SMT生产线的检测设备介绍.ppt

广东科学技术职业学院 SMT生产线 主要设备、仪器、工具 本章内容 SMT生产线组成 主要设备：印刷机 点胶机 贴装机 再流焊机 检测设备 全自动生产线是指整条生产线设备都是全自动设备，通 过自动上板机、缓冲连接线和卸板机将所有生产设备连 一条自动线； 半自动生产线是指主要生产设备没有连接起来或没有完全 连接起来印刷机是半自动的，需要人工印刷或人工装卸印 制板 SMT生产线 按照生产线的规模大小可分为 大型、中型和小型生产线。 按照自动化程度分为 全自动生产线和半自动生产线 图中： 1自动上板装置 2高精度全自动印刷 机 3缓冲带（检查工位） 4高速贴装机 5高精度、多功能贴 装机 6缓冲带（检查工位） 7热风或热风远红外再流焊炉 8自动卸板装置 SMT生产线所需设备 组织实施 双面SMD/THC组装工艺流程 此类要用混合安装工艺，主要用于消费类电子产品的安装。主要 流程如下： A B 面 印刷锡膏 点贴片胶 贴 装 元 件 翻 转 回流焊 加热固化 SMD/THC组装主要流程 印刷锡膏贴装元件 回流焊 翻转 先作先作A A面面 ： 点贴片胶贴装元件加热固化翻转 再作再作B B面：面： 插通孔元件后再过波峰焊插通孔元件后再过波峰焊 插通孔元件 波峰焊 清洗 波峰焊 插通孔元件 清洗 SMT生产线主要生产设备包括印刷机、点 胶机、贴装机、再流焊炉和波峰焊机。辅 助设备有检测设备、返修设备、清洗设备 、干燥设备和物料存储设备等。 印刷机 手工印刷机和刮刀 半自动印刷机 全自动印刷机 印刷机的基本结构 机架 夹持基板的X、Y、 工作台 印刷头系统 丝网或模板的固定、 分离机构 视觉定位系统、擦板 系统 二维、三维测量系统 传输控制系统和 刮刀固定机构 印刷精度的 基本保证 印刷机的主要技术指标印刷机的主要技术指标 最大印刷面积：根据最 大的PCB尺寸确定 印刷精度：一般要求达 到0.025mm。 重复精度：一般要求达 到0.01mm 印刷速度：根据产量决 定 可能就这些吧 按照网板与PCB是否接触分为接触和非接触印刷 按照印刷方向分为单向和双向印刷 按照网板分离方式分为： PCB工作台固定 印刷头、刮刀系统和模板固定 开放式印刷 密闭式印刷 印刷方式 刮刀的种类 A）橡胶刮刀 B）金属刮刀 C）橡胶+金属刮刀 手工印刷机 手工装卸PCB 手工图形对准 手工印刷 半自动印刷机 手工装卸PCB 印刷机自动完成印刷和网板的分离 可以配置视觉定位系统 全自动印刷机 自动装卸PCB 视觉定位 印刷 分离 印刷锡膏是SMT的关键工序 印刷机发展方向 半自动印刷机配备 1、全自动视觉对位 2、二D检验 3、自动清洗模板底部 全自动印刷机增加功能部件 1、CCD自动视觉识别功能、二维三维测量系统 2、封闭式印刷、离板速度调整、网板自动清洁功能 3、对QFP器件进行45角印刷 4、推出Plower Flower等密闭式“流变泵”印刷头技 术 5、喷印功能：设备昂贵（$30万以上） 18 18 点胶机是一种通用电子生产 设备，具有结构紧凑、操作 方便、性能稳定、经济实用 等优点，是集运动控制技术 和点胶控制技术于一体的机 电一体化产品，已广泛应用 于电子元件制造、电路板组 装、电器产品生产、集成电 路封装等行业。 