בדרך להרכבת SMT

הבעיה

מכירים את המצב שאתם צריכים לעשות משהו ומבינים שאין לכם את הכלים הנכונים?
למשל לפתוח בורג פיליפס גדול, אבל יש לכם רק מברג שטוח או מברג שענים בצורת פיליפס?
מנסים להחזיק את מברג השענים עם פלייר פטנט… לחדד את מברג השטוח כדי שיתאים לחריץ בורג הפיליפס… (היו מקרים שעשיתי את שני הדברים האלה ממש כי הייתי חייב).

אז נניח שהצלחתם לפתוח את הבורג… אבל עכשיו יש לכם עוד כמה עשרות כאלה… לא תקנו מברג מתאים בסופו של דבר?

זו בערך התחושה שהיתה לי עם רוב הרעיונות שיש לי בראש.

היה לי רעיון לסדרת רכיבים אלקטרוניים בסיסיים (BEBs - Basic Electronics Blocks), וכבר התחלתי לבנות כמה כרטיסים מהסדרה כדי לראות איך זה יוצא. כולם דורשים הרכבה של רכיבי SMD קטנים.

יש לי רעיון לבנות בית חכם מ-0, ומן הסתם הכרטיסים צריכים להיות קטנים עד כמה שאפשר, כדי שאפשר יהיה להחביא אותם במקומות שונים, כמו קופסאות חשמל, מאחורי המפסקים, ארגז תריסים וכו'. אז גם הם צריכים להיות בנויים בטכנולוגיית SMT…

התחלתי לבנות איזו שהיא מערכת מכנית די גדולה. הגעתי לשלב של האלקטרוניקה, הייתי צריך מפסק הגבלת תנועה, שבצורת החשיבה שלי צריך לספק פסיקה (Interrupt) למיקרובקר כדי שהוא יעצור את המנועים… זה הוביל אותי לרעיון של סדרת רכיבים קצת שונה ממה שיש בשוק, שיתבססו על פסיקות כדי להגיב מהר על מה שקורה (לטובת המכונה הזו) וגם יוכלו לספק פתרון לצריכת זרם מינימלית ומצבי שינה של מיקרובקר (לטובת רעיונות בית החכם שהזכרתי קודם). זה הוביל אותי לכתוב כמה פוסטים על כך שאנחנו כנראה לא משתמשים נכון בבקר הארדואינו וגם מדריך על פסיקות (Interrupts) על הדרך. ושוב… היום הכל מבוסס על רכיבי SMD קטנטנים, כך שצריך יכולת להרכיב מעגלים בטכנולוגיית SMT.

ואם הולכים קצת אחורה בזמן, לתקופת ה-Covid (זוכרים שהיה כזה לפני כמה שנים?), כשרוב העולם עצר מלכת ונוצרו חוסרים ענקיים בשוק רכיבי האלקטרוניקה… מה שהוביל למחסור במגוון רחב של מוצרים, גם אצל הספקים שלי (SparkFun, Pololu וגם ליצרנים הסיניים כמו SeeedStudio ואחרים). המחסור גרם לעליית מחירים במה שהיצרנים יכלו לייצר עם מה שהצליחו להשיג. בתקופה ההיא ראיתי לא פעם מקרים שהיצרנים לא מצליחים להשיג רכיבים, אבל אני כן רואה רכיבים תואמים במלאי במערכת של LCSC.
והמחשבה של "אם רק היתה לי יכולת לייצר את המוצרים האלה בעצמי…" לא פעם עברה לי בראש.


למה SparkFun ו-Pololu לא קונים מ-LCSC? לא יודע… אולי המלחמה הקרה בין סין לארה"ב עושה את שלה (אני יודע שיש מיסים גבוהים על הרבה מוצרים שנכנסים לארה"ב מסין), אולי הם לא סומכים על כל מה שמגיע משם, אחרי שקיבלו רכיבים מזוייפים בעבר. מבחינתי LCSC הוא ספק אמין ולגיטימי, ולפעמים אני רואה מחירים הרבה יותר אטרקטיביים ממה שאפשר לקבל מ-DigiKey או Mouser.

אבל לא רק בתקופת מחסור הרכיבים, גם עכשיו, אני נע באי-נוחות בכיסא כשאני רואה כרטיסון RS-485 של SparkFun נמכר ב-$11.95 כאשר הרכיב המרכזי של הכרטיס נמכר ב-DigiKey במחיר של $0.48296 אם קונים אריזה של 98 יחידות.


מניח ש-SparkFun בדרך כלל קונים כמויות גדולות יותר, כך שהמחיר בשבילם יהיה עוד יותר זול. ב-LCSC המחיר לרכיב זה בדיוק הוא די דומה, כמה סנט פחות. אבל יש רכיבי RS-485 אחר של אותו היצרן (מגיע בגליל ולא tube, כך שזה אפילו עדיף) במחיר של $0.1415 אם מזמינים מעל 60 יחידות. לא בדקתי את המפרט, יכול להיות שיש איזה מאפיין שלא ממש תואם, אבל אני בטוח שגם רכיב זה יכול לתקשר RS-485 ויתאים לכרטיסון.


עלות של כמה רכיבים פאסיביים שיש על המעגל (נגדים וקבלים) היא די זניחה. מחיר ה-PCB עצמו הוא כנראה עשרות סנט, תלוי בכמות שמייצרים. יש גם כמובן הוצאות כמו עלות העבודה, שכירות, בדיל, חשמל ותחזוקת המכונות.

אני לא יכול להגיד ל-SparkFun איך לתמחר את המוצרים שלהם, אבל המחיר נראה די מוגזם. בדרך כלל למוצרים בתעשיה המחירים מגיעים לפי-5 מעלות הייצור שלהם (ה-BOM). ליצרנים שמוכרים ישירות ללקוחות כמו במקרה של SparkFun זה לרוב פי 2-3 מעלות הייצור. להגנתם, יכול להיות שהיו צריכים לקנות כמות גדולה של הרכיבים במחיר מופקע בתקופת המחסור בשוק, ועדיין מייצרים לפי העלות של הרכיב, למרות שכל המחירים כבר ירדו מזמן. בתקופה ההיא ראיתי אישית קפיצות של פי-3-5 במחיר הרכיבים.

