老 wu DIY贴片机方案和计划征求意见稿

 老 wu DIY贴片机方案和计划征求意见稿

老wu这几天博客没有更新,很多朋友私信老wu,博客说好的日更呢?出了啥状况了?是不是工作组来的时候老wu刚好在场,又双叒叕被请去吃公粮了?我乐个趣,对朋友们的关切老wu表示感谢,最近开大会严打,老wu怎敢出去浪?? 当然,老wu这几天也没闲着,而是更加的忙了,忙到每晚一两点才睡,除了忙日常工作和回复网友们的问题邮件之外,老wu把大部分尽力都花在研究如何DIY贴片机上面了 ?。

DIY贴片机?对!其实这个想法早在2013年就已经诞生在老wu脑海中了。当时老wu所在的公司,每月研发的电路板样机很多,对于简单的板子,都是交由研发助理工程师来焊接,而复杂一些的板子,比如含有BGA的,小间隙封装的QFN,0201的射频板等等,都是采用外包的方式。

研发样机无论是公司自己内部由助理工程师来手动焊接,还是外发给SMT来焊接,总是难免有不满意的地方。

先说外发SMT的问题,外协就涉及到费用的问题,又要牵扯到采购,跨部门沟通协作,虽然大家都很熟了,但流程还是要走的,特别是涉及到研发费用款项,大家都不想担责,所以其中还是有一些流程性的东西,可是无论是硬件设计还是软件调试,大家都在等着PCBA来验证和测试呢。然后研发工程要为SMT厂准备贴片资料文件和主要的IC物料等等,当然,常用的阻容等元件贴片厂也是常备的,或者你可以将常用料就直接放在SMT贴片厂里就好了。然后就是把待贴的PCB和物料一并发往贴片厂,接着就是等待贴片厂的排期(人家当然不是只为你独家服务了)和PCBA返回了。

确实,外发SMT的质量还是极好的,帖回来的板子很干净,给客户做原型演示也美观,专业的焊接设备,焊点可靠,不用担心虚焊问题,虚焊在你原型调试时是非常讨厌的,开始可能功能测试是好的,但经硬件 <===> 软件之间不断的转手测试,板子在桌子上边不断的磕磕碰碰,或者经过不断的接插板接口产生的应力影响后,虚焊的强大BUG魔力就产生了,然后就是工程测试的时好时坏,搞死人的节奏。

当然,常在河边站哪有不湿鞋,外发SMT也有遇到无语的时候,就是贴片厂的SB工程师上错物料了,然后…各种酸爽大家自行脑补了,反正就是后来的SMT再也不找这家了。

外发SMT的工程费用也是不低的,如果是批量的话,这不存在问题,而如果是样片,这就很可观的。当然了,2013年的时候,SMT贴样还不是那么方便,量太少的话,别人还不愿意给你焊接。现在,2017 年,很多PCB打样厂也开通SMT贴样业务,比如一博、华强PCB、嘉立创等等。特别是嘉立创,费用是最低的,工程费50 RMB,焊点一个一分钱,还有一个不错的地方是不用开钢网,他家用的是自动点锡膏机,直接在PCB焊盘上点上锡膏,不用开钢网来刷锡膏,又能剩下一笔钢网的费用,这对于样机来说很重要的,因为样机阶段,元器件的布局随时都会改变,然后又要重新开钢网,挺费钱的。

便宜是便宜,但是他家的SMT也挺废的,只能贴简单的板子,只能贴他家指定的元器件类型,目前好像是只支持700种物料,只能贴单面器件的板子,BGA、0201等高密板子贴不了,限制还是蛮多的。

而华强PCB的机器好点,可以贴BGA,QFN,0402阻容等等,但是需要开钢网,工程费也要400这样。

而一博的SMT设备更先进,0.35 Pitch BGA, 01005的阻容都没有问题,但是工程费更贵了,基本一个BGA和DDR的板子一千起了。

至于自己手工焊接就更别提了,公司的样板都是助理工程师负责焊接的,天天吸锡烟的毒,(即使有小型的吸烟仪但效果一般般)天天低着头,夹元器件,找到对应的焊盘,对眼睛和颈椎都是强大的杀伤。如果只是焊一两块样板还好,但是如果进入小样测试阶段,要焊个三五十块样板做测试,连续高强度的手工焊接,慢慢的后边的板子焊接质量就不能保证了,特别是电容电阻,很容易焊错料或者虚焊,所以,这种模式老wu是不赞同的,助理攻城狮离职率也很高。

对于含有BGA的板子,由于研发进度紧,等不及发往SMT厂贴片,有时候也需要自己焊接,助理工程师的焊接能力搞不定,这时就要老wu亲自出马了,想想工资两三万的来做焊接,其实也是一种资源的浪费,当然,工作累了,停下来,点根烟,吹吹IC,感觉还蛮不错的,?

