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SMT元件贴装

围绕元器件贴装的复杂问题包括设备的使用、产量、产品转换时间、占地空间限制、操作总成本以及新兴前沿技术等等。本文主要探讨影响元器件贴装的各种设备的一些特性。

  在过去的10年里,SMT贴装机分为以下四种类型:
   * 传统转盘式贴片机,其体积大、可靠性高,但适应性很差;
   * 产量很高、适应性差的多轴吸管式贴装机;
   * 精密低速门吊型柔性贴装机(SMC和异型);
   * 坚固的海量贴装系统。

  高产并不一定意味着适应性差,而小型的、柔性的贴装系统也并不一定意味着低产。混合型厂商提供的“最佳类型”的组装线并不意味着实际组装过程和结果最佳。今天,倒装片和CSP等先进技术正在变成板级电路组装的主流技术,这就促使一些专业化导向的推广专用设备的供应商接触原本毫不相干的业务范围。设备的最终用户也完全没有必要一直使用专用装配线的配置,仅仅因为它在最初采购时是如此配置好的,而且很难改变,或者改变费用昂贵。高精度并不意味着低的节拍时间。究竟需要多高的精度来实现这类元器件的组装特征以获得可接受的产量呢?

  实际上用户总是受先进封装技术、影响后勤支撑和基础结构设置的制造作业战略,以及诸如操作总成本、由于一次通过率差引起的返修成本和与新产品的时间-市场因素相关的机会成本等因素的驱动。当产能计划根本付之阙如,且应用水平总是低于40%时,就必须做出调整了。

产量和质量效应

 转盘式射片机存在的固有问题,与以机器设计基本原理为基础的速度和精度有关。随着器件尺寸的变化,转盘速度进而贴装率必须改变,以便与不同元器件和喂料器的结构相适应。尽管图1看上去令人费解,实际情况可能还要糟糕。图中表示出的一个使人迷惑的事实是,如果在转盘上出现一个大的元器件,所有其它元器件的贴装速度也必须慢下来;否则,贴装的可靠性就会受到影响。实质上,转盘上的其他元器件都受最慢的元器件的处理速度控制。这种情况由于在大间隙机械传动的带盘喂料器上要求的多检索作业而进一步加剧,如图1中凹陷的低谷部位所示。记住以下这点也很重要,传统射片机主要受带盘或散装元器件供料的限制,这是柔性贴装的关键影响因素。
  在选用任何一种细间距器件后,相配套的生产线的平衡就成了重要的问题。决定哪些元器件放在哪台贴装机上,要想获得最优化和平衡的生产线,关键的努力就在于此。假如结合更多品种,问题就更加严重。总之,贴装速度由元器件尺寸决定,并且元器件尺寸和贴装速度之间的关系不是线性的。这将使组装线的平衡和最优化变得更加复杂和艰难。

  转盘式射片机经过较长时间的使用,由于零部件开始磨损,也会出现元器件拾取和贴装精度问题。由于丝杠和凸轮表面开始磨合(或磨损),X-Y工作台、转盘贴装头、θ旋转、带盘丝杠之间的公差关系,基准识别能力等等这些影响精度的因素相叠加,使得目标贴装或拾取点出现偏差。结果拾取和贴装精度恶化(图2)。这对于大的元器件可能不是什么问题,但当贴装0402、0201甚至01005无源元件时,它们就会带来麻烦。

  门吊式贴装机则有其自身独特的问题。尽管与转盘式贴装机不完全相同,还是产生了其专有的问题。为了获得可能的最佳节拍时间,必须对它进行设置以激励“排队拾取”的发生。换言之,喂料器和元器件必须准确定位,以使拾取吸嘴的移动间隔严格地与喂料器的间隔相一致。人们还必须推测这对优化工艺的影响和机器仅靠简单设置处理多种产品的内在能力。随着贴装头和吸嘴数目的增加,这一特点为工艺最佳化和生产线的平衡造成了更多困难。最后,喂料器的性能以及用于元器件光学对中的摄像机视场的数目对贴装工艺将有一定影响。因此,对于同一种元器件经常要求多个喂料器,以实现最佳性能,而这将减少单一元器件的喂料次数而大大增加用户成本。

