直角兩側通孔的直徑。

PCB通孔行距超范圍不良,即Hb≥Hb Ghb;

測量方法:見下圖

PCB通孔列距超范圍不良,即Lb≥Lb Glb;

測量方法:見下圖

備注:PCB來料不良將會提高異型件來料的精度要求,在自動化實際插裝過程中需要將異型件PIN針的管控參數縮小,以保證異型件PIN針不會折彎插入為原則。因此,異型件的拋料數量有可能會大幅增加!同時也會對“異型件PIN針折彎”和“異型件整體浮高”產生直接影響,我們將在相關章節加以應用描述!

1.1.3設備精度能力:設備精度能力主要表現在機械重復定位精度與視覺對位精度,以及夾持異型件手指的穩定性。因此,設備精度能力與穩定性可作為評價異型件自動化插裝設備的關鍵指標!

A>機械重復定位精度:機械重復定位精度是指自動插裝末端多次重復執行同一動作測量出來的誤差平均值,我們用Jj表示。隨著運動部件的磨損,機械重復定位精度也會受到一定的影響,因此我們將持續保持機械重復定位精度的能力叫做穩定性,這一穩定性可以用CPK值來表示;

B>視覺對位精度:視覺對位精度是指分別通過下相機拍攝異型件PIN針和上相機拍攝MAKE點后,自動計算出所需插件位置與實際位置的誤差值,我們用Sj表示;這一過程包含了機械運動的動作,因此減去機械重復定位精度就是視覺定位精度,我們用Dj表示。

C>夾持異型件手指的穩定性:異型件在供料位置被拾取時的狀態運動到插裝位置時的狀態(水平、高低或偏移的狀態)應該是一致的,保持這種一致性的能力完全依靠手指夾持的穩定性來決定!

設備誤判拋料:設備誤判拋料一般是針對異型件而言,是指異型件PIN針在允許工差范圍與設備精度能力之和以內還出現的拋料現象。

拋料原因分析及相關解決方案:在采用異型件自動插裝時,我們必須優先保證異型件PIN針不會折彎,再來設定KXI系列貼插一體機的相關參數。

1.3.1拋料原因分析:在采用異型件自動插裝時,通常我們會設定PCB通孔是標準的,

因此,KXI系列貼插一體機只有檢測異型件PIN針的功能,而不具備PCB通孔檢測功能。因此,在滿足1.3的要求的情況下,我們會盡可能放大對異型件PIN針的管控參數,以此來減少拋料率。

異型件PIN針管控參數Cs的設定:一個像素的邊是0.3毫米

理論參數設定計算公式:PCB通孔孔徑Φb減去公差值Gb,減去異型件PIN針直徑Φz加公差值Gz之和,減去異型件PIN針行/列間距的累積偏移公差GZhl與PCB通孔行/列間距的累積偏移公差GBhl,全部乘85%的安裝余量,再減去機械重復定位精度Jj與視覺精度值Sj。計算示例:0.3866-0.3133=0.0733*85%=0.0623*85%=0.053-0.02-0.01=0.023

0.4433-0.3133=0.13*0.85=0.1105*85%=0.0939-0.02-0.01=0.0639

PCB通孔不良的排查:當異型件PIN針管控參數確定下來后還出現PIN針折彎時,我們建議應該采用專業量測工具對PCB通孔的孔徑、行/列間距等進行測量排查。

PCB水平度檢查:

夾取異型件PIN針垂直度檢查:

1.3.2拋料解決方案:

A>理論計算拋料參數設定:根據異型DIP件PIN針直徑及相對應通孔直徑的參數初步確定設備拋料參數的設定,排除異型DIP件PIN針直徑及相對應通孔直徑不合格的來料。

B>實際測試拋料參數確認:在未出現PIN針折彎的情況下,可以逐步放大異型件PIN針管控參數的設定,以達到減少拋料數量。

C>控制來料不良:提高異型DIP件PIN針及相對應通孔直徑的合格率,控制各種不良來料上線!