由于直接用焊锡来焊接元器件,板子上总是留下难看的松香,而且元器件的焊接平整性也不够美观,后来,我们提出了改进方法,就是淘宝上有卖那种锡膏印刷台和手动真空贴片机。

其工作原理就是开好钢网,然后将钢网上到精密锡膏印刷台中对好位,然后人工摆放器件进行贴片,可以根据自己人工贴片的速度,一次同时贴五块PCB,这样你就可以省下在料架上来回切换料盘的时间,而且一次同时贴五块PCB 的同一个位置,免去了去寻找贴片元件位的时间,熟练的话,一小时可以放三四百的元器件。摆好元件后,将PCB放到小型桌面回流焊炉中焊接,这种焊炉可以根据焊接的物料类型编程设置温度曲线的,可以做有铅/无铅焊接,也可以做双面PCB焊接,但需要焊接两次,其采用顶部加热,所以PCB上下温度是不同的。这种小型回流焊老wu用起来感觉还可以,焊接完成后, PCB表面非常整洁干净,当然,元器件立碑现象有时还是会有个别的,拿热风焊台补一下就好了。唯一不足就是可焊接面积小了点,对于大板子一次只能焊一块,但对于样机测试来说够用了。还有一点要注意的是要买具有独立排烟口的,锡膏升温融化后,其挥发出来的味道那真叫个难闻,当时老wu买的是那种不带独立排烟口的,焊接工作时,整个屋内都弥漫着令人窒息的难闻味道,老wu每次都是将窗户打开,用一台排风机放在窗户处对外抽风,然后让回流焊机器工作,把门关上去楼道里抽根烟。焊接一般15分钟结束,然后再等10分钟让味道散去后再敢进到屋内拿PCB。不过现在好了,那些生产小型桌面回流焊机的厂家已经升级了产品,现在新出的型号都带独立排烟口了,可以在排烟口处套上排烟管,伸到窗户外,虽然污染还在,但管他呢 ?

用真空吸笔摆元件,然后小型回流焊机焊节,采用这种方式后,PCB样机焊接效率和质量提升了很多,PCB表面不再是脏乎乎的了,焊接温度设置得当的话,虚焊问题也没有了。但是,对于0402以下的电阻电容、小间距的QFP、BGA等等,用真空吸笔去摆元件还是很费劲的。因为人的手会有轻微的抖动,就像我们的相机在拍摄时需要防抖镜头,对于这种精细的元件,手抖会造成贴件失败,需要重复的调整,耗时也废眼神,同时,不断的去吸元件,然后找到PCB上对应的焊盘,在控制手抖的情况小,小心翼翼的贴到焊盘的锡膏上,一天操作下来,对颈椎和腰椎也是一大伤害。

也考虑过上自动SMT线,找了做家SMT生产线的公司做了个方案和报价,二手Juki2050 贴片机,全自动锡膏印刷机,回流焊,AOI等,这么一条新旧结合,国产进口混搭的全自动SMT前期投入需要一百万上下了,还要腾出专用的场地来伺候这些设备。

后来,去参观过一个作坊式的SMT工厂,他们全部采用国产设备,手动锡膏印刷台,国产贴片机,国产多温区的回流焊炉,最后人工目检和手焊DIP元器件。设备投入五六万搞定,对场地要求也不高,两三个妹纸就搞定一条产线了,? 对于贴一些LED灯板或者简单一点的板子,这条线的效果还可以。

最近跟一个朋友吃饭,他出来自己创业,目前在做一些小的电子产品,由于是小成本的初创公司,资金相对来说肯定是不够的,人手也不够,很多样板都要自己焊,他知道老wu之前对贴片机这块有些了解,还发过国外玩家自制的SMT的博文(https://www.mr-wu.cn/video-for-cirqoid-pcb-prototyping-machine/),他看到博文内的视频举得这种贴片机很适合自己用,就像问下老wu国内有没有类似的产品。

