Пользователи одноплатных компьютеров Repka Pi знают о достоинствах и недостатках данных одноплатников и что точно не вызывает у них сомнения - так это высокое качество производства одноплатников данного проекта.

Для обеспечение высоких стандартов качества и надёжности работы готовых изделий, Repka Pi ввела на сборочном производстве систему контроля качества и адаптированные под неё технологический процесс. Требования к качеству и технологический процесс непрерывно улучшаются, не смотря на то, что само производство пока небольшое, этот пример показывает, как и в таких условиях на ранних стадиях развития можно обеспечивать высокие стандарты качества продукции и организации работы.

В данной статье попробуем рассказать, как сейчас производится одноплатный компьютер Repka Pi, описав все основные технологические этапы и их особенности, проиллюстрировав фотографиями и видео работы. Это будет интересно всем, кто интересуется темой производства электроники и тем, кто задумывается о создании своего производства или выбирает, где разместить заказы на производство своей радио-электронной продукции.

Производство Repka Pi начало так же принимать и заказы на контрактное производство электроники с любыми размерами партий, заявки можно оставлять на вот тут, там есть и форма заказа и заказ звонка и возможность написать на производство по вопросам размещения заказа.

В начале работы проекта Repka Pi был ролик на канале PRO Hitech. С тех пор многое оченгь изменилось, проект развивается а на производстве модернизировано оборудование, повышен уровень производственного контроля на всех технологических этапах, создан запас производственной мощности и сформирована особенная культура и дисциплины производства. Именно про это рассказ в данном материале, так как это один из интересных примеров для наработки опыта и практик работы в создании реального в нашей стране собственного технологического и производственного базиса.

Теперь давайте перейдём к рассказу о производстве!

---

Процесс производства одноплатных компьютеров Repka Pi

Начиная рассказ о сборочном производстве микроэлектроники, где производят Репку, есть смысл сразу перечислить основные технологические этапы производства (тех. операции - кому то так привычнее), сделав его содержанием этой статьи со ссылками на разделы:

1. Подготовка компонентов, оборудования, оснасток.

2. Монтаж SMD,BGA,QFN компонентов (SMT монтаж).

3. Выводной монтаж разъемов (THT монтаж).

4. Отмывка и сушка.

5. Поклейка радиаторов.

6. Контроль качества готовых изделий.

7. Функциональное тестирование.

8. Корпусизация и упаковка готовых изделий.

9. ТО оборудования и поддержание порядка в производственных помещениях.

Подготовка компонентов, оборудования, оснасток

Подготовка к производству начинается задолго до того, как мы попадаем на производство. Приобретаются необходимые компоненты у проверенного поставщика, заказываем печатные платы и необходимые расходные материалы, своевременно пополняя ими наши склады.

После чего компоненты которые будут использоваться для монтажа выдаются на производство. Например, SMD компоненты поставляются в катушках, которые нужно заправить в питатели и в последующем установить в станок-расстановщик и откалибровать.

На фотографии изображен электропитатель (электрофидер). Он обеспечивает плавную подачу компонента, снимая защитную пленку, чтобы станок мог захватить компонент с помощью вакуумной присоски.

Пассивные компоненты, такие как конденсаторы, резисторы, производят множество компаний, среди них есть как те, кто делает надежные пассивные компоненты, которые отличаются своим качеством, так и их, скажем так, аналоги, которые существенно дешевле по стоимости, но и имеют соответствующее качество, мы при производстве стараемся использовать пассивные компоненты производителя Samsung (логотип изображен на катушке, см ниже). Думаю, каждый знаком с этим мировым брендом, который производит надежные SSD-диски, память, телевизоры, но не многие знают, что компания занимается производством пассивных компонентов.

Выдаются печатные платы, которые хранятся в вакуумной упаковке с силикагелем и распаковываются только в день монтажа.

В начале рабочей смены проводится осмотр производственного оборудования, чтобы выявить возможные дефекты, которые могут негативно сказаться на качестве монтажа.

Подготавливаем пустые лотки для транспортировки и хранения плат, пока платы ожидают своей очереди в производственном процессе они хранятся в специальных лотках. Конструкторское бюро разработало систему хранения, которая позволяет обеспечить максимально бережное хранение плат на всех этапах сборки.

