机械制造工程硕士论文-SMT表面组装技术中贴片机精度提高的研究.pdf

天津大学 硕士学位论文 smt表面组装技术中贴片机精度提高的研究 姓名：朱爽宁 申请学位级别：硕士 专业：机械制造工程 指导教师：张大卫 20030401 中文摘要 表面组装技术( s m t ) 是9 0 年代国际上最热门的新一代电子组装技术，被誉为 电子组装技术的一次革命。它与传统的穿孔插入式组装技术t h t 相比，有无可比拟 的优点。它的出现动摇了传统插装技术的统治地位。当前，发达国家在计算机、通 信、军事、工业自动化、消费类电子等领域的新一代电子产品中，几乎都采用了 s m t 技术。到当今全世界电子设备的s m t 百分率达到8 0 。也就是说，s m t 已经成为 当今电子工业的支柱技术。 随着产品外形的小型化，袖珍化趋势。相应的s m d 的尺寸和引角间距也急剧缩 小。目前，b g a 封装的球间距已从1 5 m m 降到1 o m m ，而新的芯片级封装( c s p ) 的 球间距已低到0 5 m m 。在许多便携式产品中对形状的要求以及其它产品上以更小的 面积实现更多功能的需求，使得芯片尺寸封装( b g a ) 受到人们的青睐。而晶片级 c s p 则又上了一层楼，成为这场技术竞争的产物。同时，随着s m d 元件管脚间距的 快速减小，s m t 的制造难度也急剧增加，对贴装的要求也相应提高许多。从 m o t o r o l ap c s 厂缺陷数据统计可以看出，生产过程中有4 5 的缺陷来自s m t 制造， 而在这4 5 中的大部分缺陷又来自于贴装。贴片机精度提高己成为保证s m t 质量的 关键工序。 因此本论文着重从s m t ( 表面组装技术) 中贴片机( p l a c e m e n t ) 精度提高为切 入点。以方法论集中研究贴片技术改进方法和解决方案。本文的解决方案是从以下 几个方面展开的： 对于大量数据精度计算方法的研究及改进。其中包括：上下限对c p 的显著影 响，总c p 的计算方法和机器的c p 值计算( c p 的权重分配) 等不同的精度算法及其 优缺点。 贴片机视觉校正系统的研究。其中包括：贴片机的照相机系统集成，颜色的产 生原理，对比度的校正的方法，照明( i l l u m i n a t i o n ) 的原理，标定 ( c a l i b r a t i o n ) 原理和m a p p i n g 理论。以及和视觉系统有关参数的优化方法。 机器快速校正方法的研究和实验。其中包括：转换原理，三基准点矩阵的转换 和机器的标定方法。 关键词：表面贴装工艺过程精度视觉系统标定 a b s t r a c t s m tf s u r f a c am o u n tt e c h n o l o g y li st h en e wg e n e r a t i o ne l e c t r o n i ca s s e m b l yt e c h n o l o g y w h i c hi sh o ti nt h e9 0 si nt h ew o r l d i ti sb e i n gc a l l e do n er e v o l u t i o ni nt h ee l e c t r o n i c a s s e m b l ym a n u f a e t u r ef i e l d i to w u ss u p e rh i g ha d v a n t a g ec o m p a r e dw i 也t h et r a d i t i o n a l t h t ( t h r o u g hh o l et e c h n o l o g y ) i ts h a k e st h er e g n a n tp o s i t i o no ft h ta f t e ra p p e a r i n g c u r r e n t l y t h es n 疆h a db e e na b r o a da p p l i e di n t ot h ep c c o m m u n i c a t i o n m i l i t a r y i n d u s t r ya u t o m a t i o na n dc o n s u m a b l e 五e l d s m o s t l yo f t h e2 1 s tn e wp r o d u c t sa t eb e i n g m a n u f a c t u r e dt h r o u g hs m tt e c h n o l o g y b yt h es t a t i s t i c sd a t a ，t h es m te q u i p m e n t sh a v e o c c u p i e do v e r8 0 i nt h ee l e c t r o n i c sa s s e m b l ye q u i p m e n t s i nt h eo t h e rw o r d s s m th a s b e e nt h ek e ym a n u f a c t u r et e c h n o l o g yi nt h ei n d u s t r yw o r l d w j t ht h et r e n do f s o m ep r o d u c tm i n i a t u r i z a t i o u t h es m ds i z e 。