二、異型件PIN針折彎

我們將以服務器產品中DDR4 DIMM異型件為類進行分析,異型件PIN針折彎有以下幾種原因:

2.1通孔變形:THT工藝一般都是在SMT回流焊接工藝之后,SMT回流焊接的高溫焊接后存在熱應力效應,PCB因熱應力產生翹曲變形在所難免,且翹曲變形量及變形區域無法管控,但有一點可以肯定,那就是翹曲變形將集中在PCB通孔和焊點多、吸熱量大的SMD元器件區域。通孔越大、越密集的地方就是熱應力釋放之處,該處更容易產生翹曲變形。PCB因熱應力產生的翹曲而導致的通孔變形直接變現為通孔直徑的變化——由圓形變為橢圓形!

通孔變形量的量測可以通過測量相互垂直的直徑進行對比。

解決方案:PCB在待插裝時,必須進行翹曲變形的修復,以盡量保持通孔形狀的正常狀態!PCB翹曲變形修復必須注意以下兩點:

吸收翹曲變形修復產生的應變應力(應變應力≤100uE)

保護SMT焊接好的SMD器件及其焊點

2.2通孔偏移:這種情況一般屬于PCB板來料不良。主要表現在不同批次或不同廠家生產的PCB板,遇到這種情況時,通常是固定在同一位置或同意范圍之內重復出現,通過調整設備參數后這一現象立即消失!

解決方案:量測PIN針折彎前后的通孔距離參數,分揀出不同批次或廠家生產的PCB,設定不同插件程序及其參數,或者退回不良PCB板。

2.3通孔堵塞:這種情況一般是在錫膏印刷、回流焊接及后焊維修時造成的。

解決方案:

在印刷錫膏時,控制錫膏污染PCB通孔;

在回流焊接時,控制錫膏飛濺污染PCB通孔;

在維修SMT不良焊點時,控制焊料污染PCB通孔;

在異型DIP件插裝前檢查PCB通孔,控制通孔堵塞的PCB板流入插件工序。

2.4定位PIN針導致功能PIN針偏移:定位PIN針一般都是呈青蛙腳的形狀(見右下圖),并且具有一定的彈性。當定位PIN針的間距中心與功能PIN針的間距中心不在同一直線(見左下圖),或者左右定位PIN針彈性不一致(這種情況多見于右下圖右邊的兩段式插入導向平頭PIN針)時,定位PIN針很容易導致功能PIN針偏移而產生的PIN針折彎現象。

解決方案:

控制定位PIN針的間距中心與功能PIN針的間距中心不在同一直線的異型DIP件上線。

采用一段式插入導向尖頭(見右上圖右邊PIN針)定位PIN針的異型DIP件上線。

2.5 PIN針直徑大于通孔直徑:PIN針直徑太大或通孔直徑太小都會造成PIN針直徑大于通孔直徑,從而導致PIN針折彎。

解決方案:PIN針直徑過大,可通過來料控制,也可通過設備的視覺檢測不合格拋料;但是通孔直徑太小就只能通過來料控制。

2.6夾爪、R軸、Z軸、X/Y軸松動或磨損:夾爪、R軸、Z軸、X/Y軸松動或磨損將直接影響設備的安裝精度,從而導致PIN針折彎。

解決方案:定時檢查和保養R軸、Z軸、X/Y軸,發現有松動或磨損應該及時維修或更換!夾爪屬于易損件,應該做到勤檢查、早更換,切不可以超壽命使用!

2.7軌道水平面傾斜:軌道都是可以調整寬度,一般采用一邊固定,另一邊活動調整軌道寬窄。異型DIP件的安裝需要熱應力變形修復,及較大壓力插裝,因此,PCB板固定強度要求較大。為了滿足PCB板較大的固定強度,頂板裝置的頂板力量也要求較大。較大的頂板壓力容易造成軌道活動邊高于軌道固定邊(軌道活動邊越靠近固定邊,活動邊越容易翹起),致使固定好的PCB板水平面傾斜,從而導致PIN針插入時容易折彎。

解決方案:選擇軌道活動邊可以固定在機臺上活動異型DIP件自動安裝設備!

