（机械电子工程专业论文）贴片机研究与结构设计.pdf

哈尔滨丁释大学硕十学伶论文 摘要 贴片机是s m t 生产线的重要组成部分，对整个生产线的产品精度、生产 效率、实际产量和生产能力起决定性的作用，在国内具有广阔的应用前景。 高速、高精度是贴片机的重要指标，国内外研究人员针对如何解决贴片机即 高速又高精度之间的矛盾问题，作了大量的理论研究。本文以现有贴片机为 基础深入研究，通过改善机械结构和对关键部件的重新设计，在兼顾贴片速 度的同时进一步提高了贴片机的贴片精度。 本文对贴片机的机械结构进行了总体设计。通过对国内外各种典型的贴 片机结构的全面分析，在综合各种贴片机结构优劣的基础上，设计了具有x - y 联动定位系统的拱架式贴片机结构。由于贴装头的结构直接影响了整个机器 的设计精度和速度，因此贴装头设计在整个贴片机设计中处于核心地位。本 文设计了8 工位拱架式贴装头，在保证设计精度和速度的前提下为了节省整 体设计成本同时设计了结构简单、制造方便且能够满足理论要求的带状元件 的气动式同步棘轮喂料器以及轨道输送系统、吸嘴更换器等其它部件。 为了验证设计的合理性本文利用p r o e 工程软件，建立了贴片机各零部 件的三维模型，制定了合理的装配顺序，生成了贴片机的实体模型；利用 a n s y s 软件对贴片机的整机及横梁进行模态分析，对机械传动系统的伺服精 度作了分析，通过m a t l a b 软件中的s i m u l i n k 模块仿真出刚度和阻尼对传动系 统的影响，同时对贴片机的理论贴片精度和速度进行了计算，得出结论能够 满足使用要求。 关键词：贴片机：喂料器；贴装；仿真 哈尔滨r w 大学硕+ 学何论文 a b s t r a c t p i c k p l a c ee q u i p m e n ti s a l l i m p o r t a n tp a r t i ns u r f a c em o u n tt e c h n o l o g y p r o d u c tl i n e i th a sad e c i s i v ee f f e c to np r o d u c t i o n ，p r e c i s i o n ，e f f i c i e n c y , o u t p u t ， c a p a c i t yo fi n t e g r a lp r o d u c tl i n ea n da l s oh a sab r o a dp r o s p e c ti nd o m e s t i c a p p l i c a t i o n h i 曲一s p e e da n dh i g h p r e c i s i o na r ea ni m p o r t a n tp e r f o r m a n c eo f p i c k - p l a c ee q u i p m e n t ag r e a td e a lo ft h e o r e t i c a lr e s e a r c hh a sb e e nd o n eb yt h e r e s e a r c h e r st os o l v et h eh i g h s p e e da n dh i g h p r e c i s i o nc o n t r a d i c t i o ni np i c k p l a c e e q u i p m e n t i nt h i sp a p e rl u c u b r a t eh a sb e e nd o n ea c c o r d i n gt oe x i s t i n gm o d e lo f i t b yi m p r o v i n gm e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n dd e s i g n i n gp i v o t a l p a r t p l a c e m e n t p r e c i s i o ni se n h a n c e dw i t hc o n s i d e r i n gs p e e da tt h es a m et i m e m o d u l a rd e s i g nh a sb e e na p p l i e dt ot h em e c h a n i c a ls t r u c t u r eo fs m t i nt h i s p a p e r t h r o u g ht h es t r u c t u r ea n a l y s i so ft y p i c a lp i c k p l a c ee q u i p m e n t ，x - yl i n k a g e t r a b e a t e ds t y l ep o s i t i o n i n gs y s t e mi sd e s i g n e d p l a c e m e n th e a d m a n i p u l a t o ri st h e s o u