贴片机的发展现状与趋势 - 副本.doc

桂林电子科技大学贴片机的发展现状与趋势1000150312 黄荣雷（桂林电子科技大学 机电工程学院）摘要:贴片机是整个SMT生产中关键而复杂的设备，它实现元器件的高速、高精度的贴放，而对贴片机性能有着至关重要影响的两个因素是贴片机的结构和视觉系统；目前已从早期的低速机械式的贴片机发展成高速光学贴片机，并向多功能、柔性连接方向发展，贴片设备已被广泛应用于大规模电子组装生产上。关键词: 贴片机、结构、视觉系统、多功能、柔性Mounter Development Status and Trends1000150312 Huang Rong Lei(Guilin University of Electronic Science and Technology Institute of Mechanical and Electrical Engineering)Abstract: SMT placement machine is the production of critical and complex equipment, it achieves high-speed components, precision placement, and for placement machine has a crucial impact on the performance of the two factors are structural Mounter and visual systems; present from the early low-speed mechanical develop into a high-speed optical SMT placement machine, and to multi-functional, flexible connection direction, SMD devices have been widely used in large-scale production of electronic assemblies.Keywords: placement machine, structure, vision systems, multi-functional, flexible1.前言经过20多年的发展,目前SMT已经成为现代电子产品的PCB电路组件级互联的主要技术手段。组装技术的不断发展必将对组装工艺及相关设备的发展提出新的要求。如何缩短运行时间、加速转换时间,以及不断地引入具有大量的引脚数量和精细间距的元器件成了如今的贴装设备所面临的严峻挑战。中国大陆地区电子制造商从上世纪八十年代后期开始从国外引进贴片机制造，但规模不大，从九十年代中期开始，伴随香港台湾地区电子制造产业想大陆的移动，以及海外一些顶级电子制造公司的投资，中国贴片机产业才逐渐壮大 2. 贴片机常见结构 根据速度的快慢，也可分为：低速贴片机、中速贴片机、高速贴片机和超高速贴片机。根据贴装方式可分为：顺序贴式片机、同步式贴片机和手动式贴片机。目前贴片机结构大致可分为四种结构：拱架式、复合式、转塔式和大型平行系统。下面简单进行介绍。2.1 拱架式 拱架式机器是最传统的贴片机,具有较好的灵活性和精度,适用于大部分元件,高精度机器一般都是这种类型,但其速度无法与复合式、转塔式和大型平行系统相比。不过元件排列越来越集中在有源部件上,比如有引线的四边扁平封装器件( Quad flat package,QFP)和球栅阵列器件(Ball grid array,BGA),安装精度对高产量有至关重要的作用。复合式、转塔式和大型平行系统一般不适用于这种类型的元件安装。拱架式机器分为单臂式和多臂式,单臂式是最先发展起来的现在仍然使用的多功能贴片机。在单臂式基础上发展起来的多臂式贴片机可将工作效率成倍提高,如日本松下公司的CM602贴片机就有四个动臂安装头,可分别交替对两块印刷线路板(Print Circuit Board,PCB)同时进行安装,贴装速度高达每小时6万片。动臂式机器的结构如图1所示。绝大多数贴片机厂商均推出了采用这一结构的高精度贴片机和中速贴片机,例如Universal公司的AC72、松下公司的CM402/CM602、Assembleon公司的AQ-1、Hitachi公司的TIM-X、Fuji公司的QP-341E和XP系列、Panasonic公司的BM221、Samsung公司的CP60系列、Yamaha公司的YV系列、Juki公司的KE系列、 Mirae公司的MPS系列。 