ושוב המחשבה הזו בראש: "אם רק היתה לי יכולת לייצר את המוצרים האלה בעצמי"...

ו… בדיוק בתזמון המושלם, לקוח כתב שהוא קיבל מכונת השמת רכיבי SMD (מכונת Pick-n-Place) מגניבה ממש, שגורמת לי להזיל ריר ולרצות ללכת בכיוון הזה בעצמי:


וכאן הכל התחיל… החלטתי ללכת על זה ולקנות את הכלים המתאימים למשימה.

SMD או SMT? מה זה?

בטח שמתם לב שאני משתמש בשני המושגים, פעם SMT ופעם SMD. ראשי תיבות של SMT הם - Surface Mount Technology, כלומר טכנולוגית הרכבה על פני שטח (המעגל). אלה ראשי תיבות לטכנולוגיה עצמה. כאשר ראשי תיבות של SMD הם Surface Mount Device, כלומר רכיב עצמו.

אם אתם שואלים מה זה רכיב SMD ולמה צריך כלים מיוחדים לעבודה איתו, אז הסיבה היא שאלה רכיבים קטנים מאוד ודורשים תהליך הלחמה שונה מרכיבי PTH - Plated-Through Holes. רכיבי PTH דורשים להכניס את המוליכים שלהם (הרגליים) לחור מצופה נחושת של מעגל מודפס (PCB) ולהוסיף בדיל מותך לתוך החור שמתקשה ויוצר קשר חשמלי וגם מכני בין החור של ה-PCB ורגל הרכיב.


לעומתם, כדי להלחים רכיב SMD, צריך למרוח משחת בדיל למקומות על המעגל המודפס בהם צריך לבצע הלחמה, להניח את הרכיבים על המשחה ולהעביר את כל המעגל, עם הבדיל והרכיבים בתנור חימום מיוחד שיוכל לשמור על מחזור חימום לטמפרטורות שיצרן הבדיל קבע כדי שההלחמה תתבצע בצורה המיטבית.

בתמונה: משחת בדיל על PCB לפני הנחת הרכיבים.


אם אתם תוהים עד כמה הרכיבים קטנים, אז הנה טבלה מוויקיפדיה עם גדלים של רכיבי SMD:



גודל הרכיבים (נגדים וקבלים כדוגמה) מצויין בדרך כלל במידות אינצ'יות. גודל רכיב ה-0805 הוא 0.08" על 0.05", כלומר בערך 2 מ"מ אורך על 1.2 מ"מ רוחב, מכאן גודל המילימטרי של הרכיב הוא 2012. כדי למנוע בלבול, לרוב מציינים את הגודל במידות האינצ'יות שלו, או מציינים זאת מפורשות, לדוגמה: 0805 Imperial.

רכיבים בגודל 0805 עדיין אפשר די בקלות להלחים ידנית עם מלחם רגיל. 0603 כבר די מאתגר. להלחים רכיבים קטנים יותר ידנית זה כבר משימה פחות או יותר בלתי אפשרית. על רכיבים בגודל 0402 ומטה לא רושמים את הערך שלהם כי פשוט אין מקום. גם אם הלחמה של רכיבים אלה אפשרית ידנית, לעשות את זה בכמויות גדולות לא בריא נפשית...

זהו נגד בגודל 0402 אינצ'י, רק 1 מ"מ אורך וחצי מ"מ רוחב:


לשם השוואה, אורך גרגיר אורז הוא 6-7 מ"מ. גודל גרגיר סוכר הוא 0.3 - 0.6 מ"מ, בערך בגודל רכיב 0201 אינצ'י.

למה לא לייצר בסין?

אני בטוח שיהיו לא מעט אנשים שיגידו "על מה הוא מדבר? שישלח את המעגלים שלו לסין שירכיבו וילחימו לו שם ויחסוך לעצמו הרבה כסף וכאב ראש"...
אז זהו, שזה לא ממש כך…

נכון, יש לא מעט מקומות בסין (ולא רק) שישמחו לעשות את העבודה תמורת סכום לא גדול יחסית. הראשון שקופץ לראש הוא כנראה JLCPCB בגלל הפרסום האגרסיבי ביוטיוב וכל מקום אחר. אבל הם לא היחידים. גם SeeedStudio מציע שירות דומה כבר שנים, גם האתר www.smart-prototyping.com שעשה את זה הרבה לפניהם, והיום נראה לי שאין מפעל PCB בסין שלא מציע גם שירותי הרכבה, שנקראים PCBA, שאלה הם ראשי תיבות של PCB Assembly.

נשמע מעולה, למה לקנות ציוד יקר ולא להשתמש בשירותי PCBA מסין?
משום מה כל היצרנים הגדולים של מודולי האלקטרוניקה (SparkFun, Pololu, Adafruit) וגם שחקנים קטנים יותר מהתחום, כולם מייצרים לבד… כנראה שיש לזה סיבה טובה...

שירות PCBA מתומחר לפי הרכיבים (עלות הרכיב וההרכבה שלו על המעגל), אבל יש גם עלות התחלתית קבועה של הכנת המכונות לייצור - Setup fee. בדרך כלל סכום זה באיזור של כמה עשרות דולרים.
כדי למרוח משחת בדיל על המעגלים, צריך להרכיב מסכה מתאימה על המכונה, שנקראת Stencil, ולכייל את המכונה.
כדי שמכונת Pick-n-Place תדע איפה לשים את הרכיבים על ה-PCB צריך לתכנת אותה, לבדוק שהכל עובד כמו שצריך, לעשות הרצה "על יבש" כדי לוודא שכל הרכיבים מורכבים בכיוונים הנכונים, שהמכונה מסוגלת להרים אותם ולשים במקום וכו'. כל זה דורש זמן וזה בסדר גמור שחברות אלה מחייבות את הלקוחות על הזמן הזה.