lo ft h em a c h i n e ；i t ss t r u c t u r eh a sa ni m m e d i a t ei n f l u e n c eo l le n t i r em a c h i n e ，s p r e c i s i o na n ds p e e d i nt h i sp a p e r8b i ta r c hm a n i p u l a t o rf o rp l a c e m e n th e a da r e d e s i g n e d f e e d e r sf o rp n e u m a t i cr a t c h e tw h e e li n p h a s ea r ed e s i g n e d w h i c hm u s t b es i m p l ea n da l s om a n u f a c t u r e d e a s i l y f i n a l l y i th a st om e e tt h e t h e o r y r e q u i r e m e n t s o t h e rp a r t sa r ea l s od e s i g n e d ，i n c l u d i n g ：t r a c kt r a n s m i s s i o ns y s t e m ， s u c t i o nn o z z l er e p l a c e m e n tm a c h i n ea n ds oo n u s i n gp r o ee n g i n e e r i n gs o f t w a r e t h e3 dm o d e lo f e a c hp a r t si np i c k p l a c e e q u i p m e n ta r ee s t a b l i s h e d ；r e a s o n a b l ea s s e m b l es e q u e n c ei sf o r m u l a t e d ，a f t e ra l l a b o v e ，t h ee n t i t ym o d e li sg e n e r a t e d s t a t i ca n dm o d a lo ft h eb e a ma r ea n a l y s e db y u s i n ga n s y ss o f t w a r e s e r v op r e c i s i o no fm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e mi sa n a l y s e db ys i m u l i n km o d u l eo f m a t l a b ，t h u sa c c u r a c ya n ds p e e do fp l a c e i n ge l e m e n ti s a n a l y s e da n dc a l c u l a t e d t h em a c h i n ei sp r o v e dt ob ew e l l w o r k i n gt h r o u g ht e s t i f y k e y w o r d s ：p i c k p l a c ee q u i p m e n t ，f e e d e r s ，p l a c e m e n t ，e m u l a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担口 作者( 签字) ： 日期：蜀6 扩年名月，笋日 哈尔滨t 程火学硕十学何论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究目的和意义 自从无线电技术发明的那天起，电子装联技术就相伴诞生了。但在电子 管时代，人们仅用手工焊接电子线路，电子管收录机是当时的主要产品，新 兴学科的兴起，犹如一石激起千层浪。2 0 世纪4 0 年代，晶体管的诞生，高 分子聚合物的合成，以及印刷电路板的研制成功，人们开始尝试将晶体管和 通孔元件直接焊接在印制板上，使电子产品结构变得紧凑，体积开始缩小。 2 0 世纪5 0 年代，英国人研制出世界上第一台波峰焊机，将晶体管一类通孔 元件插装在印刷电路板上，采用波峰焊技术实现了通孔组件的装联，此后半 导体收音机，黑白电视机迅速在世界各地普及流行，波峰焊接技术的出现开 辟了电子产品大规模工业化生产的新纪元。对全世界电子工业生产技术发展 作出了无法估量的贡献。 2 0 世纪6 0 年代，在电子表行业中，为了实现电子表的微型化，人们开 发出了无引线电子元件，并将其直接焊接到印制板的表面，实现了电子表微 型化，这就是今天称之为“表面贴装技术 的雏形。 表面贴装技术，英文称之为“s u r f a c em o u n tt e c h n o l o g y ”简称s m t ，它 是将表面贴装元器件( 无引脚活引脚的元器件) 贴、焊到e 唏0 电路板表面规定 位置上的电路贴装技术，所用的印制电路板无需钻插装孔皿1 。