表面贴装设备及SMT缺陷分析毕业论文.doc

表面贴装设备及表面贴装设备及 SMTSMT 缺缺 陷分析毕业论文陷分析毕业论文 目录目录 摘要摘要 第第 1 1 章章 引言引言 1 1 1 1 课题选题背景及意义 1 1 2 SMT 工艺的现状 1 1 3 SMT 工艺的发展趋势 2 1 4 SMT 产线介绍 4 第第 2 2 章章 贴装工艺过程贴装工艺过程 6 6 2 1 锡膏印刷过程 6 2 2 表面贴装过程 6 2 3 回流焊接过程 7 第第 3 3 章章 贴装设备结构原理贴装设备结构原理 7 7 3 1 丝印机 7 3 2 贴片机 11 3 3 回流炉 25 3 4 波峰焊接机 27 3 5 AOI 质量检测设备 27 第第 4 4 章章 贴装质量分析及解决方案贴装质量分析及解决方案 2929 4 1 SMT 工艺品质 29 4 2 SMT 常见缺陷及解决方案 30 第第 5 5 章章 贴装设备的维护及检修贴装设备的维护及检修 3535 5 1 HS 50 贴片机维护和保养 35 5 2 HS 50 机常见故障及检修 39 结束语结束语 4444 附录附录 4747 1 第第 1 1 章章 引言引言 1 11 1 课题选题背景及意义课题选题背景及意义 最近二十年来 电子应用技术的迅速发展表现出三个显著的特征 1 智能化 是电信号从模拟量转换为数字量 并用计算机进行处理 2 多媒体化 从文字信息交流向声音 图像信息交流的转化发展 使电子设备更加 人性化 更加深入人们的生活与工作 3 网络化 用网络技术把独立系统连接起来 高速 高频的信息传输使整个单位 地区 国家以至全世界实现资源共享 这种发展趋势和市场需求对电路组装技术 的要求是 1 高密度化 单位体积电子产品处理信息量的提高 2 高速化 单位时间内处理信息量的提高 3 标准化 用户对电子产品多元化的需求 使少量品种的大批量生产转化为多品种 小批量的生产体制 必然对元件及装配手段提出更高的标准化要求 这些要求迫使对在通孔基板 PCB 上插装电子元件的方式进行革命 电子产品的装 配技术必然全方位地转向 SMT 表面贴装技术 英文称之为 Surface Mount Technology 简称 SMT 它是将 表面贴装元器件 无引脚活引脚的元器件 贴 焊到印制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 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 SMT 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 SMY 器件 或称 SMC 片式器件 将元件装配到印刷 或其它基 板 上的工艺方法称为 SMT 工艺 相关的组装设备则称为 SMT 设备 作为从事 SMT 这一行业的人员而言 掌握 SMT 技术相当的重要 本文就是以伟创力 SMT 技术员的角度提出的 为了能更好的学习 SMT 设备 维修 SMT 设备 了解 SMT 工艺流程 掌握 SMT 技术而设计的 1 21 2 SMTSMT 工艺的现状工艺的现状 美国是 SMT 和 SMD 的发明地 并一直重视在投资类电子产品和军事装备领域发 挥 SMT 高组装密度和高可靠性能方面的优势 具有很高的水平 1963 年世界出现第 一只表面贴装元器件和飞利蒲公司推出第一块表面贴装集成电路以来 SMT 已由初期 主要应用在军事 航空 航天等尖端产品和投资类产品逐渐广泛应用到计算机 通讯 军事 工业自动化 消费类电子产品等各行各业 SMT 发展非常迅猛 进入 80 年代 SMT 技术已成为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一次革命 日本在 70 年代从美国引进 SMD 和 SMT 应用在消费类电子产品领域 并投入世资大 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 从 80 年代中后期起加 速了 SMT 在产业电子设备领域中的全面推广应用 仅用四年时间使 SMT 在计算机和通 信设备中的应用数量增长了近 30 在传真机中增长 40 使日本很快超过了美国 在 SMT 方面处于世界领先地位 欧洲各国 SMT 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 其发展水平和整机中 SMC SMD 的使用效率仅次于日 本和美国 80 年代以来 新加坡 韩国 香港和台湾省亚洲四小龙不惜投入巨资 纷纷引进先进技术 使 SMT 获得较快的发展 据飞利浦公司预测 到 2010 年全球 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 范围插装元器件的使用率将由目前和 40 下降到 10 反之 SMC SMD 将从 60 上 升到 90 左右 我国 SMT 的应用起步于 80 年代初期 最初从美 日等国成套引进了 SMT 生产线用于 彩电谐器生产 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 2000 年不完全统计 我国约有 40 多家企业从事 SMC SMD 的生产 全国约有 300 多家 引进了 SMT 生产线 不同程度的采用了 SMT 全国已引进 4000 5000 台贴装机 随着 改革 开放的深入以及加入 WTO 近两年一些美 日 新加坡 台商已将 SMT 加工厂 搬到了中国 仅 2001 