אם אתם צריכים לייצר כמות של כמה עשרות ומעלה של מעגלים שכוללים עשרות רבות של רכיבים, משקל ה-setup fee (קבוע למעגל) מתפזר בין עלות הרכבת כל רכיב (שמשתנה בהתאם לכמות הרכיבים במעגל וכמות המעגלים). כלומר, צריך לייצר כמות גדולה יחסית של מעגלים כדי למזער את השפעת ה-setup fee על עלות הכוללת של המעגל.

יצרנים כמו SparkFun מייצרים כל פעם כמה עשרות מעגלים מאותו הסוג, כאשר על כל מעגל יש כמות יחסית קטנה של רכיבים. כך שמשקל ה-setup fee הופך להיות ממש לא זניח בהשוואה לעלות הכוללת.
למה לא לייצר כמות גדולה של אותו מעגל כדי להקטין את ההשפעה של העלות ההתחלתית? כי זה בלתי אפשרי להחזיק במלאי כמות כל כך גדולה של מעגלים, בהתחשב בזה שלייצרן כמו SparkFun יש מאות רבות של מעגלים שונים שהם צריכים לייצר. זה פשוט לא יהיה הגיוני גם מבחינת מקום שזה ידרוש וגם מבחינת השקעה התחלתית לבניית כל המלאי הזה.

מצב שלי יהיה די דומה לזה. מוצרים שאני מתכנן לייצר הם יחסית פשוטים ודומים למוצרים של SparkFun במורכבות שלהם.

גורם נוסף שאפשר להוסיף לכל הסיפור הזה הוא עניין הרכיבים והמשלוח.
ספקי שירות PCBA שמחים לספק לכם את הרכיבים שאתם צריכים לטובת המעגל, עם עמלה מסויימת… כלומר הרכיבים יעלו לכם יותר ממה שאתם יכולים לרכוש לבד. לרוב הם יוכלו לספק את הרכיבים ה"סטנדרטיים" שיש בשוק (נגדים, קבלים, לדים, בקרים נפוצים וכו'), אבל אם זה משהו שונה ממה שהם רגילים לעבוד איתו, אתם צריכים לשלוח להם את הרכיבים.

אם ניקח לדוגמה את רכיבי ה-BEBs שתכננתי לייצר:


בצידו התחתון של כל מעגל יש 4 מחברי SMD קטנים, שלא הצלחתי למצוא למכירה אצל הספקים הרגילים, לכן נאלצתי לפנות ישירות ליצרנים ב-Alibaba:


יצרן המחבר דורש להזמין מינימום 3600 יחידות. אם אני רוצה לייצר נניח 50 מעלגים, 4 מחברים לכל מעגל, זה אומר שאני צריך לשלוח 200 מחברים למפעל PCBA. אם שולחים להם יותר רכיבים, לא מובטח שתקבלו אותם בחזרה. מה שאומר שיצרן המחברים צריך לשלוח את כל הכמות אלי, אני צריך לשלוח רק את ה-200-220 יחידות למפעל ה-PCBA, וכמובן יהיה גם חיוב עבור משלוח המעגלים המוכנים אלי בסוף כל התהליך. כל משלוח מוסיף עוד עלות עבור כל מעגל, כך שזה הופך להיות למשהו לא זול כמו שחשבתם.

נוסיף לזה גם את הזמן. אם יש לי את כל הרכיבים וה-PCBs, אני יכול להחזיק ביד את המוצרים המוכנים כבר מחר. ל-PCBA יקח שבוע-שבועיים, בהנחה שיש להם זמן פנוי במיידי לטפל בהזמנה שלכם. הזמן יכול להיות פקטור חשוב מאוד במיוחד בתחילת הפרוייקט, כשמייצרים יחידות הראשונות של המעגל. עדיף לגלות בעיה כלשהי למחורת ולא אחרי כמה שבועות, כדי לתקן ולעשות ניסיון ייצור נוסף.

נכון, גם כשיש יכולות ייצור במשרד, עדין צריך להשקיע זמן כדי לכייל את הכל ולהכין את המכונה לעבודה. אבל זה זמן שלי, אני לא צריך להוציא כספים נוספים מהכיס, ואחרי כמה הרצות של המעגל הכיול וההכנות הופכים לפשוטים ומהירים יותר.

לא רוצה להישמע כמו מישהו שאומר לא להזמין שירותי PCBA בסין, להפך, אדגיש שוב: אם יש לכם מעגל עם כמות גדולה יחסית של רכיבים, ואתם צריכים לייצר כמויות של עשרות פלוס, תבדקו את העלויות של מפעל שמספק שירותי PCBA, מאוד יכול להיות שזו תהיה האפשרות הזולה ביותר שתמצאו. אף פעם לא יזיק לבדוק מחירים במקומות שונים.

תנור ומכונת Stencil

אז אחרי שנפלה ההחלטה ללכת על זה, החלטתי להזמין בהתחלה רק את המכונה למריחת משחת בדיל ותנור מגירה להלחמה. התכנון היה להתנסות בשלבים אלה, עם השמת רכיבים ידנית, ואת מכונת ה-Pick-n-Place לרכוש אחרי זה, אם אראה שידנית זה לוקח יותר מדי זמן. אבל בסופו של דבר לא הצלחתי להחזיק את עצמי יותר מדי והזמנתי גם מכונת PnP תוך זמן קצר (על זה בהמשך הפוסט).

מכיוון שהייתי די נעול על רכישת מכונת YY1 של חברת NeoDen, החלטתי לרכוש את התנור ומשטח מריחת בדיל גם מהם, למרות שמוצרים דומים נמכרים בצורה חופשית גם ב-AliExpress וגם Alibaba ישירות מהיצרנים הישירים של המוצרים, או ממעתיקנים שלהם (לא חסר כאלה בסין).

