SMT設(shè)備之元器件貼裝機(jī)
用貼裝機(jī)或人工的方式，將SMC/SMD準(zhǔn)確地貼放到PCB板上印好焊錫膏或貼片膠的表面相應(yīng)位置上的過程，叫做貼裝(貼片)工序。
要保證貼片質(zhì)量，應(yīng)該考慮三個(gè)要素：貼裝元器件的正確性、貼裝位置的準(zhǔn)確性和貼裝壓力(貼片高度)的適度性。
⑴ 貼片工序?qū)N裝元器件的要求
元器件的類型、型號(hào)、標(biāo)稱值和極性等特征標(biāo)記，都應(yīng)該符合產(chǎn)品裝配圖和明細(xì)表的要求。
貼裝元器件的焊端或引腳上不小于1/2的厚度要浸入焊膏，一般元器件貼片時(shí)，焊膏擠出量應(yīng)小于0.2mm;窄間距元器件的焊膏擠出量應(yīng)小于0.1mm。
元器件的焊端或引腳均應(yīng)該盡量和焊盤圖形對(duì)齊、居中。因?yàn)樵倭骱笗r(shí)的自定位效應(yīng)，元器件的貼裝位置允許一定的偏差。
⑵ 元器件貼裝偏差范圍
�、� 矩形元器件允許的貼裝偏差范圍。
(a)圖的元器件貼裝優(yōu)良，元器件的焊端居中位于焊盤上。
(b)圖表示元件在貼裝時(shí)發(fā)生橫向移位(規(guī)定元器件的長度方向?yàn)?ldquo;縱向”)，合格的標(biāo)準(zhǔn)是：焊端寬度的3/4以上在焊盤上，即D1≥焊端寬度的75%;否則為不合格。
(c)圖表示元器件在貼裝時(shí)發(fā)生縱向移位，合格的標(biāo)準(zhǔn)是：焊端與焊盤必須交疊;如果D2≥0，則為不合格。
(d)圖表示元器件在貼裝時(shí)發(fā)生旋轉(zhuǎn)偏移，合格的標(biāo)準(zhǔn)是：D3≥焊端寬度的75%;否則為不合格。
(e)圖表示元器件在貼裝時(shí)與焊錫膏圖形的關(guān)系，合格的標(biāo)準(zhǔn)是：元件焊端必須接觸焊錫膏圖形;否則為不合格。
�、� 小外形晶體管(SOT)允許的貼裝偏差范圍：允許有旋轉(zhuǎn)偏差，但引腳必須全部在焊盤上。
③ 小外形集成電路(SOIC)允許的貼裝偏差范圍：允許有平移或旋轉(zhuǎn)偏差，但必須保證引腳寬度的3/4在焊盤上。如圖6.20示。
④ 四邊扁平封裝器件和超小型器件(QFP，包括PLCC器件)允許的貼裝偏差范圍：要保證引腳寬度的3/4在焊盤上，允許有旋轉(zhuǎn)偏差，但必須保證引腳長度的3/4在焊盤上。
�、� BGA器件允許的貼裝偏差范圍：焊球中心與焊盤中心的最大偏移量小于焊球半徑，如圖6.21示。
�、� 元器件貼裝壓力(貼片高度)
元器件貼裝壓力要合適，如果壓力過小，元器件焊端或引腳就會(huì)浮放在焊錫膏表面，使焊錫膏不能粘住元器件，在傳送和再流焊過程中可能會(huì)產(chǎn)生位置移動(dòng)。
如果元器件貼裝壓力過大，焊膏擠出量過大，容易造成焊錫膏外溢粘連，使再流焊時(shí)產(chǎn)生橋接，同時(shí)也會(huì)造成器件的滑動(dòng)偏移，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞器件。
�、� 自動(dòng)貼片機(jī)的主要結(jié)構(gòu)
片狀元器件貼裝機(jī)，又稱貼片機(jī)。自動(dòng)貼片機(jī)相當(dāng)于機(jī)器人的機(jī)械手，能按照事先編制好的程序把元器件從包裝中取出來，并貼放到印制板相應(yīng)的位置上。由于SMT的迅速發(fā)展，國外生產(chǎn)貼片機(jī)的廠家很多，其型號(hào)和規(guī)格也有多種，但這些設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)都是相同的。貼裝機(jī)的基本結(jié)構(gòu)包括設(shè)備本體、片狀元器件供給系統(tǒng)、印制板傳送與定位裝置、貼裝頭及其驅(qū)動(dòng)定位裝置、貼裝工具(吸嘴)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等。為適應(yīng)高密度超大規(guī)模集成電路的貼裝，比較先進(jìn)的貼裝機(jī)還具有光學(xué)檢測(cè)與視覺對(duì)中系統(tǒng)，保證芯片能夠高精度地準(zhǔn)確定位。
