《贴片技术》PPT课件

第六章贴片技术6.1贴片贴技术是SMT产品组装生产中的关键。一般情况下，焊膏印刷及再流焊一次就可完成整个PCB的印刷及焊接，而SMC/SMD的贴装都要采用贴片机自动进行，贴片机往往需要对SMD一片一片地贴装，所以贴片机所具有的技术性能直接会影响生产效率及质量，贴片机是SMT产品组装生产线中核心的、关键的设备，它决定着电子产品组装技术中的自动化程度。贴片设备的先进程度从根本上决定了贴片工艺的两个要求：贴装准确度高和贴片率高。6.1.1贴片贴片就是将SMC/SMD等表面贴装元器件从其包装结构中取出，然后贴放到PCB的指定焊盘位置上，英文将这一过程称为“PickandPlace”。当然所贴放的焊盘位置需是已涂敷了锡膏，或虽未涂敷锡膏，但在元器件所覆盖的PCB板面上已涂敷了贴片胶。贴放后，元器件依靠锡膏或贴片胶的粘附力初粘在指定的焊盘位置上。6.1.2贴片的基本过程用贴片机来实现贴片任务的基本过程是：1．PCB送入贴片机的工作台，经光学找正后固定；2．送料器将待贴装的元器件送入贴片机的吸始工位，贴片机吸拾头以适当的吸嘴将元器件从其包装结构中吸取出来；3．在贴片头将元器件送往PCB的过程中，贴片机的自动光学检测系统与贴片头相配合，完成对元器件的检测、对中校正等任务；4．贴片头到达指定位置后，控制吸嘴以适当的压力将元器件准确地放置到PCB的指定焊盘位置上，元器件同时为已涂布的焊锡膏、贴片胶粘住；5．重复上述第2—4步的动作，直道将所有带贴装元器件贴放完毕，上面带有元器件的PCB板被送出贴片机，整个贴片机工作便全部完成。下一个PCB又可送进到工作台上，开始新的贴放工作。视频1视频2贴装技术原理贴片过程示意图如图所示：1．贴片头从机器人的概念来说，贴片头就是一只智能的机械手，通过程序控制，自动校正位置，按要求拾取元器件，精确地贴放到预置的焊盘上，完成三维的往复运动。它是贴片机上最复杂、最关键的部分。贴片头由吸嘴、视觉对位系统、传感器等部件组成。(1)吸嘴。贴片头的端部有一个用真空泵控制的贴装工具，即吸嘴。不同形状、不同大小的元器件往往采用不同的吸嘴拾放，如图6．6所示。当真空产生之后，吸嘴的负压把SMD元件从供料系统(散装料仓、管状料斗、盘状纸带或托盘包装)中吸上来。(2)视觉对位系统随着电子产品对小、轻、薄和高可靠性的需求不断提高，只有对细间距元器件的精确贴装，才能确保表面组装器件贴装的可靠性，为了获得满意的细间距元器件的贴装精度，视觉系统就成为高精度贴片机的重要组成部分。机器的视觉系统由视觉硬件和视觉软件两大部分组成。摄像机是视觉系统影像的传感部件，每个像元产生的模拟电信号经过模数转换变成O～255之间的某一数值，并传送到计算机。摄像机获取的大量信息由微处理机处理，处理结果由显示器显示。摄像机与微处理机、微处理机与执行机构及显示器之间由通信电缆连接。飞行视觉对中系統底部的镜头可对中元件功能强大的视觉对中系统软件具有自动识别PCB参考点的功能转塔式贴片头转塔式贴片头在贴片过程中不更换吸嘴，机器上也不设吸嘴更换器，生产中换程序时间短，大大提高了贴片速度和生产效率，达到很高的产能，广泛应用于高速贴片机。环球公司4797L高速机采用的就是这种贴片头，图是转塔式贴片头工作位置俯视示意图。转塔式贴装头各站功能转塔式贴装头各站功能：；HSP4797装各有12个贴装头，每个头上有5个吸嘴，其各站功能如图所示。图转塔式贴片头各位置的作用（1）ST1●检查元件是否吸到元件，元件的厚度是否超过站立值，元件的厚度是否小于最小厚度值当检查到吸嘴没有吸到元件时，关闭贴装头上的真空电子阀。●在做示教过程中检查吸嘴高度。（2）ST2：只做衔接。（3）ST3：元件识别照相机的镜头，X/Y轴根据贴装头偏置，吸嘴中心偏置值移动到拍摄照片的位置拍摄照片。（4）ST3～4：●检查吸嘴上是否有元件识别后的分析处理照片。计算出在贴装该元件时，要对X、Y和角度补偿。在该元件识别达到一定次数时，要计算出它的供料器偏置值并保存这个值。●在示教时要进行相机读取元件及吸嘴偏置等补偿。