לפי דיונים בפורומים שונים, משטח Stencil של NeoDen נחשב לאיכותי בין המוצרים שדומים לו. הזמנתי את דגם ה-FP2636 שמיועד ל-Stencil שמגיע עם מסגרת אלומיניום:


יש דגם דומה שמיועד ל-Stencil בלי המסגרת, שתופס את דף המסכה ע"י שני קליפסים ומותח אותו לשני הכיוונים. Stencil בלי מסגרת חוסך הרבה מקום אחסון, אבל לפי הדיונים בנושא, אנשים טוענים שהתוצאות פחות טובות בגלל שדף המסכה מתוח רק בשני כיוונים ולא כל 4 הצדדים בהשוואה למה שמגיע עם המסגרת, מה שגורם לקיפול הדף בקצוות המעגל משמאל וימין, וזה מרים את הדף באמצע תוך כדי המריחה. עובי דף המסכה הוא רק 0.1 מ"מ, כך שכל תזוזה יכולה לגרום לתקלה.

יש כאלה שטוענים שבכלל לא צריכים את המכונה ומספיק להדביק את דף ה-stencil על כמה מעגלים ישנים שמונחים על השולחן והתוצאות יהיו מספיק טובות. זהו פוסט של מייסד SparkFun בתחילת דרכו שיוצא נגד שימוש במתקן כזה, והוא לא לבד.

גם זה כנראה נכון, אבל בכל זאת החלטתי ללכת על המכונה, כי זו הדרך "המקובלת" לעשות דברים בצורה הנכונה.

הנה סרטון המדגים מריחת בדיל בלי שימוש במכונה כלשהי:


לגבי תנור עשיתי מחקר קטן לפני די הרבה זמן. התחום מתחלק לשלושה כיוונים, תנור מגירה, מכונה תעשייתית עם מסוע ופתרון DIY על בסיס טוסטר אובן קטן, או מחבת חשמלי, שנשלטים ע"י מעגל יעודי ששולט על הטמרפטורה הרצויה.

תנור עם מסוע מיועד לכמויות גדולות יחסית של מעגלים והוא זולל חשמל לא קטן ופיזית גדול מאוד. מיועד להפעלה רציפה במהלך היום. זה גדול מדי למה שאני צריך.

טוסטר או מחבת DIY זו גם אפשרות, ואנשים מדווחים על תוצאות מעולות עם פתרונות אלה. אבל לא רציתי להתעסק עם זה יותר מדי. עלות הטוסטר + מעגל שליטה לא רחוק מדי ממכונה שתוכננה לעשות בדיוק את מה שאני צריך.

תנורי מגירה מיועדים לכמויות קטנות יחסית של מעגלים, ופועלים רק כשצריך. התנורים בנויים על נורות אינפרה אדום לחימום, מה שגורם לחימום לא שווה בין האיזורים השונים של המגירה. חלקים שנמצאים בדיוק מתחת למנורה מתחממים יותר מרכיבים שנמצאים במרווח בין שתי נורות. יש גם תופעת "הצללה", שנגרמת ע"י רכיב גבוה שחוסם את האנרגיה מלהגיע לאיזורים שמאחוריו.
יש דגמים עם מאוורר שמפזר את החום במגירה ומצליחים להתגבר על הבעיה. לכן בחרתי בדגם T-937 של התנור, שהוא קצת יותר יקר מ-T-962 שלא כולל את פיזור החום.


נקודה חשובה נוספת בבחירת תנור להלחמת SMD, זו טמפרטורה המקסימלית שהוא יוכל להגיע אליה. לפי אתרים שונים, ה-T-962 אמור להגיע עד 280 מעלות. היצרן בכלל לא מציין את הטמפרטורה המקסימלית לדגם הזה משום מה. בייצור סדרתי של מעגלים משתמשים בבדיל נטול עופרת שצריך 220 מעלות להתכה. כביכול 280 מעלות אמורים להספיק, אבל בפועל זוהי טמפרטורה בקרבת למנורות החימום, למעגל ורכיבים מגיע עשרות מעלות פחות. ה-T-962 מאוד גבולי להלחמות של בדיל נטול עופרת. ממה שהבנתי הוא לא מספיק טוב לזה.

לדגם T-937 היצרן מצהיר שהוא מגיע לטמפרטורה של 350 מעלות והוא מתאים עבור הלחמות של בדיל נטול עופרת.

התנור מיוצר ע"י חברה סינית די ידועה בתחום זה: Puhuit. אפשר להזמין ישירות מהם, או מספקים שונים ברשת, כולל Aliexpress ו-Alibaba. נראה שיש די הרבה מוצרי מדבקה לדגמים אלה, אבל כנראה שכולם מיוצרים באותו המקום. את התנור הזמנתי יחד עם מתקן מריחת בדיל מ-NeoDen. הם אמרו מראש שזה לא מוצר שלהם והם רק מפיצים אותו. אפילו לא ניסו להחליף מדבקה או לארוז מחדש. גם הקופסה היתה מקורית של Puhuit.

אז כביכול יש לי כבר את הציוד להלחמת SMD, רק ש… אין לי עדיין משחת בדיל וגם לא שולחן לעבוד עם המוצרים האלה. מתקן המריחה די גדול (בערך 70x40 ס"מ) ואין לי מקום פנוי על השולחן הקיים. בדיל כבר הוזמן מ-DigiKey כי אף אחד לא מחזיק מוצרים אלה בארץ. שולחן יוזמן אחרי סוכות.

מכונת השמת רכיבי SMT

ה-NeoDen YY1

כאמור, לא הצלחתי להחזיק את עצמי והחלטתי להזמין גם מכונת Pick-n-Place כדי שיהיו לי את כל הכלים הדרושים להלחמת SMD בצורה מדוייקת.
הייתי די נעול על ה-YY1 של NeoDen, אבל קריאה של כמה פוסטים ארוכים על המכונה הורידה לי את החשק.