Процесс производства начинается в "холодном" цехе, который получил своё название благодаря особым условиям, создаваемым в нем. В цеху осуществляется поверхностный монтаж, при котором необходимо поддерживать температуру и влажность в соответствии с рекомендациями производителя паяльной пасты, используемой в полуавтоматическом трафаретном принтере.

Именно в "холодный" цех поступают разработанные нами печатные платы пока еще без компонентов. При этом сам проект Репка не занимаемся производством печатных плат, они заказываются у специализирующихся именно на этом производителей, таково современное разделение труда в соответствии со специализацией производств. При этом для производства "реестровых" Repka Pi, т.е. находящихся в реестре Минпромторга, платы заказываются в известном всем специалистам российском "Резоните".

Важно отметить, что финишное покрытие  печатных плат выполнено методом иммерсионного золочения.

Иммерсионное золото - это надежный и проверенный временем способ нанесения финишного покрытия на печатные платы. Он обеспечивает высокую проводимость, отличные антикоррозийные свойства и долговечность платы. Многие производства, стремясь к экономии, отказываются от использования этого покрытия в пользу лужения припоем. Но экономия не является значительной, а золочение печатных плат способствует улучшению механической прочности соединений, что снижает риск отказа устройства в процессе эксплуатации.

Монтаж SMD,BGA,QFN компонентов (SMT монтаж)

Первым этапом производственного процесса является поверхностный двусторонний монтаж компонентов на плату. Технология поверхностного монтажа, или SMT, представляет собой способ установки электронных элементов на поверхность печатной платы с помощью паяльной пасты и станка-расстановщика.

Данный этап можно разделить на 4 ключевые операции:

1. Нанесение паяльной пасты

2. Монтаж компонентов

3. Оплавление припоя в конвейерной печи

4. Первичное тестирование

Отдельно хочется выделить операцию по контролю качества, которой мы придаем огромное значение и осуществляем на каждой операции производственного процесса.

Нанесение паяльной пасты

Перед монтажом компонентов на плату мы должны нанести паяльную пасту на печатную плату. Для этого мы используем полуавтоматический принтер, оснащенный трафаретом с определенной толщиной и апертурами, которые соответствуют контактным площадкам на плате. Это обеспечивает нам стабильность в качестве и количестве паяльной пасты, которую с помощью ракеля принтер через апертуры наносит на контакты платы.

Видео. 1. Нанесение паяльной пасты с помощью полуавтоматического трафаретного принтера.

На плату нанесена паяльная паста в необходимом количестве. Теперь плата отправляется на контроль качества нанесения паяльной пасты, чтобы убедиться в отсутствии дефектов при нанесении. После этого, если контроль пройден, плата отправляется в станок-расстановщик для поверхностного монтажа компонентов.

Монтаж компонентов

После того как на плату была нанесена паяльная паста, она отправляется в станок-расстановщик, который будет автоматически заниматься монтажом компонентов. В станке технологом были заранее заданы координаты платы и каждого компонента, который необходимо установить. Заправлены катушки с компонентами в специальные питатели, а также заряжен магазин для крупногабаритных элементов, разработанный нашим конструкторским бюро. Расстановщик позволяет избежать человеческого фактора и значительно ускоряет процесс монтажа, что, в свою очередь, повышает производительность и надежность устройства.

Перед станком стоит задача разместить на плате 350 компонентов поверхностного монтажа, необходимых для сборки одноплатного компьютера Repka Pi 4. На данный момент самыми маленькими компонентами являются конденсаторы и резисторы размером 0402, что соответствует габаритам 1.0 мм×0.5 мм. Компоненты монтируются сначала на нижнюю сторону печатной платы, так как на ней отсутствуют тяжелые разъемы, что позволяет избежать их отслоения при запекании верхней стороны в дальнейшем.

Оператор загружает файл проекта расстановки. Плата с нанесенной на нее пастой загружается в станок расстановщик, станок готов к монтажу. Расстановщик производит калибровку каждой платы по четырем точкам для точного позиционирования компонентов. Затем станок берет компоненты из питателей с помощью четырех присосок. Подносит компоненты к камерам, и с помощью камеры станок определяет элемент и подстраивает его угол перед установкой на плату, ориентируясь на заранее заданные параметры. После этого компонент устанавливается на плату, где предварительно была нанесена паяльная паста. Паста состоит из шариков припоя и флюса, и благодаря густоте флюса компоненты прилипают на печатной плате и остаются там в ожидании, когда плату отправят в конвейерную печь для оплавления припоя.