w h i c ha s s o r t st ot h es m t m a n u f a c t u r e ，r e d u c e ss h a r o l y n o w t h eh a l lp i t c ho f b g ap a c k a g er e d u c e df r o m1 2 7 r a m t o1 0 m m e v e nm o r e p i t c ho f t h en e wc h i pp a c k a g e c s p ( c h i ps c a l ep a c k a g e ) r e a c h e s 0 5 r a m1 e v e l i ns o m ep o r t a b l ep r o d u c tf i e l d s m o r ef u n c t i o nn e e db u tb a s e do nl e s sr o o m ， s ot h ec s pi sg e t t i n gm o r ea n dm o r ea p p l i c a t i o nn o w b u ta tt h es a m ew h i l e ，t h es h a r p d e c r e a s ef o o tp i t c ho fs m dr e q u i r e sh i g hp l a c e m e n ta c c u r a c yb yt h es m te q u i p m e n t s t h ep l a c e m e n ta c c u r a c yh a sb e c o m eo n ei m p o r t a n tp r o c e s si ne l e c t r o n i cp r o d u c t i o n q u a l i t yc o n t r 0 1 b yt h eq u a l i t yd a t aa n a l y s i s ，w ec a nf i n dt h e4 5 f a i l u r er a t ec a m ef r o mt h es m tf i e l d ， a n dt h e s ed e f e c tm o s t l yw e r eh a p p e n e db yp l a c e m e n tm a c h i n e s b a s e do nt h e s e ，t h i sp a p e r e m p h a s i so nt h ea c c u r a c yi m p r o v e m e n t o f p l a c e m e n tm a c h i n e ，a n dp r o v i d et h e i m p r o v e m e n ts o l u t i o n s t h ei m p r o v e m e n ts o l u t i o ni n c l u d ef o l l o w i n gs i d e s ： t h ec a l c u l a t i o nm e t h o ds t u d ya n di m p r o v e m e n t , i n c l u d i n g ：t h es p e c i f i c a t i o nl i m i t s s i g n i f i c a n t l yi m p a c tt oc p c p kc a l c u l a t i o n s ，h o wt os u m o fo n em a c h i n ew h o l e c p c p k ， a n dc po v e rt i m e t h ep r i n c i p l es t u d yo f t h em a c h i n ev i s i o ns y s t e m ，i n c l u d i n g ：v i s i o ns y s t e mc o n t e n t s ， p r o g r a m m i n go f t h ec o l o rp i c t u r e ，c o n t r a s tc o r r e c t i o n ，i l l u m i n a t i o np r i n c i p l e ，c a l i b r a t i o n a n dm a p p i n g q u i c kc a l i b r a t i o ns y s t e ms t u d i e s ，i n c l u d i n g ：t h ec o n v e r s i o np r i n c i p l e ，t h r e ef i d u c i a l s s y