SMT貼裝機(jī)的貼裝技術(shù)

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SMT貼裝技術(shù)是表面組裝技術(shù)中的必不可少的基本技術(shù)之一，拾取和放置演變而來(lái)的，因而有些資料現(xiàn)在仍然稱其為拾放技術(shù)。貼裝技術(shù)的英文名稱還有“Chip Mounter”（片式元件安裝）和“Component Mounter”（元件安裝），以及“ChipPlacement”（片式元件安放）和“Component Placement”（元件安放），與現(xiàn)在通用的中文名稱“貼裝技術(shù)”或“貼片技術(shù)”比較吻合。


1、貼裝技術(shù)特點(diǎn)


將物品或機(jī)器零部件快速、準(zhǔn)確地放置到規(guī)定位置，是工業(yè)系統(tǒng)中各種制造和裝配常見的一個(gè)工序或運(yùn)行流程。例如，在半導(dǎo)體集成電路封裝中，在半導(dǎo)體封裝技術(shù)中將已經(jīng)制造完成的芯片從劃片薄膜上取下，放置到引線框架或封裝襯底（基板）上的設(shè)定位置上，以便進(jìn)行下一步引線鍵合或其他互連工序，稱為裝片（Die Attaching），實(shí)際也是一種貼裝技術(shù)。由于在封裝技術(shù)中，芯片外形和拾取性能相對(duì)變化不大，就裝片工序相對(duì)于其他復(fù)雜而精確度要求很高的工序來(lái)說(shuō)并不是技術(shù)關(guān)鍵，而且裝片通常是和鍵合機(jī)組合為一種設(shè)備，因而在封裝技術(shù)中，貼裝的重要性遠(yuǎn)不如組裝技術(shù)。但是這兩種貼裝技術(shù)、工藝要求和設(shè)備原理實(shí)質(zhì)上是一樣的，只不過(guò)封裝技術(shù)中的裝片從設(shè)備精確度到工藝要求都要比組裝技術(shù)高。近年來(lái)，隨著高密度高精度組裝技術(shù)的發(fā)展，封裝技術(shù)和組裝技術(shù)界線開始模糊，組裝技術(shù)開始與封裝技術(shù)交叉融合，封裝級(jí)精確度的貼片機(jī)開始應(yīng)用于組裝技術(shù)。“裝片”與“貼片”如下圖所示。




就貼裝技術(shù)本身的工作原理和要求而言，實(shí)際上是相當(dāng)簡(jiǎn)單的。用一定的方式把SMC/SMD（表面貼裝元件和表面貼裝器件）從它的包裝中取出并貼放在印制板的規(guī)定的位置上。但是在工業(yè)系統(tǒng)迄今很少有其他工藝要求可以與SMT中的貼裝技術(shù)相比。貼裝對(duì)象（SMC/SMD）的幾何尺寸和形狀、表面性質(zhì)和重量的范圍，貼裝速度及貼裝準(zhǔn)確度的要求，與其工作原理相比有天壤之別。貼裝元器件多樣性如下圖所示。




貼裝技術(shù)的特點(diǎn)如下所述。


（1）貼裝對(duì)象——表面貼裝元器件
① 表面貼裝元器件的種類：幾乎涵蓋了傳統(tǒng)電子元器件的全部。圖1.9所示僅是其中一部分。
② 表面貼裝元器件的體積：以片式元件為例，常用的片式電阻從6.14mm3（3216）～0.0096mm3（0402），相差約640 倍。如果與不同種類的相比，例如，表面貼裝變壓器或接插件，相差成千上萬(wàn)倍數(shù)。
③ 表面貼裝元器件的頂面材料：陶瓷、金屬及各種塑料等多種表面平整度和光潔度各不相同的材料。


（2）貼裝速度
由于一塊電路板上少則幾種、幾十個(gè)元器件，多則幾十或幾百種，數(shù)百到數(shù)千個(gè)元器件，而這些元器件只能一個(gè)一個(gè)地貼裝，因此為了提高效率，目前每個(gè)元器件貼裝的時(shí)間已經(jīng)縮短到0.06 s左右（片式元件），已經(jīng)幾乎達(dá)到機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度的極限。