具体地说，就 是首先在印制电路板焊盘上涂布焊锡膏，再将表面贴装元器件准确地放到涂 有焊锡膏的焊盘上，通过加热印制电路板直至焊锡膏熔化，冷却后便实现了 元器件与电路之间的互联。 2 0 世纪7 0 年代，以发展销售类产品著称的只本电子行业敏锐地发现了 s m t 的先进性，并迅速在电子行业推广，很快推出s m t 专用焊料( 焊锡膏) 和专用设备( 贴片机、再流焊炉、印刷机) 以及各种片式元器件，极大地丰富 了s m t 的内涵，也为s m t 的发展奠定了坚实的基础。s m t 技术经过4 0 年 的发展，己进入完全成熟的阶段是当代电路组装技术的主流，而且正继续向 纵深发展。s m t 发展的主要技术目标是把小型化的片状元件应用在混合电路 1 哈尔滨f j 程人学硕十学何论文 ( 我国称为厚膜电路) 的生产制造之中，从这个角度来说s m t 对集成电路的制 造工艺和技术发展做出了重大的贡献。s m t 技术的出现从根本上改变了传统 的电装生产形式，成为现代电子装配技术一个新的里程碑p 1 。表面贴装技术 的组成如图1 1 所示。 fl 包 装：盘带式、棒式、华夫盘、散装式 i 、 r 焊锡膏与无铅焊料 ii厂基板材料：有机玻璃纤维板、陶瓷板、金属基板 il 电路图形设计：图形尺寸设计、工艺性设计 纠l s m d 与通孔元件混装，单面或双面 llf 助焊剂涂布方式：发泡、喷雾 蕖il6 焊接工艺丁波峰焊t 誊瓣温度曲线的设定 lll 再流焊 豢凳嚣 l 设备印刷机，贴片机，焊接设备( 波峰焊、再流焊、汽相焊机、激光设备) 由此可以看出s m t 是一项技术密集、知识密集涉及元器件封装、电路基 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 板技术、印刷技术、自动控制技术、软钎焊技术、物理、化工、新型材料等 多种专业和学科的综合技术。 贴片机是s m t 生产线中极其关键的设备之+ ，不仅是因为它几乎占了整 条生产线投资额的一半以上，更是由于它对整个生产线的产品精度、生产效 率、实际产量和生产能力起决定性的作用。因此，贴片机的发展更能引起人 们的关注。贴片机是机一电一光以及计算机控制技术的综合体。它通过吸取一 位移一定位一放簧等功能，通过移动的贴装头将s m d 元件快速而准确地贴装 到p c b 板所指定的焊盘位置。目前，贴装机的发展趋势正向着高速、高精度、 智能化、柔性制造系统( f m s ) 、多功能等方向发展”。 1 2 贴片机的国内外发展概况 1 2 1 贴片机的国外发展简介 国外的贴片机研制技术一直走在前列，如f 1 本的松下、雅马哈、富士， 韩国的三星，德国的西门子，美国的环球，荷兰的飞利浦等都已开发出非常 成熟的产品系列。 美国是世界上最早应用s m t 的国家，并且一直重视在投资类电子产品 和军事装各领域发挥s m t 高组装密度和高可靠性方面的优势。 图1 2 西门子贴片机 豳13 环球贴片机 日本在2 0 世纪7 0 年代从美国引进s m t 技术并将之应用在消费类电子 3 哈尔滨【：程大学硕十学位论文 产品领域并投入巨资大力加强基础材料、基础技术和推广应用方面的开发 研究工作。日本从2 0 世纪8 0 年代中后期起，加速了s m t 在产业电子设备 领域中的全面推广应用，仅用四年时间使s m t 在计算机和通信设备中的应 用数量增长了近3 0 ，且超过了美国，在s m t 应用方面处于世界领先地位。 2 0 世纪8 0 年代中期以来，s m t 进入高速发展阶段，9 0 年代初已成为完 全成熟的新一代电路组装技术，并逐步取代通孔插装技术。据相关资料报道， 进入2 0 世纪9 0 年代以来，全球采用通孔组装技术的电子产品正以年1 1 的 速度下降，而采用s m t 的电子产品正以8 的速度递增。到目前为止，r 、 美等国已有8 0 以上的电子产品采用了s m 一”。 i l 燃燃 幽1 4 松下贴片机圈15 雅马哈贴片机 图i6 台湾元利盛贴片机e m 5 6 0 、懋j i _ 蟹，。=届赐 爨 哈尔滨i ：程人。学硕十导叫市论文 n i i i 欧洲各国s m t 的起步较晚，但他们重视发展并有较好的工业基础，发 展速度也很快，其发展水平仅次于日本和美国。2 0 世纪8 0 年代以来，新加 坡、韩国和我国香港、台湾地区也不惜投入巨资，纷纷引进先进技术，使本 地s m t 获得较快的发展。 1 2 2 国内贴片机的发展简介 由于中国国内企业的产品在技术水平、控制精度、智能化水平和安全性 能等方面与国外先进产品有着较大的差距，国内对高端电动执行器的需求主 要通过进口柬满足。 我国s m t 的应用起步于2 0 世纪8 0 年代初期阳1 ，最初从美、同等国成套 引进了s m t 生产线用于彩电调谐器生产。随后应用于录像机、摄像机及袖珍 式高档多波段收音机、随身听等生产中，近几年在计算机、通信设备、航空 航天电子产品中也逐渐得到应用。 据2 0 0 0 年不完全统计，我国约有4 0 多家企业从事表面组装元器件的生 产，全国约有3 0 0 多家企业引进了s m t 生产线，不同程度地采用了s m t 技 术，全国己引进7 0 0 0 余台贴片机。