2002 一年就引进了 4000 余台贴装机 我国将成为 SMT 世界加 工厂的基地 我国 SMT 发展前景是广阔的 1 31 3 SMTSMT 工艺的发展趋势工艺的发展趋势 1 3 11 3 1 SMTSMT 工艺的发展趋势工艺的发展趋势 SMT 总的发展趋势是 元器件越来越小 组装密度越来越高 组装难度也越来 越大 最近几年 SMT 又进入一个新的发展高潮 为了进一步适应电子设备向短 小 轻 薄方向发展 出现了 0210 0 6mm 0 3mm 的 CHIP 元年 BGA CSP FLIP CHIP 复合化片式元件等新型封装元器件 由于 BGA 等元器件技术 的发展 非 ODS 清洗和元铅焊料的出现 引起了 SMT 设备 焊接材料 贴装和焊接工 艺的变化 推动电子组装技术向更高阶段发展 SMT 发展速度之快 的确令人惊讶 可以说 每年 每月 每天都有变化 当前 SMT 正在以下 4 个方面取得新的技术进展 1 元器件体积进一步小型化 在大批量生产的微型电子整机产品中 0201 系列 元件 外形尺寸 0 6mm 0 3mm 窄引脚间距达到 0 3mm 的 QFP 或 BGA CSP 和 FC 等新型封装的大规模集成电路已经大量采用 由于元器件体积的进一步 小型化 对 SMT 表面组装工艺水平 SMT 设备的定位系统等提出了更高的精度 与稳定性要求 2 进一步提高 SMT 产品的可靠性 面对微小型 SMT 元器件被大量采用和无铅焊接 技术的应用 在极限工作温度和恶劣环境条件下 消除因为元器件材料的线膨 胀系数不匹配而生产的应力 避免这种应力导致电路板开裂或内部断线 元器 件焊接被破坏 3 新型生产设备的研制 在 SMT 电子产品的大批量生产过程中 锡膏印刷机 贴 片机 和再流焊设备是不可缺少的 近年来 各种生产设备正朝着高密度 高 速度 高精度和多功能方向发展 高分辨率的激光定位 光学视觉识别系统 智能化质量控制等先进技术得到了推广应用 4 柔性 PCB 的表面组装技术 随着电子产品组装中柔性 PCB 的广泛应用 在柔性 PCB 上安装 SMC 元件已被业界攻克 其难点在于柔性 PCB 如何实现刚性固定的 准确定位要求 1 3 21 3 2 无铅焊接无铅焊接 1 1 铅的危害铅的危害 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 铅及其化合物是对人体有害的 多亲和性的重金属毒物 它主要损伤神经系统 造血系统和消化系统 对儿童的身体发育 神经行为 语言能力发展产生负面影响 是引发多种重疾病的因素 并且 对水 土壤和空气都能产生污染 在电子产品制造 中采用铅锡合金作为印制电路板和电子元器件引线的表面镀层和焊接材料 每年都有 很多被淘汰 报废掉的电子产品这样更加剧了铅对环境的污染和对人民健康的危害 2 2 无铅焊接工艺的提出及无铅焊料的研究与推广 无铅焊接工艺的提出及无铅焊料的研究与推广 日本是最早开展无铅焊接研究 首先研制出无铅焊料的国家 各大公司已经把无 铅焊接技术应用在电子产品的实际生产中 目前 国际上无铅焊料的成分还没有统一的标准 通常以锡为主体 添加其他金 属 规定铅的含量少于 0 1 对无铅焊料的理想化技术要求如下 无毒性 性能好 兼容性好 材料成本低 最有可能替代铅锡焊料的无毒合金是以锡为主 添加银 锌 铜 铋 铟等金属元素 通过合金化来改善焊料的性能 提高可焊性 研究表明 Sn Ag 系焊料 Sn Zn 系焊料和 Sn Bi 系焊料这三种合金为主 适量添加其他的金属 元素的合金成为无铅焊 料的选择方案 3 3 无铅焊料存在的危害 无铅焊料存在的危害 无铅焊料的缺陷主要表现为 扩展能力差 熔点高 使用无铅焊料进行手工焊接必须注意 选用热量稳定 均匀的电烙铁 控制烙铁 头的温度 4 4 无铅焊料引发的新课题无铅焊料引发的新课题 随着无铅焊料的研制 焊料的成分和性能发生了变化 与焊接过程相关的课题还 在探讨研究中 1 元器件问题 多数无铅焊料的熔点都比较高 焊接过程的温度比现在高 要求元器件以及各种 结构性材料能够耐受更高的温度 在推广无铅焊接的同时 焊端镀有 Sn Pn 的镀层也 必须采用无铅材料 2 印制电路板问题 要求印制电路板的材料能够承受更高的温度 焊接表面镀层无铅化 与无铅焊料 兼容 且成本低 3 助焊剂问题 必须研制润湿性更好的新型助焊剂 其温度特性应该与无铅焊料的预热温度和焊 接温度相匹配吧 而且满足环境保护的要求 4 焊接设备问题 要适应更高的焊接温度 再流焊设备要改变温区设置 预热区必须加长或更换新 的加热元件 波峰焊设备的焊料槽 焊料波喷嘴和传送导轨的爪钩材料要能够承受高 温腐蚀 焊接温度和设备的控制变得比铅锡焊料复杂 要采用新的抑制焊料氧化技术 或采用惰性气体保护焊接技术 采用氮气保护焊接 有利于价格昂贵的无铅焊料减少 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 氧化 但气体的产生 保管 防泄漏 回收问题都需要解决 要大规模生产无铅焊接 设备 成本增高 5 工艺流程中的问题 在 SMT 工艺流程中 无铅焊料的涂敷印刷 元器件的贴片 焊接 助焊剂残渣的 清洗以及焊接质量的检查都是需要不断改善的问题 6 废料回收问题 从无铅焊料的残渣中回收 Bi Cu A 金属 也必须解决 7 豁免条款问题 1 41 4 SMTSMT 产线介绍产线介绍 1 4 11 4 1 SMTSMT 工艺流程工艺流程 SMT 工艺流程如图 1 4 1 所示 图 1 4 1 在企业实际生产中 在 SMT 工艺流程的每一个阶段完成之后 