（3）貼裝精確度
由于組裝密度不斷提高，以及0.3/0.4 節(jié)距IC和0402 元件的應(yīng)用，對(duì)貼裝精確度要求越來(lái)越高。采用機(jī)、光、電和軟硬件綜合技術(shù)，使現(xiàn)在貼裝精確度已經(jīng)可以達(dá)到3 Sigma下75 μm的精度，一部分細(xì)小元件和細(xì)節(jié)距IC貼裝精確度甚至要求4 Sigma下50 μm或更高。元件與元件、元件與器件之間的距離達(dá)到0.1mm的量級(jí)，意味著SMT貼裝精確度指標(biāo)已經(jīng)與封裝技術(shù)要求在一個(gè)水平線上。




（4）貼裝承載電路板
承載貼裝元器件的電路板與貼裝技術(shù)相關(guān)的主要是幾何尺寸和板厚方向的剛度。電路板的面積從最小可以不足1 cm2，最大超過(guò)4000 cm2，而決定電路板板厚方向的剛度的厚度尺寸，其變化范圍則從小于0.5mm到超過(guò)6mm（剛性板）。
由于在SMT貼裝技術(shù)中，從表面貼裝元器件到承載電路板種類、幾何尺寸及影響貼裝的參數(shù)眾多，貼裝精確度已經(jīng)達(dá)到納米數(shù)量級(jí)，而貼裝速度則接近機(jī)械運(yùn)行的極限，因而貼裝技術(shù)對(duì)設(shè)備要求非常高。可以毫不夸張地說(shuō)，貼裝技術(shù)是表面組裝技術(shù)關(guān)鍵，而作為表面貼裝設(shè)備的貼片機(jī)，在貼裝技術(shù)中的決定性作用是其他技術(shù)無(wú)法比擬的。


2.）貼裝技術(shù)的內(nèi)容
貼裝技術(shù)主要包括貼裝工藝和貼裝設(shè)備兩個(gè)部分，如下所示。




二、 貼裝工藝


貼裝工藝從貼裝方式來(lái)說(shuō)，有3 種工藝方式：手工方式、半自動(dòng)方式和全自動(dòng)方式。盡管現(xiàn)在電子組裝自動(dòng)化程度越來(lái)越高，但是在研發(fā)部門、實(shí)驗(yàn)室和科研機(jī)構(gòu)，手工方式和半自動(dòng)方式仍然具有實(shí)際價(jià)值，即使規(guī)模化的組裝工廠，目前也不能完全取消手工方式，在全自動(dòng)生產(chǎn)線上有時(shí)也可以看到使用手工貼裝的個(gè)例。


無(wú)論采用哪一種工藝方式，基本工序都是一樣的，即：印制板裝載、傳送和對(duì)準(zhǔn)，元器件“出現(xiàn)”在設(shè)定的拾取位置上，拾取元器件，元器件檢查和定位對(duì)準(zhǔn)，貼放元器件，印制板傳送離開工作區(qū)域。


1）手工貼裝
手工貼裝是采用鑷子夾持或用真空吸筆將元器件從包裝中拾取，貼放到印制電路板的規(guī)定位置，如下圖所示。早期曾經(jīng)使用的手動(dòng)貼片機(jī)貼裝，由于沒有機(jī)器定位和貼裝控制機(jī)構(gòu)，雖然使用了所謂的貼片機(jī)，實(shí)際上仍然屬于“手工貼裝”的范疇。鑷子夾持只適合片式元件和部分雙列引線的集成電路，以及部分異型元件，對(duì)QFP封裝集成電路，必須使用真空吸筆，對(duì)于一些細(xì)間距集成電路還必須使用放大鏡。手工貼裝的速度、正確性和準(zhǔn)確性完全取決于操作者的技術(shù)水平和責(zé)任心，因此這種方式既不可靠，效率也很低。對(duì)于BGA和CSP等IC封裝及1005以下的片式元件，采用手工貼裝方式已經(jīng)是捉襟見肘，很難保證貼裝質(zhì)量了。