（5）ST4～6吸嘴旋转到贴装角度同时做元件识别时发生角度的偏差进行补偿。ST6：X/Y贴装台移动到贴装位置（这时要进行在识别元件时发现的X/Y偏差的补偿和在程序中设定的手动偏置和生产数据中的整体补偿值等偏置值的补偿），打开控制贴装头下降的汽缸，当贴装头下降到贴装高度时关闭真空电子阀；打开吹气电子阀吹气贴装元件（在这过程中，要进行元件库的拾取高度补偿和程序中的PCB高度偏置值等参数的补偿）。（6）ST7：贴装头回原点（当需要切换吸嘴时）。（7）ST8：在发生拾取高度错误或元件错误时，给贴装头吹气把元件抛到废料盒中，还要检查贴装头上正使用的吸嘴的高度（BPH29）。（8）ST8～10：打开控制贴装头切换吸嘴的汽缸，以便让贴装头自身切换吸嘴。待贴装头的吸嘴切换到正确位置（低位置是在12点钟的位置，高位置是在6点钟的位置），打开控制贴装头旋转的汽缸并锁住贴装头切换吸嘴以便做以下几个ST的动作。（注意：高位置是指吸嘴处于不被选用。高低位置的切换是根据元件库中的“t”值来决定。低位置：0＜t＜2.，5；高位置：2.5≤t≤6.5。）（9）5710：检查贴装头上所有吸嘴的位置是否正确（正在使用的吸嘴和没有使用吸嘴）。（10）BPH15：检查正在使用吸嘴的位置是否在Lowlevel。（11）BPH16：检查正在使用吸嘴的位置是否在Highlevel。（12）SPH17～18：检查没使用吸嘴的位置是否在Storagelevel。（13）ST10～12：贴装头上正在使用的吸嘴由12点钟的位置或6点钟的位置转到3点钟位置（在这期间要补偿供料器偏置值的“Y”和元件库中取料位置中的Y方向值）。（14）ST12：取料位，供料平台移到指定的站位（与此同时，对供料器偏置X值和元件库中的取料位置的X值进行补偿，还要检查料是否用完元件用尽检测，打开控制压料杆的汽缸。压料杆开始下降压料送料，与此同时，切刀剪去多余的料带并把多余的料带吸走；打开控制贴装头下降的汽缸，贴装头开始下降。在下降到取料位置的时候打开头上的真空电子阀开始取料（这时要对供料器“L”值和元件库中的拾取高度进行补偿）。(3)传感器。为了使贴片头各机构能协同工作，贴片头安装着多种形式的传感器，它们像贴片机的眼睛一样，时刻监督机器的运转情况，并能有效地协调贴片机的工作状态。传感器应用越多，表示贴片机的智能化水平越高。贴片机中的传感器主要有压力传感器、负压传感器和位置传感器等。①压力传感器。随着贴片速度及精度的提高，对贴片头将元器件贴放到PCB上的“吸放力”的要求越来越高，这就是通常所说的“软着陆功能”，它是通过霍尔压力传感器及伺服电动机的负载特性来实现的。元器件放置到PCB的瞬间会受到振动，其振动能力及时传送到控制系统，通过控制系统的调控再反馈到贴片头，从而实现软着陆功能。具有该功能的贴片头在工作时，给人的感觉是平稳轻巧，若进一步观察，则元器件两端浸到焊膏巾的深度大体相同，这对防止出现立碑等焊接缺陷也是非常有利的。不带压力传感器的贴片头则会出现错位以致飞片现象。②负压传感器。贴片头上的吸嘴靠负压吸取元器件、它由负压发生器及真空传感器组成。负压不够，将吸不住元器件，进料器没有元器件或元器件卡在料包中不能被吸起时，吸嘴将吸不到元器件，这些情况的出现会影响机器正常工作。而负压传感器始终监视负压的变化，出现吸不到或吸不住元器件的情况时，它能及时报警，提醒操作者更换进料器或检查吸嘴负压系统是否正常。③位置传感器。PCB的传输定位，包括PCB的计数、贴片头和丁作台运动的实时榆测、辅助机构的运动等，都对位置有严格的要求，这些位置要求通过各种形式的位置传感器来实现。④图像传感器。贴片机工作状态的实时显示，主要采用CCD图像传感器。它能采集各种所需的图像信号，包括PCB位置、元器件的尺寸，并经过计算机分析处理，使贴片头完成调整与贴片工作。⑥区域传感器。贴片机在工作时，为了使贴片头安全运行，通常在贴片头的运动区域内设有传感器，利用光电原理监控运行空间，以防外来物体带来伤害。⑤激光传感器。