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貼片機知識

日期:2011年2月13日 14:28

        SMTSurface Mount Technology的縮寫形式,譯成表面貼裝技術。美國是SMT 的發明地,1963年世界出現第一只表面貼裝元器件和飛利浦公司推出第一塊表面貼裝集成電路以來,SMT已由初期主要應用在軍事、航空、航天等尖端產品和投資類產品逐漸廣泛應用到計算機、通訊、軍事、工業自動化、消費類電子產品等各行各業。SMT發展非常迅猛。進入80年代,SMT技術已成為國際上最熱門的新一代電子組裝技術,被譽為電子組裝技術一次革命。作為世界工廠的中國,目前SMT生產線的保有量不下上萬條,是名副其實的SMT生產大國。但由于SMT投資大、技術性強,對于很多初涉這一領域的國內企業來說,面對型號眾多的SMT生產設備如何選型建線,仍是一個復雜而

艱難的工作。本文將對SMT設備作一概括介紹,以供企業SMT建線時參考。

1. SMT設備:貼片機的選擇最為關鍵

     一般SMT生產工藝包括焊膏印刷、貼片和回流焊三個步驟,所以要組成一條完整的SMT生產線,必然包括實施上述工藝步驟的設備:印刷機、貼片機和回流焊爐。特別是貼片機,往往會占到整條生產線投資的60%以上,所以貼片機的選擇最為關鍵。本文將這三種設備的基本情況進行介紹。

1.1  貼片機

1.1.1  貼片機分類

     目前生產貼片機的廠家眾多,結構也各不相同,但按規模和速度大致可分為大型高速機(俗稱高檔機)和中型中速機(俗稱中檔機),其他還有小型貼片機和半自動/手動貼片機,本文將不作介紹。一部大型機的價格一般為中型機的34倍。生產大型高速貼片機的廠商主要有PanasonicSiemensFujiUniversalHitachi(原三洋)等;生產中型中速貼片機的廠商主要有JukiYamahaSamsungMiraeMydata等。其中PanasonicSiemensFuji貼片機的市場占有率最高,被稱為貼片機市場的三駕馬車

     無論對于大型機廠商還是對中型機廠商來說,所推薦的SMT生產線一般由2臺貼片機組成:一臺片式Chip元件貼片機(俗稱高速貼片機)和一臺IC元件貼片機(俗稱高精度貼片機),這樣各司其責,有利于SMT生產線發揮出最高的生產效率。但現在情況正發生著改變,由于很多廠商都推出了多功能貼片機,使SMT生產線只由一臺貼片機組成成為可能。一臺多功能貼片機在保持較高貼片速度的情況下,可以完成所有元件的貼裝,減少了投資,這種貼片機頗受中小企業、科研院所的青睞。典型機型有SiemensF5系列、PanasonicMSF

1.1.2  貼片機結構

     目前貼片機結構大致可分為四種類型:動臂式(又稱拱架式)、復合式、轉塔式和大型平行系統。

       (1) 動臂式。動臂式機器是最傳統的貼片機,具有較好的靈活性和精度,適用于大部分元件,高精度機器一般都是這種類型,但其速度無法與復合式、轉塔式和大型平行系統相比。不過元件排列越來越集中在有源部件上,比如有引線的QFPQuad flat package,四邊扁平封裝器件)和BGABall grid array, 球柵陣列器件),安裝精度對高產量有至關重要的作用。復合式、轉塔式和大型平行系統一般不適用于這種類型的元件安裝。動臂式機器分為單臂式和多臂式,單臂 式是最早先發展起來的現在仍然使用的多功能貼片機。在單臂式基礎上發展起來的多臂式貼片機可將工作效率成倍提高,如美國Universal公司的GSM2貼片機就有兩個動臂安裝頭,可交替對一塊PCBPrint Circuit Board,印刷線路板)進行安裝。。絕大多數貼片機廠商均推出了采用這一結構的高精度貼片機和中速貼片機,例如Universal公司的GSM系列、Hitachi公司的TIM-XFuji公司的QP-341EXP系列、Panasonic公司的BM221Samsung公司的CP60系列、Yamaha公司的YV系列、Juki公司的KE系列、 Mirae公司的MPS系列。

  (2) 復合式。復合式機器是從動臂式機器發展而來,它集合了轉塔式和動臂式的特點,在動臂上安裝有轉盤,像Siemens Siplace80S系列貼片機,有兩個帶有12個吸嘴的旋轉頭,如圖2所示。Universal公司也推出了帶有30個吸嘴的旋轉頭,稱之為閃電頭,兩個這樣的旋轉頭安裝在Genesis貼片機上,可實現每小時60,000片貼片速度。從嚴格意義上來說,復合式機器仍屬于動臂式結構。由于復合式機器可通過增加動臂數量來提高速度,具有較大靈活性,因此它的發展前景被看好,例如SiemensHS60機器就安裝有4個旋轉頭,貼裝速度可達每小時60,000片。 

