SMT設(shè)備之元器件貼裝機
用貼裝機或人工的方式，將SMC/SMD準確地貼放到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)該考慮三個要素：貼裝元器件的正確性、貼裝位置的準確性和貼裝壓力(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、標稱值和極性等特征標記，都應(yīng)該符合產(chǎn)品裝配圖和明細表的要求。
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，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齊、居中。因為再流焊時的自定位效應(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
① 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發(fā)生橫向移位(規(guī)定元器件的長度方向為“縱向”)，合格的標準是：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發(fā)生縱向移位，合格的標準是：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發(fā)生旋轉(zhuǎn)偏移，合格的標準是：D3≥焊端寬度的75%;否則為不合格。
(e)圖表示元器件在貼裝時與焊錫膏圖形的關(guān)系，合格的標準是：元件焊端必須接觸焊錫膏圖形;否則為不合格。
② 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。
⑤ 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。
⑶ 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產(chǎn)生位置移動。
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，使再流焊時產(chǎn)生橋接，同時也會造成器件的滑動偏移，嚴重時會損壞器件。
⑶ 自動貼片機的主要結(jié)構(gòu)
片狀元器件貼裝機，又稱貼片機。自動貼片機相當于機器人的機械手，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)貼片機的廠家很多，其型號和規(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)動定位裝置、貼裝工具(吸嘴)、計算機控制系統(tǒng)等。為適應(yīng)高密度超大規(guī)模集成電路的貼裝，比較先進的貼裝機還具有光學檢測與視覺對中系統(tǒng)，保證芯片能夠高精度地準確定位。
① 設(shè)備本體
貼片機的設(shè)備本體是用來安裝和支撐貼裝機的底座，一般采用質(zhì)量大、振動小、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，是貼裝機上最復雜、最關(guān)鍵的部分，它相當于機械手，它的動作由拾取-貼放和移動-定位兩種模式組成。第一，貼裝頭通過程序控制，完成三維的往復運動，實現(xiàn)從供料系統(tǒng)取料后移動到電路基板的指定位置上。第二，貼裝頭的端部有一個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)用機械爪結(jié)構(gòu)拾放。當換向閥門打開時，吸嘴的負壓把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;當換向閥門關(guān)閉時，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驅(qū)動、通過機械絲杠傳輸力矩，磁尺和光柵定位的精度高于絲杠定位，但后者容易維護修理。
③ 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，為貼裝頭提供新的待取元件。
④ 電路板定位系統(tǒng)
在計算機控制系統(tǒng)的操縱下，電路板隨工作臺沿傳送軌道移動到工作區(qū)域內(nèi)，并被精確定位，使貼裝頭能把元器件準確地釋放到一定的位置上。精確定位的核心是“對中”，有機械對中、激光對中、激光加視覺混合對中以及全視覺對中方式。
⑤ 計算機控制系統(tǒng)
目前大多數(shù)貼片機的計算機控制系統(tǒng)采用Windows界面。可以通過高級語言軟件或硬件開關(guān)，在線或離線編制計算機程序并自動進行優(yōu)化，控制貼片機的自動工作步驟。每個片狀元器件的精確位置，都要編程輸入計算機。具有視覺檢測系統(tǒng)的貼裝機，也是通過計算機實現(xiàn)對電路板上貼片位置的圖形識別。
⑷ 貼片機的主要指標
衡量貼片機的三個重要指標是精度、速度和適應(yīng)性。