s t e mc o n v e r s i o na n dq u i c kc a l i b r a t i o n k e y w o r d s ：s m t p r o c e s s a c c u r a c y v i s i o ns y s t e m c p c p k c a l i b r a t i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得壅壅基三拦或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期： 年月目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼盍堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权 丢洼太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名 签字日期：年月日签字日期：年月日 天津大学研究生毕业论文 第一章工程背景及意义 第一节表面组装技术的发展简况 表面组装技术s m t ( s u r f a c em o u n tt e c h n o l o g y ) 是近十多年来国际上最热门 的新一代电子组装技术，被誉为电子组装技术的一次革命。它与传统的穿孔插入式 组装技术t h t ( t h r o u g hh o l et e c h n o l o g y ) 相比，其生产的产品，具有体积小，重 量轻，信号处理速度快，可靠性高，成本低等优点。它的出现动摇甚至终结了传统 插装技术的统治地位。当前，发达国家在汁算机，通信，军事，工业自动化，消费 类电子等领域的新一代电子产品中，几乎都采用了s m t 技术。据预测，到2 0 0 5 年 全世界电子设备的s m t 百分率达到9 5 。表面贴装元件s m d ( s u r f a c em o u n t d e v i c e ) 全世界需求量每年将会有1 1 的增长，超精细管脚的i cc s p ( c h i ps c a l e p a c k a g e ) 元件预计到2 0 0 4 年可达到9 0 亿的数量。也就是说，s m i 已经成为当今电 子工业的支柱技术。 电路组装是把各种元器件按电路要求以最小体积，最有效，最经济，最能发挥 电路功能的方式组装起来，是随着电子元器件的发展而不断改进的。如随着有源器 件从电子管，晶体管，集成电路，直至大规模集成电路和超大规模集成电路的发 展，无源元件也相应地不断小型化，微型化。组装技术也经历了手工联装，半自动 插装，自动插装直至全自动表面组装的演变过程。元器件的不断缩小，促进了组装 技术的不断发展，而组装技术在提高组装密度的同时又向元器件提出了新的技术要 求相齐套性要求，可以说二者是相互依存，相互促进的。 s m t 的特点是： 1 组装密度高，电子产品体积小，重量轻，贴片元件的体积和重量只有传统插 装元件的1 1 0 左右，一般采用s m t 之后，电子产品体积缩小4 0 - 6 0 ，重量 减轻6 0 一8 0 。 2 可靠性高，抗震能力强，焊点缺陷低。 3 高频特性好，减少了电磁和射频干扰。 4 易于实现自动化，提高生产效率，降低成本达3 0 一5 0 ，节约材料，能源，设 备，人力，时间等。 近十年来表面贴装技术发展非常神速，而且应用范围也十分广泛，电子产品的 组装技术发生了根本性和革命性的改变。而现时s m t 的设备正趋向高性能，灵活， 智慧，环保，高精度，高速度和多功能的方向发展，也由于新的片式元器件及其封 装方式正不断改变，正在向小型化，微型化方向发展。例如b g a ，f c ，c o b ，c s p ， m c m 等元器件大量涌现，在生产中不断更新和推广应用，对贴片机的要求也越来越 高。现在业内采用的b g a ，c s p ，f 1 i p c h i p 等高级元件，尤其是b g a 的使用，正推 动市场的发展。目前，b g a 封装的球间距已从1 2 7 m 降到0 8 m m ，而新一代的芯片 级封装c s p ( c h i ps c a l ep a c k a g e ) 的球间距已低到0 5 m m 以下。在许多便携式产 品中对形状的要求以及其它产品上以更小的面积实现更多功能的需求。使得芯片尺 寸封装( b g a ) 受到人们的青睐。而晶片级c s p 则又上了一层楼，成为这场技术竞 争的产物。在晶片的制造过程中，节约时间，提高可靠性和降低制造成本是使组装 天津大学研究生毕业论文 行业接受这种技术的主要因素。同时，随着s m d 元件管脚间距的快速减小，贴装元 件微型化更促使管脚间距的精细化，贴装精度的日益高速化更增加了贴装准确性的 难度。因此当前贴片技术己成为现今表面组装技术中的重点环节，如何提高贴片精 度则成为保证s m q l 质量的关键技术。 一s m t s m d 的发展规律历程 表面贴装技术s m t 与表面贴装元件$ m d 并不是凭空出现的，实际上它是混合集 成电路技术的延伸和发展。其发展历程大致可分为： 1 五十年代研制成的扁平封装器件，组装时直接把引线焊接在基板表面上，可 视为表面组装器件的最初模式。