点胶机 点胶机设备参数、性能 程序容量：100个程序/6000点 编程界面：中/英文5.7英寸触摸屏示教器 最大承重：工作台8千克 Z轴3千克 有效行程：X轴400mm（左右移动）， Y1轴、Y2轴400mm（工作台前后 移动） Z轴100mm（点胶头上下移动） 最高速度：X轴800mm/s， Y1轴、Y2轴800mm/s， Z轴300mm/s 重复精度：0.02mm 编程方式：触摸屏控制，PC编程输入 气 压：06Kgf/C 印刷机的发展 由于新型SMD 不断出现、组 装密度的提高 以及免清洗要 求，印刷机的 高密度、高精 度的提高以及 多功能方向发 展 半自动印刷机加视觉识别系统。 增加了CCD图像识别 全自动印刷机：自动识别系统 自动更换漏印模板、清洗网板 对QFP器件进行45度角印刷 二维和三维检查印刷结果（焊膏图形）等功能。 贴片机 贴片机是片式元器件自动安装装置， 是一种由微电脑控制的对片式元器件实现 自动检选、贴放的精密设备。 提示 贴片机是表面安装工艺的关键 设备，它是SMT生产线中最昂贵的设备之 一，能达到高水平的工艺要求。 贴 片 机 贴片机的结构框图如图1.9所示。 贴片机的结构 图1.9 贴片机的结构框图 全自动贴片机如图1.10所示。 贴片机各部分的功能 图1.10 全自动贴片机 贴片机各部分的功能如下。 1坚固的机械结构 采用重型耐用的直线滚珠导轨系统 ，提供坚固和耐用的机械装置。 2直线编码系统 采用闭环直流伺服马达并配合使用 无接触式直线编码系统，提供非常高的 重复精度（+/0.01mm）和稳定性。 3智能式送料系统 智能式送料系统能够快速、准确地送 料。 4点胶系统 点胶系统可在IC的焊盘上快速进行点 焊膏。 高精密度BGA及QFP IC的视觉对中 系统外形如图5.11所示。该系统具有线路 板识别摄像机和元器件识别摄像机，采用 彩色显示器，实现人机对话，也称为光学 视觉系统，能够纠正片式元器件与相应焊 盘图形间的角度误差和定位误差，以提高 贴装精度。这类贴片机的贴装精度达 0.04mm，贴装件接脚间距为0.3mm，贴 装速度为0.10.2s/件。 5飞行视觉对中系统 图1.11 飞行视觉对中系统 内置精密摄像系统可自动学习PCB基 准点，除标准的圆形基准点外，方形的 PCB焊盘和环形穿孔焊盘也可作基准点来 识别，如图1.12所示；还可精密贴装BGA IC和QFP IC，如图1.13所示。 6灵巧的基准点系统 圆形的PCB焊盘方形的PCB焊盘环形穿孔焊盘 图1.12 基准点系统识别基准点 （a）BGA IC （b）QFP IC 图1.13 精密贴装BGA IC和QFP IC 1按贴片机的贴装速度及所贴装元器件种类分 高速贴片机适合贴装矩形或圆柱形 的片式元器件。 贴片机的种类 低速高精度贴片机适合贴装SOP形 集成电路、小型封装芯片载体及无引线陶 瓷封装芯片载体等。 多功能贴片机既可贴装常规片式元 器件，又可贴各种芯片载体。 2按机器归类分 贴片机按机器归类分为标准型片式元 器件贴片机和异形片式元器件贴片机。 3按贴片机贴装方式分 贴式机按贴装方式分为同时式、顺序 式、顺序/同时式与流水线式，如表1.3所示 。 类 别 贴 装 方 式特 点 顺序式 印制电路板AP装在X-Y工作台上，表 面安装元器件（SMD）一个一个地 顺序贴装 工作灵活 同时式多个SMD通过模板一次同时贴 于AP上 贴装率高，但不 易更换AP 流水线 式 AP在排成流水线的多个贴装头下， 一步一步地行进，每到一个头下 ，贴装一个SMD 投资大、占地大 ，但贴装效率 高 顺序/同 时式 兼有顺序式和同时式两种方式 表1.3贴片机按贴装方式分类表 贴片机 贴装机相当于机器人，把元器件从包装中取出，并贴放到 印制板相应的位置上。 贴装机的的基本结构 a 底座 b 供料器。 