都要进行质量检验 完整的 SMT 工艺总流程 包含质检环节 如图 1 4 2 所示 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 图 1 4 2 1 4 2 SMT 组装生产线设备组成 图 1 4 3 上图是伟创力 B11 Emulex 一条 SMT 组装生产线 波峰焊前 的设备 一条完整 的生产线包括自动上板机 丝印机 接驳台 贴片机 回流炉 AOI 和波峰焊接炉设 备 除以上设备外 还有分板机和一些在线测试设备等 自动上板机自动上板机 它是生产线的第一站 是一台自动传送设备 将 PCB 板自动传送到下 一站 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 丝印机 丝印机 也叫网板印刷机 是将焊膏均匀 适量地涂敷到印刷电路板焊盘表面的专用 工艺设备 接驳台 接驳台 接驳台是连接丝印和贴片的桥梁 它构成了产线的自动化 贴片机 贴片机 它是完成将贴片元件准确的贴到 PCB 板子上的自动化设备 见第 3 章 回流炉 回流炉 又称再流焊炉 是完成将预先印刷有焊焊膏和贴有元器件的 PCB 送入再流焊 炉 先经过炉子的预热区对之进行预热 再经过炉子的焊接区使焊膏重新熔化 即再 次流动 最后经过炉子的冷却区使焊膏凝固 从而实现元器件与 PCB 焊盘之间可靠的 机械与电气连接的焊接设备 AOIAOI 光学自动检测 用来检查印制电路板的质量 生产线计算机 生产线计算机 用来连接产线上的每台贴装设备以及编写程序和传送程序 第第 2 2 章章 贴装工艺过程贴装工艺过程 2 12 1 锡膏印刷过程锡膏印刷过程 1 待印刷的 PCB 进入传送轨道 在轨道入口处的传感器发现 PCB 系统通知传送 带电机工作 将 PCB 送入下一位置 2 PCB 进入工作区起点 传送装置将 PCB 送入丝印位置 在即将到位时触发贴装 丝印位置的传感器 系统控制相应机构使 PCB 停留在预定丝印位置上 机械定位装置 工作 将 PCB 固定在预定位置 夹紧装置工作 将 PCB 夹紧固定 避免 PCB 移动 3 PCB 定位装置工作 确定 PCB 的位置是在预定的位置上 否则对 PCB 的位置坐 标参照系统坐标系进行修正 4 按照程序设定对加工光学判别标志点 Bad Mark 进行检查 确定需要加工的 PCB 5 印刷头动作 带动刮刀前移 后移 刮刀从丝网上刮过去 压迫丝网与 PCB 表 面接触 同时压刮焊膏通过丝网上的图形印刷到 PCB 焊盘上 印刷完成 印刷头复位 系统通知传送带电机工作 将 PCB 送出 2 22 2 表面贴装过程表面贴装过程 1 待贴装的 PCB 进入传送轨道 在轨道入口处的传感器发现 PCB 系统通知传送 带电机工作 将 PCB 送入下一位置 2 PCB 进入工作区起点 传送装置将 PCB 送入贴装位置 在即将到位时触发贴装 位置的传感器 系统控制相应机构使 PCB 停留在预定贴装位置上 机械定位装置工作 将 PCB 固定在预定位置 夹紧装置工作 将 PCB 夹紧固定 避免 PCB 移动 3 PCB 定位装置工作 确定 PCB 的位置是在预定的位置上 否则对 PCB 的位置坐 标参照系统坐标系进行修正 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 4 按照程序设定对加工光学判别标志点 Bad Mark 进行检查 确定需要加工的 PCB 5 包装在专用供料器中的元器件按照程序设定的位置被运送或准备到预定的位置 6 贴装头吸嘴移动到拾取元件位置 真空打开 吸嘴下降吸取元件 通过真空压 力传感器或光电传感器检测是否吸到元件 7 通过摄像头或光电传感器检测元件高度 垂直方向 通过摄像头或光电传感 器检测元件转角 水平方向 并识别元件特征 然后读取元件数据库中预先设置的 元件特征值 将实际值与检测值相比较 从而对元件特征进行判断 当特征值不符时 则判别拾取元件错误 重新拾取 如相符则对元件目前的中心位置 转角进行计算 8 将错误的元件抛到废料收集盒中 按照程序设定 通过贴装头的旋转调整元件 角度 通过贴装头的移动 或 PCB 的移动调整 X Y 方向坐标到程序设定的位置 使元 件中心与贴装位置点重合 9 吸嘴下降到预先设定的高度 真空关闭 元件落下 完成贴装 10 贴装部分移动到与卸载装置水平 将贴装好的 PCB 传送到卸载轨道 卸载轨道 开始位置的传感器被触发 控制系统通知传送带电机工作 将 PCB 送入下一位置 直 到送出机器 2 32 3 回流焊接过程回流焊接过程 1 贴装好元器件的电路板进入再流焊设备 光电传感器检测到板子 由计算机监控 系统显示板子进入炉子的位置 2 传输系统带动电路板通过设备里各个设定的温度区域 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 第第 3 3 章章 贴装设备结构原理贴装设备结构原理 3 13 1 丝印机丝印机 伟创力使用的是全自动钢网印刷机 DEK 系列丝印机 见附录图 1 是伟创力 B11 使用得最多的 1 1 丝印机的组成结构丝印机的组成结构 丝印机一般由以下几部分组成 1 夹持 PCB 板的工作台 包括工作台面 板边夹持机构 工作台传输控制机构 2 印刷头系统 包括刮刀 刮刀固定机构 印刷头传输控制系统等 3 漏印模板及其固定机构 4 保证印刷精度而配置的其它选件 包括视觉对中系统 插板系统和二维 三维测 量系统等 2 2 丝网印刷工作原理 丝网印刷工作原理 将 PCB 通过印刷机固定机构固定在工作支架上 