רציתי מכונה קטנה יחסית, כזו שאפשר יהיה לשים על שולחן, ושאפשר יהיה להכניס לחדר שלי (עם מדרגה אחת בדרך ומעבר דרך דלת ברוחב 70 ס"מ). רוב המכונות שנתקלתי בהן נראו כך, או מאוד דומה לזה:


יש כמה יצרנים סיניים שנראה שמעתיקים אחד מהשני והמכונות נראות מאוד דומה.
בתמונה למעלה זו מכונה מדגם CHMT36VA של חברת CharmHigh ש-SparkFun קיבלו ב-2018 וכתבו עליה כאן. גם ל-NeoDen היו מכונות מאוד דומות, דגמים TMA220 ו-TMA240, אבל נראה שהם הפסיקו למכור אותן.

ה-YY1 של NeoDen נראתה שונה ומודרנית יותר, וגם המחיר מאוד אטרקטיבי ($2900):


נראה שהשקיעו מחשבה במבנה שמאפשר להחביא את הגלילים של הרכיבים מתחת למכונה, הוסיפו אביזרים שמתאימים בדיוק לצרכים של בניית מעגלים בכמויות קטנות שיכולים להחזיק חתיכה של סרט רכיבים שבדרך כלל מקבלים כשמזמינים כמות קטנה ולא כל הגליל. יש מנגנון להחלפת פיות (Nozzles), שזה חלום למכונות עם רק 2 ראשים (משתמשים בפיות Nozzles שונות בהתאם לגודל הרכיב). אפשר לראות את רוב הדברים בסרטון הקצר הזה:


כל התוספות האלה הם שדרוג רציני למכונות הבסיסיות שהיו בשוק לפניה.

לכל מכונה יש את הבעיות שמגיעות איתה ולא ציפיתי למשהו מושלם. אבל רוב הבעיות במכונות כאלה מתרכזות במקום אחד במיוחד - מחסניות הרכיבים, באנגלית Feeders. אלה מנגנונים שמספקים למכונה את הרכיבים כדי שהראש יגיע למיקום ידוע, שיש בו רכיב, ירים אותו ע"י וואקום, יביא למיקום הנכון על ה-PCB ויניח אותו בזווית הנכונה על משחת הבדיל.

הרכיבים מגיעים בגלילים של סרט פלסטיק או נייר, עם כיסים בהם מונחים הרכיבים, עם סרט ניילון שקוף מודבק מעליהם כדי שישארו במקומם:


ה-Feeder מזין (Feeding) את המכונה עם רכיבים. הסרט צריך להיות מקודם מרחק ידוע מראש כדי שרכיב הבא יהיה זמין להרמה, וכדי שזה יהיה אפשרי, סרט הניילון שמודבק מעל הרכיב צריך להיות מקולף:



כל המכונות השולחניות מהסוג שהזכרתי משתמשות במנגנון שנקרא Drag feeder, כלומר המכונה מושכת (dragging) את הסרט של הרכיבים ע"י פין מתכתי שיורד מהראש שלה (אפשר לראות את התנועה של הראש בסרטון הקודם וגם בסרטון הבא) וגלגלת שאליה מחובר סרט הכיסוי מסתובבת ומושכת בכוח את סרט הניילון. הבעיה העיקרית במנגנון הזה היא שיש רק מנוע אחד שמסובב את כל הגלגלות שמושכות את הסרטים. מה שגורם לסרטים אחרים לזוז, למרות שלא לוקחים מהם רכיבים. המנגנון מבוסס על חיכוך. סרט פלסטי מתנהג שונה מסרט נייר. סרט נייר שהיה חשוף ללחות באוויר יתנהג שונה מסרט שרק הגיע מהספק. כל זה גורם לתקיעת התהליך ודורש לשבת מול המכונה כדי "להחזיק לה את היד" וכל פעם לסדר הזנת הרכיבים.

זה לא ממש מה שהייתי רוצה שיקרה. הייתי מצפה שבזמן שמכונה עושה את מה שהיא אמורה לעשות, אני יכול להתפנות למריחת בדיל על מעגל הבא, להוציא מעגל הקודם מהתנור וכו'... ולפי מה שאנשים כותבים (וגם SparkFun לגבי המכונה שלהם), זה לא ממש המצב…

עניין אחר במכונות אלה, הוא העובדה שמערכת התנועה מבוססת על מנועי צעד בחוג פתוח. מה שאומר שהבקר מקדם את המנוע לעשות צעד ומצפה שהוא יעשה את זה. אין משוב לבקר שיוכל לוודא האם הצעד בוצע באמת. יש מקרים שהראש נתקע במשהו (כמו סרט רכיבים שלא נמצא במקום בגלל שזז מסיבה כלשהי, או פיה שלא ממוקמת טוב במנגנון ההחלפה), והבקר לא מודע לזה וממשיך לפי התוכנית המקורית שלו, כך שבהמשך הראש לא מגיע למקומות הרצויים. יש מקרים שהמכונה מזהה את המצב הזה ודרך היחידה לחזור לעבודה היא reset מלא של כל המכונה.

עם כל הבעיות, אנשים עדיין מצליחים לייצר כמויות יפות של מעגלים עם מכונות כאלה, אבל האמינות של מנגנון ה-feeders די הוריד אותי מכיוון הזה. ברור לי שזו הדרך להוריד את מחיר המכונה, כי feeder אמיתי עולה לא מעט כסף וצריך feeder לכל סוג רכיב במכונה.