c 印制电路板传输装置 d 贴装头 e 对中系统 f 贴装头的X、Y轴定位 传输装置 g 贴装工具（吸嘴 h 计算机控制系统 贴片机的主要技术指标 3.2.2.2 贴装机的主要技术指标 a 贴装精度：包括三个内容：贴装精度、 分辨率、重复精度。 贴装精度是指元器件贴装后相对于印 制板标准贴装位置的偏移量，一般 来讲，贴装Chip元件要求达到0.1mm， 贴装高密度窄间距的SMD至少要求达到 0.06mm。 分辨率分辨率是贴装机运行时每个步 进的最小增量。 重复精度重复精度是指贴装头重复返 回标定点的能力 b 贴片速度：一般高速机为0.2S/ Chip元件 以内，多功能机度为 0.30.6S/Chip元件左右。 c对中方式：有机械对中、激光对中、全视 觉对中、激光/视觉混合对中。 d 贴装面积：指贴装头的运动范围，可贴 装的PCB尺寸，最大PCB尺寸应大于 250300 mm。 e 贴装功能：是指贴装元器件的能力。一 般高速机只能贴装较小的元器件； 多功能机可贴装最小0.603 mm最大 6060mm器件，还可以贴装连接器等异 形元器件。 f 可贴装元件种类数：是指贴装机料站位置 的多少（以能容纳8 mm编带供料器 的数量来衡量） g 编程功能：是指在线和离线编程优化功 能。 日本SONY公司的SI-E1000MK高速贴装机的 45旋转贴装头 贴片机的发展趋势 随着SMC小型化、SMD多引脚窄间距化和复合式、组合 式片式元器件、BGA、CSP、DCA（芯片直接贴装技术 ）、以及表面组装的接插件等新型片式元器件的不断出现 ，对贴装技术的要求越来越高。近年来，各类自动化贴装 机正朝着高速、高精度和多功能方向发展。采用多贴装头 、多吸嘴以及高分辨率视觉系统等先进技术，使贴装速度 和贴装精度大大提高。 目前最高的贴装速度可达到0.06S/Chip元件左右；高精度 贴装机的重复贴装精度为0.05-0.25mm; 多功能贴片机除 了能贴装0201(0.6mm*0.3mm)元件外,还能贴装SOIC(小 外型集成电路)、PLCC（塑料有引线芯片载体）、窄引线 间距QFP、BGA和CSP以及长接插件（150Mm长）等 SMD/SMC的能力。 贴片机的发展趋势 此外，现代的贴片机在传动结构（Y轴方向由单 丝械向双丝杠发展）； 元件的对中方式（由机械向激光向全视觉发展） ；图像识别（采用高分辨CCD）；BGA和CSP的 贴装（采用反射加直射镜技术）；采用铸铁机架 以减少振动，提高精度，减少磨损； 增强计算机功能等方面都采用了许多新技术，使 操作更加简便、迅速、直观和易掌握。 回流炉（再流炉） 再流焊炉主要有热板 式、红外、热风、红 外热风和气相焊等 形式。 再流焊热传导方式主 要有辐射和对流两种 方式。 辐射传导主要有红外炉。其优点是热 效率高，温度陡度大，易控制温度曲线， 双面焊接时PCB上、下温度易控制。其缺 点是温度不均匀；在同一块PCB上由于器 件的颜色和大小不同、其温度就不同。为 了使深颜色和大体积的元器件达到焊接温 度、必须提高焊接温度，容易造成焊接不 良和损坏元器件等缺陷。 对流传导主要有热风炉。其优点是温 度均匀、焊接质量好。缺点是PCB上、上 温差以及沿焊接长度方向的温度梯度不易 控制。 （1）目前再流焊倾向采用热风小对流方式 ，在炉子下面采用制冷手段，以保护炉子 上、下和长度方向的温度梯度，从而达到 工艺曲线的要求。 （2）是否需要充N2选择（基于免清洗要求 提出的） 充N2的主要作用是防止高温下二次氧化， 达到提高可焊性的目的。 