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    SMT贴片机工作原理

    2018-04-11 15:06:18 浏览次数:589

    表面贴装技术(Surface mountingTechnology,简称SMT)由于其组装密度高及良好的自动化生产性而得到高速发展并在电路组装生产中被广泛应用。SMT是第四代电子装联技术,其优点是元器件安装密度高,易于实现自动化和提高生产效率,降低成本。SMT生产线由丝网印刷、贴装元件及再流焊三个过程构成,如图1所示。其中SMC/SMD(surfacemount component/Surface mountdevice,片式电子元件/器件)的贴装是整个表面贴装工艺的重要组成部分,它所涉及到的问题较其它工序更复杂,难度更大,同时片式电子元件贴装设备在整个设备投资中也最大。

    目前随着电子产品向便携式、小型化方向发展,相应的SMC/SMD也向小型化发展,但同时为满足IC芯片多功能的要求,而采用了多引线和细间距。小型化指的是贴装元件的外形尺寸小型化,它所经历的进程:3225→3216→2520→2125→1608→1003→1603→0402→0201。贴装QFP的引脚间距从1.27→0.635→0.5→0.4→0.3mm将向更细间距发展,但由于受元件引线框架加工速度的限制,QFP间距极限为0.3mm,因此为了满足高密度封装的需求,出现了比QFP性能优越的BGA(Ball Grid Array)、CSP(Chip SizePackage)、COB(Chip On Board)裸芯片及Flip Chip。

    片式电子元件贴装设备(通称贴片机)作为电子产业的关键设备之一,采用全自动贴片技术,能有效提高生产效率,降低制造成本。随着电子元件日益小型化以及电子器件多引脚、细间距的趋势,对贴片机的精度与速度要求越来越高,但精度与速度是需要折衷考虑的,一般高速贴片机的高速往往是以牺牲精度为代价的。

    一:贴片机的工作原理

    贴片机实际上是一种精密的工业机器人,是机-电-光以及计算机控制技术的综合体。它通过吸取-位移-定位-放置等功能,在不损伤元件和印制电路板的情况下,实现了将SMC/SMD元件快速而准确地贴装到PCB板所指定的焊盘位置上。元件的对中有机械对中、激光对中、视觉对中3种方式。贴片机由机架、x-y运动机构(滚珠丝杆、直线导轨、驱动电机)、贴装头、元器件供料器、PCB承载机构、器件对中检测装置、计算机控制系统组成,整机的运动主要由x-y运动机构来实现,通过滚珠丝杆传递动力、由滚动直线导轨运动副实现定向的运动,这样的传动形式不仅其自身的运动阻力小、结构紧凑,而且较高的运动精度有力地保证了各元件的贴装位置精度。

    贴片机在重要部件如贴装主轴、动/静镜头、吸嘴座、送料器上进行了Mark标识。机器视觉能自动求出这些Mark中心系统坐标,建立贴片机系统坐标系和PCB、贴装元件坐标系之间的转换关系,计算得出贴片机的运动精确坐标;贴装头根据导入的贴装元件的封装类型、元件编号等参数到相应的位置抓取吸嘴、吸取元件;静镜头依照视觉处理程序对吸取元件进行检测、识别与对中;对中完成后贴装头将元件贴装到PCB上预定的位置。这一系列元件识别、对中、检测和贴装的动作都是工控机根据相应指令获取相关的数据后指令控制系统自动完成。贴片机的工作流程框图如图2所示。

    二: 贴片机的结构形式

    按照贴装头系统与PCB板运载系统以及送料系统的运动情况,贴片机大致可分为3种类型:转塔式(turret-style)(如图3)、模块型(parallel-style)(如图4)和框架式(gantry-style)。而框架式贴片机又根据贴装头在框架上的布置情况可以细分为动臂式(如图5)、垂直旋转式(如图6)、平行旋转式(如图7)。