混合电路中丝网印刷和焊接工艺为s m t 的自 动化奠定了基础，混合电路由于其陶瓷基板加工问题，难于制各大面积平整 的基板。因此一个复杂的电路必须由多块混合电路互连组成，这就使混合电 路的体积，成本，可靠性和生产效率受到很大限制，影响到混合电路的发展 和广泛使用。这便很自然地促使电子工程师们探索用有机基板代替陶瓷基板 的问题，开始走向s m t 的研究。 2 六十年代d i p 取代了平装。因为它易于插装而且可以进行波峰焊接，混合技 术此时以十分普及。 3 七十年代欧洲菲利浦公司研制出可表面组装的钮扣状微型器件s m d ( s u r f a c e m o u n td e v i c e ) ，它是表面组装技术的重要基础。这种器件就发展成现在表 面组装用的小外形集成电路( s o i c ) ，它的引线分布在器件两侧，呈鸥翼 形，引线的中心距为5 0 m i l ( 1 2 7 r a m ) ，引线数最多可达2 8 针。 4 八十年代初期日本开始使用方形扁平塑封装的集成电路( q f p ) 制造计算。 q f p 的引线是分布在器件的边呈鸥翼形，引线的中心距仅为4 0 m i l ( 1 m m ) ， 3 3 m l l ( 0 8 m m ) 和2 5 m i l ( 0 6 5 r a m ) ，而引线数可达1 6 0 针或更多。美国所 研制的塑封有引线芯片载体( p l c c ) 器件，引线分布在器件的四边，引线中 心距为5 0 m i l ( 1 _ 2 7 r a m ) 而引线呈“j ”形。p l c c 占用组装面积小，引线不 易变形。s o i c ，o f p 和p l c c 都是塑料外壳，不是全密封器件。由于军事需 要，美国于八十年代研制出无引线陶瓷芯片载体( l c c c ) 全密封器件，它以 分布在器件四边的金属化焊盘代替引线，由于p l c c 无引线地组装在电路 中，引进的寄生参数小，噪声和延时特性有明显改善。另外，陶瓷外壳的热 阻也比塑料的小，它适用于高频，高性能和高可靠的电路。但因为它是直接 组装在基板表面，没有引线来帮助吸收应力，在使用过程中易造成焊点开 裂。由于使用陶瓷金属化封装，所以l c c c 比其他类型的器件价格高，使应 用受到一定限制。 5 到九十年代，各种片式钽，铝电解电容器，薄膜电容器，可调电容器和电器 均相继成系列地投入市场，各种机电元件，敏感元件和复合元件也陆续研制 成功。 6 当前随着电子设备复杂化，超小型化，特别是超高速超大规模集成的需要， 缩短芯片间和其基板之间互联以减少各种寄生参数。芯片包装如b g a ，f 1 i p c h i p ，c s p 和m c m 研制是今后发展趋势。随着便携式产品的普及发展，人们 对在更小的芯片面积内实现更多的功能提出了新的要求，这促使b g a 等包装 的i c 得以大规模地使用，而晶片级的c s p 则提供更高的面积功能比。同 时，随着s 元件管脚间距的快速减小，制造工艺中贴片技术提高已成为保 2 天津大学研究生毕业论文 证s m t 质量的关键工序。对于球面管间距小于0 5 m m 的u b g a 和c s p 将获得 更广泛的应用。贴片技术将变得越来越重要，保持精度可靠和快速装贴灵活 是当前s m t 技术的发展关键。 s m d 组装元件的发展，s m t 组装技术的应用，可带来良好的经济效应，带动了 s m d 全行业的快速发展，大大提升了电子产品的发展速度。根据日本资料统计，我 们可以看出s m t s m d 相互促进的发展史。如图卜1 ： 图l 一1 日本片式电阻器，电容器的价格，数量与时间( 年份) 的变化 二表面组装技术的工艺组成 表面组装技术( s m t ) 是包含多门学科，涉及精密机械加工，自动控制，焊 接，化工和测试检测的一门新兴学科技术。其工艺组成主要包括焊膏印刷( s o l d e r p r i n t i n g ) ，元件贴装( c h i pp l a c e m e n t ) ，再回流焊( r e f l o w ) 以及清洗检测 ( c l e a n t e s t ) 等工序。 m o t o r o l a 公司是通讯领域的技术领导者，其通讯产品闻名于世。这与其拥有当 今世界一流的s m t 生产设备和制造工艺流程分不开的，其s m t 生产设备和工艺代表 着当今s m t 技术的最高综合水平。以下是m o t o r o l a 公司目前的s m t 标准工艺流程 ( 图卜2 ) 及其生产线组成( 图卜3 ) ，分别图解如下。 3 第二面循环同理 天津大学研究生毕业论文 图1 - 2s m t 的流程 悔理 4 天津大学研究生毕业论文 图1 3s m t 设备图 其中关键工艺有： 锡浆印刷( s o l d e rp r i n t i n g ) ：即将锡膏( s o l d e rp a s t y ) 通过在丝网 ( s t e n c i l ) 上设计好的开口用印刷机均匀地涂到p c b 板上。锡膏的作用首先在 于粘住元器件，使其可以在生产线上随p c b 传动，再到回流焊时熔化焊上元器 件。 