SMT贴装设备与质量毕业设计.doc

南京信息职业技术学院毕业设计论文作者 唐柳青 学号 21226P24 系部 机电学院 专业 电子组装技术与设备(通讯设备与制造) 题目 SMT贴装设备与质量 指导教师 滕雪梅 评阅教师 完成时间： 2015 年 月 日毕业设计（论文）中文摘要题目：SMT贴装设备与质量摘要：本文讨论的是SMT贴片设备的设计和工作以及贴装过程中质量控制等，重点阐述了设备结构及运作过程中常见的故障的分析及解决方案。SMT贴片设备的好与坏对SMT生产的效率和品质有着很重要的影响，进而如何选择贴装设备及如何对程序进行优化成了决定SMT生产的产量与质量的重要因素。如贴装设备中有CP和QP两种类型，CP更多的应用于贴装电阻电容等，而QP则在贴装密引脚的IC元件有着更多的应用。除此之外， 通过放置元件的坐标优化从而提高贴装质量等。本文重点就贴装设备的设计与工作的流程以及其贴装结果的分析进行阐述关键词：贴装设备 质量缺陷 流程分析毕业设计（论文）外文摘要Title: SMT placement equipment and qualityAbstract: This paper discusses the design and placement process and work in the SMT placement equipment quality control, failure analysis focuses on the structure and operation of process equipment and solutions in common.SMT placement equipment is good or bad has a very important impact on the SMT production efficiency and quality, and then how to choose the placement of equipment and how to optimize the program has become an important factor determining the yield and quality of SMT production. Such as the placement device has two types of CP and QP, CP applies more mount resistors and capacitors, etc., and QP in the IC component placement density pin has more applications. In addition, through optimization of component placement coordinates to improve placement quality. Process and analyze the results of this paper focuses on the placement mount design and operation of equipment will be elaboratedKeywords: mount equipment quality defects flow analysis目录1 引言SMT简述2 贴装设备简述2.1 贴装设备的基本结构2.2 贴装设备的类型2.3 贴装设备的技术参数2.4 贴装设备的支持系统3 贴装工艺过程4 贴装质量分析4.1 偏移4.2 缺件4.3 抛料5 贴装工艺的现状及其发展结论致谢参考文献1 引言进入21世纪以来，中国电子信息产品制造业加快了发展步伐，每年都以20以上的速度高速增长，成为国民经济的支柱产业，整体规模连续三年居全球第2位。随着中国电子制造业的高速发展，中国的SMT技术及产业也同步迅猛发展，整体规模也居世界前列。表面贴装技术（Surface Mounting Technology简称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。目前，先进的电子产品，特别是在计算机及通讯类电子产品，已普遍采用SMT技术。国际上SMD器件产量逐年上升，而传统器件产量逐年下降，因此随着进间的推移，SMT技术已越来越普及。2 贴装技术的原理及贴装设备简介表面贴装技术是一个跨学科的应用技术，覆盖了材料学、化学、机械工程、自动控制、计算机硬件、软件工程、模式识别、等多方面的技术。