На видео можно увидеть процесс расстановки компонентов на верхнюю сторону платы Repka Pi 4.

Видео. 2. Поверхностный монтаж компонентов на Repka Pi 4.

Несмотря на высокую точность позиционирования станком, после расстановки компонентов платы проходят визуальный контроль на предмет неправильно установленных/смещенных компонентов. Только после этого плата через технологическое окно передается в горячий цех, где мы будем "запекать Репку" в конвейерной печи.

Оплавление припоя в конвейерной печи

Репка помещается в конвейерную печь для оплавления припоя, где технологом был установлен бессвинцовый термопрофиль оплавления. Мы не экономим на расходных материалах и используем качественную, именно бессвинцовую паяльную пасту, которая не только соответствует экологическим нормам (RoHS), но и обеспечивает надежное соединение, особенно при высоких температурах эксплуатации Репки. А также продлевает срок службы устройства в суровых условиях и сохраняет электрическую целостность пайки.

Репка проводит 4,5 минуты в печи, продвигаясь по конвейеру, где постепенно повышается нагрев до температуры плавления припоя. На выходе плату с уже впаянными компонентами остужают два вентилятора, после чего Репка отправляется на визуальный контроль качества.

Видео. 3. Процесс запекание Repka Pi в конвейерной печи оплавления припоя.

На контроле качества важно не допустить двух серьёзных ошибок. Во-первых, это смещение компонентов относительно их посадочных мест. Если это произойдёт, контакт компонента с платой может быть ненадёжным. На рисунке показан пример смещенных компонентов на Raspberry Pi 4, фото сделано с помощью микроскопа.

Второй важный аспект — качество оплавления припоя. В процессе оплавления в печи могут произойти аварийные ситуации, которые невозможно обнаружить ни визуально, ни с помощью машинного зрения. Такой опыт уже был.

Например, когда компонент, который отражает тепло и имеет большой теплоотвод, припой под компонентом не расплавился полностью, а лишь схватился на плате, визуально плата будет в хорошем состоянии, и функциональный тест пройдёт успешно. Однако такое устройство не будет надёжным, так как целостность пайки будет нарушена.

Именно поэтому мы используем аналоговые микроскопы с увеличением 45x и проводим многоэтапный контроль качества.

Путь Репки после контроля качества зависит от того, какую сторону мы собираем. Если это нижняя сторона, то Репка переходит на первый этап нанесения паяльной пасты для сборки верхней стороны платы. Если же мы собрали финальную верхнюю сторону, то Репка готова к первичному включению.

Первичное включение

Если на предыдущих этапах производства мы могли лишь визуально оценить качество монтажа, то теперь у нас появилась возможность провести первый запуск устройства. Хотя для полноценного функционального теста пока не хватает некоторых разъёмов, на данном этапе мы уже можем проверить большинство функций на предмет брака.

Отдел разработки программного обеспечения создал скрипт, который автоматически авторизует пользователя и проверяет работоспособность основных компонентов Репки.

Репка прошла первичное тестирование и готова к выводному монтажу.

Выводной монтаж разъемов (THT монтаж)

Выводной монтаж, также известный как сквозной или THT (Through Hole Technology), представляет собой метод, при котором электронные компоненты устанавливаются в сквозные отверстия на печатных платах. Выводы деталей при этом припаиваются с обратной стороны платы.

Мы используем метод выводной пайки для монтажа штырьковых разъёмов, а также разъёмов USB и LAN. В процессе пайки нам помогает робот-паяльник.

Технолог заранее подготовил всё необходимое: запрограммировал координаты точек пайки роботом, подобрал качественный припой и настроил систему его подачи.

Конструкторское бюро разработало и изготовило оснастки, в которых фиксируется плата с выводными разъёмами. Благодаря этому пайка разъёмов всегда происходит ровно, исключая человеческий фактор. Оснастки для паяльника изготавливаются методом фрезерования, что обеспечивает их надежность и долговечность.

Изначально производители оснастили паяльный робот оснасткой из текстолита, но оснастка со временем деформировалась. Из-за этого разъемы криво запаивались. Поэтому конструкторское бюро переработало оснастку и изготовило её из твёрдого металла.