2.8治具底部不平:治具的底部有時會需要從底部向上鎖固工件的螺絲,該螺絲斷面在過波峰焊錫時,會不斷沾錫而突出,造成治具底部不平,從而影響頂板固定后PCB的水平面傾斜而造成的PIN針折彎。

解決方案:選擇不會沾錫的螺絲(比如說鈦金屬螺絲)。

2.9治具寬度不一致:治具的重復使用造成的磨損,或不同生產批次的治具,都可能造成治具寬度不一致。寬度不一致的治具在運輸軌道上運行時,很容易在頂板固定PCB板時造成PCB板偏移,從而致使Make點拍照缺失或無法拍到Make點影響對位精度,以至于產生PIN針折彎。

解決方案:控制治具的寬度誤差不超過1mm。或選用具備自動歸中結構軌道的異型DIP件自動化安裝設備。

異型件浮高

異型DIP件插入通孔后,異型DIP件本體底部與PCB板面的距離大于要求距離,我們將這種現象稱為“異型件浮高”。浮高的原因及解決方案主要有以下幾點:

3.1通孔間距與異型件PIN針根部間距不匹配:異型DIP件PIN針的尖端與根部的間距原則上是一致的。異型DIP件PIN針根部的間距與通孔間距過大或過小,都有可能造成異型DIP件插入不到位,從而造成異型件浮高。

解決方案:

異型DIP件PIN針根部的間距過大或過小,可通過來料控制,也可通過設備的視覺檢測不合格拋料;

PCB板通孔間距過大或過小就只能通過來料控制。

3.2異型件PIN針變形:異型件PIN針變形一般很容易發生在振動盤供料、剪腳成型及零散包裝異型件的包裝、運輸、上線過程中。

解決方案:

采用規范、標準的異型件包裝方式,保證異型件PIN針在包裝、運輸、上線過程中不會變形。零散包裝的異型件可改為標準管包裝(標準塑料管 標準料管包裝盒的包裝方式)、標準卷帶包裝、標準Tary盤包裝、標準吸塑盤包裝、標準軟墊陣列包裝等標準包裝;

拒接采用振動盤工料方案,建議采用規范、標準型的供料器。可根據標準包裝方式選用標準管裝供料器、標準卷帶供料器、標準Tary供料器、標準吸塑盤供料器、標準軟墊陣列包裝供料器、標準編帶(臥式/立式)供料器等各種標準供料器。

3.3 PCB板翹曲變形:在SMT工藝段,PCB板的翹曲變形是有標準的,請參考《IPC-A-600G》/“第2.11/平整度標準”:對于表面安裝元件(如SMT貼裝)的印制板,其扭曲和弓曲標準為不大于0.75%,其它類型的板為不大于1.5%。PCB板的翹曲變形測試方法可參考《IPC-TM-650》/第“2.4.22.”章節。

在THT工藝段的異型DIP件安裝工序,PCB板已經經過SMT回流焊接,受熱應力影響,異型DIP件安裝工序的PCB翹曲變形在所難免(遠比SMT工藝段的PCB板變形嚴重的多),從而影響通孔直徑產生變化,而且不在可控范圍。

PCB板的翹曲變形將直接影響PCB通孔的直徑變小,如果無法針對PCB板翹曲變形進行有效的修復(哪怕是部分修復都行),異型DIP件的插入不良風險很大,特別是采用異型DIP件自動化安裝設備時,甚至根本導致無法完成插裝!

解決方案:參考本文章的第2.1章節。

3.4插件壓力小于PIN針插入通孔的阻力:異型DIP件PIN針直徑過大或通孔直徑過小,都有可能增大PIN針插入通孔的阻力,致使異型DIP件插入不到位,從而造成異型件浮高。

解決方案:

異型DIP件PIN針的直徑過大,可以通過來料控制,也可以通過設備的視覺檢測不合格拋料;

PCB板通孔直徑過小就只能通過來料控制;

選擇Z軸具有較大壓力的異型DIP件自動化安裝設備。

異型件跌翻

異型DIP件的PIN針與其通孔都存在一定的間隙,并且異型DIP件的本體體積、高度及重量都要大于PIN針,是典型的頭重腳輕結構。在進行異型DIP件的自動化安裝過程中,如果異型DIP件沒有定位PIN針固定,而又沒有采取其他方式固定過孔PIN針的話,已經插裝好的異型DIP件很容易跌翻,嚴重影響下一個插裝動作及焊接工序的作業!甚至導致跌翻器件或其周邊器件及PCB的嚴重損壞!

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