将印刷图形的漏印丝网绷紧在框 架上并通过视觉对中系统与 PCB 对准 将焊锡膏放在漏印丝网上 印刷头传输控制系 统工作 将刮刀从丝网上刮过去 压迫丝网与 PCB 表面接触 同时压刮焊膏通过丝网 上的图形印刷到 PCB 焊盘上 丝网印刷具有的特征 丝网和 PCB 表面隔开一小段距离 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 刮刀前方的焊膏颗粒沿刮刀前进的方向滚动 漏印模板脱开 PCB 表面的过程中 焊膏 从网孔转移到 PCB 表面上 3 刮刀头及驱动机构刮刀头及驱动机构 刮刀及驱动机构如图 3 1 1 所示 刮刀头是通过刮刀驱动机构运转实现焊膏印刷 刮刀头在伺服电机的驱动下 沿滚珠丝杆作往复运动 通过气缸作用施加给刮刀压力 实现焊膏的印刷 图 3 1 1 刮刀头及驱动机构 基板在工作台上定位首先是通过光纤感应器的检测感知 其定位方式主要由基板 边夹 上夹以及顶针等形式 光纤传感器可检测出基板传入轨道位置状况 基板应定 位在基板传入水平方向中心线与工作台水平方向中心线重合处的位置 基板边夹在前 基准定位方式时是工作台的外侧轨道静止 通过内侧轨道的移动压紧基板 基板上夹 是通过工作台轨道上的两侧翻夹压板作用压紧基板 顶针主要是为防止薄基板变形或 拼板的开裂而采用的在基板下方放置了若干根顶针 进而通过顶针顶住基板 4 x y 工作台驱动机构工作台驱动机构 工作台可以在图 3 1 2 所示的 x y 驱动机构作用下 作 x y 方向的运动和 微小位移的转动 x y 方向运动由电机 1 电机 2 驱动 工作台转动由电机 3 驱动 光电传感器主要作工作台 x y 方向运动 转动的限位控制 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 图 3 1 2 工作台 x y 驱动机构 5 印刷机光学视觉系统印刷机光学视觉系统 印刷机光学视觉系统主要是识别基板 MARK 标记 点和网板 MARK 点 其结 构图 3 1 3 所示 图 3 1 3 印刷机视觉系统 印刷机视觉系统通常采用 CCD Charge Coupled Device 电荷耦合器件 摄像头 摄取基板或网板 MARK 点图像 将其转化为数字信号 再采用先进的计算机硬件与 软件技术对图像数字信号进行处理 从而得到所需要的各种目标图像特征值 并在此 基础上实现模式识别 坐标计算 灰度分布图等多种功能 视觉系统结构框图如图 2 2 10 所示 主要由图像采集 图像处理 数据转换 数据输出四大部分组成 图像采 集由 CCD 镜头 光源 视频图像采集卡和计算机组成 图像处理主要通过软件编 程完成图像的噪声去除 几何变换和定位 数据转换是把采集到的数字图像数据转换 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 为 MARK 点的特征值 数据输出主要是将数据转换部分计算得到的数据输出 并进 行 MARK 点的显示 图 3 1 4 视觉系统结构框图 摄像头在伺服电机驱动下 沿 X Y 滚珠丝杠作相应的运动 图 3 1 4 中的气缸 是一只带有止档器的气缸 当摄像头照射到基板时 气缸止档器下降 挡住基板 完 成基板定位 6 6 印刷机部件印刷机部件 步进电机步进电机 步进电机 如图 3 1 5 所示 是丝印设备常用的动力元件 它是将电脉冲信号转 变为角位移或线位移的开环控制元件 步进电机必须加上驱动电路才能转动 驱动电 路的信号输入端必须输入脉冲信号 若无脉冲输入时 转子保持一定的位置 维持静 止状态 反之 若加入适当的脉冲信号时转子则会以一定的角度 称为步角 转动 所 以如果加入连续脉冲时则转子旋转的角度与脉冲频率成正比 步进电机的步进角一般 为 1 8 度 即一周为 360 度 需要 200 步进数才能完成 1 转 步进电机具有瞬间起动 与急速停止的优越特性 改变线圈励磁的顺序可以比较容易地改变电机的转动方向 步进电机的励磁方式 1 相励磁 2 相励磁 1 2 相励磁 其中 1 相励磁最为简单 转 矩最小 2 相励磁可有较大的转矩 1 2 相励磁是属于半步进的方式 亦即每一步的 旋转角度为前两项励磁的一半 图 3 1 5 步进电机 1 1 步进电机的静态指标 步进电机的静态指标 1 相数 产生不同对极 N S 磁场的激磁线圈对数 常用 m 表示 2 拍数 完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用 n 表示 或指电机转 过一个齿距角所需脉冲数 以四相电机为例 有四相四拍运行方式即 AB BC CD DA AB 四相八拍运行方式即 A AB B BC C CD D DA A 3 步距角 对应一个脉冲信号 电机转子转过的角位移用 表示 360 度 转子齿数 J 运行拍数 以常规二 四相 转子齿为 50 齿电机为例 四拍运行 时步距角为 360 度 50 4 1 8 度 俗称整步 八拍运行时步距角为 360 度 50 8 0 9 度 俗称半步 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 4 定位转矩 电机在不通电状态下 电机转子自身的锁定力矩 由磁场齿形的谐 波以及机械误差造成的 5 静转矩 电机在额定静态电作用下 电机不作旋转运动时 电机转轴的锁定 力矩 此力矩是衡量电机体积 几何尺寸 的标准 与驱动电压及驱动电源等无关 虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比 