Оператору нужно загрузить оснастку в робот и дождаться, пока все разъемы будут запаяны.

Видео. 4. Монтаж выводных компонентов на Repka Pi 4 с помощью робота паяльника.

После завершения пайки роботом оператор осуществляет контроль качества пайки. Хотим отметить качество пайки креплений разъёмов Type-C и HDMI. Некоторые производители в том числе Orange Pi и Raspberry Pi заливают отверстия под разъёмы пастой во время поверхностного монтажа, но не пропаивают их с обратной стороны, что негативно может сказаться на надёжности крепежа разъёма к плате. На фотографии можно увидеть один из таких примеров.

После этого плата отправится на отмывку.

Отмывка и сушка

В настоящее время мы применяем ручной метод отмывки печатных плат с использованием химикатов, которые не оказывают негативного влияния на очищаемые поверхности. Дистиллированная вода является нашим основным рабочим ингредиентом в этом процессе.

Процесс отмывки осуществляется последовательно в четырёх резервуарах:

1. Сначала платы проходят через две ванны с подогревом, где происходит основной этап ручной отмывки.

2. Затем платы последовательно промываются ещё в двух резервуарах.

3. После этого платы продуваются сжатым воздухом.

В настоящее время мы используем ультразвуковые ванны но только для подогрева жидкости.

После завершения отмывки платы отправляются в сушильный шкаф, где происходит процесс сушки.

И, как обычно, на последнем этапе мы проводим визуальный контроль качества, чтобы убедиться в том что не осталось следов флюса на плате. Несмотря на то что мы используем безотмывочный флюс который не навредит плате в случае если частицы флюса останутся на плате. Но мы ценим наших клиентов, и культура производства, которая сформировалась у нас в компании, не позволяет нам оставлять загрязнения на плате.

Не будем скрывать, что в редких случаях после отмывки на плате остаются мелкие частицы флюса. Однако на контроле качества, который проводится после отмывки, такие платы отбраковываются и отправляются на повторную процедуру отмывки.

Даже если во время первичного контроля качества сотрудник по ошибке пропустил плату с загрязнениями, специалист на финальном этапе не допустит такую плату к функциональным тестам и отгрузке клиенту.

На фотографиях сделанных с помощью микроскопа можно увидеть примеры загрязнений, которые мы не допускаем.

Это новое устройство, после поверхностного монтажа на Orange Pi остались следы флюса. Удалить их с контактов HDMI действительно сложнее всего, и мы тоже сталкивались с этой проблемой. Но, сейчас пересмотрели технологию отмывки, и нам удалось избавиться от флюса на контактах HDMI, без негативного влияния на другие очищаемые поверхности.

Зачем вообще так отмывать флюс? Помимо того, что это влияет на эстетический вид, остатки флюса со временем могут создать паразитное сопротивление между контактами.

Мы применяем качественные расходные материалы. Флюс, входящий в состав пасты, отличается низкой активностью (ROL 0) и не вызывает паразитное сопротивление, даже если остается на контактах. Тем не менее мы проявляем осторожность и тщательно отмываем печатные платы после пайки.

Поклейка радиаторов

Не сложная, но крайне важная процедура - поклейка радиаторов. Чтобы облегчить этот процесс, конструкторское бюро создало простую, но весьма эффективную оснастку. Она позволяет ровно позиционировать радиаторы на печатной плате.

Репка устанавливается в оснастку. На Репку наносится термоклей, и к ней прикладывается радиатор. Затем Репка отправляется на сушку термоклея.

Контроль качества готовых изделий

Монтаж платы завершён, и теперь необходимо провести финальный контроль качества готового изделия. Для этого мы также используем тринокулярные микроскопы.

Под микроскопом специалист отдела технического контроля осуществляет визуальный осмотр всей платы, выявляя дефекты, которые могли быть упущены на предыдущих этапах монтажа. После контроля плата отправляется на полный функциональный тест устройства.

Функциональное тестирование

Завершающим этапом производства микроэлектроники является программное функциональное тестирование. Тестировщики с помощью внешних устройств проверяют все разъемы на наличие брака, проводят продолжительные нагрузочные испытания и следят за температурой устройств.