激光己广泛地应用在贴片机中，它能帮助判别元器件引脚的共面性。当被测元器件运行到激光传感器的监测位置时，激光发出的光束照射到IC引脚并反射到激光读取器上，若反射回来的光束长度同发射光束相同，则器件共面性合格；当不相同时，则由于引脚上翘，使反射光束变长，激光传感器从而识别出该元器件引脚存在缺陷。同样，激光传感器还能识别元器件的高度，这样能缩短生产预备时间。4、贴片机视觉对中系统   视觉系统在成功的贴装设备中扮演着一个重要的角色。高度精确的光学装置、灵活的照明和高解析度的摄像机集成出最佳的电路和器件的图像，所以通过现代化的算法能够获得至关重要的需要修正电路板、元器件和供料装置变化的反馈。通过采用先进的视觉技术装置，可以达到较高水平的贴装速率，降低拾取中所发生的缺陷，从而有利于提高整条生产线上的生产量，增加经济效益。视觉系统一般分为俯视、仰视、头部或激光对齐，视位置或摄像机的类型而定。图5展示出了一个典型的贴片视觉对中系统。（1）俯视摄像机安装在贴片头上，用来在电路板上搜寻目标（称作基准），以便在贴装前将电路板置于正确位置。   （2）仰视摄像机用于在固定位置检测元件，一般采用CCD技术。在安装之前，元件必须移过摄像机上方，以便做视觉对中处理。粗看起来，好象有些耗时。但是，由于贴片头必须移至送料器收集元件，如果摄像机安装在拾取位置（从送料处）和安装位置（板上）之间，视像的获取和处理便可在安装头移动的过程中同时进行，从而缩短贴装时间。目前的CCD硬件性能都具备相当的水平。在CCD硬件开发方面，前些时候开发了“背光”（Back-Lighting）及“前光”（Front-Lighting）技术（如图6），以及可编程的照明控制，以更好应付各种不同元件贴装的需要。例如阻容类等简单元件从后面照明，视觉系统仅识别本体轮廓就可可靠对中。相反，QFP等密引脚元件最好是前光照明，将完整的分布在包装体四周的引脚显示出来，以便视觉系统可靠识别对中。有些BGA在元件底面有可见的走线，可能混淆视觉系统，这些元件要求侧面照明系统。它将从侧面照明锡球，而不是底面的走线，因此视觉系统可检查锡球分布，正确地识别元件。(3）头部摄像机直接安装在贴片头上，一般采用line-sensor技术，在拾取元件移到指定位置的过程中完成对元件的检测，这种技术又称为“飞行对中技术”，它可以大幅度提高贴装效率。该系统由两个模块组成：一个模块是由光源与镜头组成的光源模块。光源采用发光二极管（LED）与散射透镜，光源透镜组成光源模块。另一个模块为接受模块，采用LineCCD及一组光学镜头组成接受模块。此两个模块分别装在贴片头主轴的两边，与主轴及其它组件组成贴片头，如图7。贴片机有几个贴片头，就会有相应的几套系统。（4）激光对齐是指从光源产生一适中的光束，照射在元件上，来测量元件投射的影响。这种方法可以测量元件的尺寸、形状以及吸嘴中心轴的偏差。这种方法快速，因为不要求从摄像机上方走过。但其主要缺陷是不能对引脚和密脚元件作引脚检查，对片状元件则是一个好选择。1990年代激光对位技术推出时只能处理7×7mm的元件，目前安必昂公司推出的第二代激光对位系统处理元件尺寸增至18×18mm，激光技术可识别更多的形状，精度也有显著的提高。6.2贴片设备6.2.1贴片机的基本组成贴片机是计算机控制，集光、电气及机械为一体的高精度自动化设备。它通过拾取、位移、对位、放置等功能，将SMC/SMD快速准确地贴放到PCB上指定的焊盘位置。目前，世界上生产贴片机的厂家有几十家，但常见的贴片机以日本和欧美的品牌为主，主要有SIEMENS（西门子）、PANASONIC（松下）、YAMAHA（雅马哈）、CASIO（卡西欧）、SONY（索尼）、FUJI（富士）等，型号规格也有很多。但无论如何，它们的总体结构均有类似之处，普通贴片机的外观如图所示贴片机的结构大体可分为机体、PCB传动装置、贴装头及其驱动定位系统、供料器、计算机控制系统等组成。为适应高密度超大规模集成电路的贴装，比较先进的贴片机还具有光学检测和视觉对中系统，保证元器件能够高精度地准确定位。