Перейти к содержимому

Защита поставок кремниевых чипов с помощью ESD Resin

В бизнес по производству вещей, созданию и производству материальных продуктов достаточно сложно пробиться молодой компании. Но еще сложнее открыть бизнес по созданию оборудования, которое производит эти продукты. Компания Стивена Хоуза Opulo занимается именно этим — созданием оборудования «подбора и размещения» для производителей электроники среднего масштаба. Машина Opulo захватывает и размещает электрические компоненты на печатной плате, создавая «материнскую плату», которая функционирует как мозг машины.

Чтобы преодолеть многочисленные препятствия, возникающие при входе в обрабатывающую промышленность (которые усилились в связи с глобальным кризисом цепочки поставок), Хоуз внедряет инновации двумя основными способами: создает все инструменты с открытым исходным кодом и коллективной разработкой, а также, использует 3D-печать для снижения затрат, защиты цепочки поставок, повышения гибкости и свободы дизайна. Использование SLA 3D-принтера Form 3 и ESD Resin помогает ему защитить цепочку поставок, гарантируя, что жизненно важные микрочипы, питающие его машины, не будут повреждены электростатическим разрядом, что экономит ему тысячи долларов.

Продукт

В 2018 году Хоуз занимался развитием небольшого бизнеса по производству электронных устройств с бешеной популярностью на YouTube. Но по мере роста спроса, он столкнулся с классической производственной проблемой — печатные платы, питающие эти устройства, были невероятно трудоемкими в сборке, но их количество было слишком мало для традиционного производства с использованием автоматизированных технологий.

Поэтому, будучи специалистом по решению проблем, Хоуз основал компанию Opulo, работая над машиной для захвата и размещения, которая собирает крошечные электрические компоненты и размещает их на зеленых печатных платах, которые мы считаем «мозгом» машины. Исходный код компании Opulo полностью открыт, что помогло развить базу клиентов-энтузиастов, а также сообщество экспертов, которые могут проконсультировать по постоянно развивающимся технологиям.

«Я универсал. Я могу делать все понемногу, но я не лучший инженер-электрик или инженер-механик. Благодаря открытому сорсингу у меня есть люди с докторской степенью, которые говорят: «Эй, посмотрите, как вы можете это сделать». Речь идет о создании сообщества, энтузиазме, помощи людям и отдаче сообществу, которое помогло мне. И о том, как получить помощь».

С помощью сообщества, компания Opulo смогла разработать LumenPnP и начать поставки устройств малым и средним производителям. У них есть сотни подразделений в полевых условиях, и их типичные клиенты относятся к трем основным группам:

  • Магазины вакансий: небольшие сервисные бюро, выполняющие короткие производственные партии по контракту.
  • Любители: люди, разрабатывающие небольшие электронные проекты, у которых нет времени на ручную сборку.
  • Малый бизнес: компании, создающие свой собственный продукт своими силами, не имея количества, оправдывающего работу с контрактным производителем. Opulo сами попадают в эту третью категорию, используя свои собственные устройства LumenPnP для производства большего количества LumenPnP.

Увеличение стоимости кремниевых чипов на 800%

На этапе разработки возникла одна серьезная проблема, которую сообщество разработчиков открытого исходного кода не смогло решить. Печатные платы, питающие машину, выходили из строя с угрожающей скоростью. После тестирования команда обнаружила, что кремниевые чипы, из которых состояли платы, были повреждены электростатикой. Они также заметили, что стулья, на которых они сидели, продолжали физически бить их током, и пришли к выводу, что трение, возникающее в процессе сборки, вызывает электрическое повреждение чувствительных микросхем.

Готовая печатная плата, напечатанная с помощью ESD Resin для защиты кремниевых чипов от электростатического повреждения.

«Эти чипы дорогие, мы не хотим, чтобы они вышли из строя. Мы миллион раз проверяли пайку, но все было не так. Мы начали носить браслеты ESD (которые безопасно направляют электрический разряд на землю), чтобы знать, что проблемы возникают не из-за нас. В конце концов мы поняли, что дело в лотках, в которых хранятся чипы».

Стоимость вышедшего из строя чипа становилась все более значительной по мере продвижения процесса разработки. В 2021 году кризис в цепи поставок и широко освещаемая нехватка чипов затронули и Opulo. Если раньше за один чип платили $3,60, то теперь цена выросла до $60 за каждый. Каждая неудача имела значение.

Чтобы полностью защитить рабочий процесс от электростатического разряда, Хоуз пришел к использованию SLA 3D-принтера Formlabs Form 3 и фирменному фотополимеру ESD Resin. Распечатав специальные лотки, в которых должны храниться чипы, они смогли устранить угрозу повреждения от электростатического разряда чрезвычайно дорогих интегральных чипов.