随着改革开放的深入以及加入w t o ，近 年来美、日、新加坡的一些厂商已将s m t 加工厂搬到了中国，仅2 0 0 1 - 2 0 0 2 一年就引进了4 0 0 0 余台贴片机“1 。 经过2 0 年持续增长，尤其是2 0 0 0 年到2 0 0 4 年连续5 年的超高速增长， 中国已经成为世界第一的s m t 产业大国，预计这一地位l o 年内不会改变。 从2 0 0 5 年起，中国的s m t 产业进入调整转型期，这个调整转型期是中国由 s m t 大国走向s m t 强国的关键。我国s m t 的发展前景是非常广阔的。我国 在从国外引进贴片机的同时，也在不断地_ 丌发研究。 贴片机曾是我国“七五”、“八五”、“九五 、“十五”计划中电子装备类 别的重点发展项目之一一1 。2 0 多年来，国内一些研究所、大学、工厂开展了 s m t 生产线中各种设备( 指丝印、贴片、焊接等设备) 的研制工作。 从1 9 7 8 年我国引进第一条彩电生产线开始，电子部二所就开始了贴片机 的研发工作，以后有电子部5 6 所、电子部4 5 0 6 厂、航天部二院、广州机床 研究所等科研院所分别进行了研制，并取得了大量科研成果。虽然这些研究 成果没有实现产业化，但为后来者积累了宝贵的经验。 5 坠玺鎏! 矍- 人堂堡望兰皇鲨窒 国内现有或进行过贴片机研发、生产的企业有：羊城科技、熊猫电子、 风华高科、上海现代、上海微电子、深圳日东等。羊城科技从贴片机的低端 市场出发，面向围内中小电子企业、科研院所等单位，自主研发，成功研制 出s m t 2 5 0 5 贴片机，并与西安交通大学、中南大学等展开合作，在自主研发 产品基础上，采用数字化样机研究手段，进行了针对贴片机性能的系统研究， 取得了一定成效。不过与国外机型相比还存在一定差距，而且因资金问题， 产品尚未进入批量生产阶段。其它的研究企业也进行了贴片机的研制，完成 各自的研制课题和样机，取得了一定的成果。由于贴片机的技术含量高，研 发周期较长，投入大，因此大部分中小企业对贴片机的研发工作仍停留在样 机阶段，无法将产品应用到生产线上。 国内大专院校对贴片机的研究工作也一直末停止过，如西安电子科技大 学的闰红超、姜建国等采用改进混合遗传算法进行了贴片机装配工艺优化的 研究；西安交通大学的李蕾、杜春华等对贴片机视觉检测算法进行了研究； 西南交通大学的杨帆研究了s m t 贴片机的定位运动控制；龙绪明对贴片机视 觉系统进行了综述；山东大学的刘锦波基于视觉研究了楔型贴片机运动控制 系统；上海交通大学机械与动力工程学院的莫锦秋、程志国、浦晓峰等研究 了贴片机的控制系统，c i m 研究所的曾又铰、金烨研究了贴片机的贴装优化 问题，微电子装备研究所的于新瑞、王石刚、刘绍军研究了贴片机系统的图 像处理技术问题，自动化研究所的田福厚、李少远等进行了贴片机喂料器分 配的优化及其遗传算法研究；华中科技大学的汪宏异、史铁林等从视觉与图 像方面进行了贴片机的相关研究；华南理工大学与风华高科合作，从视觉检 测、图像处理、运动控制系统、效率优化等方面展开了相关研究叫。 1 3 贴片机的未来发展趋势 贴片机从早期的机械对中，发展到现在的光学对中，具有超高速的贴装 能力，然而技术总是向前发展的。贴片机还会向贴片速度更快、贴装精度更 高、装料及管理更方便的方向发展“坦1 。其趋势是： ( 1 ) 采用双轨道以实现一个导轨上进行p c b 贴片，另一导轨送板，减少 p c b 输送时间和贴片头待机停留时间。 ( 2 ) 采用多头组合技术，飞行对中技术和z 轴软着陆技术，以使贴片速 6 坠鱼! 鎏! ：堡奎! ：堡堂垡笙銮 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一i ii i 度更快、元件放置更稳、精度更高、真正做到p c b 贴片后直接进入再流焊炉 中再流。 ( 3 ) 改进供料器的供料方式，缩短元器件更换时间。 ( 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l 、日j 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p c b 文件，直接优化 生成贴片程序文件，减少人工编程的时间，机器故障自诊断及大生产综合管 理系统，实现智能化操作。 总之，随着科学技术的不断发展，贴装设备也得不断改进和完善，以满 足元器件不断发展变化的需要。一种新的贴装技术正在悄然出现，即电场贴 装技术。该技术采用电场控制微型元件的移动与贴装，是一种实现微米级材 料元件贴装的新方法。一旦该技术进人实用化阶段，必将对传统的贴装设备 带来划时代的变革。因此，可以说新一代的贴装设备在高精度、高速度、多 功能方向将迸一步发展和完善。 1 4 课题研究的内容 贴片机是整个s m t 生产线的核心部分，一直是研究内容的重中之重。国 内大专院校对其研究的工作大部分关注的是控制的优化、视觉部分以及各种 算法等，提高贴片机的高精度和高效率，还没有对它的机械结构作更加深入 的研究，本课题的内容就是针对这一空缺进行研究和设计。 