贴片机知识

日期:2011年2月13日 14:28

        SMTSurface Mount Technology的缩写形式,译成表面贴装技术。美国是SMT 的发明地,1963年世界出现第一只表面贴装元器件和飞利浦公司推出第一块表面贴装集成电路以来,SMT已由初期主要应用在军事、航空、航天等尖端产品和投资类产品逐渐广泛应用到计算机、通讯、军事、工业自动化、消费类电子产品等各行各业。SMT发展非常迅猛。进入80年代,SMT技术已成为国际上最热门的新一代电子组装技术,被誉为电子组装技术一次革命。作为世界工厂的中国,目前SMT生产线的保有量不下上万条,是名副其实的SMT生产大国。但由于SMT投资大、技术性强,对于很多初涉这一领域的国内企业来说,面对型号众多的SMT生产设备如何选型建线,仍是一个复杂而

艰难的工作。本文将对SMT设备作一概括介绍,以供企业SMT建线时参考。

1. SMT设备:贴片机的选择最为关键

     一般SMT生产工艺包括焊膏印刷、贴片和回流焊三个步骤,所以要组成一条完整的SMT生产线,必然包括实施上述工艺步骤的设备:印刷机、贴片机和回流焊炉。特别是贴片机,往往会占到整条生产线投资的60%以上,所以贴片机的选择最为关键。本文将这三种设备的基本情况进行介绍。

1.1  贴片机

1.1.1  贴片机分类

     目前生产贴片机的厂家众多,结构也各不相同,但按规模和速度大致可分为大型高速机(俗称高档机)和中型中速机(俗称中档机),其他还有小型贴片机和半自动/手动贴片机,本文将不作介绍。一部大型机的价格一般为中型机的34倍。生产大型高速贴片机的厂商主要有PanasonicSiemensFujiUniversalHitachi(原三洋)等;生产中型中速贴片机的厂商主要有JukiYamahaSamsungMiraeMydata等。其中PanasonicSiemensFuji贴片机的市场占有率最高,被称为贴片机市场的三驾马车

     无论对于大型机厂商还是对中型机厂商来说,所推荐的SMT生产线一般由2台贴片机组成:一台片式Chip元件贴片机(俗称高速贴片机)和一台IC元件贴片机(俗称高精度贴片机),这样各司其责,有利于SMT生产线发挥出最高的生产效率。但现在情况正发生着改变,由于很多厂商都推出了多功能贴片机,使SMT生产线只由一台贴片机组成成为可能。一台多功能贴片机在保持较高贴片速度的情况下,可以完成所有元件的贴装,减少了投资,这种贴片机颇受中小企业、科研院所的青睐。典型机型有SiemensF5系列、PanasonicMSF

1.1.2  贴片机结构

     目前贴片机结构大致可分为四种类型:动臂式(又称拱架式)、复合式、转塔式和大型平行系统。

       (1) 动臂式。动臂式机器是最传统的贴片机,具有较好的灵活性和精度,适用于大部分元件,高精度机器一般都是这种类型,但其速度无法与复合式、转塔式和大型平行系统相比。不过元件排列越来越集中在有源部件上,比如有引线的QFPQuad flat package,四边扁平封装器件)和BGABall grid array, 球栅阵列器件),安装精度对高产量有至关重要的作用。复合式、转塔式和大型平行系统一般不适用于这种类型的元件安装。动臂式机器分为单臂式和多臂式,单臂 式是最早先发展起来的现在仍然使用的多功能贴片机。在单臂式基础上发展起来的多臂式贴片机可将工作效率成倍提高,如美国Universal公司的GSM2贴片机就有两个动臂安装头,可交替对一块PCBPrint Circuit Board,印刷线路板)进行安装。。绝大多数贴片机厂商均推出了采用这一结构的高精度贴片机和中速贴片机,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) 复合式。复合式机器是从动臂式机器发展而来,它集合了转塔式和动臂式的特点,在动臂上安装有转盘,像Siemens Siplace80S系列贴片机,有两个带有12个吸嘴的旋转头,如图2所示。Universal公司也推出了带有30个吸嘴的旋转头,称之为闪电头,两个这样的旋转头安装在Genesis贴片机上,可实现每小时60,000片贴片速度。从严格意义上来说,复合式机器仍属于动臂式结构。由于复合式机器可通过增加动臂数量来提高速度,具有较大灵活性,因此它的发展前景被看好,例如SiemensHS60机器就安装有4个旋转头,贴装速度可达每小时60,000片。 