贴片( p l a c e m e n t ) ：是将元器件通过s m t 贴片机器以全自动化方式在p c b 板上 拾取，贴放元器件。并利用前s o l d e rp r i n t i n g 工艺涂到p c b 板上的锡膏在 r e f l o w 之前暂时固定。 回流焊( r e f l o w ) ：通过设置好的热回流温度曲线使焊膏达到回流温度，融化， 冷却后将元器件永久焊到p c b 上的工艺过程。 第二节表面组装中贴片技术的发展状况 一表面贴装技术的发展历程 s m d 元件的应用较传统的t h t 技术中插装元器件极大的降低了组装成本。贴与 插两者的不同引起了电子制造技术的大革命，从而使自动代替手动。表面贴片技术 是随着贴片机械的不断创新，改进而进一步发展的，表面贴片技术发展的历程事实 上也是贴片机械技术不断发展的历程。 首先，表面贴片设备出现于上世纪八十年代初，属于仅一个机械单机械贴装头 的贴放机型( p i c k p l a c et y p e ) 。速度很低，每分钟贴i 0 0 0 2 0 0 0 片。以后不 久开发了具有视觉元器件对中的转塔头型( t u r r e th e a dt y p e ) 贴片机，用于快速 贴放小型元器件，随后又对贴放型单头设备进一步改进设计成为能贴放大型元器件 和精细脚距( f i n ep i t c h ) 的元器件。自九十年代中页，贴放型设备又发生了很大 变化，由单机械头向带视觉系统的多贴放头方向发展，不但速度加快，而且同时拥 有贴放大型和小型元件的能力，成为柔性生产设备。 天津大学研究生毕业论文 贴片机是表面组装生产线中最重要，最复杂的集光机电一体化的设备。通常 表面贴片设备一般约占整个s m t 生产线总投资额的6 0 以上。而生产线的生产率主 要决定于贴片设备的好与坏，快与慢。大多数返工的缺陷都来自贴装问题。所以在 选择s m t 的主要设备时，主要精力放在选择贴片设备的决策上就是这个原因。 贴片设备随着时代发展是围绕着四个特性功能的提高而改变的。其功能要求在 于“不对元器件和基板造成任何损伤的前提下，能完整地和稳固地快速拾取正确的 元器件，并快速和准确地贴放到指定的位置上”。这些特性功能就是贴放精度，贴 放速度，贴放可靠性和适应范围的体现。 1 贴装精度 为了提高贴放精度以适应日益缩小的元器件及其脚间距，贴片技术发展到今 日，几乎都采取了光学对中技术。在光学对中技术中有了背光( b a c k l i g h t i n g ) 和前光( f r o n t l i g h t i n g ) 技术，以及可编程的照明控制。这些都是为更好的应付 各种不同类型元器件的需要。但精度的提升往往是和贴片机处理速度是相矛盾的。 我们关注的是重复精度而不完全是分辨率，更注意的是贴装头上的吸嘴在贴放 头运动过程中维持元器件位置的能力以及吸嘴的伸缩垂直度。 另外，也有在贴片机对精度校准进行了技术开发，只有在能正确方便地校准方 法情况下，贴装精度才能在实际应用中得到发挥。例如，近期菲利浦公司推出的 a c m 型高精度贴片机除了采用创新的三马达变速平衡驱动系统和三个c c d 镜头同时 对中外，也具备了在运行中全自动校准功能。 目前，b g a 的年增长率位于所有i c 封装的首位。对球面管脚间距小于0 5 m m 的 u b g a 贴片精度现也成为可能。某些贴片设备对于贴装一般的c h i p 元器件可达到 o 0 8 m 的精度，对贴装f i n e p i t c h 的q f p 可达到0 3 m 的脚距，精度可达到 0 0 4 m 。 2 贴装速度 速度决定设备的生产率。9 0 年代初期，每小时可贴7 2 0 0 片的f u j i 贴片机称为 高速机，每小时贴4 8 0 0 片的称为中速机，当时划分高中速的界限一般是以每小时 贴5 0 0 0 片为标准。中速机可贴p l c c ，q f p 等大型元器件，高速机只能贴c h i p 类型 的小型元器件。近年来，技术的发展促进贴片机速度的不断提高，现在的中速机速 度已经超过过去高速机的标准，中高速划分界限已超过1 5 0 0 0 片d , 时。因此贴片 速度往往又是贴片设备特性功能各受注目的参数，它涉及的生产速度和经济效益是 发展历程中最明显的改进参数之一，这方面发展最大的问题就是贴片速度和精度以 及适应性三者之间的矛盾，而三者都是贴片机特性功能中重要参数。如很多贴片设 备贴片式元器件及粗脚距( 1 2 7 姗以上) 的i c 速度很快( 每小时达到1 0 0 0 0 片以 上) ，但对于f i n e p i t c h 的i c ( 0 5 m ) 的贴装速度却很低( 每小时2 0 0 0 2 0 0 0 片) ，甚至不具各贴装f i n ep i t c h 元器件的能力。随着电子产品复杂程度的提高 和小型化，f i n e p i t c hi c 的应用已经越来越广泛，因此f i n e - p i t c hi c 贴片机速 6 天津大学研究生毕业论文 度已经成为贴片设备乃至整个s m t 生产线的瓶颈。目前大多数贴片机在贴放f i n e p i t c hi c 时都采用视觉校正对中系统，由此带来了视觉处理时间太长，限制了 f i n e p i t c hi c 的贴装速度。