Top Power + Ryston. Silné spojenectví pro vývoj a výrobu

Úvod

Kdo se pokoušel jako tahoun nového projektu prošlapat cestu od nápadu až po uvedení výrobku na trh, ví, že problémů je mnoho. Ve svém souhrnu tvoří na této cestě téměř neprostupnou síť, a to máme na mysli jen problémy technické, ne úřední a finanční.

Uvědomili jsme si, že tak jako my mají trnitou cestu snad všichni manažeři, a zvlášť ti ze start-upových firem, kteří se o něco pokoušejí a nesou přitom svou kůži a investice na trh. Mezi desítkami takových projektů je snad alespoň jeden, který uspěje, a tato firma se může stát váženým a velkým hráčem na trhu elektroniky. Pokusili jsme se tedy tuto cestu vyznačit a nabídnout pomocnou ruku v podobě komplexních služeb, od nápadu až k hotovému výrobku, připravenému k uvedení na trh.

Před několika lety vyšel v tomto časopise článek „Elektronické součástky a jak na ně s Rystonem“. Ten však pojednává jen o části této cesty. O vývoji, přípravě výroby, výrobě samotné, testování, řízení kvality a ekologii se tento článek nezmiňuje. Proto se nyní pokusíme navigovat po těchto etapách od nápadu až k cíli.

Vývoj

Pro začátek předpokládejme, že jste nositelem úkolu vývoje (=nápadu) v malé začínající (často jednočlenné) firmě a jde vám o vše. Asi máte představu o zamýšlené funkci vašeho produktu. Možná máte vzorek a vývojový kit nějaké zajímavé součástky. Máte ale legální software pro návrh schémat a desek plošných spojů? Správné knihovny součástek? CAD pro návrh plastové krabičky nebo jiné mechaniky? Umíte vytvořit správná CAM data pro výrobu desek plošných spojů a pro osazování? Nějaké zkušenosti s návrhem vysokofrekvenčních obvodů, blokováním napájení, spínanými zdroji, odrušením a elektrickou bezpečností? S návrhem pro vyrobitelnost, testovatelnost, certifikaci a ekologickou likvidovatelnost, jak nám velí euro-zákony?

S tím vám můžeme pomoci. Větší firmy mají své kmenové specialisty právě pro tyto problematiky a ti jsou placeni za své zkušenosti a prošlapané cesty. Pokud si dokážete namalovat schéma a zadání mechaniky (tvar DPS, rozmístění konektorů, čidel, ovládacích prvků a dalších součástek) byť jen tužkou na papíře, je to dobrý začátek.

Součástí našich služeb je diskuse o zadání a o volbě součástek, aby byly dostupné alespoň několik let po dobu výroby a životnosti produktu. Můžeme doporučit panelizaci, počet vrstev a další parametry DPS, volbu součástek podle pouzder a montáže, aby bylo osazování a pájení efektivní a cenově optimální.

V Rystonu vývoj spolupracuje s obchodním oddělením s cílem, aby byly trvale k dispozici součástky, které chceme používat. Vznikl tak celý sortiment preferovaných součástek, které sdílíme např. s Top Powerem a společnými zákazníky, který je ve formě katalogů typů se „zákaznickým značením“.

Jsou to většinou standardní pasivní a polovodičové prvky, LED, ale i některé speciality, jako třeba přesné odpory, kapacitory na vyšší napětí nebo vysoké teploty či s nízkým ESR, vybrané mikroprocesory, paměti atd. Tento katalog sice stále roste, ale už ne překotně. Snažíme se garantovat zásoby těchto prvků skladem nebo jejich dostupnost. Z toho vyplývá i sortiment a jeho dostupnost pro vzorkovou a prototypovou výrobu a též aktuální knihovna v našem návrhovém systému.

Jak bylo výše zmíněno, cílem vývoje by měla být také testovatelnost produktu, tedy osazené desky, po opuštění linky. Proto jsme vyvinuli stavebnicový automatický testovací systém. Původní koncepce preferovala nízké pořizovací náklady a připouštěla různé dodělávky a kombinaci manuálních a poloautomatizovaných testovacích funkcí pro oživování. Časem z toho však vznikl automatický testovací systém − ATE nové generace s jednoduchým základem, avšak flexibilní a rozšířitelný pro řadu typů osazených desek na základě stejných CAM dat jako pro samotné DPS.

Systém byl vyvinut ve firmě Ryston Electronics původně pro vlastní výrobu, ale již našel uplatnění v sériové výrobě u osazovacích firem jako Top Power s návazností na robotické centrum a byl dopracován ze stadia prototypu do produktu.

Plošný spoj

Výstupem vývoje pomocí návrhového softwaru PADS je dvojice souborů: schématu (.sch) a plošného spoje (.pcb). PADS pracuje se dvojicí programů – oken, která se propojí „linkem“, a tím se přenášejí změny sch-pcb oběma směry. Lze také vybrat objekt (součástka, spoj) a ten se zvýrazní v obou pracovních oknech. V každém programu lze provádět kontroly návrhu a též se dělá kontrola mezi sch a pcb, aby byly shodné (některé objekty pcb ale nemají protistranu ve sch, například 2D objekty bez schematického symbolu). Pracovní verze číslujeme např. 0-00 až 0-99 a často ukládáme.