  (3) 转塔式。转塔的概念是使用一组移动的送料器,转塔从这里吸取元件,然后把元件贴放在位于移动的工作台上的电路板上面,结构如图3所示。转塔式机器由于拾取元件和贴片动作同时进行,使得贴片速度大幅度提高。这种结构的高速贴片机在我国的应用也很普遍,不但速度快,而且历经十余年的发展技术已非常成熟,如Fuji公司的CP842E机器贴装速度可达到0.068/片。但是这种机器由于机械结构所限,其贴装速度已达到一个极限值,不可能再大幅度提高。该机型的不足之处是只能处理带状料。

        转 塔式机器主要应用于大规模的计算机板卡、移动电话、家电等产品的生产上,这是因为在这些产品当中,阻容元件特别多、装配密度大,很适合采用这一机型进行生 产。相当多的台资、港资电子组装企业以及国内电器生产商都采用这一机型,以满足高速组装的要求。生产转塔式机器的厂商主要有PanasonicHitachiFuji

  (4) 大型平行系统。大规模平行系统使用一系列小的单独的贴装单元。每个单元有自己的丝杆位置系统,安装有相机和贴装头。每个贴装头可吸取有限的带式送料器,贴装PCB的一部分,PCB以固定的间隔时间在机器内步步推进。单独地各个单元机器运行速度较慢。可是,它们连续的或平行的运行会有很高的产量。如Philips公司的AX-5机器可最多有20个贴装头,实现了每小时15万片的贴装速度,堪称业界第一,但就每个贴装头而言,贴装速度在每小时7500片左右,仍有大幅度提高的可能。这种机型也主要适用于规模化生产,例如手机,需要指出的是,由于各种原因这种机型在我国电子行业中的市场占有率较前三种机型要小许多。生产大规模平行系统式机器的厂商主要有PhilipsFuji公司也推出了采用类似结构的NXT型超高速贴片机,通过搭载可以更换的贴装工作头,同一台机器既可以是高速机也可以是泛用机,几乎可以进行所有贴装元器件的贴装,从而使设备的初期投资及增加设备投资降低到最低程度。

1.1.3  贴片机比较

      复合式、转塔式和大型平行系统属于高速安装系统,一般用于小型片状元件安装。转塔式机器也被称作射片机Chip shooter),因为它通常用于组装片式电阻电容。另外,此类机器具有高速射出的能力。因为无源元件,即芯片以及其他引线元件所需精度不高,射片机组装可实现较高的产能。高速机器由于结构较普通动臂式机器复杂许多,因而价格也高出许多,在选择设备时要考虑到这一点。

     试验表明,动臂式机器的安装精度较好,安装速度为每小时5000-20000个元件。复合式和转塔式机器的组装速度较高,一般为每小时20000-60000个。大型平行系统的组装速度最快,可达50000-150000个。

1.2 印刷机

     与贴片机的情况不同,印刷机的厂商要少许多,主要有美国的MPM、英国的DEK、日本的MinamiHitachi、德国的EKRA,特别是MPMDEK,无论从品牌知名度还是市场占有率来看,都是印刷机市场当中的领先者。印刷机可分为半自动和全自动两种,半自动不能与其他SMT设备连接,需要人为干预(例如传送板子),但结构简单、价格便宜(仅相当于全自动机型的1/10~1/5),适合科研院所使用,典型机型DEK248。全自动印刷机可连进SMT生产线里,无须人为干预,自动化程度高,适用于规模化生产。如英国DEK公司的DEK265 INFINITY型印刷机就是一种具有伺服压力控制系统的全自动印刷机。印刷参数可用计算机数字化设置,丝网和基板的标记可用其视觉系统自动识别对准,其印刷重复定位精度可达±0.004mm、印刷循环周期为8秒。其他较典型机型有MPMUP3000系列、MinamiMK系列、EKRAX5

     需 要指出,在传统的焊膏印刷过程中,影响印刷效果的最大变量之一是放置在模板上的焊膏品质不断地变化;焊膏中助焊剂的蒸发;焊剂中的低沸点溶剂的蒸发;锡球 在开放的环境中氧化及焊膏在印刷暂停时可印性变差等。另外,随着焊膏的使用,刮刀推动的焊膏量减少,从而引起漏印,或者由于过多的焊膏粘在刮刀上而引起网 孔不能完全填满。解决这个问题的办法是将焊膏放在一个容器里,采用自动焊膏涂敷系统,就可以保证焊膏适时适量地加到模板上。另外,使用带有涂敷系统的容器 还可减少焊膏在操作者面前的暴露程度,并且使设备和其它工具尽量保持干净。目前MPMDEK公司都开始采用这一新技术,MPM称之为流变泵DEK称之为“ProFlow”