主要研究内容如下： ( 1 ) 贴片机整体结构的分析和设计。研究贴片机的整体结构组成，主要 包括：机架、p c b 传送机构及支撑台、x ，y 与z o 伺服、定位系统、光学识 别系统、贴装头、供料器、传感器和计算机操作系统。对所设计的贴片机的 结构进行具体说明和分析。 ( 2 ) 关键部件的设计分析及其它部分的选取。主要对喂料系统、贴装头 及轨道搬运系统进行设计，并对光学识别系统进行研究，对贴片机整个结构 中涉及的传感器进行选取。 ( 3 ) 贴片机性能分析。高精度、高速度是贴片机的特点，对其性能分析， 包括整机模态分析和横梁的静力校核及优化，对x - y 传动系统的伺服精度进 7 坠笙鎏工堡盔望：堕望垡笙塞 一 行分析，得出刚度和阻尼对系统响应的曲线，对理论精度运算分析，检验其 能否满足理论要求。设计目标为贴装精度达到l u m ，同时贴装速度达到高速 贴片机的要求。 ( 4 ) 贴片机中交流伺服电机的计算和选取 8 第2 章贴片机的整体结构设计 2 1 表面贴装元器件的发展 211 s m t 生产线的简介 表面贴装技术是新一代电子组装技术，它将传统的电子元器件压缩成为 体积只有几十分之一的器件，从而实现了电子产品组装的高密度、高可靠、小 型化、低成本以及生产的自动化。这种小型化的元器件称为：s m d 器件( 或 称s m c 、片式器件) ，将元件装配到印刷板或其它基板上的工艺方法称为s m t 工艺，相关的组装设备则称为s m t 设备”“。 s m t 组装工艺过程主要有三大基本操作步骤：涂布、贴装、焊接。涂柿 是将焊锡膏或固化胶涂布到p c b 板上。涂布相关设备是印刷机、点膏机；贴 装是将s m d 器件贴装到p c b 板上，其相关设备是贴片机；回流焊是将组件 扳加温，使焊膏熔化而达到器件与p c b 板焊盘之问电气连接，其相关设备是 回流焊炉。在s m t 组装工艺中还有其它步骤：清洗、检测、返修等”“。 燃“， 静 潞 三黑 辩露1 蓼 jj 图2 1s m t 生产线 s m t 生产工艺流程可以分为：表面贴装工艺和混合贴装工艺。 堕! ! 鎏工矍盔堂堡堂垡笙銮 l l - i - 1i i i i - _ i - i l - - _ _ l _ - _ _ _ - i 1 表面贴装工艺 ( 1 ) 单面组装：全部表面贴装元器件在p c b 的一面 来料检测_ 丝印焊膏_ 贴片_ 回流焊接一清洗_ 检验_ 返修。 ( 2 ) 双面组装：表面贴装元器件分别在p c b 的a 、b 两面 来料检测_ p c b 的a 面丝印焊膏_ 贴片_ a 面回流焊接一翻板一p c b 的 b 面丝印焊膏_ 贴片一b 面回流焊接_ 清洗一检验呻返修。 2 混装工艺 ( 1 ) 单面混装工艺：插件和表面贴装元器件都在p c b 的a 面。来料检 澳, t j - - - , p c b 的a 面丝印焊膏- 贴片一a 面回流焊接一p c b 的a 面插件_ 波峰 焊或浸焊一清洗_ 检验_ 返修。 ( 2 ) 双面混装工艺：表面贴装元器件在p c b 的a 面，插件在p c b 的b 面。a 来料检测_ p c b 的a 面丝印焊膏_ 贴片一回流焊接一p c b 的b 面插 件_ 波峰焊一清洗- 检验_ 返修；b 来料检测- p c b 的a 面丝印焊膏_ 贴片 一手工对p c b 的a 面的插件的焊盘点锡膏一p c b 的b 面插件_ 回流焊接_ 清洗一检验_ 返修。 先按双面组装的方法进行双面p c b 的a 、b 两面的表面贴装元器件的回 流焊接，然后进行两面的插件的手工焊接即可。s m t 生产工艺主要包括：制 作模板、丝印、贴装、回流焊接、清洗、检验返修、点胶及固化。 模板：首先根据所设计的p c b 确定是否加工模板。如果p c b 上的贴片 元件只是电阻、电容且封装为1 2 0 6 以上的则可不用制作模板，用针筒或自动 点胶设备进行锡膏涂敷；当在p c b 中含有s o t 、s o p 、p q f p 、p l c c 和b g a 封装的芯片以及电阻、电容的封装为0 8 0 5 以下的必须制作模板。一般模板分 为化学蚀刻铜模板和激光蚀刻不锈钢模板。 丝印：作用是用刮刀将锡膏或贴片胶漏印到p c b 的焊盘上，为元器件的 贴装做准备。所用设备为手动丝印台( 丝网印刷机) 、模板和刮刀( 金属或橡 胶) ，位于s m t 生产线的最前端。方法是将模板固定在丝印台上，通过手动 丝印台上的上下和左右旋钮在丝印平台上确定p c b 的位置，并将此位置固 定；然后将所需涂敷的p c b 放置在丝印平台和模板之间，在丝网板上放置锡 膏( 在室温下) ，保持模板和p c b 的平行，用刮刀将锡膏均匀的涂敷在p c b 上。在使用过程中应对模板及时用酒精清洗，防止锡膏堵塞模板的漏孔。 】0 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 回流焊接：作用是将焊膏熔化，使表面贴装元器件与p c b 牢固钎焊在一 起以达到设计所要求的电气性能并完全按照国际标准曲线精密控制，可有效 防止p c b 和元器件的热损坏和变形。所用设备为回流焊炉，位于s m t 生产 线中贴片机的后面。 