    转塔式贴片机也称为射片机,以高速为特征,它的基本工作原理为:搭载送料器的平台在贴片机左右方向不断移动,将装有待吸取元件的送料器移动到吸取位置。PCB沿x-y方向运行,使PCB精确地定位于规定的贴片位置,而贴片机核心的转塔在多点处携带着元件,在运动过程中实施视觉检测,并进行旋转校正。转塔式贴片机中的转塔技术是日本SANYO公司的专利,目前将此技术运用得比较成功的有Panasert公司的转塔式贴片机系列(最早推出的是MK系列,然后发展到MV系列,现在主推机型是MSR系列),FUJI公司的CP系列(现在最新的是CP7系列)。

    框架型贴片机的送料器和PCB是固定不动的,它通过移动安装于x-y运动框架中的贴装头(一般是装在x轴横梁上),进行吸取和贴片动作。此结构的贴装精度取决于定位轴x、y和θ的精度。

    尽管都采用了框架型结构,但由于贴装头的不同形式,可以将这种款式的贴片机分成3种,一种是Samsung、YAMAHA、Mirea等厂商主推的动臂式,还有一种是SiemensDematic主推的垂直旋转式,第三种是SONY主推的平行旋转式。

    框架型贴片机可以采用增加横梁/悬臂(也是增加贴装头)的方式达到增加贴装速度的目的。这种结构贴片机的基本原理是当一个贴装头在吸取元件时,另外一个贴装头去贴装元件。

    模块型贴片机可以看成是由很多个小框架型贴片机并联组合在一起而形成的一台组合式贴片机。目前世界上只有Assembleon(原来是PHILIPS)公司的FCM机型和FUJI公司新推出的NXT机型用到了此种技术。

    模块型贴片机使用一系列小的单独的贴装单元。每个单元有自己独立的x-y一z运动系统,安装有独立的贴装头和元件对中系统。每个贴装头可从有限的带式送料器上吸取元件,贴装PCB的一部分,PCB以固定的间隔时间在机器内步步推进。每个独立单元往往只有一个吸嘴,这样每个贴装单元的贴装速度就比较慢,但是将所有的贴装单元加起来,可以达到极高的产量。

    下面对这几种类型贴片机的性能进行综合比较,见表1。

    (1)贴装速度

    速度一直是转塔型贴片机的优势,但随着技术的发展,新型贴片机的不断推出,框架型贴片机和模块型贴片机有几种新机型的贴装速度已经超越了新型的转塔型贴片机。这从不同类型贴片机的性能参数表中可以看出。
    (2)贴装精度

    随着微型元件和密间距元件的广泛应用,现在的电子产品在贴装精度方面对贴片机提出了更高的要求。几年以前,行业内可接受的精度标准还是0.1mm(chip元件)和0.05 mm(IC元件)。目前这个标准已经有缩减到0.05 mm(chip元件)和0.025mm(IC元件)的趋势。

    目前的转塔型贴片机已经很难超越0.05mm的精度等级,最好的转塔型贴片机也只能刚好达到这个精度。而最先进的框架型贴装系统可以达到4σ、25μm的精度。而达到此能力的机器贴装速度都不太高。
    可贴装元件范围
    转塔型贴片机受送料方式影响,只能贴装带式包装或散料包装的元件,而管料和盘料就无法进行贴装,即使它的视觉系统可以处理这些元件。密间距的元件一般都是采用盘料包装形式,因此转塔型贴片机在这项指标上是最弱的。而且受机械结构的限制,基本少有改进的余地。
    贴片机x一y运动机构

    x-y运动机构的功能是驱动贴装头在x轴和y轴两个方向做往复运动,使贴装头能够快速、准确、平稳地到达指定位置。

    目前贴片机上的x-y运动机构有几种不同的构成方式,分别是由滚珠丝杠+直线导轨传动的伺服电机驱动方式;由同步齿形带+直线导轨传动的伺服电机驱动方式;直线电机驱动方式。