1.3 回流焊炉

     回 流焊接设备正向着高效、多功能、智能化发展,其中有具有独特的多喷口气流控制的回流焊炉、带氮气保护的回流焊炉、带局部强制冷却的回流焊炉、可以监测元器 件温度的回流焊炉、带有双路输送装置的回流焊炉、带中心支撑装置的回流焊炉等。除了上述这些新型回流焊炉外,智能化再流炉也已经出现了,其调整运转由内置 计算机控制,在Window视窗操作环境下可很方便使用键盘或光笔输入各种数据,又可迅速地从内存 中取出或更换回流焊工艺曲线,节省调整时间,提高了生产效率。智能化回流焊炉的许多机构的运作,例如:回流炉自动启动和停止,在规定时间选定存储的回流焊 工艺曲线,自动调整加热区设置,启动回流焊炉,到时关闭。链式传送带宽度自动调节,与加工印制板尺寸相匹配,通氮工艺与常规空气回流焊工艺变换等功能的自 动设置都不必人工操作,全由计算机程序控制。智能化回流焊炉的出现,给SMT焊接工艺增添了新的活力。

     回流焊炉的主要厂家有美国BTUHeller、德国ERSASEHO、荷兰的SOLTEC及日本ANTOM等公司。回流焊炉国内厂家也可制造,例如劲拓、创益等,尽管在功能性、稳定性、温控精度上与国外先进水平有些差距,但性能完全可以满足需求,价格也要便宜很多。

2. 组线设计:不可盲目求大求全

     在建立SMT生产线时要根据企业的投资能力,产量的大小,线路板的贴装精度要求等因素,制定合理的引进计划。选择设备时应量体裁衣,切不可盲目地求大求全,以免造成不必要的浪费。

 3. 评估:确保设备性能符合要求

     当购买SMT设备时,按适当的标准评估设备是很重要的,评估应围绕拟购设备的各方面能力展开,确保设备性能符合要求。我们以SMT设备中最关键的贴片机评估为例,以下是对某型高精度贴片机进行评估的一览表。分四个方面:PCB处理、元件范围、元件送料器和贴放要求。
         (1) PCB处理

     描述   要求(举例)
     PCB尺寸,最大与最小   50×50mm ~ 460×510mm
     PCB厚度,最大与最小   0.6mm~3.0mm
     贴装区域,最大   458×508mm
     定位方法   边缘夹紧
     定位精度   ±0.05mm
     坏板识别   要求
     板传输边缘   3mm

     基准点相机   灰度成像

        (2) 元件范围

     描述   要求(举例)
     标准能力   最少80
     密脚能力   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(举例)      

        8mm送料器装载能力   最少80
     管状送料器范围   SO-8 ~ PLCC84
     带状送料器范围   8,12,16,24,32,44,56,72,88mm
    矩阵托盘装载   最少20

        (4) 贴片要求

     描述   要求(举例)
     系统类型   拱架式
     贴片头数量   1

        驱动马达,X轴   伺服或步进
     驱动马达,Y轴   伺服或步进
     驱动马达,Z轴   伺服或步进
     驱动马达,Q   伺服或步进
     编码器,X/Y轴   线性或旋转式
     编码器,Z/Q 轴   旋转式
     定位方式   滚珠丝杆或皮带式
     触觉感应   要求
     Z轴行程   可编程
     吸嘴交换器   要求
     小尺寸元件识别(小于
25mm)   头部摄像视觉
     密间距QFP/BGA识别   底部摄像视觉
     视觉相机类型   二进制或灰度
     相机阈值等级    256级灰度
     相机视觉区间   32mm
     最大视觉区间   50mm使用分区域视觉
     分辨率,X/Y轴   0.0127mm
     分辨率,Z轴   0.005mm
     贴放精度   ±0.065mm 3σ/chip  ±0.025mm 3σ/QFP
     贴片速度   10000CPH/chip  4000CPH/QFP

4. 结束语
      SMT生产线是实现电子规模化组装的基础,在进行SMT组线设计时必须对要其中关键设备进行详细的调研,了解其具体的技术参数。有了这些认识,就可以识别不同设备的优劣,并作出明智的选择。同时,选择设备时应量体裁衣,切不可盲目地求大求全,以免造成不必要的浪费。

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