2）半自動(dòng)貼裝
在以前的SMT資料中是沒有“半自動(dòng)貼裝”這個(gè)貼裝方式的，在實(shí)際生產(chǎn)中也確實(shí)很少看到這種方式，但是在實(shí)驗(yàn)室和科研機(jī)構(gòu)中確實(shí)存在這種介于自動(dòng)貼裝和手工貼裝之間的方式。所謂半自動(dòng)貼裝方式，指使用簡(jiǎn)單的機(jī)械定位控制的貼裝機(jī)構(gòu)，或雖然具有較先進(jìn)的定位、檢測(cè)和貼裝機(jī)構(gòu)，但不能組成自動(dòng)流水線功能的貼裝方式。


半自動(dòng)貼裝方式由于具有機(jī)器定位對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，擺脫了手工貼裝的局限，不但效率和可靠性提高，而且可以貼裝各種元器件，甚至最新的IC封裝和片式元件，因而在科研工作和企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)試制中具有不可或缺的作用。一部分企業(yè)針對(duì)這種需求新開發(fā)的貼裝機(jī)構(gòu)具有很高的精確度和元器件適應(yīng)能力，同樣屬于高科技產(chǎn)品。


下圖是用于產(chǎn)品研發(fā)、實(shí)驗(yàn)室和科研的半自動(dòng)貼裝設(shè)備。




3）全自動(dòng)貼裝機(jī)
全自動(dòng)貼裝機(jī)是采用全自動(dòng)貼裝設(shè)備完成全部貼裝工序的組裝方式，是目前規(guī)模化生產(chǎn)中普遍采用的貼裝方法。在全自動(dòng)貼裝中，從印制板裝載、傳送和對(duì)準(zhǔn)，把元器件移動(dòng)到設(shè)定的拾取位置上，拾取元器件，元器件檢測(cè)和定位對(duì)準(zhǔn)，貼放元器件，直到將印制板傳送離開工作區(qū)域的全過(guò)程，均由全自動(dòng)機(jī)器完成而無(wú)須人工干預(yù)，貼裝速度和質(zhì)量主要取決于貼裝設(shè)備的技術(shù)性能及其應(yīng)用和管理水平。


全自動(dòng)貼裝機(jī)貼裝過(guò)程是現(xiàn)代自動(dòng)化、精密化和智能化工業(yè)技術(shù)綜合應(yīng)用的結(jié)晶。在全自動(dòng)貼裝機(jī)中，應(yīng)用精密機(jī)械、高速高精度視覺檢測(cè)與控制、智能化檢測(cè)與運(yùn)動(dòng)控制及計(jì)算機(jī)數(shù)字控制等現(xiàn)代機(jī)—光—電一體化的綜合高技術(shù)，實(shí)現(xiàn)貼裝速度與準(zhǔn)確性和生產(chǎn)效率與靈活性的不斷提升和日趨完善。


全自動(dòng)貼裝機(jī)的工藝是表面貼裝技術(shù)中對(duì)設(shè)備依賴性最強(qiáng)的一個(gè)工序，整個(gè)SMT生產(chǎn)線的產(chǎn)能、效率和產(chǎn)品適應(yīng)性，主要取決于貼裝工序，在全自動(dòng)貼裝機(jī)中貼裝機(jī)設(shè)備起決定性作用。但是這絕不意味著設(shè)備決定一切，有了先進(jìn)的設(shè)備不等于有先進(jìn)的工藝和管理，更不等于自然可以實(shí)現(xiàn)高效率、高質(zhì)量和高產(chǎn)能。如同一個(gè)體格健全、精力充沛的人，如果沒有相應(yīng)的智商和情商，不可能取得事業(yè)的成功一樣。