הקש האחרון ששבר לגמרי את הדעה שלי לגבי YY1, זו העובדה שאי אפשר לעדכן את התוכנה של המכונה. בכלל אי אפשר… לא האמנתי למה שאני קורא בפורום. תוכנה זה חלק מאוד משמעותי בכל התהיליך. לפני שמזיזים את הראש בצירי X/Y/Z, יש לא מעט דברים שהתוכנה מעורבת בהם: זיהוי תמונה כדי להבין כמה צריך לסובב את הרכיב לפני שמניחים אותו על המעגל, תיקוני סטיות מיקום וסיבוב אם המעגל לא מורכב ישר, זיהוי מצבים בעיתיים, כמו למשל הראש לא מצליח להרים רכיב מה-feeder, שזה קורה לא מעט…

אנשים שיש להם את ה-YY1 דיווחו על כל מני תופעות מוזרות שברור שתיקון בתוכנה ועדכון היו פותרים את הבעיה במהירות… אבל… אי אפשר לעדכן את התוכנה במכונה…
היה משתמש אחד שהבעיה בתוכנה לא אפשרה לו להשתמש במכונה בכלל, אז NeoDen שלחו לו מסך קדמי ולוח בקרה להחלפה, שהם כללו כבר תוכנה עדכנית שנצרבה בהם במפעל. יאמר לזכות NeoDen, הם פתרו לו את הבעיה, אבל זו לא הדרך להוציא מוצר לשוק, כשברור כשמש שידרוש עדכונים.

היה לי קשה להאמין למצב ושלחתי אימייל לנציגת המכירות דרכה קניתי את התנור ומתקן מריחת בדיל. התשובה היתה לא פחות ממדהימה בעייני (ציטוט):

בתרגום חופשי: התוכנה שלנו מושלמת ולא צריך לעדכן אותה בכלל.

סורי, אבל בתור מי שכותב תוכנה במשך די הרבה שנים, אין כזה דבר תוכנה מושלמת ובלי באגים. גם אם אתם כל כך בטוחים שאין לכם בעיות בתוכנה, בלי יכולת לעדכן בעתיד אין גם אפשרות להוסיף תכונות חדשות למכונה. והתחום הזה מתקדם כל הזמן.

זה היה ה-show stopper מבחינתי. המשכתי עם החיפושים שלי למכונה אחרת שתוכל לענות על הצרכים שלי.

עוד משהו לגבי מנגנון ה-feeders של המכונות האלה: קשה מאוד להחליף רכיבים במכונה. צריך לפרק די הרבה דברים כדי להוציא את הגליל הקיים, להוציא את סרט הניילון שמלופף על גלגלת, ולהרכיב את הכל מחדש. אנשים מתארים את הפעולה כמסובכת במיוחד ולהחליף כמה רכיבים כדי להתחיל לעבוד על מעגל אחר יכול לקחת שעות.

פתרונות Open-Source

כמו ברוב התחומים בתעשיה, יש גם פתרונות open-source, וטוב שכך. יש פרוייקט OpenPnP עם אנשים מוכשרים שמנסים לקדם את הרעיון למכונת Pick-n-Place שתהיה כולה DIY. אבל המצב שם רחוק מאוד ממשהו שאפשר להשתמש בו ולדעתי פחות אמין ופרודוקטיבי ממכונות הפשוטות שהזכרתי בפסקאות הקודמות. לפי מה שהבנתי, התוכנה שם לא מטפלת בדברים בסיסיים כמו לא לאפשר למנוע לצאת מחוץ לגבולות התנועה הפיזיים כדי שהמכונה לא תזיק לעצמה...

זה כמו מדפסות תלת מימד הפשוטות. אפשר למצוא ערכות להרכבה עצמית בכמה מאות דולרים, אבל אם אתם רוצים מדפסת אמינה ומהירה שלא דורשת יותר מדי התעסקות, כנראה שתקנו אחת מהדור האחרון שתעלה לכם כמה אלפים טובים.

רוב הכיוונים של OpenPnP סובלים מאותן הבעיות של ה-feeders. חלק מנסים להמציא מנגנונים משלהם, חלק הלכו לכיוון של פידרים קיימים בשוק. התוכנה של פתרונות ה-Open-Source אומנם פתוחה, אבל היא עדיין לא מגיעה לרמה של מכונות תעשייתיות הקיימות בשוק. פעולה של התוכנה די איטית בהשוואה לכל מכונה קיימת בשוק. גם לא בטוח שאפשר יהיה להגיע למחיר טוב יותר ממכונה מוכנה באותה האיכות.

מכונה תעשייתית

הבנתי שאני צריך להסתכל יותר לכיוון של מכונה תעשייתית, משהו עם Feeders אמיתיים, שדואגים להזנת רכיבים ומאפשרים החלפה פשוטה יותר של רכיבים.

מכיוון שכבר תקשרתי עם NeoDen, המשכתי לבדוק את מה שיש להם להציע. יש להם מכונה מדגם 4 שגם מכונה שולחנית, עם 4 ראשים, שמאוד דומה בצורתה לדגמים הבסיסיים שהזכרתי קודם, רק שהם החליפו את ה-Drag feeders בשני מנגנונים חשמליים, אחד מקדם לרכיב הבא, השני מושך את סרט הניילון (באנגלית זה נקרא קילוף הסרט - pealing). מנגנונים אלה פותרים את הבעיה שמנוע אחד מזיז את כל הרכיבים, אבל הצורה שהם מורכבים עדיין לא מאפשרת החלפה מהירה של הרכיבים. גם האמון ב-NeoDen קצת התערער אחרי כל הסיפור סביב ה-YY1. גם המחיר של $7500 נראה לי גבוה כדי להתחיל בתחום זה. וזה עוד לפני עלות הפידרים עצמם.


תוך כדי המחקר על המכונות הבנתי שבגלל עלות ה-Feeders, עדיף לבחור מכונה שתאפשר שדרוג בעתיד, במקרה שאגיע למצב שאצטרך לייצר כמויות גדולות וארצה לשדרג את המכונה. מה ש-NeoDen4 מציעה זה לא הכיוון הנכון.

בכללי, רוב היצרנים קושרים אתכם למערכת שלהם, כך שזו פחות או יותר חתונה קתולית. מכונות תעשייתיות רציניות עולות מאות אלפי דולרים. וכשמשלמים סכומים כאלה, נצמדים למה שהיצרן אומר לך לקנות כדי שהכל יעבוד בצורה תקינה. זו אחת הסיבות למה אני מסתכל רק על מכונות סיניות. א' - המחיר של מכונות תעשיותיות יפניות, אמריקאיות או אירופאיות לא בכיוון שאני יכול להרשות לעצמי, גם לא בחלום. ב' - אין יותר מדי מכונות קטנות שמתאימות לצרכים שלי. יש כמה יצרנים אירופאים קטנים שמנסים לספק משהו בכיוון הזה, אבל המחירים שלהם לא משתווים למה שאפשר לקבל מסין, וגם האמינות לא משהו, לפי העדויות של בעלי מכונות כאלה בפורומים.