    这几种驱动方式在结构上都是类似的,都需要直线导轨做导向,只是在传动方式存在差异。

    下面主要介绍由滚珠丝杠+直线导轨传动的伺服电机驱动方式。

    8所示为一个基本的贴片机x-y运动机构,x轴伺服电机利用安装于横梁上的滚珠丝杠和直线导轨驱动贴装头在x轴方向运动,y轴伺服电机利用安装于机架上的滚珠丝杠和直线导轨驱动整个横梁在y轴方向运动。这两个运动结合在一起就形成了一个驱动贴装头在x-y平面内高速运动的x-y运动机构。

    y轴方向,由于要驱动一个有一定长度的横梁,必然要把横梁的两端安装到固定的直线导轨上,两根导轨之间有一定的跨度,而电机及传动滚珠丝杠不可能安装于两根导轨的正中间位置,只能安装于靠近一侧导轨的内侧。这样,当贴装头的重量和横梁的跨度达到一个较大的值时,贴装头在远离电机一端的导轨近处的移动会在y轴滚珠丝杠与横梁的结合处产生一个很难平衡的角摆力矩,y轴的加减速和定位性能会受到较大的影响。为减轻此不利因素,现在很多贴片机在y轴采用了双电机驱动模式,如图9所示。

    采用双电机驱动模式,两个电机同步协调驱动横梁移动,提高了定位稳定性,减少了定位时间,从而提高了y轴的速度和精度。

    为了在单台贴片机上达到更高的贴片速度,现在的高速贴片机都采用了双横梁/双贴装头的技术,如图10、图11所示。

    10是YAMAHA开发的框架式机型,x横梁系统沿y向运动,x横梁两侧分别装有两贴装头。每个贴装头能分别从x横梁两侧的取料站拾取元件并贴装。而PCB板可以在x、y平面内移动。

    11是YAMAHA图10机型的改进型,它采用了双X横梁双贴装头结构。这种结构的贴片机在送板机构两侧有2个x横梁与双贴装头系统,同时两侧都有取料站与贴装区,两侧的系统都能完成各自的取料与贴装。

    贴片机对速度和精度的要求很高。1个贴装循环(就是贴片机完成1次取料贴片动作),包含贴装主轴吸取元件的时间、移动到静镜头的时间、静镜头摄像的时间、移动到贴装位置的时间、校正元件偏移的时间、贴装主轴贴装元件的时间,这所有时间的总和要达到1~2s。当贴片机每个贴装头上的吸嘴数目较少(3个以下)时,x-y运动机构驱动贴装头移动时间的长短就成了影响贴装速度的关键因素。为了达到高速贴装的要求,x,y向要以1.25m/s或更高的速度运动,还要有较大的加、减速度(1g~2g),提速与制动的时间要尽量短。这样贴片机就不可能像数控机床那样把运动部件做得非常坚固、笨重,而要像小轿车、飞机那样尽可能的减轻高速运动部件的质量和惯量,达到足够的运动定位精度和尽可能高的加、减速性能,在这2者之中优选,实现最佳惯量匹配。

    五: 国内外贴片机性能研究

         国外的贴片机研制技术一直走在前列,如日本的松下、雅马哈、富士,韩国的三星,德国的西门子,美国的环球,荷兰的飞利浦等都已开发出非常成熟的产品系列[3]。

    美国乔治亚州理工学院的D.A.Bodner,M.Damrau等利用VirtualNC仿真工具,以电子贴装设备Siemens80S20为原型机,建立了相应的数字化样机模型,如图12所示。以贴装系统、送板机构、送料系统三大核心组件为基础,对整机性能进行了较为详尽的研究,分析了影响贴装速度的因素以及怎样取得最少的贴装周期时间。

         德国埃尔兰根大学的Feldmann与Christoph基于多体仿真的思想,集成多体动力学仿真软件、有限元分析软件、控制仿真工具,建立一个综合性的多体仿真分析平台,如图13所示。以两门子SiplaceF4贴片机为原型机,建立了贴片机的多体仿真数字化样机模型,对贴片机运动物体特性、挠性、振动特性以及热变形等进行了研究。其中重点介绍了在柔性体上建立线性约束的方法,并利用ADAMS/ENGINE模块中的"TimingMechanism"建立了电机驱动齿形带的仿真模型。