«Наличие ESD Resin – это чудо. Теперь мы знаем, что чипы, находящиеся в лотках, созданных при помощи данного фотополимера, останутся в порядке. Я не знаю, что бы мы делали без ESD Resin».

Варианты безопасных для электростатического разряда деталей в производстве

По мнению Хоуза, существует не так много экономически эффективных альтернатив фотополимеру ESD Resin для производства. Наличие инструмента для литья под давлением потребует соблюдения дизайна и огромных затрат на изготовление штампа. Аналогично, существуют материалы ESD, которые можно фрезеровать, но это будет означать тот же тип обязательств. Существуют нити, используемые для других типов 3D-принтеров, но более низкое разрешение означает, что чрезвычайно точные машины для захвата и размещения могут не иметь гладкой и точной поверхности для захвата чипов. Кроме того, металл, хотя и является токопроводящим и безопасным с точки зрения электростатического разряда, чрезвычайно дорог для производства подобных инструментов, и это снова потребует от команды Opulo придерживаться одной конструкции для многих производственных циклов.

Электростатический разряд (ESD) может повредить хрупкие электрические компоненты, такие как кремниевые компьютерные чипы.

«Вы можете получить литые пластмассы, безопасные для электростатического разряда, но первоначальные затраты на это астрономические… особенно если меняется конструкция… вы можете фрезеровать их, но даже в этом случае это не быстро и не стоит того, и фрезерный станок занимает слишком много места. Проще приобрести и поставить SLA 3D-принтер Form 3, который занимает минимальное пространство, а также приобрести к нему устройства для пост-обработки Form Wash и Form Cure».

Масштабируемое решение

Для молодой компании, которая только начинает поставлять устройства и расти, пространство является огромным фактором. Многие системы, способные обеспечить точность и вариативность материала, которые обеспечивает 3D-принтер Form 3, требуют большого объема инфраструктуры.

«Тот факт, что нам не нужно для этого специальное помещение, имеет огромное значение. Form 3 и фирменные устройства для пост-обработки не занимают много места, поэтому у нас есть возможность изготавливать детали с действительно высоким разрешением в нашем офисе — мы можем делать безумно высокоточные детали у себя дома», — сказал Хоуз.

Возможно, самым важным фактором при выборе 3D-принтера для LumenPnP и печатных плат является точность. Сам робот спроектирован таким образом, чтобы помещать крошечные чипы в столь же крошечные геометрические формы на плате, поэтому разница в несколько микрон может сломать чип, что обойдется компании в 60 долларов и нарушит ее способность выпускать продукцию.

Кремниевые компьютерные чипы являются неотъемлемым компонентом производства многих продуктов, и с 2019 года они подорожали на 800%.

«Эти детали очень хрупкие, тонкие и точные. Когда дело доходит до удержания такого чипа, очень хорошо иметь точность 3D-принтера Form 3″.

Разнообразие материалов также делает Form 3 лучшей рабочей лошадкой для Opulo. Помимо ESD Resin, они также используют фотополимеры линейки Tough и Durable для различных применений. При печати определенных лотков для компонентов используют Сlear Resin, который позволяет контролировать положение микросхем со всех сторон через полупрозрачную поверхность. Для оснастки и приспособлений, удерживающих печатные платы на месте, они используют смолу Tough 2000 Resin для печати несущих деталей, таких как кронштейны, или для прототипирования деталей самого робота.

«Мы используем фотополимеры Clear Resin и Tough 2000. Clear Resin хорош тем, что он хорошо и быстро печатает. А Tough 2000 Resin — мой любимый фотополимер, самый лучший. Мы используем его для всего, что требует прочности».

Изменение состава Tough 2000 (ранее синего, теперь серого) позволило повысить прочность и долговечность под нагрузкой.

Заглядывая в будущее с помощью Form 3

Поскольку компания Opulo собирается расширять свое производство, ей необходимо защитить свою цепочку поставок от дальнейшего роста цен и нехватки материалов. Недавние международные события вывели из строя некоторых крупнейших мировых производителей кремниевых чипов, и такие производители, как Opulo, не могут позволить себе терять запасы из-за повреждения электростатическим разрядом. 3D-принтер Form 3 и смола ESD позволяют им защитить свои текущие запасы и с нетерпением ждать начала масштабного производства.

Предыдущая статья Использование растворимой нити для создания поддержек
Следующая статья Доступная SLS 3D-печать для создания протезов с учетом индивидуальных особенностей̆ пациентов