再流焊炉 再流焊炉是焊接表面贴装元器件的设备。再流焊炉主要有 红外炉、热风炉、红外加热风炉、蒸汽焊炉等。目前最流行 的是全热风炉以及红外加热风炉。 热风、红外再流焊炉的基本结构 炉体 上下加热源 PCB传输装置 空气循环装置 冷却装置 排风装置 温度控制装置 以及计算机控制系统 再流焊炉的主要技术指标 a 温度控制精度：应达到0.10.2； b 传输带横向温差：要求5以下； c 温度曲线测试功能：如果设备无此配置，应外购温度 曲线采集器； d 最高加热温度：一般为300350，如果考虑无铅焊 料或金属基板，应选择350以上。 e 加热区数量和长度：加热区数量越多、加热区长度越 长，越容易调整和控制温度曲线。一般中小批量生产 选择45温区，加热区长度1.8m左右即能满足要求。 f 传送带宽度：应根据最大和最小PCB尺寸确定。 再流焊的核心环节是利用外部热源加 热，使焊料熔化而再次流动浸润，完成印 制电路板的焊接过程。 提示 再流焊接是精密焊接，热应力小 ，适用于全表面贴装元器件的焊接。 常用的再流焊接机有红外线再流焊 接机、气相再流焊接机、热传导再流焊 接机、激光再流焊接机、热风再流焊接 机等。应用最多的是红外线再流焊接机 、热风再流焊接机和气相再流焊接机。 图1.5所示为大型全热风回流焊接 机，图1.6所示为智能无铅回流焊接机。 各种再流焊的原理和性能如表1.2 所示。 再流焊接机的种类 图1.5 大型全热风回流焊接机 图1.6 智能无铅回流焊接机 加热方式 原 理焊接形式（典型） 焊 接 温 度 备注 红外线再流焊由红外线的辐射加热 225 235 调节 范围： 310 预热 ：远红 外 焊接：近红 外 适合 于 不 需 要 部 分 加 热 场 合 ， 可 大 批 量 生 产 气相再流焊 利用惰性气体的汽化潜 热 215 调节 范围： 1030 热板再流焊利用芯板的热传导 加热 215 235 调节 范围： 310 表1.2再流焊的原理和性能表 局 部 加 热 方 式 专用加热工 具 利用热传 导进 行焊 接 100260 调节 范围：5 10 加压：78.5274.6N 激光束 利用激光 进行 焊接 （CO2 与YAG 激光） 红外光束 红外线高 温光点 焊接 同激光焊接相比较， 成本低 热气流 通过热 气 喷嘴 加热 焊接 230260 调节 范围：3 10 加 热 方 式原 理焊接形式（典型）焊 接 温 度 备 注 焊 接 时 对 其 他 元 件 不 产 生 热 应 力 ， 损 坏 性 小 续表 再流焊又称回流焊，焊料是焊锡膏。 再流焊是将适量焊锡膏涂敷在印制电路板 的焊盘上，再把表面贴装元器件贴放到相 应的位置，由于焊锡膏具有一定黏性，可 将元器件固定，然后让贴装好元器件的印 制电路板进入再流焊设备。在再流焊设备 中，焊锡膏经过干燥、预热、熔化、润湿 、冷却，将元器件焊接到印制电路板上。 再流焊接机 再流焊炉主要由炉体、上下加热源、 PCB传送装置、空气循环装置、冷却装置 、排风装置、温度控制装置以及计算机控 制系统组成，如图1.7所示。 再流焊接机的组成 图1.7 再流焊接机的结构 提示 单纯的红外加热再流焊，很难使 组件上各处的温度都符合规定的曲线要求 ，而红外/热风混合式，采用强力空气对流 的远红外再流焊，热空气在炉内循环，在 一定程度上改善了温度场的均匀性。 红外/热风再流焊接机也称热风对流红 外线辐射再流焊接机，其结构如图1.8所示 。 预热区的作用是激活焊膏中的助焊剂 ，使焊膏中的熔剂挥发物逐渐地挥发出来 并保证组件整体温度均匀，从而防止焊料 飞溅和基板过热。 