图1 拱架式机器的结构 2.2 复合式 复合式机器是从拱架式机器发展而来,它集合了转塔式和拱架式的特点,在动臂上安装有转盘,像Siemens 的Siplace80S系列贴片机,有两个带有12个吸嘴的旋转头,如图2所示。Universal公司也推出了带有30个吸嘴的旋转头,称之为“闪电头”,两个这样的旋转头安装在Genesis贴片平台上,可实现每小时60,000片贴片速度。从严格意义上来说,复合式机器仍属于动臂式结构。由于复合式机器可通过增加动臂数量来提高速度,具有较大灵活性,因此它的发展前景被看好,例如环球公司推出的最新GC120机器就安装有4个“闪电头”,贴装速度高达每小时120,000片。 图2 复合式机器的结构2.3 转塔式 转塔的概念是使用一组移动的送料器,转塔从这里吸取元件,然后把元件贴放在位于移动的工作台上的电路板上面,结构如图3所示。转塔式机器由于拾取元件和贴片动作同时进行,使得贴片速度大幅度提高。这种结构的高速贴片机在我国的应用也很普遍,不但速度快,而且历经十余年的发展技术已非常成熟,如Fuji公司的CP842E机器贴装速度可达到0.068秒/片。但是这种机器由于机械结构所限,其贴装速度已达到一个极限值,不可能再大幅度提高。该机型的不足之处是只能处理带状料。 转塔式机器主要应用于大规模的计算机板卡、移动电话、家电等产品的生产上,这是因为在这些产品当中,阻容元件特别多、装配密度大,很适合采用这一机型进行生产。相当多的台资、港资电子组装企业以及国内电器生产商都采用这一机型,以满足高速组装的要求。生产转塔式机器的厂商主要有Panasonic、Hitachi、Fuji。图3 转塔式机器的结构2.4 大型平行系统 大规模平行系统(又称模组机)使用一系列小的单独的贴装单元(也称为模组)。每个单元有自己的丝杆位置系统,安装有相机和贴装头。每个贴装头可吸取有限的带式送料器,贴装PCB的一部分,PCB以固定的间隔时间在机器内步步推进。单独地各个单元机器运行速度较慢,可是,它们连续的或平行的运行会有很高的产量。如Philips公司的AX-5机器可最多有20个贴装头,实现了每小时15万片的贴装速度,堪称业界第一,但就每个贴装头而言,贴装速度在每小时7500片左右,仍有大幅度提高的可能。这种机型也主要适用于规模化生产,例如手机。生产大规模平行系统式机器的厂商主要有Philips,Fuji公司也推出了采用类似结构的NXT型超高速贴片机,如图4,通过搭载可以更换的贴装工作头,同一台机器既可以是高速机也可以是泛用机,几乎可以进行所有贴装元器件的贴装,从而使设备的初期投资及增加设备投资降低到最低程度。 图4 采用模组结构的NXT贴片机3. 贴片机视觉对中系统 视觉系统在成功的贴装设备中扮演着一个重要的角色。高度精确的光学装置、灵活的照明和高解析度的摄像机集成出最佳的电路和器件的图像,所以通过现代化的算法能够获得至关重要的需要修正电路板、元器件和供料装置变化的反馈。通过采用先进的视觉技术装置,可以达到较高水平的贴装速率,降低拾取中所发生的缺陷,从而有利于提高整条生产线上的生产量,增加经济效益。 视觉系统一般分为俯视、仰视、头部或激光对齐,视位置或摄像机的类型而定。图5示出了一个典型的贴片视觉对中系统。 图5 典型的贴片视觉对中系统 (1)俯视摄像机安装在贴片头上,用来在电路板上搜寻目标(称作基准),以便在贴装前将电路板置于正确位置。 (2)仰视摄像机用于在固定位置检测元件,一般采用CCD技术。在安装之前,元件必须移过摄像机上方,以便做视觉对中处理。粗看起来,好象有些耗时。但是,由于贴片头必须移至送料器收集元件,如果摄像机安装在拾取位置(从送料处)和安装位置(板上)之间,视像的获取和处理便可在安装头移动的过程中同时进行,从而缩短贴装时间。目前的CCD硬件性能都具备相当的水平。在CCD硬件开发方面,前些时候开发了“背光”(Back-Lighting)及“前光”(Front-Lighting)技术(如图6),以及可编程的照明控制,以更好应付各种不同元件贴装的需要。例如阻容类等简单元件从后面照明,视觉系统仅识别本体轮廓就可可靠对中。相反,QFP等密引脚元件最好是前光照明,将完整的分布在包装体四周的引脚显示出来,以便视觉系统可靠识别对中。有些BGA在元件底面有可见的走线,可能混淆视觉系统,这些元件要求侧面照明系统。它将从侧面照明锡球,而不是底面的走线,因此视觉系统可检查锡球分布,正确地识别元件。 图6 前光和背光照明增强了CCD技术处理元件的能力 (3)头部摄像机直接安装在贴片头上,一般采用线型传感器(line-sensor)技术,在拾取元件移到指定位置的过程中完成对元件的检测,这种技术又称为“飞行对中技术”,它可以大幅度提高贴装效率。