图所示为贴片机的基本结构。1-供料器2-贴装头3-机体4-计算机控制。6.2.2贴片机的类型贴片机的分类没有固定的格式，按照不同的目的，贴片机有不同的分类方法。1．按贴片方式分类这种分类方法在现实生产中不太常用，仅用于理论分析，按贴片方式分类，可将贴片机分成顺序式、在线式、同步式和同时/在线式4种类型，特点和应用范围见表。2．按贴片速度（贴片率）分类按贴片速度分类，贴片机可分为低速、中速、高速和海量贴片系统（贴片率大于2万只/h）。（1）低速贴片机低速贴片机的贴片率低于3000只/h。贴装循环时间一般低于1s/点，一般适用于产品试制、新品开发、小批量生产及特殊SMC/SMD贴装。（2）中速贴片机中速贴片机的贴片率一般为3000—8000只/h，贴片循环时间一般在1-0.5s/点。它适用于SMC/SMD范围较宽，配件丰富，功能完善，具有较高的贴片精度，又具有一定的生产效率的场合。另外，设备的性能价格比较适中，是中小批量生产的优先选用设备。（3）高速贴片机高速贴片机的贴片率为8000只/h以上，贴片循环时间小于0.4s/点。它生产效率高，适宜大批量生产，特别适用于大量使用片式电容器、片式电阻器、小型SMD而少量使用特殊SMD的生产。3．按工作原理分类   目前贴片机结构大致可分为四种结构：拱架式、复合式、转塔式和大型平行系统。   （1）拱架型贴片机   拱架式机器是最传统的贴片机，具有较好的灵活性和精度，适用于大部分元件，高精度机器一般都是这种类型，但其速度无法与复合式、转塔式和大型平行系统相比。如日本松下公司的CM602贴片机（2）复合式贴片机复合式机器是从拱架式机器发展而来，它集合了转塔式和拱架式的特点，在动臂上安装有转盘，有两个带有12个吸嘴的旋转头元件送料器、基板（PCB）是固定的，贴片头（安装多个真空吸料嘴）在送料器与基板之间来回移动，将元件从送料器取出，经过对元件位置与方向的调整，然后贴放于基板上。由于贴片头是安装于拱架型的X/Y坐标移动横梁上，所以得名结构见图。（3）转塔型贴片机元件送料器放于一个单坐标移动的料车上，基板（PCB）放于一个X/Y坐标系统移动的工作台上，贴片头安装在一个转塔上，工作时，料车将元件送料器移动到取料位置，贴片头上的真空吸料嘴在取料位置取元件，经转塔转动到贴片位置（与取料位置成180度），在转动过程中经过对元件位置与方向的调整，将元件贴放于基板上，结构见图。（4）大型平行系统   大规模平行系统（又称模组机）使用一系列小的单独的贴装单元（也称为模组）。每个单元有自己的丝杆位置系统，安装有相机和贴装头。每个贴装头可吸取有限的带式送料器，贴装PCB的一部分，PCB以固定的间隔时间在机器内步步推进。单独地各个单元机器运行速度较慢，可是，它们连续的或平行的运行会有很高的产量。4．按价格分类按价格分类，可分为低档贴片机、中档贴片机和高档贴片机。低档贴片机价格从几万美元到10万美元，中档贴片机价格从10万美元到20万美元，高档贴片机价格高于20万美元。5．综合分类若综合各种情况，则可将贴片机分为小型机、中型机、大型机。一般小型机只能容纳15个SMC/SMD材料架，结构一般为台式，能自动或手动送料，贴片速度为低速；中型机能容纳20-30个料架，贴片速度有低速也有中速；大型贴片机能容纳50个以上的SMC/SMD料架，贴片速度有中速也有高速。6.2.3贴片机的工艺特性精度、速度和适应性是贴片机的三个最重要的特性。1．精度精度是贴装机技术规格中的主要数据指标之一，不同的贴装机制造厂家所使用的精度有不同的定义。一般来说，贴片的精度应包含以下三个项目：贴装精度；分辨率；重复精度（1）贴装精度（2）分辨率（3）重复精度2．贴片速度通常贴装机制造厂家在理想条件下测算出的贴装机速度，与使用时的实际贴装速度有一定差距。一般可以采用以下几种定义描述贴装机的贴装速度。（1）贴装周期（2）贴装率（3）生产量3．适应性适应性是贴装机适应不同贴装要求的能力。