红外/热风再流焊接机 图1.8 红外/热风再流焊接机的结构 再流区是实现各焊点充分均匀地润湿 ，采用多嘴加热组件，鼓风机将被加热的 气体从专门设计的多喷嘴系统中喷入炉腔 ，确保工作区温度分布均匀，能分别控制 顶面和底面的热气流量和温度，在实现对 印制电路板顶面焊接的同时，对印制电路 板底面进行冷却，以免焊接好的元器件松 动。 浸 锡 炉 浸焊是把已完成元器件安装的印制电 路板浸入熔化状态的焊料液中，一次完成 印制电路板上的焊接。 浸锡炉是在一般锡锅的基础上加焊锡 滚动装置和温度调节装置构成的，是浸焊 专用设备。自动浸锡炉如图所示。 图 自动浸锡炉 想一想 浸锡炉有哪些用途呢？ 浸锡炉既可用于对元器件引线、导线 端头、焊片等进行浸锡，也适用于小批量 印制电路板的焊接。由于锡锅内的焊料不 停地滚动，增强了浸锡效果。 使用浸锡炉时要注意调整温度。锡锅 一般设有加温挡和保温挡。开关置加温挡 时，炉内两组电阻丝并联，温度较高，便 于熔化焊料。当锅内焊料已充分熔化后， 应及时转向保温挡。此时电阻丝从并联改 为串联，电炉温度不再继续升高，维持焊 料的熔化，供浸锡用。 为了保证浸锡质量，应根据锅内焊料 消耗情况，及时增添焊料，并及时清理锡 渣和适当补充焊剂。 图5.2为现在小批量生产中仍在使用的 浸焊设备示意图。图5.2（a）所示为夹持式 浸焊炉，即由操作者掌握浸入时间，通过 调整夹持装置可调节浸入角度。图5.2（b） 所示为针床式浸焊炉，它可进一步控制浸 焊时间、浸入及托起速度。这两种浸焊设 备都可以自动恒温，一般还配置预热及涂 助焊剂的设备。 图5.2 浸焊设备示意图 想一想 什么是波峰焊呢？ 如图5.3所示，波峰焊是将熔融的液态 焊料，借助机械或电磁泵的作用，在焊料 槽液面形成特定形状的焊料波峰，将插装 了元器件的印制电路板置于传送链上，以 某一特定的角度、一定的浸入深度和一定 的速度穿过焊料波峰而实现逐点焊接的过 程。波峰焊适于大批量生产。 5.2 波峰焊接机 HS-350DS触摸屏波峰焊 图5.3 波峰焊示意图 提示 波峰焊是自动焊接中较为理想的 焊接方法，近年来发展较快，目前已成为 印制电路板的主要焊接方法。 5.2.1 波峰焊接机的组成 波峰焊接机通常由涂助焊剂装置、预 热装置、焊料槽、冷却风扇和传送装置等 部分组成，其结构形式有圆周式和直线式 两种，如图5.4所示。 图5.4（a）所示为圆周式，焊接机的 有关装置沿圆周排列，台车运行一周完成 一块印制电路板的焊接任务。这种焊接机 的特点是台车能连续循环使用。 图5.4（b）所示为直线式，通常传送 带安装在焊接机的两侧，印制电路板可用 台车传送，也可直接挂在传送带上。 图5.4 波峰焊接机 表面安装使用的波峰焊接机是在传统 波峰焊接机的基础上进行改进，以适应高 密度组装的需要。主要改进在波峰上，有 双峰、峰、喷射式峰和气泡峰等新型波峰 ，形成湍流波，以提高渗透性。它们的工 作原理和性能如表5.1所示。 5.2.2 表面安装使用的波峰焊接 机 表面安装用波峰焊接机的主要技术指 标有焊剂容量610L，最高18L；焊料量 10kg1 000kg；带速06m/min；带宽 300mm450mm；焊料温度220 250；焊接时间3s4s。 