�、� 設(shè)備本體
貼片機(jī)的設(shè)備本體是用來安裝和支撐貼裝機(jī)的底座，一般采用質(zhì)量大、振動(dòng)小、有利于保證設(shè)備精度的鑄鐵件制造。
② 貼裝頭
貼裝頭也叫吸-放頭，是貼裝機(jī)上最復(fù)雜、最關(guān)鍵的部分，它相當(dāng)于機(jī)械手，它的動(dòng)作由拾取-貼放和移動(dòng)-定位兩種模式組成。第一，貼裝頭通過程序控制，完成三維的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)從供料系統(tǒng)取料后移動(dòng)到電路基板的指定位置上。第二，貼裝頭的端部有一個(gè)用真空泵控制的貼裝工具(吸嘴)。不同形狀、不同大小的元器件要采用不同的吸嘴拾放：一般元器件采用真空吸嘴，異形元件(例如沒有吸取平面的連接器等)用機(jī)械爪結(jié)構(gòu)拾放。當(dāng)換向閥門打開時(shí)，吸嘴的負(fù)壓把SMT元器件從供料系統(tǒng)(散裝料倉、管裝料斗、盤狀紙帶或托盤包裝)中吸上來;當(dāng)換向閥門關(guān)閉時(shí)，吸盤把元器件釋放到電路基板上。
貼裝頭的X-Y定位系統(tǒng)一般用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、通過機(jī)械絲杠傳輸力矩，磁尺和光柵定位的精度高于絲杠定位，但后者容易維護(hù)修理。
�、� 供料系統(tǒng)
供料系統(tǒng)的工作狀態(tài)，根據(jù)元器件的包裝形式和貼片機(jī)的類型而確定。貼裝前，將各種類型的供料裝置分別安裝到相應(yīng)的供料器支架上。隨著貼裝進(jìn)程，裝載著多種不同元器件的散裝料倉水平旋轉(zhuǎn)，把即將貼裝的那種元器件轉(zhuǎn)到料倉門的下方，便于貼裝頭拾取;紙帶包裝元器件的盤裝編帶隨編帶架垂直旋轉(zhuǎn)，管狀和定位料斗在水平面上二維移動(dòng)，為貼裝頭提供新的待取元件。
④ 電路板定位系統(tǒng)
在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的操縱下，電路板隨工作臺(tái)沿傳送軌道移動(dòng)到工作區(qū)域內(nèi)，并被精確定位，使貼裝頭能把元器件準(zhǔn)確地釋放到一定的位置上。精確定位的核心是“對(duì)中”，有機(jī)械對(duì)中、激光對(duì)中、激光加視覺混合對(duì)中以及全視覺對(duì)中方式。
⑤ 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)
目前大多數(shù)貼片機(jī)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用Windows界面。可以通過高級(jí)語言軟件或硬件開關(guān)，在線或離線編制計(jì)算機(jī)程序并自動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化，控制貼片機(jī)的自動(dòng)工作步驟。每個(gè)片狀元器件的精確位置，都要編程輸入計(jì)算機(jī)。具有視覺檢測(cè)系統(tǒng)的貼裝機(jī)，也是通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)電路板上貼片位置的圖形識(shí)別。
