Эта статья заинтересует тех, кто работает над собственным “хардварным” проектом и столкнулся с проблемой изготовления пилотной партии для проверки идеи в реальных условиях. История основана на собственном опыте в стартапе Smart Atoms при разработке нашего продукта LaMetric – умный светодиодный дисплей с возможностью персонализированной настройки.
В данной статье я хочу уделить внимание производству и пайке плат для экрана, а также, как без особых затрат повысить качество пайки не теряя драгоценное время.
Задача
У нас все началось с первого прототипа, который был реализован на отладочных средствах менее чем за две недели. После проверки идеи, нам предстояла задача изготовить первую небольшую пилотную партию, для более тщательного тестирования всех аспектов продукта, начиная от дизайна, заканчивая работоспособностью.
Перед нами стояли жесткие требования к экрану и размерам корпуса, несколько из них:
а) хорошая цветопередача и четкость отображения каждого пикселя;
б) пиксели должны быть идеально квадратными;
в) нестандартное разрешение экрана;
г) экран должен быть частью корпуса как у Nike+FuelBand;
Соответственно, светодиодные модули существующие на рынке нас не устраивали, также “макетки”, на которых был построен первый прототип, попросту не помещались в корпус.
Нам пришлось спроектировать и произвести индивидуальные платы. Трудности, с которыми мы встретились на данном этапе это пайка. Нам предстояло запаять платы с очень маленькими светодиодами, минимальный размер которых был 1,5 х 1,5 мм.
Светодиоды в миниатюрном корпусе
Производители, с которыми нам удалось связаться, не охотно хотели связываться с небольшими партиями, а если и шли на компромисс, то цена вопроса была велика. Также не сильно радовали заявленные сроки и то, что фабрики находились далеко от нашего города, а на ранней стадии стартапа очень важно иметь все под рукой.
Решение
Первое что пришло в голову, запаять все вручную. Базируясь на собственном опыте пайки компонентов поверхностного монтажа (surface mounted device), мы прекрасно понимали, что риск брака будет велик. Различного рода дефекты (“сопля”, не ровно запаянные компоненты и другие) могли привести к неправильной работе экрана и пилотная партия имела шанс провалиться.
Плата с дефектом “сопля”
Поэтому, вместо ручной пайки, мы решили использовать технологию поверхностного монтажа печатных плат (surface mount technology).
Спроектировав платы, мы начали искать производителя небольшой партии четырехслойных плат и трафарета. Трафарет это кусок жести из нержавеющей стали, в котором вырезаны отверстия (апертуры) в тех местах, где паяльная паста должна попасть на контактные площадки монтируемых компонентов. Также трафарет натянут по четырем сторонам на рамку, чтобы иметь меньше искажений в плоскости. Поиск на локальном рынке утешительных результатов не показал. Первое это цена, второе — сроки.
Заказывали все на китайском сервисе – Itead Studio. Более детально о сервисе можно прочитать в статье. Трафарет был спроектирован таким образом, что на нем размещалось несколько типов плат. Можно смело размещать любое количество плат в пределах габаритов трафарета или разместить верхний и нижний слои плат, главное все правильно “отзеркалить”. Через 7 дней заказ был готов. На доставку ушло 4 дня. Относительно качества вопросов не возникло. Все было выполнено вовремя.
Трафарет и платы
Дальше необходимо было нанести паяльную пасту на платы. Вам понадобятся четыре руки и шпатель. Лишнюю область на трафарете заклеиваем скотчем. Аккуратно позиционируем трафарет и прижимаем его к плате, далее усиленными движениями, шпателем наносим паяльную пасту на трафарет. В результате получаем плату с оптимальной дозировкой пасты на каждой контактной площадке SMD — компонента.
Плата после нанесения паяльной пасты
Следующий этап заключается в установке компонентов. Компоненты можно расставить:
- при помощи пинцета;
- при помощи специального “манипулятора установки SMD-компонентов”;
- при помощи “установочной машины SMD-компонентов”.
Наиболее простой и оптимальный для нас вариант это первый. Тут главное усидчивость, терпение, хорошее освещение, “зоркий глаз” и наличие увеличительного стекла.
Нам также удалось опробовать два последних варианта. Вариант с манипулятором не сильно отличается от пинцета. Вариант с установочной машиной не целесообразно использовать в малых партиях.
Установка светодиодов с помощью пинцета
Финишная процедура, это собственно пайка.
Варианты:
- С помощью термовоздушной паяльной станции.
Выставляем температуру порядка 250-300 градусов. Тут главное не перегреть SMD-компоненты. Аккуратно, круговыми движениями направляем сопло фена на компонент. (время 10-15сек., расстояние 3-7см.) Если компонент установлен не ровно, то под действием поверхностного натяжения произойдет самопозиционирование. Наша рекомендация — сначала потренироваться на тестовых образцах, разобраться с температурой и силой подачи воздуха, а потом уже приступать к пайке. - С помощью печи для пайки SMD-компонентов.
Этот способ используют на автоматизированном производстве. В нашем городе расположен небольшой завод по производству светодиодных светильников, где мы и нашли печь. Печь выглядит как труба с разными температурными областями. В этой трубе установлен конвейер, по которому с регулируемой скоростью движутся платы, проходя каждую температурною область. В отличие от предыдущего варианта, процесс пайки происходит намного проще.
Качество пайки в обоих случаях идентичное.
Платы с запаянными светодиодами
Хронологию мы постарались выложить в видео
Процесс пайки плат
Заключение
Данный процесс помог нам сделать пробную партию оперативно и без ошибок. Буквально через несколько дней мы тестировали продукт на реальных пользователях и в реальных условиях.
Пилотная партия приборов в “боевых условиях”
Для нас было важно узнать все тонкости процесса, чтобы разобраться со всеми нюансами и не допускать ошибок при запуске массового производства. И мы, настоятельно рекомендуем “хардварным” стартапам понять процесс и решить все потенциальные проблемы на этапе пилотной партии.
В следующей статье я планирую рассказать о технологиях 3Д печати, какие мы использовали для изготовления корпусов.
Автор: kishchak