对基础知识的掌握是能够熟练掌握SMT技术的关键。SMT生产中一个关键工序是贴装。说它关键，是因为SMT生产流程中无论设备复杂程度，技术密集程度，还是设备成本都是最高的，它在生产工序中所占用的平均加工时间也是最长的。而且也是设备故障率最高的一道工序；可以说SMT生产线的设备故障中相当大一部分是在这道工序。因此贴装技术可以称为SMT技术的支柱和技术发展的重要标志。2.1 贴装设备的基本结构依照上述的贴装设备的基本工序，我们可以大概描绘出贴装设备模型：（1）机架；（2）供料器；（3）供料器装载装置；（4）贴装头；（5）PCB传送器；（6）PCB定位装置；（7）元器件对中装置；（8）软件支持程序。2.1.1 机架最常见的机架为两种：整体铸造式和焊接式。但无论哪种机架都必须保证机器运行中的稳定，无位移；机架不会随着机器震动而产生震颤。2.1.2 供料器供料器系统的主要构成：供料器，供料器装载和运送机构。供料器主要分为：（1）带状供料器带状供料器是按照每次运动供料运动的，多数采用同步棘轮结构。按照动力源来分，可以分为机械式，气动式和电动式三种。机械式靠贴装头运动过程中敲击供料器实现驱动。气动式依靠供料器内的电磁阀转换进而带动气缸产生机械运动，和机械式相同带动同步棘轮运行。而电动式则是依靠直流电机提供动力。见图A图A 带状供料器（2）管状供料器管状供料器主要用来运送采用管状包装的PLCC，SOJ元件。通过供料器内的电机引起的低频振动使元件下降到元件拾取位置。（3）盘装供料器盘装供料器（见图B）一般用于QFP类元件，分为两种：单盘结构和复杂的多层结构，多层结构可以同时放入20多盘元件。每次对一盘操作，原则上可以放入多种元件。最大的优势是可以实现不停机便可换料。图B盘装供料器（4）散装料仓供料器散装料仓供料器，散装料的最大优势是价格实惠。散装料仓供料器依靠振动将元件沿输送轨道输送到拾取位置。2.1.3 供料器装载装置供料器装载装置有固定式和移动式两种：（1）固定式对应的拾取头（贴装头）为移动式，例如环球仪器（Universal）的GSM系列异型贴装设备。（2）移动式供料器装载装置对应固定式固定式对应的拾取头（贴装头）。例如Fuji公司的CP系列。移动式供料器装载装置主要包括装载小车和传动轴。小车一般为2组，当两组小车上按照相同的顺序安排同样的元件时可以实现不停机换料。也可以通过两组装载小车的软件设置合并成一组。为保证带状供料器的进给准确，应定期校准。2.1.4 贴装头贴装头主要工作流程如下：吸嘴移动到达拾取元件位置真空打开，吸嘴下降吸取元件真空压力传感器或光电传感器检测是否吸到元件传感器检测元件高度（垂直方向）及元件转角（水平方向） 识别元件特征，读取元件元件特征值特征值不符实际值与检测值对比抛到废料收集盒取通过贴装头的旋转调整元件角度或PCB的移动调整X/Y方向坐标到预先设定位置，使元件中心与贴装位置点重合；吸嘴下降到预先设定的高度，真空关闭，元件落下。贴装完毕，吸嘴升起到初始位置，准备下次拾取元件。2.1.5 PCB传送器传送机构大多数相同，都是采用传送带轨道。有些设备是采用一条完整轨道；例如环球仪器（Universal ）的GSM系列异型贴装设备 。2.1.6 PCB定位装置PCB在装载入机器内贴装之前，必须确定PCB的原点位置与机器设定的是一致的，从而通过坐标系的变换得到正确的贴装位置。一般分为机械式定位和借助机器视觉实现的光学定位两种。机械定位速度快，但定位精度略低于机器视觉定位；而机器视觉定位因为坐标精度主要取决于摄像机的识别精度以及计算处理的精度，所以精度要高很多；但定位速度却很慢。因此现在很多高精度机器采取先通过机械方式确定大致位置，再通过光学（机器视觉）方式确定PCB的精确位置的复合定位方式。 2.1.7 元器件对中装置所谓元件对中，是指贴装设备在吸取元件过程中需要保证吸嘴吸在元件中心，这样才能使元件中心与贴装头的中心保持一致。早期的元件对中都是采取采取机械对中方式。由于技术的进步，现在多利用CCD器件的摄像机通过机器视觉定位。通过对元件进行成像，进而通过进行图像的数字图像边缘处理等图像处理算法进行分析，找出元件的几何尺寸、特征、中心等数据。再通过与控制系统的数据相比较得出元件的X/Y方向以及转角的偏差。并通过控制系统系进行修正。2.1.8 软件支持系统贴装设备的软件系统基于多种操作系统，从DOS，OS/2，Apple OS，Windows，到Windows NT，Unix。2.2 贴装设备的类型目前贴装设备大致可分为四种类型：动臂式、复合式、转盘式和大型平行系统。