⑷ 貼片機(jī)的主要指標(biāo)
衡量貼片機(jī)的三個(gè)重要指標(biāo)是精度、速度和適應(yīng)性。
精度與貼片機(jī)的對(duì)中方式有關(guān)，其中以全視覺對(duì)中的精度最高。一般來說，貼片的精度體系應(yīng)該包含三個(gè)項(xiàng)目：貼裝精度、分辨率、重復(fù)精度，三者之間有一定的相關(guān)關(guān)系。
被定義為貼裝元器件焊端偏離指定位置最大值的綜合位置誤差。貼裝精度由兩種誤差組成，即平移誤差和旋轉(zhuǎn)誤差，如圖6.23所示。平移誤差主要因?yàn)閄-Y定位系統(tǒng)不夠精確，旋轉(zhuǎn)誤差主要因?yàn)樵骷䦟?duì)中機(jī)構(gòu)不夠精確和貼裝工具存在旋轉(zhuǎn)誤差。定量地說，貼裝SMC要求精度達(dá)到±0.01mm，貼裝高密度、窄間距的SMD至少要求精度達(dá)到±0.06mm。
分辨率是描述貼裝機(jī)分辨空間連續(xù)點(diǎn)的能力。貼裝機(jī)的分辨率由定位驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上的旋轉(zhuǎn)位置或線性位置檢測(cè)裝置的分辨率來決定，它是貼裝機(jī)能夠分辨的距離目標(biāo)位置最近的點(diǎn)。分辨率用來度量貼裝機(jī)運(yùn)行時(shí)的最小增量，是衡量機(jī)器本身精度的重要指標(biāo)，例如絲杠的每個(gè)步進(jìn)為0.01mm，那么該貼裝機(jī)的分辨率為0.01mm。但是，實(shí)際貼裝精度包括所有誤差的總和，因此，描述貼裝機(jī)性能時(shí)很少使用分辨率，一般在比較不同貼裝機(jī)的性能時(shí)才使用它。
重復(fù)精度描述貼片頭重復(fù)返回標(biāo)定點(diǎn)的能力。通常采用雙向重復(fù)精度的概念，它定義為“在一系列試驗(yàn)中，從兩個(gè)方向接近任一給定點(diǎn)時(shí)，離開平均值的偏差”
貼片速度：影響貼裝機(jī)貼裝速度的因素有許多，例如PCB板的設(shè)計(jì)質(zhì)量、元器件供料器的數(shù)量和位置等。一般高速機(jī)貼裝速度高于0.2s/Chip元件，目前最高貼裝速度為0.06s/Chip元件;高精度、多功能機(jī)一般都是中速機(jī)，貼裝速度為0.3~0.6s/Chip元件左右。貼裝機(jī)速度主要用以下幾個(gè)指標(biāo)來衡量。
貼裝周期：指完成一個(gè)貼裝過程所用的時(shí)間，它包括從拾取元器件、元器件定心、檢測(cè)、貼放和返回到拾取元器件的位置這一過程所用的時(shí)間。
貼裝率：指在一小時(shí)內(nèi)完成的貼裝周期數(shù)。測(cè)算時(shí)，先測(cè)出貼裝機(jī)在50mm×250mm的PCB板上貼裝均勻分布的150只片式元器件的時(shí)間，然后計(jì)算出貼裝一只元器件的平均時(shí)間，最后計(jì)算出一小時(shí)貼裝的元器件數(shù)量，即貼裝率。目前高速貼片機(jī)的貼裝率可達(dá)每小時(shí)數(shù)萬片。
生產(chǎn)量：理論上每班的生產(chǎn)量可以根據(jù)貼裝率來計(jì)算，但由于實(shí)際的生產(chǎn)量會(huì)受到許多因素的影響，與理論值有較大的差距，影響生產(chǎn)量的因素有生產(chǎn)時(shí)停機(jī)、更換供料器或重新調(diào)整PCB板位置的時(shí)間等因素。
適應(yīng)性：適應(yīng)性是貼裝機(jī)適應(yīng)不同貼裝要求的能力，包括以下內(nèi)容。