我就跟他说目前国内也有一些做桌面级的贴片机,在深圳的展会上也去了解过,目前带视觉双头的三万块上下。不过这两三万的设备跟人家进口的上百万的设备那肯定是没法比的,而且目前在贴片机这块都是民营企业在搞,不像光刻机那样有国家重金的支持,贴片机这种严重依赖机械制造精度的产品,我国目前这块的工业基础还是很薄弱的,我们的总理都说了,我们连圆珠笔的滚珠都没法自己造,目前国产桌面型贴片机市场竞争还是蛮激烈的,两三万的贴片机,除去机台设备成本,还有多少利润空间?国产贴片机在长时间运行后,是不是能达到所说的重复运动进度:±0.05mm,产品坏了,售后维护能否及时,这都是要考虑的。

网上就有代理商爆料,代理的某国产贴片机,问题多多,售后也不给力。

老wu从2013年就开始关注国产贴片机和DIY 贴片机了,当时在阿莫论坛和SMT论坛里都有人在研究DIY贴片机,现在不知道他们研究的结果如何,可能现在这些国产的贴片机就是他们研究成果转换的吧。当时看到一个哥们说他前前后后投入了十几万,搞了一年多,连贴0603的元件都不稳定,都想放弃了,还有最近人在论坛上转卖贴片机的源码,这都从侧面说明了,贴片机的水还是蛮深的。

所以,一两万的桌面贴片机,你要做到贴0402的精度,机架和伺服电机部分的成本都多少了。所以我劝我朋友,如果不想折腾,还是买七八万的国产或者二手进口的juki贴片机。

我朋友觉得,对于他这种小的创业公司,投资七八万买贴片机,有点划不来,然后我就提议能不能搞一台手动或者半自动的,机械精密定位的滑台和伺服电机太贵了,可以人工驱动嘛,然后加上真空贴片吸嘴,XY轴人力驱动 ? 再加上摄像头十字线辅助贴片,比起纯手动贴片要好多了。刚好我前段时间看过老外做的手动贴片机的相关视频,就分享给朋友看,他看完后颇感兴趣,就怂恿老wu也帮他做一台试试。

都说一入HIFI深似海,从此钱包是路人!老wu倒觉得,一入DIY SMT深似海,从此钱包是路人! ?

老wu已经做好心理准备了,精密的传动系统咱上不起,初步的目标是实现辅助人工贴片,根据视频里歪果仁做的那种机架,实现xyz轴的机械运动。

第一步 定个小目标:

实现机械辅助贴片,避免手抖造成精细元器件的贴片失误,解放人工贴片时的颈椎和腰椎的压力。

X、Y轴采用光轴,实现二维线性运动

Z轴,就是贴片吸嘴的部分,自己在淘宝上定制,Z轴采用电机传动控制,就是避免手抖造成贴片误差。Z轴采用28步进电机配合上银滑块做Z轴垂直方向的直线运动。贴片吸嘴淘宝上购买购买juki贴片机吸嘴,配合真空发生器实现元器件的贴装操作。

第二步实现功能:

X,Y轴结合57步进电机,同步带驱动,实现贴嘴头的XY轴线性运动,实现自动吸料,目标是实现重复回位精度温差±0.1mm,节省人力,自动已到料件上方,经摄像头十字光标辅助,人工确认偏差后,Z轴电机运动实现自动真空吸取物料,然后自动唯一到代贴元件的上方,经摄像头十字光标辅助,人工确认偏差后,Z轴电机运动实现自动贴片。

用家用飞行遥控来控制X、Y的步进电机,代用滑台做细微的调整,设计按钮实现元器件的贴装动作,哈哈 真天才 ?

第三步实现功能:

运动控制系统优化,实现0805以上封装,光耦,大间距引脚QFP IC 的自动贴装,小的精细元件在人工的调整下实现贴装。

不要钢网

贴片机可以进一部做功能扩展,换上针筒式锡膏,在加上锡膏打胶机,就可以实现无钢网上锡膏了。可以省下开钢网的费用。

热风枪返修台

Z轴滑块结构改一下接口,就可以上热风枪,结合热风焊台,实现BGA,QFN器件的返修。

以上的就是老wu的DIY 贴片机的方案和计划,希望听听朋友们的意见。

吴川斌

吴川斌