Тестирование осуществляется в соответствии с заранее подготовленным чеклистом, который охватывает все функции устройства. Это позволяет гарантировать, что вся продукция, отгружаемая с производства, будет полностью исправна. После успешного прохождения функционального теста Репки отправляются на склад готовых изделий. Оттуда они будут переданы на упаковку.

Корпусизация и упаковка готовых изделий

Сборка и упаковка Репки происходят в соседнем сборочном цехе. Перед корпусизацией с помощью лазерного станка с числовым программным управлением (ЧПУ) вырезаются детали корпуса из акрила.

Видео. 5. Лазерная резка акрилового корпуса Repka Pi 4.

Детали очищаются от защитной пленки, и начинается сборка Репки в корпус.

Конструкторское бюро создало специальную оснастку, которая обеспечивает быструю и безопасную сборку слоев корпуса. Этот процесс осуществляется вручную с помощью оснастки и электроотвертки.

После того как Репка собрана в корпус, на сборочном производстве проводится дополнительный функциональный тест. Это делается для того, чтобы убедиться в исправности устройства и исключить возможные дефекты, которые могли возникнуть в процессе сборки.

В то же время на другом лазерном станке вырезается ложемент из поролона.

Вырезанные части поролона с помощью клея и оснастки изготовленной конструкторским бюро склеиваются.

После сушки клея готовый ложемент помещается в коробку.

Дизайн коробки был разработан нашим дизайнером, сами коробки закупаются у местных производителей. Нам остается только собрать коробку из плоского листа и установить в неё ложемент.

Затем в коробку с ложементом помещают Репку, предварительно протерев её корпус безворсовой салфеткой, все необходимые аксессуары и паспорт на изделие.

Осталось лишь упаковать коробку с Репкой в упаковочную плёнку. Для этого мы используем термоусадочный станок.

Видео. 6. Процесс упаковки коробки с Repka Pi 4 в пленку.

Репка полностью собрана и готова к отправке клиенту.

ТО оборудования и поддержание порядка в производственных помещениях.

На нашем производстве мы уделяем особое внимание культуре производства — это один из главных принципов, который мы хотели бы донести до читателя в этой статье.

На производстве проходят ежедневные, еженедельные и ежемесячные технические обслуживания оборудования. В конце каждой смены мы наводим порядок и выполняем все операции в антистатической одежде и перчатках. Эти меры являются обязательными и строго соблюдаются во всех цехах, что позволяет избежать аварийных ситуаций на производстве и поддерживать высокое качество продукции.

Обслуживаются движущиеся части станков чтобы обеспечить плавное скольжение и избежать неточности позиционирования. Проверяем и обслуживаем вентиляторы конвекции конвейерной печи. Если у вентилятора снизились обороты, это повлияет на качество пайки и изменит структуру припоя, что, в свою очередь, может сказаться на эксплуатационных характеристиках Репки.

Контролируем состояние зеркал лазерных станков, так как со временем они могут коптиться. Это лишь малая часть операций по обслуживанию, которые проводятся на нашем производстве.

Заключение

Производство одноплатного компьютера Repka Pi представляет собой тщательно выверенный и многоэтапный процесс. Каждый этап, от нанесения паяльной пасты до упаковки, требует высокой ответственности и строгого контроля качества.

Несмотря на то, что в процессе производства остается еще часть ручных операций, мы с уверенностью заявляем, что эти операции выполняют специалисты высокого уровня. Их опыт и мастерство обеспечивают исключительное качество и надежность каждого устройства. Мы тщательно подходим к отбору персонала благодаря HR-отделу и обучению наших сотрудников, чтобы гарантировать, что даже ручные процессы соответствуют самым высоким стандартам. Мы уверены в качестве нашей продукции и стремимся предоставить пользователям надежные и долговечные устройства, которые будут служить им долгие годы.

Напомним что помимо производства Репки, мы так же готовы брать заказы на контрактную сборку электроники. Если вы обратитесь к нам с запросом на контрактное производство, мы применим к вашему проекту такой же подход, какой применили к производству Repka Pi, чтобы обеспечить высокое качество Ваших электронных изделий.

Производство одноплатного компьютера Repka Pi - это результат слаженной работы команды специалистов, использования передовых технологий и строгого контроля качества на каждом этапе. Это позволяет нам гордиться продукцией, которая надежно служит своим пользователям в самых разных сферах, а климатические испытания являются ярким тому подтверждением.