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。
2 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、由滚动直线导轨运肆槐哗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、动裂行／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。
3 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(如明磨图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。
(3)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。
4 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。
图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。
在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。
图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。
图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。
5 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 *** 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。
从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升、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。
6 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。
贴片机完整的 *** 作步骤 1．贴装前准备
(1)准备相关产品工艺文件。
(2)根据产品工艺文件的贴装明细表领料（PCB、元器件），并进行核对。
(3)对已经开启包装的PCB，根据开封时间的长短及是否受潮或污染等具体情况，进行清洗和烘烤处理。
(4)开封后检查元器件，对受潮元器件按照SMT工艺元器件管理要求处理。
(5)按元器件的规格及类型选择毕升遁合的供料器，并正确安装元器件编带供料器。装料时-。协须将元器件的手族老中心对准供料器的拾片中心。 (6)设备状态检查：
①检查空气压缩机的气压应达到设备要求，一般为6kgjf/cm2～7kgf/cm2。
②检查并确保导轨、贴装头移动范围内、自动更换吸嘴库周围、托盘架上没有任何障碍物。 2．开机
(1)按照设备安全技术 *** 作规程开机。
(2)检查贴片机的气压是否达到设备要求，一般为5kg／crri2左右。
(3)打开伺服。
(4)将贴片机所有轴回到源点位置。
(5)根据PCB的宽度，调整贴片机FT1000A36导轨宽度，导轨宽度应
大于PCB宽度Imm左右，并保证PCB在导轨上滑动自如。 (6)设置并安装PCB定位装置：
①首先按照 *** 作规程设置PCB定位方式，一般有针定位和边定位两种方式。
②采用针定位时应按照PCB定位孑L的位置安装并调整定位针的位置，要使定位针恰好在PCB的定位孔中间，使PCB上下自如。
③若采用边定位，必须根据PCB的外形尺寸调整限位器和顶块的位置。
(7)根据PCB厚度和外形尺寸安放PCB支承顶针，以保证贴片时PCB上受力均匀，不松动。若为双面贴装PCB，B（第一）面贴装完毕后，必须重新调整PCB支承顶针的位置，以保证A（第二）面贴片时，PCB支承顶针应避开B面已经贴装好的元器件。
(8)设置完毕后，可装上PCB，进行在线编程或贴片 *** 作了。
3．在线编程
对于已经完成离线编程的产品，可直接调出产品程序，对于没有CAD坐标文件的产品，可采用在线编程。在线编程是在贴片机上人工输入拾片和贴片程序的过程。拾片程序完全由人工编制并输入，贴片程序是通过教学摄像机对PCB上每个贴片元器件贴装位置的精确摄像，自动计算元器件中心坐标（贴装位置），并记录到贴片程序表中，然后通过人工优化而成。 4．安装供料器
(1)按照离线编程或在线编程编制的拾片程序表，将各种元器件安装到贴片机的料站上。
(2)安装供料器时必须按照要求安装到位。
(3)安装完毕，必须由检验人员检查，确保正确无误后才能进行试贴和生产。
5．做基准标志和元器件的视觉图像
自动贴片机贴装时，元器件的贴装坐标是以PCB的某一个顶角（一般为左下角或右下角）为源点计算的。而PCB加工时多少存在一定的加工误差，因龀在高精度贴装时必须对PCB进行基准校准。基准校准是通过在PCB上设计基准标志和贴片机的光学对中系统进行校准的。 基准标志分为PCB基准标志和局部基准标志。 6．首件试贴并检验
1)程序试运行程序试运行一般采用不贴装元器件（空运行）方式，若试运行正常，则可正式贴装。
2)首件试贴调出程序文件；按照 *** 作规程试贴装一块PCB。 3)首件检验 (1)榆输项目。
①各元器件位号上元器件的规格、方向、极性是否与工艺文件（或表面组装样板）相符。
②元器件有无损坏、引脚有无变形。
③元器件的贴装位置偏离焊盘是否超出允许范围。
(2)检验方法。检验方法要根据各单位的检测设备配置而定。 普通间距元器件可用目视检验，高密度窄间距时可用放大镜、显微镜、在线或离线光学检查设备(AOI)。
(3)检验标准。按照本单位制定的企业标准或参照其他标准（如IPC标准或SJ/T10670-1995表面组装工艺通用技术要求）执行。 7．根据首件试贴和检验结果调整程序或重做视觉图像
(1)如检查出元器件的规格、方向、极性有错误，应按照工艺文件进行修正程序。
(2)若PCB的元器件贴装位置有偏移，用以下几种方法调整。 ①若PCB上的所有元器件的贴装位置都向同一方向偏移，则这种情况应通过修正PCB标志点的坐标值来解决。把穗者PCB标志点的坐标向元器件偏移方向移动，移动量与元器件贴装位置偏移量相等，应注意每个PCB标志点的坐标都要等量修正。
②若PCB上的个别元器件的贴装位置有偏移，可估计一个偏移量在程序表中直接修正个别元器件的贴片坐标值，也可以用自学编程的方法通过摄像机重新照出正确的坐标。
③如首件试贴时，贴片故障比较多，要根据具体情况进行处理。； a．拾片失败。如拾不到元器件可考虑按以下因素进行检查并处理： 拾片高度不合适，由于元件厚度或Z轴高度设置错误，检查后按实际值修正；拾片坐标不合适，可能由于供料器的供料中心没有调整好，应重新调整供料器；编带供料器的塑料薄膜没有撕开，一般都是由于卷带没有安装到位或卷带轮松紧不合适，应重新调整供料器；吸嘴堵塞，应清洗吸嘴；吸嘴端面有脏物或有裂纹，造成漏气；吸嘴型号不合适，若孑L径太大会造成漏气，若孔径太小会造成吸力不够；气压不足或气路堵塞，检查气路是否漏气、增加气压或疏通气路。
b．弃片或丢片频繁，可考虑按以下方法进衍检查并处理： 图像处理不正确，应重新照图像；元器件引脚变形；元器件本身的尺寸、形状与颜色不一致，对于管装和托盘包装的器件可将弃件集中起来，重新照图像；由于吸嘴型号不合适、真空吸力不足等原因造成贴片在途中飞片；吸嘴端面有锡膏或其他脏物，造成漏气；吸嘴端面有损伤或有裂纹，造成漏气。 8．连续贴装生产
按照 *** 作规程进行生产，贴装过程中应注意以下问题：
(1)拿取PCB时不要用手触摸PCB表面，以防破坏印刷好的锡膏。 (2)报警显示时，应立即按下警报关闭键，查看错误信息并进行处理。 (3)贴装过程中补充元器件时一定要注意元器件的型号、规格、极性和方向。
贴装过程中，要随时注意废料槽中的弃料是否堆积过高，并及时进行清理，使弃料不能高于槽口，以免损坏贴装头。 9．检验
(1)首件自检合格后送专检，专检合格后再批量贴装。 (2)检验方法与检验标准同3.6，1(6)首件检验。 (3)有窄间距（引线中心距0.65mm以下）时，必须全检。
(4)无窄间距时，可按每50块抽取1块PCB、200块抽取3块PCB、500块抽取5块PCB、1000块抽取8块PCB的取样规则抽检。
欢迎分享，转载请注明来源：内存溢出
微信扫一扫
支付宝扫一扫
评论列表（0条）