清洗：作用是将贴装好的p c b 上面的影响电性能的物质或焊接残留物如 助焊剂等除去，若使用免清洗焊料可以不用清洗。对于要求微功耗产品或高 频特性好的产品应进行清洗，而一般产品可以免清洗。所用设备为超声波清 洗机或用酒精直接手工清洗。 检验：作用是对贴装好的p c b 进行焊接质量和装配质量的检验。所用设 备有放大镜、显微镜。 返修：作用是对检测出现故障的p c b 进行返工，例如：锡球、锡桥、开 路等缺陷。所用工具为智能烙铁、返修工作站等。 点胶：作用是将红胶滴到p c b 的固定位置上，主要作用是将元器件固定 到p c b 上，一般用于p c b 两面均有表面贴装元件且有一面进行波峰焊接。 所用设备为点胶机。 固化：作用是将贴片胶受热固化，从而使表面贴装元器件与p c b 牢固粘 接在一起。所用设备为固化炉。 2 1 2 表面贴装元器件的发展 随着电路安装密度的提高，表面贴装元器件( s u r f a c em o u n td e v i c e ，简称 s m d ) 代替传统的过孔插装元器件已成为必然趋势。随着s m t 技术在计算机、 通信、军事、仪器仪表及消费类电子产品中的应用不断增长，s m t 已成为9 0 年代电子工业的支柱产业。由于电子产品向便携式4 , 型化、网络化和多媒体 方向迅速发展，这种市场对需求向电路组装技术提出了相应的要求。而满足 电子产品市场需求的重要对策是提高电路组装的功能密度，这就导致了s m d 在形态上向两个相反的方向发展，即小型化和大型化。小型化指的是s m d 的外形尺寸越来越小，如片状电阻电容，它经历了以下发展历程： 3 2 2 5 - 3 2 1 6 2 5 2 0 _ 2 1 2 5 1 6 0 8 一1 0 0 5 。目前，发展为0 6 0 3 ( 即长0 6 r n r n ，宽 0 3 m m ) 1 1 5 1日本等国已经将0 6 0 3 类型的元件用于d v d 、移动电话等产品的 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 生产中，极大提高了电路板组装密度，缩小了产品的体积。而大型化是指由 于i c 芯片功能增加导致i o 端子数增加，从而使i c 封装尺寸增大。为满足 高密度组装的要求，器件大型化的实质是i c 封装的高集成化、高功能化、多 引线化和细问距化。表2 1 是从1 9 8 4 年到1 9 9 7 年i c 集成度的提高速度。 表2 1l c 集成度的提高速度 发表时间 存储容量线宽集成元件提高程度 t | 年m bb u r n数量( 亿)( 倍数) 1 9 8 41o 9 0 - - - 1 0 0 0 0 2l 1 9 8 64o 7 0 o 8 00 0 8 4 1 9 8 71 6 0 5 0 0 6 00 3 21 6 1 9 9 16 40 3 0 0 4 01 2 8 6 4 1 9 9 32 5 6 o 2 0 o 2 55 1 22 5 6 1 9 9 74 0 0 0o 1 88 0 4 0 0 0 贴装q f p ( q u a df l a tp a c k a g e ) 的引脚间距1 2 7 m m - - - 0 6 3 5 m m - - - - 0 5 m m - - - , 0 4 m m 一0 3 m m 向更细间距发展，引脚间距的不断缩小，i o 数不断增加， 封装体积也不断加大。但由于受器件引线框架加工速度的限制，一般认为q f p 间距极限是0 3 m m ，这就大大限制了高密度封装的发展。因此，美国的一些 公司就把注意力集中在丌发和应用比q f p 优越的b g a ( b a l lg r i da r r a y ) 上， b g a 技术的优点是可增加i o 数和间距，消除q f p 技术的高i o 数带来的生 产成本和可靠性问题。表2 2 为i o 数相同时q f p 和b g a 的封装尺寸比较， 表2 - 3 为封装尺寸相同时，q f p 和b g a 的i o 数比较。 表2 2i o 数为3 0 0 的o r p 与b q a 封装尺寸比较 间距n l m 1 2 70 6 4o 5 00 4 00 2 5 q f pm m 2 2 4 1 9 4 01 2 0 9 7 09 6 7 7 07 7 4 2 04 8 3 9 0 b g a m m 25 8 0 6 0 2 9 0 3 02 3 2 3 01 8 5 8 01 1 6 1 0 窒垒鋈；! ：堡垒耋至圭兰堡丝圣 表2 3q f p 和b g a 的i o 数比较 间距m m q f p1 ( 3 数 b g ai o 数 b g a q f p 1 2 76 42 5 6 4 0 6 41 2 4 9 6 l77 5 05 0 l5 61 5 2 l97 5 0 4 01 9 6 2 4 0 11 22 5 0 2 53 1 26 0 8 4 1 95 随着对b g a 要求的进一步提高，作为b g a 的升级，更新的c s p ( c h i p s c a l ep a c k a g e ) 封装形式出现，实际上c s p 与b g a 无本质差别，只是锡球直 径和球中心距缩小了，更薄了，这样在相同封装尺寸时可有更多的i o 数， 使组装密度进一步提高，安装要求和b g a 基本相同。 