虽然厂商在不断改进，但一般f i n e p i t c hi c 贴装速 度也在1 5 秒左右。最近u n i v e r s a l 公司开发的高速飞行对中视觉识别系统( h f s s s y s t e m ) ，飞行对中通过扫描摄像机实现，高速贴片可达0 1 9 5 秒片。 3 贴装可靠性 所谓贴片机的可靠性是指设备运行中不对元器件和基板造成任何损坏，并能稳 固的拾取和贴放。老式贴片设各，由于采用机械爪结构作为定位，常常造成元器件 的损坏。随着近年来“无接触式”光学对中的开发，加上焊接和元器件本身技术的 提高和正负压结构吸嘴的产生，以及气压传感器等来监测吸放件力度。由此类造成 的元器件损坏问题已大大减低。 为了稳固的拾取和贴放，贴装机都很注重拾取功能( p i c k u p p e r f o r m a n c e ) 。目前大多数贴片机所附带的拾取头都具有自动调控能力，可以自 动调整到最佳的拾取位置，有些尚且能实时测量各种吸取的元器件高度，真空值以 及能相应的调整吸嘴的高度和真空，以最优化的方式进行贴装。更有的设备具有实 时测量吸取的元器件阻值，容值的功能，达到在线实测的效果。总之，随着技术的 发展变化，贴片设备的可靠性已比往日大大提高，更能确保更高的拾取可靠性。 4 贴片设备的适应范围 也就是说贴片设备单机能完整的应付各种电路板上所需的各类元器件的贴装要 求的能力。做到多品种多类型产品的贴装，使适应范围尽可能的广。然而同一贴片 设备很难最有效的适用于各种的电路板组装，但作为用户来讲有时却希望购置一台 贴片机能尽可能地生产多种电子产品。 目前由发展历程来看，为提高贴片设备的适应范围，大多数厂商对供料器进行 了开发，如多软管式和双带式供料器以相应增加供料器种数。对元器件拾取种类的 增加，主要是对吸嘴类型进行开发和元器件定位系统的研究。同时发展元器件的包 装( p a c k a g e ) ，比如今年来散装料的的日益普遍。贴片机的适应功能也随着市场 新产品和新型元器件所需新工艺的要求而不断发展。 二表面贴片设备的基本构造 1 贴片定义：表面组装技术中的贴装技术就是用一定的方式把表面组装元器件从 它的包装结构中取出并贴放在电路板的设定位置上的工艺过程。可以采用简单 的手工工具或简单的机械装置进行手工贴装或手动机械贴装，也可以采用半自 动或全自动贴装设备完成上述贴装操作。 不论采用何种方式，其基本工序如下： 电路板装载：把待组装的电路板( p c b ) 放在贴装设备的电路板装载装置上 7 天津大学研究生毕业论文 电路板传送机构把空白电路板传送到生产线上贴装机的工作台上，并定位到系 统的坐标系中； 元器件出现在料盘包装中待取出的预定位置上； 拾取元器件。既从供料器钓预定位置取元器件准备贴装； 元器件定心。既把元器件对准到机器( 系统) 的座标系统中； 贴放元器件。既将元器件贴装在电路板的设定位置上； 电路板卸载：将贴装好的电路板传送到卸载装置上，并从卸载装置上取出贴装 好的电路板。 2 贴装机的基本结构 图1 - 4 示出典型贴装机的一般组成。贴装机的主要部分是 贴 图1 4 站装机的一般组成 底座 底座用来安装和支撑贴装机的基础部件。因此，它必须具有足够的刚性，如 果刚性差，振动大，会导致贴装精度的下降。 供料器 供料器是能容纳各种相应包装形式的元器件，有些并将元器件传送到取料部 位的一种储斟供料部件。元器件以编带棒式托盘或散装等包装形式放到相 应的供料器上。 电路板定位工作台 在贴装操作期间，电路板必须牢固地固定在电路板工作台上，工作台能沿x 轴和y 轴移动，所以又叫x y 工作台。一般都用传送机构把工作台和装卸料 装置相连接。 x y 定位系统：定位系统对贴装精度和贴装率影响很大。目前一般采用直流 伺服电机驱动，齿形带或滚珠丝杆螺旋副传动。有些高速贴装机采用了无摩 擦线性马达驱动和空气轴承导轨传动。运动线速度3 0 0 2 0 0 0 m m s ，加速度为 7 - 1 0 m s 2 ，定位精度一般为0 0 5 m m 。高精度贴片机的定位系统一般采用闭 环的控制方式。 8 天律大学研究生毕业论文 贴装头 贴装头是贴装机上最复杂和最关键的部件。它的基本功能是从供料器取料部 位拾取元器件，并经定心和方位校正后把元器件精确地贴放到电路板的设定 位置上。它和工作台供料器一起决定着贴装机的贴装能力。它由贴装工具 ( 真空吸嘴) ，定心爪或其它任选部件( 如粘接剂分配器) ，电器检验夹具 和光学取像部件( 如摄像机) 等部分组成。 目前市售的贴装机有三种典型的贴装头： 转塔型：工作台在z 0 处做x y 向的运动，贴装头做z 轴和。向的运动。当前 f u j i 公司的c p 系列就是转塔型贴片机。这种类型的贴片机可以达到最快的 单件贴装速度。如图l 一5 t u r r e th e a d 图1 - 5 转塔型贴装头 p i c k & p l a c e 型：工作台静止不动，贴装头完成x v z o 所有的运动。贴装头 平行安装数个吸嘴。当前u n i v e r s a l 公司的g s m 系列i c 贴片机就采用的 p i c k e p l a c e 型贴放头，这种类型的贴装头因为p c b 不动，所有的运动都由贴 装头完成，往往能达到最高的贴放精度。