与定齿转子间的气隙有关 但过份采用减小气 隙 增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的 这样会造成电机的发热及机械噪音 2 2 步进电机动态指标 步进电机动态指标 1 步距角精度 步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差 用百分 比表示 步距角精度 误差 步距角 100 不同运行拍数其值不同 四拍运行时应在 5 之内 八拍运行时应在 15 以内 2 失步 电机运转时运转的步数 不等于理论上的步数 称之为失步 3 失调角 转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度 电机运转必存在失调角 由失 调角产生的误差 采用细分驱动是不能解决的 4 最大空载起动频率 电机在某种驱动形式 电压及额定电流下 在不加负载 的情况下 能够直接起动的最大频率 5 最大空载运行频率 电机在某种驱动形式 电压及额定电流下 电机不带负 载的最高转速频率 6 运行矩频特性 电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线 称为运行矩频特性 这是电机诸多动态曲线中最重要的 也是电机选择的根本依据 7 7 印刷机的主要技术指标印刷机的主要技术指标 1 最大印刷面积 根据最大的 PCB 尺寸确定 2 印刷精度 根据印刷版组装密度和元器件引脚间距的最小尺寸确定 一般要求达 到 0 025mm 3 重复精度 一般为 10um 4 印刷速度 根据产量要求确定 3 23 2 贴片机贴片机 伟创力 B11 使用得最多的是 SIEMENS 西门子 贴片机 SIEMENS 贴片机是由德 国 SIEMENS 公司下属子公司西门子装配与物流系统有限公司研发并制造的一种用于在 电子制造工业中装配各种型号及形状的电子产品的机器 与同样的处理加工能力的不 同制造商的机器相比较 SIEMENS 机器具有高速 多用途 多功能 操作简便 占地面积 小 嗓音污染小 人机对话界面简单等特点 一般说来 按照用途来分 可将 SIEMENS 机器分为高速贴片机和多功能泛用机两大类型 高速贴片机又可分为 HS 系列及 80S 系 列 HS 系列包括有 HS50 HS60 80S 系列包括有 80S20 80S23 80S25 80S27 多功能 泛用机是用来贴装各种大尺寸 异形元件 BGA Flip Chip 等 相较与高速机 它具有更 高的贴装精度及贴装稳定性 因为它不但可以贴装高速机所能贴装的元件 而且还能贴 装各种异形的元件 所以称它为多功能泛用机 多功能泛用机一般分 80F4 80F5 80F5HM HF 系列这几种机型 其中西门子 HS 50 机是典型的代表 下面以 西门子 HS 50 贴片机为例 介绍贴片机结构原理 3 2 13 2 1 HS 50HS 50 机的基本结构及原理机的基本结构及原理 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 HS 50 贴片机是集机 电 光 气以及计算机控制技术于一体的高度自动化电子制 造设备 它的外形如图 3 2 1 所示 图 3 2 1 HS 50 贴片机 它主要由机械系统 控制系统和视觉系统三大部分组成 框架图如下 图 3 2 2 3 3 2 1 12 1 1 贴片机机械系统贴片机机械系统 机械系统是贴片机的主体 是贴片机机构的承载基础和工作的平台 包含完成贴 片机功能的各种执行机构 如机器支撑系统 PCB 传送机构 元件的送给机构 贴片 头以及与 X y 轴伺服机构等相关的运动部件 1 1 支撑机构支撑机构 贴片机 机械系统 控制系统 视觉系统 支撑机构 贴片头 驱动及伺服定位机 构 PCB 传送机构 供料机构 电气控制系统 软件控制系统 视觉对中系统 Mark 视觉系统 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 支撑机构含机壳和机架 它是贴片机的 骨架 和 皮肤 支撑着所有的传动 定位 传送等机构 保护机器各种机械电气硬件 1 1 机壳 机壳 贴片机机壳的主要作用是防护功能 一是起安全保护作用 将裸机包裹起来 避 兔人与裸机直接接触 保证人身安全 二是起防尘 防电磁干扰作用 三是安装操作 部件和控制走线 形成风道实现散热功能 四是形成产品整体形象 美化外观 营造 良好的人一机环境 HS 50贴片机机壳组成主要有三个部分 外壳本体部分 通常机器下部为钢板 上侧采用透明的有机玻璃材料制成 显示监控部分 适时显示监控贴片动作轨迹 操 作控制部分 通常由键盘 鼠标和手持编程器组成 2 2 机架 机架 贴片机的结构形式主要有整体铸造式和钢结构式两种 整体铸造机架整体性好 结构稳定性高 机架加工和工作中变形微小 工作时稳固 抗震动能力强 高档贴片 机多采用此结构 钢结构式由各种规格的钢型材和钢板焊接而成 具有较高的机械强 度 成本较低 贴片机采用哪种结构的机架 取决于机器的整体设计和承重 以及对 机器稳定性的要求 判定贴片机机械稳定性简单的试验方法 用一个金属币立于机器 上 稳定性好的机器在运行时不会出现翻倒 2 2 贴片头结构贴片头结构 贴片头是贴片机的核心部件 通过程序控制 完成三维的往复运动 实现拾取 贴放功能 一般配置一个或多个真空吸嘴 它拾取元件后能在校正系统控制下自动校 正位置 并将表面组装元器件准确的贴放到 PCB 焊盘的指定位置 HS 50 贴片机为旋 