貼裝元器件種類廣泛的貼裝機(jī)，比僅能貼裝SMC或少量SMD類型的貼裝機(jī)的適應(yīng)性好。影響貼裝元器件類型的主要因素是貼裝精度、貼裝工具、定心機(jī)構(gòu)與元器件的相容性，以及貼裝機(jī)能夠容納供料器的數(shù)目和種類。一般高速貼片機(jī)主要可以貼裝各種SMC元件和較小的SMD器件(最大約25×30mm);多功能機(jī)可以貼裝從1.0×0.5mm~54×54mm的SMD器件(目前可貼裝的元器件尺寸已經(jīng)達(dá)到最小0.6×0.3mm，最大60×60mm)，還可以貼裝連接器等異形元器件，連接器的最大長度可達(dá)150mm。
貼裝機(jī)上供料器的容納量通常用能裝到貼裝機(jī)上的8mm編帶供料器的最多數(shù)目來衡量。一般高速貼片機(jī)的供料器位置大于120個(gè)，多功能貼片機(jī)的供料器位置在60~120個(gè)之間。由于并不是所有元器件都能包裝在8mm編帶中，所以貼裝機(jī)的實(shí)際容量將隨著元器件的類型而變化。
貼裝面積：由貼裝機(jī)傳送軌道以及貼裝頭的運(yùn)動(dòng)范圍決定。一般可貼裝的PCB尺寸，最小為50×50mm，最大應(yīng)大于250×300mm。
貼裝機(jī)的調(diào)整：當(dāng)貼裝機(jī)從組裝一種類型的電路板轉(zhuǎn)換到組裝另一種類型的電路板時(shí)，需要進(jìn)行貼裝機(jī)的再編程、供料器的更換、電路板傳送機(jī)構(gòu)和定位工作臺(tái)的調(diào)整、貼裝頭的調(diào)整和更換等工作。高檔貼裝機(jī)一般采用計(jì)算機(jī)編程方式進(jìn)行調(diào)整，低檔貼裝機(jī)多采用人工方式進(jìn)行調(diào)整。
�、� 貼片機(jī)的工作方式和類型
按照貼裝元器件的工作方式，貼片機(jī)有四種類型：順序式、同時(shí)式、流水作業(yè)式和順序-同時(shí)式。它們?cè)诮M裝速度、精度和靈活性方面各有特色，要根據(jù)產(chǎn)品的品種、批量和生產(chǎn)規(guī)模進(jìn)行選擇。目前國內(nèi)電子產(chǎn)品制造企業(yè)里使用最多的是順序式貼片機(jī)。
所謂流水作業(yè)式貼裝機(jī)，是指由多個(gè)貼裝頭組合而成的流水線式的機(jī)型，每個(gè)貼裝頭負(fù)責(zé)貼裝一種或在電路板上某一部位的元器件。
同時(shí)式貼裝機(jī)，也叫多貼裝頭貼片機(jī)，是指它有多個(gè)貼裝頭，分別從供料系統(tǒng)中拾取不同的元器件，同時(shí)把它們貼放到電路基板的不同位置上，如圖6.25 (c)所示。
順序-同時(shí)式貼裝機(jī)，則是順序式和同時(shí)式兩種機(jī)型功能的組合。片狀元器件的放置位置，可以通過電路板作X-Y方向上的移動(dòng)或貼裝頭作X-Y方向上的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，也可以通過兩者同時(shí)移動(dòng)實(shí)施控制，如圖6.25(d)所示。
如果對(duì)貼片機(jī)性能有比較深入的了解，就能夠在購買設(shè)備時(shí)獲得更高的性能-價(jià)格比。例如，要求貼裝一般的片狀阻容元件和小型平面集成電路，則可以選購一臺(tái)多貼裝頭的貼片機(jī);如果還要貼裝引腳密度更高的PLCC/QFP器件，就應(yīng)該選購一臺(tái)具有視覺識(shí)別系統(tǒng)的貼片機(jī)和一臺(tái)用來貼裝片狀阻容元件的普通貼片機(jī)，配合起來使用。供料系統(tǒng)可以根據(jù)使用的片狀元器件的種類來選定，盡量采用盤狀紙帶式包裝，以便提高貼片機(jī)的工作效率。