不同种类的贴装设备各有所长，通常取决于应用或工艺对系统的要求，在其速度和精度之间也存在一定的平衡。2.2.1 动臂式动臂式机器具有较好的精度和灵活性，适用于高精度机器，大部分元件一般都是这种类型，但其速度无法与大型平行系统、复合式和转盘式相比。但是元件排列越来越集中在有源部件上，比如有引线的QFP和BGA阵列元件，安装精度对高产量有至关重要的作用。大型平行系统、复合式和转盘式一般不适用于这种类型的元件安装。动臂式机器分为多臂式和单臂式，单臂式是最早先发展起来的并且现在仍然使用的多功能贴装设备。在单臂式基础上发展起来的多臂式贴装设备可将工作效率成倍提高。2.2.2 复合式复合式机器是从动臂式机器发展而来，它集合了动臂式和转盘式的特点，在动臂上安装有转盘，比如Siemens的Siplace80S系列贴装设备，有两个带有12个吸嘴的转盘。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，如Siemens最新推出的HS50机器就安装有4个这样的旋转头，贴装速度可达每小时5万片以上。2.2.3 转盘式转盘式机器由于拾取元件和贴装动作和拾取元件是同时进行的，使得贴装速度大幅度提高，这种结构的高速贴装设备备在我国的应用是最为普遍的，不但速度较高，而且性能特别稳定，但是这种机器由于机械结构所限，其贴装速度已经达到一个极限值，不可能在大幅度提高。2.2.4 大型平行系统大型平行系统由一系列的小型独立组装机组成的。各自有丝杠定位系统定位机械手，机械手还带有摄像机和安装头。各安装头都从几个带式送料器拾取元件，并能为多块电路板的多块分区进行安装，这些板通过机器定时转换角度对准位置。如PHILIPS公司的FCM机器有16个安装头，实现了0.0375秒/片的贴装速度，但就每个安装头而言，贴装速度在0.6秒/片左右，仍有大幅度提高的可能。大型平行系统、转盘式和复合式属于高速安装系统，一般用于小型片状元件安装。转盘式机器也被称作“射片机”，因为它通常用于组装片式电阻电容。另外，此类机器具有高速“射出”的能力。因为无源元件，裸芯片、以及其他引线元件所需精度不高，射片机组装可实现较高的产能。高速机器由于结构较普通动臂式机器复杂许多，因而价格也高出许多，在选择设备时要考虑到这一点。实验表明，动臂式机器的安装精度较好，安装速度为每小时500020000个元件（CPH）。复合式和转盘式机器的组装速度较高，一般为每小时2000050000个。大型平行系统的组装速度是最快的，可达每小时50000100000个。2.2.5 如下是目前主流的贴装设备（FUJI）CP-743ME后侧（见图3）：图3 CP-743ME后侧CP-743ME前侧（见图4）：图4 CP-743ME前侧QP-242E系列后侧（见图5）：图5 QP-242E系列后侧QP-242E系列前侧（见图6）：图6 QP-242E系列前侧高速机（见图7）：图7 高速机2.3 贴装设备的技术参数各种不同速度、不同功能、不同结构的贴机的技术参数基本相同，主要有以下几种：（1）贴装精度与能力；（2）照相机参数；（3）元件贴装范围；（4）贴装速度；（5）基板支持范围；（6）最大装料能力；（7）机器的电、气参数及环境要求；（8）机器的外观尺寸、重量及物理承重要求。前面两种参数决定贴装设备的主要功能，能贴什么样的元件；贴装速度决定贴装设备的产能；基板支持范围和最大装料能力决定能支持多大的线路板和最多能容纳多少品种的元件；后两个参数则决定机器的安装条件。表面贴装技术的优点是把元器件精确、快速地贴放到印制板的电路焊盘上，因此贴装速度和贴装精度是贴装设备最重要的两个参数。2.4 贴装设备的编程贴装设备是用来实现高速、高精度地贴放元器件的设备。贴装设备编程是指通过按规定的格式或语法编写一系列的工作指令，让贴装设备按预定的工作方式进行贴装工作。一般每个工厂都有自己的编程方式，这个很灵活，可以自行编写的软件、也可通过购买专业的离线软件、还有就是设备厂家自带的编程。2.4.1 获取坐标（1）拥有完整的坐标档案包括：XY坐标、角度、位置编号。这样的档案最好，直接与BOM整合就可以可以使用了。（2）EDA文件，如Protel99se.PowerPCB的原始PCB类型文件。需要从这些软件中再进行输出坐标。（3）Gerber文件这种数据最烦琐。需要很麻烦的转化和处理。2.4.2 结合BOM用坐标文件与BOM整合，删除多余的位置加入元件料号。2.4.3 开始编程（1）一般每个工厂都有自己的编程方式，这个很灵活，可以自行编写的软件、也可通过购买专业的离线软件、还有就是设备厂家自带的编程。