אז מה יש ל-NeoDen עוד להציע? דגם K1830 שמוחלף בקרוב בדגמים 9 ו-10.
אלה כבר מכונות תעשיתיות ענקיות ששוקלות מעל 300 קילו ואין שום מצב שאני יכול להכניס כזה דבר לחדר שלי עם דלת 70 ס"מ:


אבל המשכתי לחפש והגעתי ליצרנים נוספים של מכונות בסגנון הזה, שמסתבר שיש להם גם דגמים "שולחניים" בסגנון הזה:


מתקרב למה שאני יכול להכניס, אבל עדיין לא שם. מצאתי בפורומים שלמישהו כמוני היתה בעיה של דלת בדרך למיקום שהוא רצה לשים את המכונה, הוא גילה שאחרי שמפרקים את הרגליים והרמזור מלמעלה, אפשר לעבור את הדלת של 80 ס"מ. לי יש 70 ס"מ, כך שעדיין לא בשבילי. גם המחיר של $7500 לפני הפידרים זה די הרבה כדי להתחיל בתחום זה.

תוך כדי גיליתי שכל המכונות התעשייתיות האלה משתמשות בפידרים מסוג Yamaha CL. לא יודע אם תוקף הפטנט של Yamaha על מוצר זה כבר פג, או שהסינים מצאו שקל לשכפל אותם, אבל כל המכונות בסגנון הזה משתמשות בפידרים כאלה. שזה מצויין מבחינתי. זה אומר שאם אצטרך, אוכל למצוא מכונה גדולה ורצינית יותר בעתיד, אם יהיה צורך לשדרג, בלי להחליף את כל הפידרים.

הנה סרטון שמראה התקנה של פידר Yamaha פנאומטי, אבל במכונה מותקן כבר פידר Yamaha חשמלי. יש גם כאלה, רק שהם עדיין מופעלים ע"י לחץ אוויר, שמזוהה ע"י חיישן לחץ, שמפעיל מנוע חשמלי לקידום הרכיבים. דגם חשמלי נחשב ל"עדין" יותר ומתאים לרכיבים קטנים או קלים מדי. בדגמים הפנאומטיים הרכיבים האלה לפעמים קופצים מהמקום מגלל מהירות התנועה.


עם הזמן הסכום שמושקע בפידרים רק עולה ועולה. מעדיפים לאחסן את הרכיבים על הפידר עצמו כדי לא לבזבז את הזמן על הוצאת הרכיבים מהפידר וטעינת גליל אחר. פידרים ברוחב 8 מ"מ הם אלה שמשתמשים בהם הכי הרבה. זהו רוחב הקטן ביותר לדגמים אלה, וזה רוחב של סרטי הרכיבים הבסיסיים והנפוצים ביותר שנמכרים בשוק. מחיר פידר 8 מ"מ פנאומטי הוא באיזור ה-$50. מחיר פידר 8 מ"מ חשמלי הוא באיזור ה-$85. 
מחברים לטובת רכיבי ה-BEBs שרציתי לבנות מגיעים בסרט ברוחב 24 מ"מ, ומחיר פידר פנאומטי לרוחב זה הוא באיזור ה-$200. כל זה לפני עלויות המשלוח. והדברים האלה לא קלים במיוחד ודי גדולים.
מי שמייצר מעגלים שונים צריך כמויות גדולות יחסית של פידרים, כך שעלותם כנראה עוברת במהירות את עלות המכונה עצמה.

מכונה תעשייתית קטנה

עם כל הדרישות שלי לא נשארו יותר מדי אפשרויות לבחור מהם… מצאתי שתי מכונות שולחניות שמבוססות על פידרים מסוג Yamaha CL שמגיעות בלי המארז המתכתי, כך שאפשר יהיה להעביר אותן דרך הדלת על הצד.

מכונה מדגם ZB3545TP של חברת Zhengbang בעלת 4 ראשים ומקום ל-38 פידרים ברוחב 8 מ"מ:


בתמונה המכונה נראת לא גדולה במיוחד, אבל למעשה היא די ענקית. הרוחב שלה הוא באיזור ה-120 ס"מ ועומק 85 מ"מ. וזה לפני שמרכיבים עליה את הפידרים. העיצוב שלה קצת מוזר, כל הפידרים מורכים רק בצד האחורי ולא משני הצדדים כמו כל מכונה תעשייתית אחרת. זה מגדיל את האורך שלה, וזה אומר שאי אפשר יהיה להצמיד את הצד הארוך שלה לקיר, כי צריך להשאיר מקום לגשת לאיזור זה. אני גם מוכן להתפשר על מכונה של 2 ראשים אם זה מוזיל את המחיר. מחיר של דגם ה-ZB3545TP הוא באיזור ה-$4500. המכונה לא זוכה לפופולריות רבה בקבוצות דיון מהם שאבתי את רוב הידע שלי.

מכונה אחרת, שבסופו של דבר הזמנתי אותה, היא דגם SMT220 של משווק הנקרא YX, בעלת שני ראשים ומקום ל-40 פידרים ברוחב 8 מ"מ:


למכונה זו דרוש שולחן בגודל 90x70 ס"מ, כאשר את הצד של ה-90 אפשר להצמיד לקיר. הפידרים בולטים משני הצדדים, כך שידרש אורך קיר גדול מזה. משהו ייחודי למכונה זו, זה שמערכת התנועה שלה מבוססת על ברגי הנעה (lead screw) איכותיים, ולא על רצועות תזמון כמו בכל שאר המכונות השולחניות שהזכרתי בפוסט זה. מה שאומר שהדיוק עם הזמן ישאר די גבוה. מחיר של מכונה זו הוא גם באיזור ה-$4500.