如图卜6 p i c k & p l a c e 图卜6p i c k & p l a c e 型贴装头 p i c k & p l a c e 型( 旋转头) ：工作台静止不动，贴装头完成x y z o 所有的运 动。贴装头以旋转方式进行吸嘴转换。当前s i e m e n s 公司的s i p l a c e r 系列 贴片机就是采用旋转头型的贴装头。这种贴装头体积小，占较小的空间，可 以在同一台机器上安装多个并行贴装头，以达到实际的最高小时贴装率。如 图1 7 9 天津大学研究生毕业论文 p i c k & p l a c e ( r o t a r yh e a d ) 图l 一7 旋转头型贴装头 贴装工具( 包括真空吸嘴) ：贴装工具是贴装头的心脏，其功能是从供料器 的取料部位拾取元器件并把元器件贴放在电路板的设定位置上。同时，在把 元器件运送到贴装位置期间牢固地吸持住元器件。每一类贴装工具仅能处理 有限尺寸范围的元器件，所以为了扩大贴装机贴装元器件的范围，贴装机应 具有手工或在程序控制下自动更换贴装工具的能力。 计算机控制系统 计算机控制系统是贴装机的“大脑”，所有贴装操作的指挥中心。其包括在 线离线的编程系统。 三当前流行的贴片设备 国外公认的主要贴装机制造厂家有：日本的富士f u j i ( 如图卜8 和图卜9 ) ， 松下p a n a s o n i c ，三洋s a n y o ，t d k ，c e d ，q k a n o ，a l p s 等公司；美国的 u n i v e r s a l s ( 如图卜1 0 和图卜1 1 ) ，d y n a p e r t ，a m i s t a r ，q u a ds t s t e m ，c e l m a c e 等公司；德国的s i e m e n s ( 如图1 - 1 2 ) ：荷兰的p h i l i p s 和瑞士的i s m e c a 等。 图1 - 8f u i i i p 系列 图1 9f u i i c p 系列 1 0 天津大学研究生毕业论文 图l 1 0u n i v e r s a lg s m 系列 图1 - 1 1u n i v e r s a l 产品f i e s t a 系列 图1 1 2s i e m e n s $ 2 0 系列 第三节表面组装贴片中的精度问题 一贴片机精度的概念 精度是贴装机技术规格中的主要数据指标，但在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，有以下三种的表示方法： 贴装精度 分辨率 重复精度 贴装精度是指元器件贴放后元件引脚与相应焊盘中心的最大允许偏差。设备说明书 提供的分辨率并不意味设备视觉系统能够分辨元器件的能力，而是指贴装机分辨空 间连续点的能力。重复精度是指机器始终如一的贴放到规定位置的能力，即重复精 度也是实际生产采用统计方法来测量精度的最好方法。下面，就这几个精度指标 一详解。 1 贴装精度：贴装精度标志元器件相对于印制电路板上的标定位置贴装的偏差大 小。 贴装精度由两种误差组成，如图卜1 3 所示，即平移误差和旋转误差。 天津大学研究生毕业论文 图l - 1 3 贴装精度的误差 平移误差( 元器件中心的偏离) 主要来自x - y 定位系统的不精确性或视觉系 统的误辩识。它包括位移，定标和轴线正交等误差。如果元器件定心机构没 有精确地把元器件的中心对准贴装工具的轴线，则元器件定心机构的不准确 性也是一个因素。 从理论上考虑，平移误差应该规定为在电路板上元器件相对于设计中心标定位 置的真实位置半径( t p r ) ，如图卜1 4 ( a ) 所示。然而制造厂家总是把它视为x y 座标轴上的公差，如图卜1 4 ( b ) 所示。这就使得离开设计位置的实际最大偏差比 技术规格中给出的大，一般应将技术规格中给出的数值乘以因数1 4 才是实际的最 大偏差。本文讨论以图卜1 4 ( b ) 的偏差为计算依据。 贴装误差限7 x 一7 7 、贴装堤差限 真实位置半径 图l - 1 4 平移误差定义 卜一 ) ( - y 公差 如果只考虑x - y 座标的公差，则t p r 可由下列等式得到 r = x ；+ 矿 这里：t 一由平移误差引起的真实位置半径， 位置 1 2 天津大学研究生毕业论文 x t 一沿x 轴的误差成份， y t 一沿y 轴的误差成份。 旋转误差来自元器件定心机构的不精确性和贴装工具旋转的角度误差。它被 定义为相对于标定贴装取向的角度公差。离开元器件中心最远的端子旋转误 差最大。为了简化分析，利用元器件封装角的位移近似表示这种误差，参见 图卜1 4 ，可由下列等式求得位移r ： r = 2 l s i n ( o 2 、 这里：r 一由旋转误差引起的真实位置偏移 l 一从元器件中心到封装角的距离， 0 一离开标定取向的最大角度偏离。 图1 1 5 由旋转误差引起的封装角位移 实际位置 还可沿x 轴和y 轴计算旋转误差的组成。可由下列等式求得其误差 x r = 2 l s i n ( 0 2 ) s i n q o y r = 2 l s i n ( 0 2 ) c o s q o 这里：x r 一旋转误差在x 轴上的误差成份， y r 一旋转误差在y 轴上的误差成份， 妒一相对于x 轴从元器件中心到引线的角度。 