如：松下的PANAPRO、环球的ups、FUJI的FLEXA。（2）用这些软件对刚才的坐标文件进行处理，基本程序都包含Mark Data、PCB data、Location Data、Offset data、Components data等。（3）对程式进行优化，这个要结合机器的配置。需要长时间观察和理解。好软件的话基本自动优化就可以了。（4）转出程式，导出上料表。3 贴装工艺过程（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。（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。（7）通过真空压力传感器或光电传感器检测是否吸到元件。（8）通过摄像头或光电传感器检测元件高度（垂直方向）。（9）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。（10）将错误的元件抛到废料收集盒中。（11）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。（12）吸嘴下降到预先设定的高度，真空关闭，元件落下。完成贴装。（13）从第5步开始循环，直到贴装完毕。（14）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。4 贴装质量分析4.1 元件移位元件对位不准确或漏贴元件的原因通常与贴力度不合适有关见（图10）：图10 元件移位如果PCB在贴片机中得不到适当的支撑，它就会下沉，这样的话，PCB表面高度就会低于贴片机的“Z”轴零点。这样会导致元件在PCB上方略高的位置就被释放，与直接贴片到润湿、有粘性的焊膏上有所不同。另一个很可能的原因是元件的高度设置不合适。虽然，大多数新机器可对高度进行自动校正，但是，旧的贴片机必须通过编程，才能获得正确的元件高度。在生产过程中常常需要更换元件卷带，有时，更换的元件不是同一个厂家生产的，这种元件外形尺寸可能有所差别。如果程序指出元件高度为1.0mm，而元件的实际高度只有0.6mm，元件就会从距贴片点上方0.4mm落到焊膏上，而不是直接贴片到焊膏上。即使贴片机是台架式机器（即在贴片过程中PCB保持静止状态），在这种情况下，贴片精度也会不好。元件有可能晃动而脱离焊盘，或进一步移位，或在PCB传送过程中完全脱落。此外，在元件贴装过程中，当元件高度设置得不正确时，在回流焊接阶段，就很有可能产生“墓碑”现象。4.2 缺失飞件指元件在贴片位置丢失（见图9）：图9 元件在贴片位置丢失其产生的主要原因有以下几方面：（1）元件厚度设置错误若元件厚度较薄，但数据库中设置较厚，那么吸嘴在贴片时就会在元件还没达到焊盘位置时就将其放下，而固定PCB的x-y工作台又在高速运动，从而由于惯性作用导致飞件。所以要正确设置元件厚度。（2）PCB厚度设置错误若PCB实际厚度较薄，但数据库中设置较厚，那么在生产过程中支撑销将无法完全将PCB顶起，元件可能在还没达到焊盘位置时就被放下，从而导致飞件。（3）PCB的原因PCB翘曲超出设备允许误差或支撑销放置不当。例如支撑销顶在PCB底部元件上，造成PCB向上翘曲，或者支撑销摆放不够均匀，PCB有的部分未顶到从而导致PCB无法完全被顶起。4.3 抛料所谓抛料就是指贴片机在生产过种中，吸到料之后不贴，而是将料放到料盒里或其他地方，或者是没有吸到料而执行以上的一个抛料动作（见图8）：图8 抛料抛料的主要原因及对策有：抛料问题（1）原因：吸嘴问题吸嘴变形，堵塞，破损造成气压不足，漏气，取料不起，取料不正，识别通不过等。对策：清洁更换吸嘴；（2）原因：识别系统问题视觉不良，视觉或雷射镜头不清洁，有杂物干扰识别，识别光源选择不当和强度灰度不够，还有可能识别系统已坏。对策：清洁擦拭识别系统表面，保持干净无杂物沾污等，调整光源强度，更换识别系统部件。（3）原因：位置问题取料不在料的中心位置，取料高度不正确（一般为碰到零件后下压0.05mm）而造成偏位，取料不正，有偏移，识别时跟对应的数据参数不符而被识别系统当做无效料抛弃等。对策：调整取料位置。（4）原因：真空问题气压不足，真空气管通道不顺畅，有导物堵住真空通道，或是真空有泄漏造成气压不足而取料不起或取起之后在去贴的途中掉落。对策：调气压到设备要求气压值（比如0.50.6Mpa），清洁气压管道，修复泄漏气路。（5）原因：程序问题所编辑的程序中元件参数设置不对，跟来料实物尺寸，亮度等参数不符造成识别通不过而被丢弃。对策：修改元件