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Surface Mount Technology
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印刷
(Printing)

By Edward C. Nauss

  高产印刷的基本原则基础,就在于对印刷机的各个部分进行分析和优化,同时充分考虑印刷机的间接操作要素及所用材料。在开发高速表面组装生产线时,周期时间和总产量经常以理论时间为基础进行设计。

  印刷机决定着SMT组装线的速度与节奏。由于贴装速度不断提高,印刷机成了SMT组装线的瓶颈。经实验研究开发,印刷机已经获得了长足进展,可与高产组装要求相匹配;现在每个印刷周期时间平均约为20秒种。如要进一步减少印刷周期时间,就需要进行周期时间分析,并使以下三部分最佳化:基础机械结构、间接操作要素及所用材料。通过对每一部分的组成成分的分析和研究,我们可以找出能同时维持最高生产量的最佳印刷周期时间。


操作、间接操作因素与材料

  当选择一台模板印刷机以满足下游设备的产量要求时,大多数人所说的周期时间是“非印刷时间”。这个数字应该用作比较印刷机可实现目标的指导数据。这一数字是以印刷机传送基板、使基板与模板对准、使基板朝向模板及离开模板移动,以及把基板传送至下游设备等方面的能力为基础的。这一数字并不能说明设备的间接操作功能,如印刷冲程和速度、擦净功能和频率、自动滴涂材料和频率以及时间许可时的印后检测。对工艺有影响的材料包括焊膏质量、模板和基板设计,直接影响到设备间接操作功能最终对总的周期时间会产生多大的影响,它们可以被看作周期时间方程式里的变数。当生产工程师对这三个部分进行单独考察,再将它们结合起来进行研究,就能得出实际的周期时间。


基础机械结构要求

  根据12秒的周期时间,印刷机的理论生产率是每天7200块电路板,每周36000块,每年187.2万块。根据这个生产率,机器的基本设计原则确定下来,以满足每天的生产率要求。违反该原则会影响印刷机的长期可靠性和精度。

  * 机架设计——机架应适合轴线运动。附加的轴速增加将引起机架挠曲,导致精度和可靠性损失。
  * 整体铸件设计——减少挠曲和减少维修、润滑的需要。
  * 维护方便——包括零部件的易于装卸,以使维修停机时间减至最少。
  * 底座小——使印刷机的尺寸最小(在满足功能要求的前提下),节省占地面积。
  * 兼容软件——印刷机装有多种运行软件,以便处理各种异常情况。设备应利用这些程序帮助产生最佳周期时间。


印刷机的操作速度

  为了确定印刷机的基础操作速度,第一步是忽略间接操作方面的参数,而只考虑传输、视觉和在印刷过程使用的操作系统。这是最终速度的基础,它将确保最终的实际产量。

  传输。为了确定所需的传输系统,不应该考虑使用单导轨,因为达不到印刷行程要求的距离,并且当下游存在延迟时就得停止印刷。三导轨系统(图 1)









在印刷周期中预装载基板,尽可能减小了至印刷位置的实际距离,且不受下游延迟的影响。双导轨传输系统(图2)能达到三导轨的生产量;而且使用户实现最大的柔性。印刷机结构设计既要适合单轨道,也要适应双轨道。印刷机的结构要能在这两种轨道上进行印刷,并能同时印刷主面和辅面,或能进行两种完全不同的印刷。选择合适的传输系统是关键,因为这将限制总的生产量。传输马达必须能控制产量,还能控制传输带的摩擦。


  处理系统。一旦装载了基板,按规程进行操作就非常关键了。这包括基板在实际印刷过程中如何制动、如何定位和如何支撑。定位有两种选择:光学定位和机械定位。光学定位较合宜,但可能会引起整个行程和定位的延迟。机械定位可以达到最大的传输速度,而不致超出行程,并能使基板最精确地定位至支撑结构处。机械限位开关应设置在摄像机部位,这样摄象机轴的移动最小,就能使基板对准模板。对于高产印刷来说,采用专用工夹具,可以是单面的,也可为双面的,以使基板夹持最佳为准。大多数高速生产线是为精细专用产品设计的,一般不更换品种。基板夹持一般选择真空和夹具。当基板厚度为≤1.02mm(0.040")时要求采用真空夹持,不过在基板从模板中分离时要避免采用真空夹持。用夹具进行边夹持,夹持力沿Y方向加到基板上时,再行顶面夹持可能引起基板翘曲。