转式贴片头 如图 3 2 3 所示 图 3 2 3 HS 50 贴片头 12 段位器旋转头的全视图图例 1 后半头 2 Star 3 前半头 4 中间分配板 5 嘴 光栅盘 1 12 6 元件照明控制板 7 STAR 旋转马达 8 Z 轴马达 9 真空发生器 10 元 件照相机 1 1 旋转头的部件 旋转头的部件 如图 3 2 4 所示 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 图 a 图 b 图 3 2 4 图 a 1 星行八爪 2 真空分配器 3 真空环形圈 4 12 真空气管 5 12 真空 阀 6 12 真空阀门 7 8 12 光栅盘 9 12 段位器 图 b 1 后部 2 真空连接处 3 DP 马达 4 真空发生器 5 12 真空测量板 6 星形轮制动 7 真空分配盘 8 取料角度控制马达 9 抛料控制马达 2 2 旋转头的前部 旋转头的前部 如图 3 2 5 所示 图 3 2 5 3 3 贴片头吸嘴贴片头吸嘴 吸嘴是贴片机拾 放元件的关键部件 也是光学视觉系统的照相机拍照时的背景 它主要由过滤网 密封环 卡环 吸嘴本体和吸嘴头组成 吸嘴因吸取元件种类的不 同 一般分为标准吸嘴和特殊吸嘴 标准吸嘴在生产中可自动更换 特殊吸嘴无法由 机器自动更换 吸嘴材料选择关键是要满足其耐磨性 现在多采用碳纤维耐磨塑料材 料 更先进的吸嘴则采用陶瓷及金刚石等材料 使吸嘴更耐用 拾取元件的不同要求选用不同的吸嘴 摄取元件图像时 吸嘴作为背景 使元件 的图像对比度强 更加清晰 因而 吸嘴背景平面通常设计成哑光面且表面没有混色 比如黄色和黑色 当吸嘴吸取元件时 理想的情况下 元件的中心 吸嘴的中心和所 获得图像的空间中心应该是重合的 而光学视觉系统的调整实际上也是要补偿实际工 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 作的情况下这个不重合而导致的偏差 吸嘴拾放元件早期方法是根据元件的高度 即事先输入元件的厚度 当贴片头下降到此高度时 真空释放并将元件贴放到焊盘上 采用这种方法有时会因元件或 PCB 厚度的误差 出现贴放过早或过迟现象 严重时会 引起元件移位或 飞片 缺陷 目前拾放元件方法是 吸嘴根据元件与 PCB 接触的瞬 间产生的反作用力 在压力传感器的作用下实现贴放的软着陆 又称为 Z 轴的软着陆 故贴片轻松 不易出现移位与飞片缺陷 下图3 2 6是几种常用的吸嘴 图 3 2 6 贴片机几种常用的吸嘴 3 3 驱动及伺服定位机构驱动及伺服定位机构 1 1 驱动机构驱动机构 HS 50 贴片机驱动机构包括 X Y Z 及角度 板宽控制 PWC 皮带传送等六个 轴共同组成驱动系统 其中 X y 轴是高电源轴 受高电源箱中的对应伺服放人器控 制 角度 板宽控制 PWC 和皮带传输是高电源轴 受低电源箱中的对应伺服放大 器控制 贴片机的精度和速度主要是由 X 轴和 y 轴决定的 开环位置控制贴片机采用 链条或带式传送机构 控制精度低 闭环位置控制系统一般采用丝杠传送机构 控制 精度高 目前一般贴片机采用直流伺服电动机驱动 齿形带或滚珠丝杆螺旋副传动 高速贴片机则采用了无摩擦线性电动机驱动和空气轴承导轨传动 2 2 伺服定位机构伺服定位机构 贴片机的 X Y 位置系统有贴片头 X Y 运动定位的过顶拱架型 OverheadGantry Style 系统 印制电路板 X Y 运动定位的转塔系统 Turret System 和大规模平行系统 Massively Parallel System 等三种类型 每个位置 系统都有各自特点 通常在速度与精度之间有一个权衡 过顶拱架型系统贴装元件范围宽 如有源元件 Active Device 的 QFP Quad Flat Pack 面阵列 Area Array 元件的 BGA Ball Grid Array 贴装精度 高 但速度不能与转塔型或大规模平行系统相比 过顶拱架型位置系统使用横梁来移 动贴片头 安装在 X 轴梁上 到 PCB 上的一个特定位置 PCB 在贴片时夹紧在固定位 置 贴片头沿着 X 轴和 Y 轴方向移动从送料器吸取元件 然后移到照相或贴片位置 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 印制电路板 X Y 运动定位系统 常用在转塔式贴片机中 贴片头在固定位置进 行贴装 为了保持高速度 印制电路板在 X Y 方向的运动速度必须足够高 因此定 位的精度会受到影响 大型平行系统使用一系列小的单独的贴片单元 或模块 每个单元有自己的 X Y 运动位置系统 安装有相机和贴片头 每个贴片头可从有限的带式送料器取料 PCB 以固定的间隔时间在机器内步步推进 各个单元机器单独运行慢 可是 它们连 续或平行运行有很高的产量 1 X X Y Y 伺服定位系统分辨率伺服定位系统分辨率 贴片机 X 轴和 Y 轴分辨率由其光栅尺提供反馈给控制器 尺上刻度很精确 但其 并不一定提供最终的分辨率来精确定位 X 轴和 Y 轴 而是通过细分和倍增方法提高其 分辨率 X 和 Y 轴用光栅尺额定定位线彼此分开100 m 线性电动机器彼此分开 40 m 当轴以最大速度通过时 读取头能够读取这些线 2 Z Z 轴伺服定位轴伺服定位 贴片机 Z 轴控制系统是指贴片头的吸嘴运动过程中的定位 即取料和贴片过程中 的 Z 方向定位 以适应 PCB 的不同厚度和元件的不同高度 满足贴片要求 常见的 Z 轴有气动驱动和步进 伺服电动机驱动等方式 轴运动精度对贴片精度影响很大 