רק אחרי שהזמנתי את המכונה ממשווק YX, גיליתי שהוא רק משווק ולא יצרן המכונה, למרות שטען אחרת. שקרים אופייניים לאנשי מכירות סיניים. 
יצרן האמיתי של מכונה זו נקרא HWGC ודגם של מכונה זו אצלם הוא HW-T2-40F. אם הייתי מגלה את זה קודם, הייתי מזמין ישירות מהיצרן, שהמכונות שלהם מאוד פופולריים בפורומים בהם הסבתובבתי. גם איש המכירות שלהם מאוד נחמד, עונה מהר ב-WhatsApp ומציע מחירים זולים מאוד לפידרים ואביזרים אחרים.

למעשה זוהי מכונה מוקטנת עד כמה שהם הצליחו לעשות למכונות התעשיתיות האחרות שלהם. הורידו ממנה כל האקסטרות שיכלו למצוא במכונות הגדולות והפופולריות שלהם והגיעו למפרט של מכונות שולחניות הבסיסיות ביותר שיש בשוק. המכונה משתמשת באותה התוכנה הבדוקה והעובדת, עם אותן התכונות והאפשרויות כמו מכונות תעשייתיות אחרות של היצרן.

יש לה הרבה יתרונות בהשוואה ל-NeoDen YY1 שתכננתי להזמין, אבל יש גם חסרונות. הראשון שבהם הוא המחיר הכולל. כמובן שאני מקבל אמינות ואיכות הרבה יותר טובה בהשוואה ל-YY1, אבל אני גם משלם על זה הרבה יותר. בנוסף לפידרים שעוד אצטרך לקנות, המכונה דורשת מדחס אוויר + פילטרים כדי לסנן נוזלים שלא חסרים לנו עם הלחות הגבוהה באוויר. המדחס בסגנון זה כבר הצטרף לצוות:


זה מוסיף עוד לעלות הכוללת, וגם לרעש שיהיה לי בחדר. צריך להשקיע גם בשולחן יציב כדי שהמכונה לא תתנדנד ואפשר יהיה להגיע למהירויות תנועה גבוהות. המכונה עצמה שוקלת כ-100 קילו. עם כל הפידרים והרכיבים המשקל יגיע כנראה לאיזור ה-160 קילו. כך שזה לא עוד שולחן משרדי טיפוסי.

חסרונות נוספים, שהם הנגזרת מהעובדה שהמכונה מגיעה מתחום התעשייתי, זה שאין מחשבה לכיוון של אבי-טיפוס, או דרך לעזור למי שרוצה להשתמש במכונה לבניית כמות קטנה של מעגלים.

אין מנגנון מחליף פיות (Nozzles) בראשים. שני ראשים במכונה זה די מגביל. כל סוג Nozzle מתאים לגודל מסויים של רכיב, מה שאומר שצריך לתכנן את המעגלים להשתמש בגדלים מסויימים כדי שאותם 2 הראשים יוכלו להרים את כולם, או האפשרות היותר מעשית כנראה, להריץ את תוכנית העבודה של המכונה כמה פעמים, כל פעם לרכיבים אחרים, אחרי שמחליפים את הפיות ידנית בין ההרצות.

אין גם אביזרים שעוזרים להשתמש בחלק מגליל הרכיבים, כמו שיש ל-NeoDen YY1. יש בשוק מוצרים שעוזרים לטעון לפידר חלקים של סרט, אותם כבר הזמנתי מאליאקספרס, אבל זה יכול להיות נחמד אם אפשר היה להכניס סרט של 10-20 רכיבים באיזה שהוא מתקן ולהתחיל לעבוד. אנשים מדפיסים אביזרים במדפסות תלת מימד, כך שאפשר להתגבר על זה. התוכנה של המכונה מאפשרת להגדיר מגשים של רכיבים (רכיבים גדולים, כמו מעבדים או מיקרובקרים בדרך כלל מגיעים בצורה זו מהמפעלים), כך שאפשר להגדיר חתיכת סרט כמגש עם רכיב אחד בציר ה-Y.

ואם הזכרתי את המגשים, מסתבר שיש סטנדרט בתחום זה, מה שנקרא JEDEC Tray. המכונה יחסית קטנה ולא מתוכננת להכנסה של מגש שלם, זה פשוט לא ישאיר מקום למעגל ה-PCB עצמו. זה לא ממש מגבלה, כי באף מכונה שולחנית קטנה אין את האפשרות הזו. פשוט מעבירים את הרכיבים ממגש JEDEC למגשים הנמצאים סביב המצלמה בקדמת המכונה, שיכולים להכיל 10 רכיבים. במכונה שלי קיבלתי 2 מגשים כאלה מותקנים סביב המצלמה ועוד משטח בלי שום אפשרות להתקנה (אין לי מושג מה לעשות איתו).


אז הנה אני נכנס לתחום חדש ומעניין מאוד, שלא חשבתי שאגיע אליו אי-פעם. עם הכלים הנכונים הפעם.
זו המכונה, עברה כיול והפעלה ראשונית, כרגע נחה על הרצפה עד שיהיה לי שולחן ועד שתתחיל לקבל מעגלי PCB עם בדיל מרוח עליהם:


וזה סרטון של מכונה מדגם זה בפעולה:


וזו מכונה שלי בניסיונות הראשוניים להרכה של מחברים ושבבים על המעגל.
בסיבוב הקודם הורכבו רכיבים קטנים יותר, עד כדי 0603 שלמכונה לא היתה שום בעיה לזהות ולמקם בדיוק מעולה.


יש לכם הערות או שאלות? מתעניינים בתחום ייצור מעגלים? 
מוזמנים לשאול ולהגיב כתגובה לפוסט זה בפייסבוק. אל תשלחו הודעות פרטיות, זה לא עובד לי משום מה.