  门吊式贴装机的拾取精度受其机械结构影响。虽然在慢速单一拾取方式中,贴装机能获得精细的结果,但当产品传送至贴装平台,传统的门吊吸管式贴装机的固有缺陷就变得明显了。拾取精度变成了从喂料器定位开始的累积公差的函数。在传统的转盘式贴装机中,它受喂料器架的移动和公差的影响。在门吊式贴装机中,由于采用生产速度联动的拾取方式,精确拾取受六个关键因素影响。首选两个因素是带卷位置的可重复性和喂料器定位的可重复性。

  影响拾取精度的第三个关键因素是带卷凹壳中元器件的位置。对于较大的元器件,如0603型,问题不大,而对于0402、0201或01005这类元件,公差会接近元件体宽度的50%,就要求采用不同的技术以确保正确的拾取。影响传统门吊式贴装机的拾取可靠性的第四个因素是轴本身偏转。在贴装头中轴越多,该问题的处理难度就越大。

   影响拾取可靠性相关的第五个因素是贴装头对喂料器拾取中心线的平行度。影响拾取可靠性的最后一个关键因素与可在贴装机上贴装的特定元器件类型的限制有关。这一因素可以削减贴装机上特定元器件的数目的60%,从而大大限制贴装机的适应性。

   虽然有以上缺陷,但门吊式贴装机在通用性和贴装精度方面,能够提供优良的性能。贴装时电路板在X和Y轴方向不移动,这就使得大的细间距器件或裸芯片、微型BGA或CSP型器件在贴装周期位移的变化减至最小。在门吊式贴装机上,这些特性可能会被由“排队拾取”、多个摄像选择、多贴装头选择、要求多个喂料器类型以及其它选项所提出的贴装机类型的最佳化和生产线的平衡所掩盖。所有这些问题都必须认真加以考虑,以便获得最佳的生产量。这种情况由于上位机和下位机的软件之间的不一致性,变得更加复杂。

  组合式贴装机综合了转盘式和门吊式贴装机的优点。如果组合合理的话,这一类型的贴装系统将不会呈现图3所示的负面性能特征,能够提供最高的拾取精度、特定元器件的喂料、最佳贴装精度和控制、异形元器件组装线的适应性以及组件高质量。另外,组合型贴装系统具有模块结构的优点并增加了功能部件,这样能组装全部类型的元器件,而不会出现性能降级。当今高精度组合型贴装系统单个模块的节拍时间为10~60KCph。这种贴装机的每个模块的可量测性,与其轻重量、在用户工厂移动的便利性和无需重新校准诸特征相结合,使得工厂组装能力的再组合变得非常容易。采用多功能喂料器进一步提高了组装线的适应性,实现多机组装所要求的喂料器的总数减至最小,并最终降低了用户成本(图4)。

  组合型贴装机上的贴装头常称为转轮式贴装头,这里影响贴装率的关键因素是贴装头转轮的直径,转轮会把离心力施加到被贴的元器件上。转轮的直径越大,贴装头的旋转就要越慢,以防止离心力的负面影响。因此,在传统的较大型转盘式射片机上,较大元器件的重量对贴装离心力产生同样的负面影响。尺寸因素会减少相关公差的机械放大作用,因此必须改善拾取和贴装精度。这种贴装机能从单喂料器上拾取“贴装头负载”范围内的多个元器件且不减速,在贴装机上能装多种类型的元器件,因为它有许多喂料器架位。

  备用贴装头也可用于细间距贴装和先进技术的应用,安装相应的组合式贴装头,例如抓手,定做的吸嘴,获得最终的贴装控制,而不会削弱组合型贴装系统的优点。关键是贴装机所必需的贴装元器件的能力,以及尽可能地实现最高程度的模块重叠,贴装范围更为广泛的元器件。

结论

  元器件处理影响设备的利用、生产量、转换时间占地空间的限制、操作总成本以及新兴前沿技术的影响。当前先进的组合型贴装系统是贴装设备是值得考虑的有价值的解决方案。

作者系Americas 公司销售和服务副总经理,联系方式:Siemens Dematic Electronics Assembly Systems Inc.3140 Northwoods Pkwy,Suite 300,Norcross,GA30071;(770)797-3060;Fax(770)797-3432;E-mail:Jeffrey.timms@ siemens.com.

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