Finální kroky návrhu se provádějí spíš na .pcb, je to např. nalévání měděných ploch a kontroly dle „design rules“, definovatelných návrhových pravidel na vzdálenosti, podmíněných a elektrodynamických pravidel, a to pro jeden spoj, skupinu nebo všechny spoje. (Je poměrně těžké tato pravidla vůbec vytvořit, aby bylo co kontrolovat.) Ve schématu se zase provádějí pokusy o export rozpisky a kontrola její správnosti, popřípadě tvoření osazovacích variant a náhrad, slučování položek, pro zajištění materiálu. Pro to je užitečné zmíněné zákaznické značení. Aby byla rozpiska úplná pro celou výrobu, nejen pro elektrické součástky, je někdy do schématu nutno umístit „placebo“ objekty bez elektrického významu a obrazu v .pcb, jako šroubky, samotnou DPS, kabely atd.

Cílem je „Zero Errors“ v .pcb i .sch a jejich shoda. Říkáme tomu „relativně hotovo“, protože to „půjde z baráku“ (ale to ještě neznamená, že deska je správného tvaru a rozměrů a bude to fungovat). Tato finální verze se „povýší“ na vydání 1-00 atd. a archivuje se. Poté se z .pcb vygenerují soubory dat Gerber, též povýšené, pro výrobu DPS a souřadnic pro osazení. Též jsou archivovány a pak uvolněny pro objednání výroby DPS – vzorků, prototypů či série − a jejich osazování a nákup součástek.

Výroba DPS

Ačkoli DPS vzorku a sériového výrobku vypadá podobně a data pro jeho výrobu jsou stejná, zhotovení vzorků a výroba série se hodně liší. Kromě dat pro fotoplotter se při objednávce ještě specifikují další údaje. Lze zmínit např. volbu optimálního materiálu, povrchovou úpravu nebo panelizaci více malých destiček do velkého přířezu, které jsou odděleny drážkou nebo frézováním s lámacími můstky. To umožňuje osazování, pájení a testování celého panelu najednou. Zakládací značky se umisťují buď na každou desku (což může vadit), nebo na technologické okolí panelu. Ale setkali jsme se u čínského výrobce s drobnými nepřesnostmi řádu desetin mm, které dělaly potíže při přesném navedení sériové desky do fixtury.

První vzorky, často osazené ručně, slouží k ověření elektrické funkce, ladění softwaru a kontrole mechaniky. Zpravidla se nic nepodaří napoprvé, a tak se fáze vzorků opakuje několikrát. Prototypy se zhotovují zhruba v desítkách podle už finálních podkladů. Předpokládá se, že chyby jsou odstraněny, takže se optimalizují pro výrobu a jdou na certifikační zkoušky (elektrická bezpečnost, rušení, vyhovění normám, např. telekomunikačním) či ověření zákaznické − validaci.

Sériová výroba a její příprava

Hlavní rozdíl v sériovosti je počet desek a způsob manipulace s deskami a podíl automatizované/manuální činnosti. Malé série jsou manipulovány ručně s možností individuálního ručního doosazení a konfigurování, střední se pohybují pásovým dopravníkem a ruční manipulací s přepravkami a velké série jsou charakteristické robotickou manipulací a vysoce automatizovanou logistikou.

Příprava výroby je velmi důležitá. Součástky ve správném balení musejí být zajištěny na skladě (a pro velké série dodávány „just in time“), DPS vyrobeny, sítotisková šablona pro pastu, lepidlo a potisk připraveny a rovněž testování, kompletace a balení musí být připraveny pro expedici. (Proto je potřeba trvalá spolupráce osazovny se zákazníkem, jinak vás to zavalí.)

Pro všechny velikosti sérií je Top Power vybaven příslušnou technologií a navazující infrastrukturou. Osazovna má své vlastní technologické úkoly a kontrolní body, které jsou nad rámec tohoto popisu.

Po úspěšném osazení a pájení přijde fáze testování. Při sériové výrobě musí být testování online, ještě na panelu, a to rychle, aby se panely někde nehromadily. Funkcí automatického testeru (ATE) je podrobení výrobku opakovatelné sekvenci testů – připojení elektrických zdrojů, zátěží, signálů, popř. mechanických přípravků pro ověření funkce, s výsledkem Pass/Fail. Jednotlivé kusy jsou přitom evidovány pomocí unikátních výrobních čísel či kódů kusů a kroků, kterými v procesu prošly. Případné opakování se děje bokem na jednotlivých kusech pro vyhledávání chyb osazení či pájení.