精度與貼片機的對中方式有關(guān)，其中以全視覺對中的精度最高。一般來說，貼片的精度體系應(yīng)該包含三個項目：貼裝精度、分辨率、重復精度，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。平移誤差主要因為X-Y定位系統(tǒng)不夠精確，旋轉(zhuǎn)誤差主要因為元器件對中機構(gòu)不夠精確和貼裝工具存在旋轉(zhuǎn)誤差。定量地說，貼裝SMC要求精度達到±0.01mm，貼裝高密度、窄間距的SMD至少要求精度達到±0.06mm。
分辨率是描述貼裝機分辨空間連續(xù)點的能力。貼裝機的分辨率由定位驅(qū)動電機和傳動軸驅(qū)動機構(gòu)上的旋轉(zhuǎn)位置或線性位置檢測裝置的分辨率來決定，它是貼裝機能夠分辨的距離目標位置最近的點。分辨率用來度量貼裝機運行時的最小增量，是衡量機器本身精度的重要指標，例如絲杠的每個步進為0.01mm，那么該貼裝機的分辨率為0.01mm。但是，實際貼裝精度包括所有誤差的總和，因此，描述貼裝機性能時很少使用分辨率，一般在比較不同貼裝機的性能時才使用它。
重復精度描述貼片頭重復返回標定點的能力。通常采用雙向重復精度的概念，它定義為“在一系列試驗中，從兩個方向接近任一給定點時，離開平均值的偏差”
貼片速度：影響貼裝機貼裝速度的因素有許多，例如PCB板的設(shè)計質(zhì)量、元器件供料器的數(shù)量和位置等。一般高速機貼裝速度高于0.2s/Chip元件，目前最高貼裝速度為0.06s/Chip元件;高精度、多功能機一般都是中速機，貼裝速度為0.3~0.6s/Chip元件左右。貼裝機速度主要用以下幾個指標來衡量。
貼裝周期：指完成一個貼裝過程所用的時間，它包括從拾取元器件、元器件定心、檢測、貼放和返回到拾取元器件的位置這一過程所用的時間。
貼裝率：指在一小時內(nèi)完成的貼裝周期數(shù)。測算時，先測出貼裝機在50mm×250mm的PCB板上貼裝均勻分布的150只片式元器件的時間，然后計算出貼裝一只元器件的平均時間，最后計算出一小時貼裝的元器件數(shù)量，即貼裝率。目前高速貼片機的貼裝率可達每小時數(shù)萬片。
生產(chǎn)量：理論上每班的生產(chǎn)量可以根據(jù)貼裝率來計算，但由于實際的生產(chǎn)量會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)時停機、更換供料器或重新調(diào)整PCB板位置的時間等因素。
適應(yīng)性：適應(yīng)性是貼裝機適應(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，比僅能貼裝SMC或少量SMD類型的貼裝機的適應(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、定心機構(gòu)與元器件的相容性，以及貼裝機能夠容納供料器的數(shù)目和種類。一般高速貼片機主要可以貼裝各種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150mm。
貼裝機上供料器的容納量通常用能裝到貼裝機上的8mm編帶供料器的最多數(shù)目來衡量。一般高速貼片機的供料器位置大于120個，多功能貼片機的供料器位置在60~120個之間。由于并不是所有元器件都能包裝在8mm編帶中，所以貼裝機的實際容量將隨著元器件的類型而變化。
貼裝面積：由貼裝機傳送軌道以及貼裝頭的運動范圍決定。一般可貼裝的PCB尺寸，最小為50×50mm，最大應(yīng)大于250×300mm。
貼裝機的調(diào)整：當貼裝機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，需要進行貼裝機的再編程、供料器的更換、電路板傳送機構(gòu)和定位工作臺的調(diào)整、貼裝頭的調(diào)整和更換等工作。高檔貼裝機一般采用計算機編程方式進行調(diào)整，低檔貼裝機多采用人工方式進行調(diào)整。
⑸ 貼片機的工作方式和類型
按照貼裝元器件的工作方式，貼片機有四種類型：順序式、同時式、流水作業(yè)式和順序-同時式。它們在組裝速度、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。
所謂流水作業(yè)式貼裝機，是指由多個貼裝頭組合而成的流水線式的機型，每個貼裝頭負責貼裝一種或在電路板上某一部位的元器件。
同時式貼裝機，也叫多貼裝頭貼片機，是指它有多個貼裝頭，分別從供料系統(tǒng)中拾取不同的元器件，同時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-同時式貼裝機，則是順序式和同時式兩種機型功能的組合。片狀元器件的放置位置，可以通過電路板作X-Y方向上的移動或貼裝頭作X-Y方向上的移動來實現(xiàn)，也可以通過兩者同時移動實施控制，如圖6.25(d)所示。
如果對貼片機性能有比較深入的了解，就能夠在購買設(shè)備時獲得更高的性能-價格比。例如，要求貼裝一般的片狀阻容元件和小型平面集成電路，則可以選購一臺多貼裝頭的貼片機;如果還要貼裝引腳密度更高的PLCC/QFP器件，就應(yīng)該選購一臺具有視覺識別系統(tǒng)的貼片機和一臺用來貼裝片狀阻容元件的普通貼片機，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，以便提高貼片機的工作效率。