作为i c 的不同封装形式，c o b ( c h i po nb o a r d ) 裸芯片以及f l i pc h i p 的 总体产量增长率很高。勿庸置疑，在未来的s m t 设计中，会有更多的b g a ， c s p ，c o b 及f l i pc h i p 封装形成出现，以满足更高、更密、更全的电子产品 需求。，部分芯片如图2 2 所示。 b g aq f p s i p n c s p 姐， c l c c 幽2 2 并种芯片封装形式 d i p 哈尔滨门犟大学硕十学伶论文 2 2 贴片机的整体结构设计概述 2 2 1 贴片机的分类 目前世界上已有近几十个贴片机生产厂家，生产的贴片机达几百种之多， 贴片机的分类也没有固定的格式，习惯上有下列几种。 1 。按速度分类 中速贴片机：3 0 0 0 片小时 贴片速度 9 0 0 0 片, b 时 高速贴片机：9 0 0 0 片小时 贴片速度 1 6 7 1 s l 。不同制造公司生产的高速贴片机以及与之配套的多功能贴片机 如表2 4 和表2 5 所示。 表2 4多功能贴片机型号及技术指标 高速机超高速机 制造功能 公司 型号i 贴片速度 贴片精度适用范围 万片d , 时 安必昂 元件0 6 0 3 ：2 5 m m x 2 5 m 器件p i t h 0 5 m m f c m c h i p 9 6 + 7 5u m 3 0 p c b ：5 0 m m 5 0 m m 4 6 0 m m ) ( 3 9 0 m m 飞利浦 供料器9 6 个( 或是1 9 2 种元器件) c h i p + _ 7 5u m 3 0 元件0 6 0 3 ：3 2 m m 3 2 m 器件p i t h 0 5 m m 松下 m s r c h i p 4 5 p c b ：5 0 m m 5 0 m m 5 l o m m x 4 6 0 m m q f p + 7 5u m 3 0 供料器7 5 x 2 或足1 5 0 x 2 种兀件 九州 兀件0 6 0 3 ：3 2 m m 3 2 m 器件p i t h 0 5 m m c m 8 8 c h i f p 4 2 5 u m 3 0 p c b ：5 0 m m 5 0 m m 3 3 0 m m 2 5 0 m m 松下 供料器7 0 2 k e 元件1 0 r a m 0 5 m m 2 0 m m x 2 0 m m 7 5 0 器件p i t h o 5 m m j u k t c h i p l 4 4 1 0 0u m 3 0 三头 p c b ：5 0 m m 5 0 m m 4 1 0 m m 3 6 0 m m 结构 供料器8 0 个( 推车式) + - 9 0u m 4 0 元件0 6 0 3 ：17 8 m m ) ( 17 8 器件p i t h 0 5 r a m 西门子 h s 5 0 c h i p 5 p c b ：5 0 r a m 5 0 m m 5 0 8 m m 4 6 0 m m 移o 7 。 供料器9 6 个或1 4 4 换3 8 型f e e d e r 哈尔滨 ：释人学硕十学伶论文 表2 5 多功能i 贴片机型号及技术指标 多功能机 制造 功能 公司 型号i 贴片速度 贴片精度 适用范围 万片小时 安必昂 q f p 0 4 5 o 3 m m q f p 、f c 、c s p 、i 啦 a c m - t - 1 7 5 u r n 5 a j i = 珲蔽罩变k 器连接器( 6 6 2 3 ) 飞利浦 f c0 2 5 7 0 旋转精度 b g a , c s p ( 飞行对中) 变压器，连 c h i p 4 5 接器等对外的快速识别，各种 松下m s f 0 0 3 5 9 9 9 0 q f p1 3 8 特殊元器件并可以扩展 + 2 5 u m 3 0 九州0 3 m m 引脚距的q f e c s p 0 4 0 2 c m l 2 0 m u q f p 0 4 5 + 3 5 u m 3 0 松下 l ! o o m m w 7 5 m m 的连接器 士4 u m 3 0 c s e b g a 5 0 m m 5 0 m m 以下， j u k tk e 7 6 01 1 0 3 m m 引脚的q f p , 捅头1 0 0 m m ( q f p ) 以下，i c 捅座 元件0 6 0 3 ，0 8 + 4 u m 4 0 0 5 m m o 5 m 5 5 m m 5 5 m m ， 两门子 8 0 f f c 器件q f p 0 1 8 ( q f p ) 当然，这两类贴片机的贴片功能可互相兼容，即高速贴片机不仅能贴装 片式元器件，而且能贴装尺寸不太大的q f p 和p l c c ( p l a s t i cl e a d e dc h i p c a r t i e r ) 甚至能贴装c s p ，这样做的好处是将速度、精度、尺寸三者兼容，若 两台贴片机连线工作时，能将所有元器件进行适当分配，以达到两台贴片机 的总体贴装时间互相平衡，这对提高总体贴装速度是非常有意义的。 