Jako nejdůležitější rys se však ukázalo připojení testeru do firemního systému řízení jakosti (informačního systému). Ten musí být v zpravidla v souladu s normou ISO 9001 a dalšími normami, např. pro automotivní či lékařskou techniku, jak to vyžadují naši zákazníci. Ale u každého procesu jsou základní požadavky na tvoření záznamů o průchodu výrobku určitými kroky (operacemi a testy).

Tato databáze umožňuje nejen individuální evidenci, ale i doosazení např. součástek jiných než SMD, mechanických dílů, ruční či robotickou montáž finálního výrobku, zahoření, expedici a fakturaci a dále údržbu, servis a zpětnou vysledovatelnost v případě systematické neshody, neboť je k dispozici sekvence záznamů o každém kroku, kterým dotyčný kus prošel.

Čím větší je objem výroby, tím jsou vyšší i požadavky na automatické testování a programování procesorů, pamětí a unikátní inicializaci např. šifrovacích obvodů a bezpečné zacházení s citlivými daty.

Časová náročnost testu je kompromisem, nesmí být vyšší než kapacita linky, aby ji nezpomalovala.

Fixtura (viz fota v inzerátu) je první část testeru. Je to otevírací mechanický přípravek pro rychlé upnutí testované desky, vybavený naváděcími kolíky nebo rohy pro její přesné navedení. Po zavření zajišťuje přitlačení sady pružných jehlových kontaktů kolmo ke zlaceným testovacím ploškám na významných spojích na spodní straně testované desky. Shora se testují např. LED, tlačítka, ale je možné i testovat rozhraní karet, baterie a další obvody pomocí jehlových kontaktů různých tvarů a mechanických adaptérů. Pružné kontakty se vyrábějí ve stovkách typů podle napětí, proudu nebo i frekvence signálu, který se testuje.

Příprava nosné desky fixtury není úplně laciná, ale lze ji zadat například u Rystonu, máte-li podklady (Gerber soubory a vrtací data) pro originální DPS. V nové fixtuře od Rystonu je příprava pro velmi zjednodušenou nosnou desku bez pohyblivých dílů umožňující rychlou výměnu sady nosné desky a propojení od jehliček na konektory (viz předchozí články v DPS-AZ).

Druhou hlavní částí je elektronika testovacího systému. Její základ je na nosné desce s modulárními rozhraními pro testovací moduly pro měření analogových, digitálních, popř. dalších veličin. Vše je řízeno přes USB počítačem. Nová fixtura je zkonstruována tak, aby pojala kompaktní PC, takže do sítě je připojena běžným způsobem a standardním softwarem pod Windows. Díky tomu lze využít všechny výhody Windows, ovladače a síťový software, případně i grafické výstupy CAD softwaru.Testovací elektronika obsahuje moduly pro testování digitálních signálů pomocí systému JTAG nebo analogových signálů pomocí modulů s analogovými vstupy a výstupy pomocí A/D a D/A převodníků.

Dále obsahuje nastavitelné zdroje a zátěže pro testování výkonových obvodů. A navíc je možno připojit kameru nebo čtečku čárových/QR kódů a případné elektromechanické, pneumatické nebo rádiové moduly.

Testovací pracoviště může násobit svoji kapacitu přidáním dalších síťových multitesterů a fixtur. V záloze je vždy jedna fixtura v Top Poweru pro případ poruchy a další je ve vývoji/servisu v Rystonu.

V nedávno provedené výrobní akci se 750tisícovou sérií jednotek OBU šlo o čtyři fixtury, kam se z pásu po zapájení robotem vkládá celý panel čtyř osazených DPS najednou. Tak se také testuje a programuje, pak se vylámou jednotlivé DPS a roboticky se montují do plastové krabičky a po sestavení se kompletují a balí do přepravek pro expedici.

Protože vše mechanické se jednou za čas porouchá, je fixtura konstruována tak, aby se díl s poruchou, např. vzpříčenou nebo ohnutou jehlou, dal snadno opravit výměnným způsobem. Pracoviště je propojeno spolu s dalšími pracovišti podobného typu do lokální podsítě v jedné části výrobní haly. To umožňuje připojit další stanice, používat specializovanou tiskárnu na samolepicí štítky, a případně rozšíření výroby o celá další pracoviště a linky.

To samozřejmě vyžaduje kvalitní a zkušenou obsluhu. Top Power proto disponuje týmem kmenových zaměstnanců s potřebnou kvalifikací, čímž pomohl řešení problému zaměstnanosti v místě. V neposlední řadě Top Power a Ryston zodpovědně už od návrhu řeší i ekologii a likvidaci výrobků po uplynutí jejich životnosti.

Závěr

Ať je váš projekt jakkoli velký nebo malý, na silné spojenectví Top Power-Ryston se prostě můžete spolehnout. Našli jsme způsob vzájemné podpory v navazujících etapách celé cesty vašeho projektu k úspěchu. Od nápadu přes vývoj, vzorky až k sériové výrobě, aby byl výrobek včas na trhu.