  视觉系统。视觉系统需满足±0.03mm(±0.0005")的重复精度(6Σ)要求。在X和Y轴上的光电编码器确保摄像机的位置精度。采用直射和散射光线克服各种因素的干扰,视觉识别必须能识别基准标志。必须避免与由于视觉光源系统问题引起的基准误差有关的停机。摄像机的安装位置和摄像路径对周期时间也很关键。如果摄像机的安装位置合适,就会使基板定位和对准前后摄像机的行程距离最短。基板一旦定位,摄像路径就应能取最短的距离到达第一和第二基准。如果摄像机的安装位置在基板的右上方(图3),基准位置就应在基板的左下方和右上方。

  下一步是用秒表观测印刷机的基本操作。将印刷过程分成两步,按工步标定周期时间。观测每个工位的延迟时间,并确定可对哪一工步进行改进。根据情况调节传输系统的定时器,最终得到合适的周期时间。


间接操作速度

  现在基本操作速度已经最佳化,正确的机器设置基本操作速度应该在10秒以下。间接操作的最佳化包括印刷头、擦净器、滴涂器和检测。

  印刷头。为了确保印刷头以均一的压力通过印刷冲程,必须采用闭环反馈系统。冲程开始和结束位置应该尽可能接近开口,采用刮刀叶片以防多余焊膏进入开口。最好采用金属叶片,因为它能保持均匀的边缘和印刷角度。所用材料将决定叶片运行的速度。焊膏典型的印

  刷速度为每秒25.4mm~50.8mm(1-2");但有些焊膏也允许在每秒110.6mm-152mm(4-6")范围内。当印刷速度接近限制界限时,工艺窗口更小。由于焊膏中焊剂量不变,溶剂蒸发,会引起质量问题。如表所示,速度增加,周期时间减少,印刷缺陷风险增加。

  擦净器。焊膏的好坏、基板与模板的相互作用会直接影响擦净器的频率及功能。基板和模板底面密封如何对擦净器频率至为关键。擦净频率应该在每15次至25次印刷之间。另外,擦净频率还与焊膏性能特别是溶剂性能有关。

  焊膏滴涂器。对于高产应用,采用1200g的双管焊膏滴涂器,更换滴空管的时间损失最少。滴涂速率以实际用量及翻滚到印刷面积之外的焊膏量为基础。使用滴涂器的目的是在所有时间里模板上都有适量的焊膏。这就需要进行优选,以增加两次滴涂之间的时间。滴涂速率取决于设计和实际消耗量;对于标准SMT应用,典型滴涂速率是50~100块印板。而对于通孔施膏应用,典型滴涂速率为50块印板。

  检测。对于高产印刷,联机在线自动光学检测(AOI)系统是最佳选择,因为印刷机的检测系统将影响印刷周期时间。生产率提高的同时,更多的产品生产出来,也会有更多的缺陷未被检测出来。即使不考虑检测率,减少周期时间,印刷机也能执行更多的检测,而这将直接影响生产率。


材料和间接操作速度

  印刷机的使用情况和印刷工艺与所用材料的好坏直接相关。模板、焊膏和基板的质量直接影响组装质量,正如间接操作功能影响周期时间一样。

  印制电路板(PCB)应该遵守IPC焊盘设计规则,采用无保护涂层的裸铜焊盘。掩膜应不超过焊盘高度,并且分布在细间距器件(封装)之间。基准应该分布在四个角上(1.5mm圆形或正方形),但顶面和底面形状不同,以防止PCB装板不正确引起基准识别错误。

  可采用激光或其它技术切割模板。所有开孔应该大于1.5纵横比或0.66面积比。为高产环境购置模板时,应有一定量的备份,以便损耗时补充。

  焊膏不仅应适用于印刷机,也应适用于生产线的其它设备。焊膏的再流特性及在高速贴装期间粘附元器件的能力,是对焊膏的另一必要要求。对于印刷机来说,验明合适的焊膏颗粒尺寸以便与开口设计相匹配、焊膏是否具有优良的流变学性能和耐受高速的刮板速度的能力,都是很关键的。



   
结论

  优质高产的印刷要求对印刷机的每个部分进行检验并优化。了解和掌握与周期时间有关的限制及问题,有助于用户编制出实用的周期时间和所需质量的工艺。假定周期时间为12秒,损失一秒种就意味着一年产量有14.4万块板的差别。


作者系EKRA America Inc.应用开发与销售工程部门负责人,联系方式:34 Saint Martin Dr., Marlborough, MA 01752


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