3 按贴装方式分类 这种分类方法在现实生产中不常用，仅用于理论分析，其分类方法有： ( 1 ) 顺序式，即通常见到的贴片机，它是按照顺序将元器件一个一个贴 到p c b 上，因此又称之为顺序式贴片机。 ( 2 ) 同时式，即使用专用料斗( 每个斗中放一种圆柱式元件) ，通过一个 塑料管送到p c b 对应的焊盘上，每个焊盘都有一个元件的料仓和塑料管，一 个动作就能将元件全部贴放到p c b 相应的焊盘上。这种方法多见于高频头的 1 6 哈尔滨丁程大学硕十学何论文 生产中，它适应大批量长线产品，但仅适应于圆柱元件。缺点是，更换产品 时，所有工装夹具全部要更换，费用高，时间长，目前这种方法己很少使用。 ( 3 ) 同时在线式，这类贴片机由多个贴片头组合而成，最典型的是 a s s e m b l e o n f c m 工作时训，1 6 个头依次同时对一块p c b 贴片，故称之为同 时在线式。 4 按贴装元器件的不同以及贴装的通用程度分类 贴片机可分为专用型与泛用型，专用型有c h i p 专用型与i c 专用型，前 者主要追求高速，后者主要追求高精密；泛用型即可贴c h i p 也可贴i c ，广 泛应用于中等产量的连续生产贴装生产线中。通用贴片机的高适应性是牺牲 了精度和速度的折中设计，它的贴装速度比高速贴装机慢，贴装精度比精密 贴装机低。高速贴片机的发展已经达到一定极限程度，目前贴片机制造厂商 主要发展泛用机型，以适应更多的贴装工艺需求m 1 。由于后封装和贴片工艺 已经开始相互融合，这对贴片机的精度又提出了更高的要求。 5 按自动化程度分类 目前大部分贴片机是全自动化机电一体化的机器，但也有一种是手动式贴 片机。这类贴片机的机头有一套简易的手动支架，手动贴片安装在y 轴头部， 与”伊靠人的移动和旋转来校正位置。有时还可用光学系统配套来帮助定位， 这类手动贴片机主要用于新产品开发，具有价廉的优点。 2 。2 2 贴片机的整体结构设计 世界上生产贴片机的厂家有几十家，贴片的品种达几百个之多，但无论 是全自动贴片机还是手动贴片机，无论是高速贴片机还是中低速贴片机，它 们的总体结构均有类似之处，大体可分为：轨道搬运系统、x ，y 与z o 伺服 定位系统、贴装系统、光学识别系统、喂料系统和计算机操作系统口。 本课题设计了单梁拱架式贴片机：传输轨道采用整体式，p c b 传送机构 是安放在轨道边缘上的超薄型皮带传送系统；x ，y 与z o 伺服定位系统采用 x 7 联动定位，包括x ，y 传动机构和x ，y 伺服系统，它的功能主要是为贴装 头贴片时定位，即贴片头安装在x 向的横梁上，在此方向由x 向a c 伺服电 机带动滚珠丝杠运动，同时横梁在支座上沿y 向运动，y 向由另一组a c 伺服 哈尔滨工程太学硕士学位论文 电机带动滚珠丝杠运动，有导向的直线导轨支承，保证运动方向平行，x 轴 在两平行滚珠丝杠直线导轨上做y 方向移动，从而实现了贴装头对元器 件的全部贴装过程。引：贴装系统是由安装在x 方向的横粱上的贴装头机械 手实现的，该机械手由8 个平行且相互独立的吸嘴组成，每个吸嘴均有z 向 的上下运动和0 旋转运动，完成p i c ka n dp l a c e 动作，达到对p c b 贴装的目 的：光学t 别系统采用空间分辨率不同的两个c c d 进行图形的采集和处理， 小视野c c d 摄像头和大视野c c d 摄像头，针对不同规格元件使用相应的摄 像头：喂料系统是由喂料器和喂料栈组成，设计为气动式同步棘轮传动机构， 主要是根据带状包装的电阻、各种电容以及各种s o i c 件进行设计的，因为 这些s m d 占全部件的绝大部分，喂料栈由4 4 0 料栈组成，可以满足种类复 杂的s m d 的供料需要；传感器是贴片机必不可少的器件之一，起着重要作 用，在此贴片机中装有多种传感器，如压力传感器、负压传感器、位置传感 器和图像传感嚣等；计算机操作系统在全自动贴片机中起着全程控制作用， 主要功能是对视觉处理微机系统和贴片控制微机系统进行控制，从而实现对 贴片机整个系统的控制。本设计的结构如图2 1 和平面图22 所示。 蠢型么 图2i 贴片机整体结构酗 j 簟 哈尔滨1 j 科人学硕十学伶论文 一 _ j ， 。 ， _ _ _ _ 一一 一广 j 可! 一 。l _ j 一 闪i 斗对 、 l i | 【l | j | | i | l i 】j 1 1 l 。1 。1 1 1 i | f lh 州州i i i i i i l i ij i i i i l i l i ii i l l l l l 4 ll 删一 11 1 元件供料部2 贴装头3 轨道4 贴装j i ：作台 5 废料箱6 3 d 传感器7 2 d 传感器8 吸嘴更换器 图2 2 贴片机平面俯视图 2 3 贴片机的工作原理及过程 贴片机是一种精密的工业机器人，是机一电一光以及计算机控制技术的综 合体。它通过吸取一位移一定位一放置等功能，在不损伤元件和印制电路板的情 况下，实现了将s m c s m d 元件快速而准确地贴装到p c b 板所指定的焊盘位 置上。贴片机由底座、x - y 运动机构( 滚珠丝杠、直线导