贴片机的适应性包括以下：（1）能贴装元器件类型（2）贴片机能容纳的供料器数目和类型（3）贴片机的调整6.2.4贴装的影响因素SMD在PCB上的贴装准确度取决于许多因素。包括PCB加工、SMD的封装形式、贴片机传动系统定位偏差等多种因素，前二者涉及器件入口检验和PCB设计制造的质量控制，后者显然与贴片机的性能相关。1．贴片机XY轴传动系统的结构2．XY坐标轴向平移传动误差3．XY位移检测装置4．真空吸嘴Z轴运动对器件贴装偏差的影响5．贴装区平面的精度6．贴片机的结构可靠性7．贴装速度对贴装准确度的影响6.2.5贴片程序的编辑一个完整的贴片程序应包括一下几个方面：（1）元器件贴片数据简单而言，元器件贴片数据就是指定贴放在PCB上的元器件位置、角度、型号等。贴片数据有元器件型号、位号、X坐标、Y坐标、放置角度等，坐标原点一般取在PCB的左下角。（2）基准数据包括基准点、坐标、颜色、亮度、搜索区域等。在贴片周期开始之前，贴片头上的俯视摄像机会首先搜索基准。发现基准之后，摄像机读取其坐标位置，并送到贴装系统微处理机进行分析，如果有误差，经计算机发出指令，由贴装系统控制执行部件移动，从而使PCB精确定位。基准点应至少有两个，以保证PCB的精确定位。（3）元器件数据库库中有元器件尺寸、引脚数、引脚间距和对应吸嘴类型等。（4）供料器排列数据供料器排列数据指定每种元器件所选用的供料器及在贴片机供料平台上的放置位置。（5）PCB数据PCB数据包括设定PCB的尺寸、厚度、拼板数据等。6.2.6贴片技术应对的挑战1．贴片技术应对便携式产品组装的挑战移动类产品电路板上的组装密度越来越高，组装使用的元器件更加微型化，密间距器件被广泛使用。只有高速、高精度、高可靠性的贴片技术，才能胜任便携式产品大规模生产组装的技术需求。2000年以来，我国每年进口的贴片机数量以超过50%的比例增长。20世纪90年代初我国用贴片机的生产线数目不足百条，目前已增长到数万条。在进口的贴片机中，用于便携式产品生产的占有很大比重。2．01005片式元件挑战贴片机的速度、精度和可靠性3．密间距器件能力决定高端多功能贴片机的性价比4．模块化是高产量、高混合度生产线的解决6.2.7贴片机的发展趋势1．采用双导轨以实现在一条导轨上进行PCB贴片，在另一条导轨送板，减少PCB输送时间和贴装头待机停留时间。2．采用多头组合技术和Z轴软着陆技术，以使贴片速度更快，元器件放置更稳，精度更高，真正做到PCB贴片后直接进入再流焊炉中再流。3．改进进料器的供料方式，缩短元器件更换时间。目前大部分阻容元件以实现散装供料，但减少管式包装器件的换料时间尚有许多工作可做。4．采用模块化概念，通过快速配置、整合设备、可轻易在生产线间拼装或转移，真正实现线体柔性化和多功能化。5．开发更强大的软件功能系统，包括各种形式的PCB文件，直接优化生成贴片程序文件，减少人工编程的时间。开发机器故障诊断系统及大批量生产综合管理系统，实现智能化操作。6.3贴片机常见故障与排除方法6.3.1高速贴片机的常规调整顺序贴片机在工作之前要事先调整好各个部件的位置，防止在工作中发生一些故障，常见的调整顺序有以下：1．空气压力的调整2．润滑油量的调整3．工作气缸的速度调整4．贴装工作台导轨宽度的调整5．贴片头的调整6．贴片吸嘴对SMD位置和基板的间隙调整7．送料行程（距离）和顶出力的调整8．真空夹头的选择调整9．对SMD贴装于基板后的X、Y方向位置的调整6.3.2高速贴片机易损件的更换与调整1．卸料传动张紧带的更换2．定位规的更换调整3．编带切刀的更换4．伺服电动机电刷的更换5．贴片吸嘴与过滤片的更换6.3.3贴片机的日常维护要求和规定1．贴片头组件的日常维护规定（1）贴片夹头组件部（2）定位组件部（3）贴片头工作部2．x-y操纵台传动部3．供料部和基板输送部4．主动力部和装料/卸料部6.3.4常见故障以贴片机为中心来考虑，故障可以分为二大类:①贴装前的故障；②贴装后发现的故障。贴片前的故障主要在A过程中发生:贴装后发现在故障可以认为主要在B～D过程中发生。若将这两类故障细分则如表所示。