旋转误差和平移误差组合产生累积效果，由这两种成份的矢量相加求得总的 t p r 。由下列等式求得x 轴和y 轴的误差： t x = x t + x r 1 3 天津大学研究生毕业论文 t y = y t + y r 这里：t x 总误差的x 轴成份， t y 总误差的y 轴成份。 然后由下式求得总误差 珊= 厢 由于旋转误差的影响取决于元器件的大小，所以必须分别确定平移误差和旋转 误差。当选定贴装的元器件类型后，就可由这两个数计算总的贴装精度。 例如，一台贴装机在x 轴和y 轴上的平移误差为0 0 2 m m ，它的旋转角误差为 0 ，2 5 度，8 4 根引线的p l c c 在最坏情况时的总的贴装误差是多少? 如图1 一1 6 ，首 先由等式，计算旋转误差，8 4 根引线的p l c c ，其l = 2 1 m m ，所以旋转误差r 为： r = 2 x 2 1 x s i n o 1 2 5 = 0 0 9 2m 再计算旋转误差的x 轴和y 轴成份： x r = o 0 9 2 s i n 4 5 。= 0 0 6 5m y r = o 0 9 2 c o s 4 5 。= 0 0 6 5m 标定 图1 1 6 贴装误差组成实例示意图 沿两个轴的总误差为： t x = o 0 2 + 0 0 6 5 = 0 0 8 5m t y = o 0 2 + 0 0 6 5 = 0 0 8 5 咖 1 4 所以，该贴装机的贴装总误差为： 珊：厄舔万。而吾2 0 1 2 0m 2 分辨率 分辨率是描述贴装机分辨空间连续点的能力。贴装机的分辨率由步进马达和轴 驱动机构上的旋转或线性译码器的分辨率来决定。当座标轴被编程并运行到特定点 时，实际上到达了能被分辨的距目标位置最近的点，这就使贴装机的定位点与实际 目标位置之间产生误差，这种误差叫做量化误差，它应小于贴装机的分辨率，最大 可为贴装机分辨率的二分之一。分辨率还可以简单地描述为机器运动的最小增量的 一种度量，所以在衡量机器本身的运动精度时，它是重要的性能指标。然而，贴装 机精度实际上包括所有误差的总和，它可以远远大于量化误差。具有高分辨率的贴 装机的贴装精度有时比分辨率低的贴装机的贴装精度低。所以，在全面描述机器性 能时很少使用分辨率，一般它不出现在贴装机的技术规格中，只有当比较贴装机的 性能时，才采用分辨率这一性能指标。 3 重复精度 重复精度描述贴装工具重复地返回标定点的能力。在给重复精度下定义时，常 采用双向重复精度这个概念。美国机床制造者协会把双向重复精度定义为：在一系 列试验中从两个方向接近任何给定点时，离开平均值的偏差，并规定用3 6 表示， 如下图所示。 黼吞 硼位i 骼 心黼 位量 图1 1 7 双向重复精度的定义 重复精度，分辨率和贴装精度之间有一定关系，如图卜1 8 所示。实际上常把重 复精度包含在贴装精度的技术规范中。 1 5 天津大学研究生毕业论文 机 二影响贴片精度的因素 图1 1 8 三种精度关系 由于贴片精度不合格而造成产品缺陷时，电子行业中通常使用因果分析法的鱼 骨图来分析影响因素，如下图： c a u s ea n de f f e c ta n a l y s l s 对于影响s m t 贴片精度的原因，主要可以分为人，机，料，法，环五个方面入 手，在这五个方面，又取其最主要的影响因素加以分析。 1 设备( e q u i p m e n t ) 贴装机( p l a c e m e n tm a c h i n e ) ：这里涉及到设备本身的动态重复精度和静 态精度。包括贴装头，x y 工作台，印刷电路板定位紧固机构，吸嘴吸附一拾 取的真空度和可靠性等。 1 6 天津大学研究生毕业论文 视觉系统( v i s i o ns y s t e m ) ：主要包括对元器件和印刷电路板的对中或识 别系统。近年来各种识别技术发展很快，使贴片精度有了很大提高，同时， 各个不同的贴片机厂商都拥有各自的专有视觉处理技术。 2 方法( m e t h o d ) 贴片机参数设定( p l a c e m e n tp a r a m e t e r s ) ；贴放程序包括视觉数据和贴放 元器件数据。正确的设定对精细脚距( f i n e p it c h ) 贴放过程非常重要，当 然不同型号的贴片机数据结构也是不一样的。很多缺陷往往来自于对机器或 视觉系统不了解而造成的参数设定的错误和不恰当。 标定( c a l i b r a t i o n ) ：任何高性能的贴片设备都需要进行标定。而标定时 间的长短就决定生产线的d o w n 机时间，快速或实时的标定方法是当今机器 的发展方向。 质量的实时监管与反馈，即质量统计的方法改进和管理。 3 材料( m a t e r i a l s ) p c b 的平整度( p c bf l a t n e s s ) 。 焊锡膏的平整度( s o l d e rl a n df l a t n e s s ) 。 粘结剂与焊锡膏的粘着性。 4 环境( e n v i r o n m e n t ) 生产环境中空气的洁净，循环状况。 空气的湿度与室温的变化。