    英国诺丁汉大学的MasriAyob博士从改善取片--贴片操作、增强运动控制、吸嘴选择和送料器装配等方面入手,研究了多头顺序式贴片机的优化问题。

    贴片机曾是我国"七五"、"八五"、"九五"、"十五"计划中电子装备类别的重点发展项目之一。20多年来,国内一些研究所、大学、工厂开展了SMT生产线中各种设备(指丝印、贴片、焊接等设备)的研制工作。

    1978年我国引进第一条彩电生产线开始,电子部二所就开始了贴片机的研发工作,以后有电子部56所、电子部4506厂、航天部二院、广州机床研究所等科研院所分别进行了研制,并取得了大量科研成果。虽然这些研究成果没有实现产业化,但为后来者积累了宝贵的经验。

    国内现有或进行过贴片机研发、生产的企业有:羊城科技、熊猫电子、风华高科、上海现代、上海微电子、深圳日东等。羊城科技从贴片机的低端市场出发,面向围内中小电子企业、科研院所等单位,自主研发,成功研制出SMT2505贴片机,并与西安交通大学、中南大学等展开合作,在自主研发产品基础上,采用数字化样机研究于段,进行了针对贴片机性能的系统研究,取得了一定成效。不过与国外机型相比还存在一定差距,而且因资金问题,产品尚未进入批量生产阶段。其它的研究企业也进行了贴片机的研制,完成各自的研制课题和样机,取得了一定的成果。由于贴片机的技术含量高,研发周期较长,投入大,因此大部分中小企业对贴片机的研发工作仍停留在样机阶段,无法将产品应用到生产线上去。

    国内大专院校对贴片机的研究工作也一直末停止过,例如西安电子科技大学的闫红超、姜建国等采用改进混合遗传算法进行了贴片机装配工艺优化的研究;两安交通大学的李蕾、杜春华等对贴片机视觉检测算法进行了研究;西南交通大学的杨帆研究了SMT贴片机的定位运动控制;龙绪明对贴片机视觉系统进行了综述;山东大学的刘锦波基于视觉研究了楔型贴片机运动控制系统;上海交通大学机械与动力工程学院的莫锦秋、程志国、浦晓峰等研究了贴片机的控制系统,CIM研究所的曾又铰、金烨研究了贴片机的贴装优化问题,微电子装备研究所的于新瑞、王石刚、刘绍军研究了贴片机系统的图像处理技术问题,自动化研究所的田福厚、李少远等进行了贴片机喂料器分配的优化及其遗传算法研究;华中科技大学的汪宏昇、史铁林等从视觉与图像方面进行了贴片机的相关研究;华南理工大学与风华高科合作,从视觉检测、图像处理、运动控制系统、效率优化等方面展开了相关研究。

    六:结论

    根据贴装元器件的不同以及贴装的通用程度不同,贴片机可分为专用型与泛用型,专用型有Chip专用型与IC专用型,前者主要追求高速,后者主要追求高精密;泛用型即可贴Chip也可贴IC,广泛应用于中等产量的连续生产贴装生产线中。通用贴片机的高适应性是牺牲了精度和速度的折衷设计,它的贴装速度比高速贴装机慢,贴装精度比精密贴装机低。高速贴片机的发展已经达到一定极限程度,目前贴片机制造厂商主要发展泛用机型,以适应更多的贴装工艺需求。由于后封装和贴片工艺已经开始相互融合,这对贴片机的精度又提出了更高的要求。

    同时具有高速和高精度的要求是贴片机研制的主要难点。解决高速和高精度的矛盾需要多个学科的完美结合,需要设计、模拟、工艺、装配、检验的有机联合,这样才能研制出高水平的贴片机。但由于贴片机的制造十分依赖基础工业发展,这也较大阻碍了高速高精度贴片机的开发。

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