分辨率要求高 尤其对于细间距元件 贴片头上吸嘴的 Z 方向伺服控制与 X Y 伺服 定位系统相似 即采用圆形光栅编码器的 AC DC 伺服电动机 滚珠丝杠或同步皮带 机构 其伺服电动机 滚珠丝杠安装在吸嘴上方 采用 AC DC 伺服电动机 同 步皮带机构时 其电动机可以安装在侧面 通过 传动轮实现吸嘴在 Z 方向的控制 由于吸嘴 Z 方向运动行程较短 并采用光栅编码器 控制精度能满足要求 Z 轴与 PWC 宽度调节轴 皮带传送轴及 旋转角度轴属于贴片机中的低电源轴 其驱动来源于低电源电动机 电动机驱动控制来源于低电源伺服箱 伺服箱中的相应 伺服板受控于 VME 箱中的轴控制器 低端控制器 轴控制器执行来自于机器主控制 器 高端控制器 的指令 电动机的运动位置由编码器计数 再通过可选的细分盒使 计数倍增 从而提高精度 并把位置计数反馈给相应的轴控制器 再由轴控制器报告 给机器主控制器 这样机器主控制器就可以对相应轴的运行状况进行判断 3 伺服控制系统伺服控制系统 贴片机伺服控制系统结构主要包括位置和速度反馈来自伺服电动机本身与执行机 构两种方式 位置和速度反馈来自伺服电动机或执行机构的伺服控制系统基本原理如 图3 2 7所示 图3 2 7 位置和速度反馈式伺服控制系统原理 伺服控制器驱动放大器伺服电动机负载 速度 电流反 馈 电动机换向 控制 位置传感器 反馈 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 位置和速度反馈都来自伺服电动机本身伺服控制方式的优点是对整个闭环伺服系 统控制环路的要求较低 适用于对高速高精度位置控制要求较低的场合 位置和速度反馈来自负载的伺服控制方式对整个闭环伺服系统控制环路的要求很高 适用于高速 高重复定位精度的场合 如贴片机的 X Y 运动系统及贴片头的 Z 轴和旋 转轴等 4 贴片机直线驱动机构贴片机直线驱动机构 贴片机中使用的直线驱动结构典型的有 X Y 运动系统 板宽调节和贴片头的 Z 轴的结构 主要分为旋转电动机滚珠丝杆 滑动导轨与直线电动机 滑动导轨的结构两 种 旋转电动机滚珠丝杆 滑动导轨结构如图3 2 8所示 该结构的特点是通过滚珠 丝杆加直线滑动导轨 将旋转电动机的旋转运动转化为直线运动 从而实现在 X Y 平面或 Z 方向上点对点的位置控制 构成该结构的要件还包括同步带 带轮或联轴器 由它们将旋转电动机的扭矩传递到滚珠丝杆 从而推动滚珠丝杆的螺母 在直线滑动 导轨的引导下 实现从旋转运动到直线运动的转换 图3 2 8 旋转电动机滚珠丝杆 滑动导轨结构 直线电动机 滑动导轨结构如图 3 2 9 所示 此结构所用器件少 故障率低 基 本不需维护 图3 2 9 直线电动机 滑动导轨结构 5 贴片机用旋转电动机贴片机用旋转电动机 贴片机常用旋转电动机有直流有刷伺服电动机和交流伺服电动机两种 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 图 3 2 10 直流有刷伺服电动机典型结构剖面图 图3 2 10所示为直流有刷伺服电动机典型结构剖面图 该类型电动机基本特点 一是定子永磁铁被固定在电动机本体上形成定子 二是转子线圈和转子硅钢叠片被固 定在电动机转轴上 三是换相电刷被固定于电动机转轴端 同轴 换相电刷电极通 过两根引线引出连接到电动机驱动器 电动机换相通过换相电刷的机械转动来实现 交流伺服电动机的典型代表有交流无刷伺服电动机和永磁正弦交流伺服电动机两 种 它们是目前贴片设备中常用的将电能转化为机械能的部件 二者结构的主要区别 在于定子线圈绕线方式的不同 交流无刷伺服电动机最终的目的是要产生方波反电动 势 而永磁正弦交流伺服电动机要产生正弦波反电动势 交流伺服电动机的转子 动 子 和定子的结构与直流有刷伺服电动机相反 6 贴片机用直线伺服电动机贴片机用直线伺服电动机 直线电动机是一种把电能直接转换成直线运动的机械能 而不需要任何中间转换 传动的驱动装置 它具有传统电动机驱动的机电设备所不能达到的高效节能 高精度 的特点 它能够有效地克服使用传统旋转电动机时 机械转换机构固有的传动链条体 积大 效率低 能耗高 精度差 污染环境等缺点 直线电动机主要应用于自动控制 系统 连续运行的驱动电动机 需要短时间 短距离内提供巨大的直线运动速度的装 置中 贴片行业常用的直线电动机有定子永磁铁直线电动机和 VRM 电动机两种 定子 永磁铁直线电动机具有效率高 噪声低 提供持续的推力而不受动子位置的影响等特 点 但成本高 VRM 电动机具有成本低 效率高 散热快 噪声低 负载能力强 提 供持续的推力而不受动子位置的影响特点 但体积大 7 贴片机用编码器贴片机用编码器 编码器是将机械位移量 包括转动角度和直线位移 转化为电脉冲信号的器件 贴片机中常用的编码器主要有实现角度位置反馈的旋转编码器和直线位置反馈的磁 光栅尺两种 旋转编码器按信号原理分为增量型和绝对型 增量型编码器只向伺服控制器输出 脉冲信号 它仅提供相对的位置和增 减信息 而位置增 减信息则根据 A B 相的 发生先后 谁的相位领先 由控制器判断 绝对型编码器向伺服控制器输出 的是数字号 其内部含有微型处理器 它定义了一个绝对原点 并将其产生的脉冲信 号经处理器处理后 转化成数字代码送给伺服控制 这些位置数据都是相对于原点的 绝对位置 光栅尺 它是由光栅尺和读取头构成 光栅尺是在透明玻璃或金属镜面上真空沉 积镀膜 利用光刻技术制作均匀密集条纹 每毫米约 100 300 条 条纹间为等间距平行分布 3 3 供料器供料器 