Projekt maszyny BGA – konstrukcja, sterowanie, profile termiczne, optyka split-vision

Pytanie

projekt maszyny bga

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Maszyna BGA to zintegrowany system do montażu, demontażu i reworku układów Ball Grid Array, składający się z precyzyjnego modułu pozycjonowania, wielostrefowego układu grzewczo-chłodzącego z zamkniętą pętlą PID (termopary/RTD), systemu wizyjnego split-vision, sterownika (MCU/PLC/PC) oraz oprogramowania do definicji profili termicznych i traceability procesu.
• Kluczowe jest zapewnienie: ±1 °C stabilności temperatury, ±25 µm powtarzalności pozycjonowania, zgodności z profilami IPC/J-STD-020, pełnej dokumentacji (SMEMA/IPC-9850) oraz środków bezpieczeństwa (E-stop, ochrona IR/X-ray).

Szczegółowa analiza problemu

1. Architektura funkcjonalna
   • Moduł dolnego podgrzewacza (IR/konwekcyjny) – wstępne wyrównanie temperatury całego PCB, zwykle 3–4 strefy, 1–3 kW.
   • Moduł górny (hot-air, IR lub hybrydowy) – lokalne doprowadzenie ciepła, dysze wymienne, strumień laminar-swirl ≤15 L/min.
   • Optyka split-vision – równoczesna obserwacja kulek i padów, zoom ≥50×, autofocus, korekcja parallax.
   • Oś XYΘZ – serwomechanizmy na śrubach kulowych, enkodery liniowe (1 µm), stolik z vacuum hold-down i autoleveling.
   • Czujniki: termopary typu K przy układzie, RTD w grzałkach, przetworniki z CJC (MAX31865/AD8495), przepływomierze powietrza, czujnik podciśnienia pick-up.
   • Sterownik – STM32/BeagleBone AI/PLC z protokołem EtherCAT; UI: 7–10″ TFT lub aplikacja PC; zapis *.csv/IPC-2581.

2. Profil termiczny (typowo dla SAC305, PCB 1,6 mm):
   Preheat 25→160 °C (2 °C/s) – Soak 160–180 °C 90 s – Ramp-up 180→245 °C (2,5 °C/s) – Peak 235–245 °C 40 s – Controlled cool 245→180 °C (-4 °C/s).
   Algorytm PID z feed-forward (model ARX) oraz autotuning ZN lub λ-tuning.

3. Krytyczne zagadnienia
   • Równomierność IR – kompensacja albedo powierzchni (lakier, solder-mask) przez czujnik pirometryczny i modulację mocy.
   • Efekt „shadowing” – soft-spot nozzle, orientacja PCB vs. źródła ciepła, dolny preheater 60–70 % mocy górnej.
   • Naprężenia CTE – faza Soak i kontrolowane chłodzenie zapobiegają delaminacji i head-in-pillow.
   • Pozycjonowanie BGA 0,35 mm pitch – korekcja ΔX, ΔY, Θ przez komputerowe dopasowanie krzyżowe (opencv, SURF/SIFT).

4. Symulacje i walidacja
   • CFD + FEA (COMSOL, Ansys Icepak) dla rozkładu temperatur i przepływu powietrza.
   • Testy plaster/void: X-ray CT 5 µm/vox, shear test >20 N/ball, test żyroskopowy na pętle I/O.

Aktualne informacje i trendy

• Wysokiej mocy dolne podgrzewacze IR LED (λ = 850 nm) z PWM 20 kHz – mniejsze overshooty.
• Nitrogen reflow w stacjach BGA premium (Seamark ZM-R8200) – redukcja tlenków, 5 % wzrost wytrzymałości ścinania.
• Algorytmy uczenia maszynowego do autokorekty profili (przetwarzanie logów + sieci LSTM).
• Integracja z MES/Industry 4.0: MQTT/OPC UA, predictive maintenance (wibracje, IR camera).

Wspierające wyjaśnienia i detale

• Termopara K generuje 41 µV/K ⇒ przy 250 °C ~10,25 mV; rezystory 1/10 %, wzmacniacz chopper LTC2050, filtr RC 2 Hz.
• Split-vision: pryzmat 45°, lustra front-surface, korekcja barw SRGB.
• Dysze: stal nierdz. 304, grubość 0,8 mm, powłoka AlTiN dla odbicia IR.

Aspekty etyczne i prawne

• RoHS III: zakaz Pb >0,1 %; profile bezołowiowe obowiązkowe.
• Promieniowanie IR i X‐ray – osłony z szkła borokrzemowego, normy PN-EN 60204-1, PN-EN 61010-2-020.
• Traceability reworku – zgodność z IPC-1782 (Level 3).

Praktyczne wskazówki

• Zacznij od modelu 3D (CAD + Step), zweryfikuj envelopę termiczną kamerą IR FLIR E54.
• Użyj gotowych sterowników grzałek (Watlow EZ-ZONE) – skraca prototypowanie.
• Budżet DIY <8 k PLN: dolny IR 1,5 k W (ceramic heaters Selfa), górny HA 800 W, MCU ESP32, kamery USB 5 Mpx.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Wersje wyłącznie IR są wrażliwe na kolor warstwy solder-mask; hybrydowe rozwiązania są droższe, ale bardziej uniwersalne.
• Otwarty kod (Python/opencv) wymaga izolacji EMI wewnątrz obudowy – zakłócenia od SSR MOSFET high-dV/dt.

Sugestie dalszych badań

• Reflow laserowy (λ = 980 nm) z galvo – skrócenie cyklu o 30 %.
• Lutowie niskotemperaturowe BiSn58 + Ag dla reworku płytek wielowarstwowych o wrażliwych polimerach.
• Adaptive vision – sieci CNN do automatycznej oceny mostków i voidów w obrazie X-ray 2,5-D.

Krótkie podsumowanie

Projektowanie maszyny BGA wymaga precyzyjnej kontroli termicznej, stabilnej mechaniki, zaawansowanej optyki i inteligentnego sterowania. Aktualnie rynek zmierza w kierunku hybrydowych systemów HA+IR, azotowego reflow i uczenia maszynowego dla optymalizacji profili. Zachowanie zgodności z normami IPC/RoHS oraz zapewnienie traceability są kluczowe dla wdrożeń produkcyjnych.