  (3) 轉塔式。轉塔的概念是使用一組移動的送料器,轉塔從這里吸取元件,然后把元件貼放在位于移動的工作臺上的電路板上面,結構如圖3所示。轉塔式機器由于拾取元件和貼片動作同時進行,使得貼片速度大幅度提高。這種結構的高速貼片機在我國的應用也很普遍,不但速度快,而且歷經十余年的發展技術已非常成熟,如Fuji公司的CP842E機器貼裝速度可達到0.068/片。但是這種機器由于機械結構所限,其貼裝速度已達到一個極限值,不可能再大幅度提高。該機型的不足之處是只能處理帶狀料。

        轉 塔式機器主要應用于大規模的計算機板卡、移動電話、家電等產品的生產上,這是因為在這些產品當中,阻容元件特別多、裝配密度大,很適合采用這一機型進行生 產。相當多的臺資、港資電子組裝企業以及國內電器生產商都采用這一機型,以滿足高速組裝的要求。生產轉塔式機器的廠商主要有PanasonicHitachiFuji

  (4) 大型平行系統。大規模平行系統使用一系列小的單獨的貼裝單元。每個單元有自己的絲桿位置系統,安裝有相機和貼裝頭。每個貼裝頭可吸取有限的帶式送料器,貼裝PCB的一部分,PCB以固定的間隔時間在機器內步步推進。單獨地各個單元機器運行速度較慢。可是,它們連續的或平行的運行會有很高的產量。如Philips公司的AX-5機器可最多有20個貼裝頭,實現了每小時15萬片的貼裝速度,堪稱業界第一,但就每個貼裝頭而言,貼裝速度在每小時7500片左右,仍有大幅度提高的可能。這種機型也主要適用于規模化生產,例如手機,需要指出的是,由于各種原因這種機型在我國電子行業中的市場占有率較前三種機型要小許多。生產大規模平行系統式機器的廠商主要有PhilipsFuji公司也推出了采用類似結構的NXT型超高速貼片機,通過搭載可以更換的貼裝工作頭,同一臺機器既可以是高速機也可以是泛用機,幾乎可以進行所有貼裝元器件的貼裝,從而使設備的初期投資及增加設備投資降低到最低程度。

1.1.3  貼片機比較

      復合式、轉塔式和大型平行系統屬于高速安裝系統,一般用于小型片狀元件安裝。轉塔式機器也被稱作射片機Chip shooter),因為它通常用于組裝片式電阻電容。另外,此類機器具有高速射出的能力。因為無源元件,即芯片以及其他引線元件所需精度不高,射片機組裝可實現較高的產能。高速機器由于結構較普通動臂式機器復雜許多,因而價格也高出許多,在選擇設備時要考慮到這一點。

     試驗表明,動臂式機器的安裝精度較好,安裝速度為每小時5000-20000個元件。復合式和轉塔式機器的組裝速度較高,一般為每小時20000-60000個。大型平行系統的組裝速度最快,可達50000-150000個。

1.2 印刷機

     與貼片機的情況不同,印刷機的廠商要少許多,主要有美國的MPM、英國的DEK、日本的MinamiHitachi、德國的EKRA,特別是MPMDEK,無論從品牌知名度還是市場占有率來看,都是印刷機市場當中的領先者。印刷機可分為半自動和全自動兩種,半自動不能與其他SMT設備連接,需要人為干預(例如傳送板子),但結構簡單、價格便宜(僅相當于全自動機型的1/10~1/5),適合科研院所使用,典型機型DEK248。全自動印刷機可連進SMT生產線里,無須人為干預,自動化程度高,適用于規模化生產。如英國DEK公司的DEK265 INFINITY型印刷機就是一種具有伺服壓力控制系統的全自動印刷機。印刷參數可用計算機數字化設置,絲網和基板的標記可用其視覺系統自動識別對準,其印刷重復定位精度可達±0.004mm、印刷循環周期為8秒。其他較典型機型有MPMUP3000系列、MinamiMK系列、EKRAX5

     需 要指出,在傳統的焊膏印刷過程中,影響印刷效果的最大變量之一是放置在模板上的焊膏品質不斷地變化;焊膏中助焊劑的蒸發;焊劑中的低沸點溶劑的蒸發;錫球 在開放的環境中氧化及焊膏在印刷暫停時可印性變差等。另外,隨著焊膏的使用,刮刀推動的焊膏量減少,從而引起漏印,或者由于過多的焊膏粘在刮刀上而引起網 孔不能完全填滿。解決這個問題的辦法是將焊膏放在一個容器里,采用自動焊膏涂敷系統,就可以保證焊膏適時適量地加到模板上。另外,使用帶有涂敷系統的容器 還可減少焊膏在操作者面前的暴露程度,并且使設備和其它工具盡量保持干凈。目前MPMDEK公司都開始采用這一新技術,MPM稱之為流變泵DEK稱之為“ProFlow”