方 法工 作 原 理特 点 双峰波峰焊 （1）适用于混装SMT的焊 接 （2）生产率高，工艺成熟 （3）易桥接、漏焊，漏焊 率18% （4）AP承受焊料冲剂 （5）SMD须预 先固定 峰波峰焊 （1）适用于混装SMT的焊 接 （2）生产率高，工艺成熟 （3）易桥接、漏焊，漏焊 率18% （4）AP承受焊料冲剂 （5）SMD须预 先固定 表5.1 表面安装使用的波峰焊接机工作原理和性能表 方 法工 作 原 理特 点 喷射式波峰焊 （1）适用于混装SMT的焊 接 （2）生产率高，工艺成熟 （3）易桥接、漏焊，漏焊 率18% （4）AP承受焊料冲剂 （5）SMD须预 先固定 气泡波峰焊 （1）漏焊率20% （2）适于细线焊 接 续表 预热温度：室温250 不同厂家 所生产的 波峰焊设 备的参数 和性能会 略有不同 ，现以威 海海天机 电有限公 司生产的 八温区无 铅波峰焊 设备为例 进行讲解 ： 运输速度：0-1800mm/min PCB宽度： Max.350mm 预热区数量：3 个预热温区 预热器：220v/AC3.0KW X3 焊接温度：室温400 传送方向： LR AOI 基本原理 AOI（Automated Optical Inspection）自动光学检测，利 用光学和数字成像技术，采用计算机和软件技术分析图像 而进行自动检测的一种新型技术。 AOI 的定义是广泛的，运用是多领域的，如文字印刷检测 ，金属表面检测，零件几何测量（二次元、三次元、影像 量测仪），各种证件识别（车牌违章拍照）以及人的面容 识别等等。但从本世纪起， SMT行业对此技术运用得相 对较早和更加广泛，久而久之SMT 行业通常将AOI 误认 为是SMT 行业中“专用名词”。在此，为了尊重AOI 行业其 他领域的工作人员，我们将SMT 行业的AOI 可定义为 SMT-AOI， 另外一种仅检测PCB 基板（PCB 厂生产的PCB 基板，无 元件）的AOI，可定义为PCB-AOI。 AOI 的组成 SMT-AOI 的运用及发展 SMT-AOI 可用于SMT 生产过程中对锡膏印刷、 贴片机贴片、回流焊接、波峰焊接的相关工艺进 行品质监控和检测，相关检测项目如下： 锡膏印刷检测项目：少锡、多锡、连锡（短路） 、污染、偏位等 自动贴片检测项目：缺件、错件、错位、极性错 误、破损、污染等 回流焊接检测项目：少锡、多锡、连锡（短路） 、虚焊等 波峰焊接检测项目：少锡、多锡、连锡（短路） 、虚焊等 AOI 发展历史 上世纪末，在欧美和日本，一些多年从事 SMT 检测设备制造的厂商一直都在研发一 种能够代替人（目测）的自动检测技术， 基础理论上各个厂商无一例外的选择了光 学原理，同时随着计算机的不断发展，在 成像上可借助数字相机和软件处理来完成 复杂的数学模型运算，由此加速AOI 技术 的发展和成熟。 在AOI 技术普及以前SMT 的主流测试技术是ICT 技术（In-Circuit Test，在线测试）, ICT 测试技 术是基于物理接触及加电测试的，对元器件连接 性及电路通电性能进行测试。但随着元器件小型 化和IC脚密集化，ICT 的接触式测试越来越无法 应对这类狭小空间的PCB 测试。ICT 制造商基本 上都投入了 AOI 技术的研发队伍中，如Agilent(安捷伦)， TERADYNE(泰瑞达)， TRI（德律）等。 AOI 的使用在中国是比较早的，早期使用 此类设备的用户基本上都是在中国的外资 企业，设备全部从国外进口。 2003-2006 年，中国国内的SMT 行业人士 也投入到了AOI 的研发事业中，其代表是 东莞的神州视觉和厦门的福兴光电。通过 他们的努力，基本上打破国外AOI 在中国 的垄断地位，同时也推动了该行业在国内 的迅速发展。 现有技术概况 总体而言，SMT-AOI 技术分为两大技术阵营：图 像对比和调试算法。国内的AO