该系统由两个模块组成:一个模块是由光源与镜头组成的光源模块。光源采用发光二极管(LED)与散射透镜,光源透镜组成光源模块。另一个模块为接受模块,采用线型 CCD及一组光学镜头组成接受模块。此两个模块分别装在贴片头主轴的两边,与主轴及其它组件组成贴片头,如图7。贴片机有几个贴片头,就会有相应的几套系统。 图7线型传感器(line-sensor)系统模块简图 (4)激光对齐是指从光源产生一适中的光束,照射在元件上,来测量元件投射的影响。这种方法可以测量元件的尺寸、形状以及吸嘴中心轴的偏差。这种方法快速,因为不要求从摄像机上方走过。但其主要缺陷是不能对引脚和密脚元件作引脚检查,对片状元件则是一个好选择。1990年代激光对位技术推出时只能处理77mm的元件,目前安必昂公司推出的第二代激光对位系统处理元件尺寸增至1818mm,激光技术可识别更多的形状,精度也有显著的提高。 4. 满足未来需求的贴片机视觉系统为了满足未来可靠贴装元件的需求,视觉系统应满足以下要求: 4.1 可靠确定PCB基准标记位置的能力 由于 PCB 基准标记的可靠定位是任何 SMD 贴放对位的第一步,视觉系统必须可以识别不同的基准,即使在基准外观并不理想的状况下。例如,来自制造工艺的氧化、镀锡和波峰焊料导致的各种变化,可能造成镜面反射和表面不一致,它们会极大地改变标记的外观。可能影响基准外观的其它因素,包括电路板变形、焊料堆积过多、电路板颜色改变等等。具有容忍这些状况的视觉系统可以帮助使用者提高对位成功率,减少操作者的干预。 4.2 识别非标准器件能力 机器视觉系统应该能够可靠地识别各类非标准器件的外形,不论它们的形状如何少见。现有的贴片对位软件,带有内置的几何图案寻找工具,这些工具能“学习”器件的几何属性,即使它形状怪异,系统也能够识别器件。4.3 可靠避开吸嘴的能力 SMD元件贴装一般使用前光照明或背光照明,或两者都用。背光照明用于产生器件的背影,显现的图像类似于二进制图像,使视觉系统更容易识别器件,在识别片式阻容类等简单器件时通常采用这类照明。但背光也会给视觉系统带来难题:拾取器件的吸嘴的背影经常会从器件后面突出来,或部分遮蔽芯片(如图9)。尽管正面照明技术可以防止这种现象,但吸嘴本身的像素灰度值可能会使视觉系统无法可靠地区分吸嘴和器件。选择能够识别器件和拾取器件的吸嘴之间形状差别的视觉系统,就能容忍吸嘴的部分遮蔽,因此将提高器件对中精度,防止由于视觉错误而使器件被误放。 4.4 识别密间距器件和白色陶瓷表面器件的能力 为了精确地识别BGA、倒装芯片或CSP等各种器件,并检查引脚偏差,视觉系统必须能够准确定位每一个元件。视觉系统还应可靠地识别白色陶瓷表面的器件,它的低对比度反射性质会使传统的视觉技术失去作用。这些功能应该得到核实,测试软件应该能区分各个物体。 4.5 具有自动化编程能力 针对非常特殊的元件,新型视觉软件工具应该具有自动“学习”的能力,用户不必把参数人工输入到系统中,从头创建器件描述,他们只需把器件拿到视觉摄像机前照张相就可以了,系统将自动地产生类似 CAD 的综合描述。这项技术可以提高器件描述精度,并减少很多操作者的错误,加快元件库的创建速度,尤其是在频繁引入新型器件或使用形状独特器件的情况下,从而提升生产效率。4.6 支持多种类型的摄像机 以前处理图像的时间一直要比获取它们的时间长,但 CPU 技术的新发展加速了图像处理速度,图像获取速度反而可能成为限制因素。为了提高系统处理效率,要把获取图像的时间降到最低程度,视觉系统应该能够支持多种先进的行扫描、高分辨率(10241024 像素)、高速的数字式摄像机。在评估面向 SMD 贴放对中的贴片机视觉系统时应充分考虑上述几个因素,确保您所选择的系统具有高度的灵活性,能够轻松处理新的元件类型和来自不同制造商的不同器件,使用户的工作变得更为简单。 5. 贴片机的发展趋势5.1 高效率双路输送结构双路输送结构在保留传统单路贴片机性能的基础上，将PCB的输送、定位、检测、贴片等设计成双路结构，这种双路结构贴片机可分为同步和异步两种方式，同步方式是将两块大小相同的PCB由双路轨道同步送入贴装区域进行贴装，异步方式是将不同大小的PCb分别送入贴片区域，这两种方式都可以缩短贴片机的无效工作时间，提高生产效率。5.2 高速、高精密、多功能、智能化贴片机的贴装速度、精度与功能一直相互矛盾，由于表面贴装元器件不断发展，其封装形式也在不断变化，新的如BGA、FC、CSP等，对贴片机的要求越来越高。美国和法国的贴片机采用“飞行检测”技术，提高了贴片速度，德国的Sieme