1.3 回流焊爐

     回 流焊接設備正向著高效、多功能、智能化發展,其中有具有獨特的多噴口氣流控制的回流焊爐、帶氮氣保護的回流焊爐、帶局部強制冷卻的回流焊爐、可以監測元器 件溫度的回流焊爐、帶有雙路輸送裝置的回流焊爐、帶中心支撐裝置的回流焊爐等。除了上述這些新型回流焊爐外,智能化再流爐也已經出現了,其調整運轉由內置 計算機控制,在Window視窗操作環境下可很方便使用鍵盤或光筆輸入各種數據,又可迅速地從內存 中取出或更換回流焊工藝曲線,節省調整時間,提高了生產效率。智能化回流焊爐的許多機構的運作,例如:回流爐自動啟動和停止,在規定時間選定存儲的回流焊 工藝曲線,自動調整加熱區設置,啟動回流焊爐,到時關閉。鏈式傳送帶寬度自動調節,與加工印制板尺寸相匹配,通氮工藝與常規空氣回流焊工藝變換等功能的自 動設置都不必人工操作,全由計算機程序控制。智能化回流焊爐的出現,給SMT焊接工藝增添了新的活力。

     回流焊爐的主要廠家有美國BTUHeller、德國ERSASEHO、荷蘭的SOLTEC及日本ANTOM等公司。回流焊爐國內廠家也可制造,例如勁拓、創益等,盡管在功能性、穩定性、溫控精度上與國外先進水平有些差距,但性能完全可以滿足需求,價格也要便宜很多。

2. 組線設計:不可盲目求大求全

     在建立SMT生產線時要根據企業的投資能力,產量的大小,線路板的貼裝精度要求等因素,制定合理的引進計劃。選擇設備時應量體裁衣,切不可盲目地求大求全,以免造成不必要的浪費。

 3. 評估:確保設備性能符合要求

     當購買SMT設備時,按適當的標準評估設備是很重要的,評估應圍繞擬購設備的各方面能力展開,確保設備性能符合要求。我們以SMT設備中最關鍵的貼片機評估為例,以下是對某型高精度貼片機進行評估的一覽表。分四個方面:PCB處理、元件范圍、元件送料器和貼放要求。
         (1) PCB處理

     描述   要求(舉例)
     PCB尺寸,最大與最小   50×50mm ~ 460×510mm
     PCB厚度,最大與最小   0.6mm~3.0mm
     貼裝區域,最大   458×508mm
     定位方法   邊緣夾緊
     定位精度   ±0.05mm
     壞板識別   要求
     板傳輸邊緣   3mm

     基準點相機   灰度成像

        (2) 元件范圍

     描述   要求(舉例)
     標準能力   最少80
     密腳能力   SO-8 ~ PLCC84
     BGA能力   8,12,16,24,32,44,56,72,88mm

        (3) 元件送料器

    描述   要求(舉例)      

        8mm送料器裝載能力   最少80
     管狀送料器范圍   SO-8 ~ PLCC84
     帶狀送料器范圍   8,12,16,24,32,44,56,72,88mm
    矩陣托盤裝載   最少20

        (4) 貼片要求

     描述   要求(舉例)
     系統類型   拱架式
     貼片頭數量   1

        驅動馬達,X軸   伺服或步進
     驅動馬達,Y軸   伺服或步進
     驅動馬達,Z軸   伺服或步進
     驅動馬達,Q   伺服或步進
     編碼器,X/Y軸   線性或旋轉式
     編碼器,Z/Q 軸   旋轉式
     定位方式   滾珠絲桿或皮帶式
     觸覺感應   要求
     Z軸行程   可編程
     吸嘴交換器   要求
     小尺寸元件識別(小于
25mm)   頭部攝像視覺
     密間距QFP/BGA識別   底部攝像視覺
     視覺相機類型   二進制或灰度
     相機閾值等級    256級灰度
     相機視覺區間   32mm
     最大視覺區間   50mm使用分區域視覺
     分辨率,X/Y軸   0.0127mm
     分辨率,Z軸   0.005mm
     貼放精度   ±0.065mm 3σ/chip  ±0.025mm 3σ/QFP
     貼片速度   10000CPH/chip  4000CPH/QFP

4. 結束語
      SMT生產線是實現電子規模化組裝的基礎,在進行SMT組線設計時必須對要其中關鍵設備進行詳細的調研,了解其具體的技術參數。有了這些認識,就可以識別不同設備的優劣,并作出明智的選擇。同時,選擇設備時應量體裁衣,切不可盲目地求大求全,以免造成不必要的浪費。

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