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 HS 50 系列的四个区各有一个 Table 供料台 它能装载 12 个 2 8 或者是 3 8 的 供料器 最多可以装 144 槽 8mm 的料 供料器 又称为飞达 飞达以所载料带的宽度 分 2 8 3 8 12 16 24 32 44 56 72 88 的飞达 图 3 2 11 是 3 8 的飞达 图 3 2 11 上图为常用的 3 8 飞达 只能上料带宽度为 8mm 的料 前面的平盖为黄金色的 主要用来装 0201 的料 另一种平盖具有普通金属光泽的常用来上 0402 或 06 3 的料 顺便说说 0201 就是指长为 0 5mm 宽为 0 35mm 的料 0402 就是指长为 1mm 宽为 0 5mm 的料 具体算法就是 0 04 25 4 1 016mm 0 02 25 4 0 508mm 图 3 2 12 图 3 2 12 是 2 8 的飞达 是 HS 50 机常用的一种供料器 2 8 就是说该料带的宽 度为 8mm 3 2 1 23 2 1 2 光学视觉系统光学视觉系统 视觉系统可以检查元器件引脚以及测量引脚宽度 间距和数量 从而检测被 贴元器件 视觉检查要求通过固定照相机来抓拍元器件图像 然后传送到图像处 理系统 对所获得图像进行处理分析 计算出图像的特征信息和位置信息 再把这些 信息和原先存放在贴片机数据库中信息进行比较 从而对元器件进行判定 并通过伺服系统补偿调节所产生的偏差 视觉系统具有视觉和对中两个功能 其中 视觉功能主要是运用相机对要处理的 元件进行图像提取 然后对其提取的图像进行图像处理 分析出几何特征信息和空间 位置特征信息 并将这些信息与数据库里相应的资料进行比较 从而判定该元件是否 为正确的元件以及此元件是否存在问题 而对中功能主要是把元件的吸取位置信息和 存储在贴片机标准元件数据库的元件数据进行比较运算 进而判定吸嘴吸取元件的中 心位置是否和吸嘴的中心轴一致 如果不一致 则计算出位移偏差和角度偏差值 从 而提供给贴片头作为其偏差的补偿值 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 视觉系统通常采用 CCD Charge Coupled Device 电荷耦合器件 摄像头摄取基板 或网板 MARK 点图像 将其转化为数字信号 再采用先进的计算机硬件与软件技术 对图像数字信号进行处理 从而得到所需要的各种目标图像特征值 并在此基础上实 现模式识别 坐标计算 灰度分布图等多种功能 1 1 贴片机常用传感器贴片机常用传感器 贴片机中装有多种传感器 主要以力和光学传感器为主 通过传感器检测各组成 部分的状态 保证贴片机的正常自动运转或故障诊断 贴片机常用传感器种类及功能 如表 3 1 1 所示 表 2 1 1 常用的传感器种类及功能 序号传感器贴片机中典型应用功能 1 负压传感器贴片头吸嘴检测吸嘴真空度 2 气体压力传感器气路系统 检测气路系统气压大 小 3 贴装压力传感器贴片头 Z 轴控制检测 Z 轴贴装力 4 激光传感器贴片头元器件识别系统识别检测元器件 5 光电传感器 PCB 传送 贴片头运动位 限检测 元件共给浮起状 态检测 运动位置及状态控制 与检测 6 视觉传感器贴片机视觉系统 PCB 标记点识别 细 间距 IC 器件 异型 元件识别 1 1 CCDCCD 图像传感器图像传感器 CCD 图像传感器 Charge Coupled Device 是一种新型光电转换器件 学名是电 荷耦合器件 它能存储由光产生的信号电荷 当对它施加特定时序的脉冲时 其存储 的信号电荷便可在 CCD 内作定向传输而实现自扫描 它主要由光敏单元 输入结构和 输出结构等组成 CCD 传感器具有光电转换 信息存贮和延时等功能 已广泛应用于 摄像 信号处理和存贮三大领域之中 CCD 有面阵和线阵之分 面阵是把 CCD 像素排 成一个平面的器件 而线阵是把 CCD 像素排成一直线的器件 CCD 传感器检测能力与计算机的信号处理能力结合起来便能大大扩展 CCD 的应用范 围 图 2 13 是 CCD 传感器图像识别的例子 被测物在传输线上作等速运动 在光 源的照射下 它的阴影依次扫过光电阵列 从而使传感器输出与阴影相对应的信号 将 CCD 输出的信号与传输线的运动速度信息同时输入计算机 根据输入信号进行处 理和编译 然后再与计算机内存的标准图形信息进行比较 便可以计算出偏差信息 并由计算机依据偏差大小作出判断后 发出指令对零件进行接收或剔除 CCD 传感 器和计算机的配合用来识别大规模集成电路 LSI 电路的焊 2 2 位置位置控制传感器控制传感器 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 论文 贴片机常用光电传感器控制 PCB 传输位置及记数 贴片头和工作台运动位置的实 时检测 安全运动区域的监控 光电传感器如图 3 2 13 所示 它是采用光电元件作为检测元件的传感器 它首 先把被测量的变化转换成光信号的变化 然后借助光电元件进一步将光信号转换成电 信号 光电传感器一般由光源 光学通路和光电元件三部分组成 光电检测方法具有 精度高 反应快 非接触等优点 而且可测参数多 结构简单 形式灵活多样 因此 光 电式传感器在检测和控制中应用非常广泛 图 3 2 13 光电传感器 3 3 贴片头贴片头 Z Z 轴控制传感器轴控制传感器 贴片头将元件贴放到 PCB 上 通过安装在贴片头上的 Z 轴控制传感器以及伺 服电动机的负载特性实现 Z 轴软着陆 图