SMT貼裝機的貼裝技術

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SMT貼裝技術是表面組裝技術中的必不可少的基本技術之一，拾取和放置演變而來的，因而有些資料現在仍然稱其為拾放技術。貼裝技術的英文名稱還有“Chip Mounter”（片式元件安裝）和“Component Mounter”（元件安裝），以及“ChipPlacement”（片式元件安放）和“Component Placement”（元件安放），與現在通用的中文名稱“貼裝技術”或“貼片技術”比較吻合。


1、貼裝技術特點


將物品或機器零部件快速、準確地放置到規定位置，是工業系統中各種制造和裝配常見的一個工序或運行流程。例如，在半導體集成電路封裝中，在半導體封裝技術中將已經制造完成的芯片從劃片薄膜上取下，放置到引線框架或封裝襯底（基板）上的設定位置上，以便進行下一步引線鍵合或其他互連工序，稱為裝片（Die Attaching），實際也是一種貼裝技術。由于在封裝技術中，芯片外形和拾取性能相對變化不大，就裝片工序相對于其他復雜而精確度要求很高的工序來說并不是技術關鍵，而且裝片通常是和鍵合機組合為一種設備，因而在封裝技術中，貼裝的重要性遠不如組裝技術。但是這兩種貼裝技術、工藝要求和設備原理實質上是一樣的，只不過封裝技術中的裝片從設備精確度到工藝要求都要比組裝技術高。近年來，隨著高密度高精度組裝技術的發展，封裝技術和組裝技術界線開始模糊，組裝技術開始與封裝技術交叉融合，封裝級精確度的貼片機開始應用于組裝技術。“裝片”與“貼片”如下圖所示。




就貼裝技術本身的工作原理和要求而言，實際上是相當簡單的。用一定的方式把SMC/SMD（表面貼裝元件和表面貼裝器件）從它的包裝中取出并貼放在印制板的規定的位置上。但是在工業系統迄今很少有其他工藝要求可以與SMT中的貼裝技術相比。貼裝對象（SMC/SMD）的幾何尺寸和形狀、表面性質和重量的范圍，貼裝速度及貼裝準確度的要求，與其工作原理相比有天壤之別。貼裝元器件多樣性如下圖所示。




貼裝技術的特點如下所述。


（1）貼裝對象——表面貼裝元器件
① 表面貼裝元器件的種類：幾乎涵蓋了傳統電子元器件的全部。圖1.9所示僅是其中一部分。
② 表面貼裝元器件的體積：以片式元件為例，常用的片式電阻從6.14mm3（3216）～0.0096mm3（0402），相差約640 倍。如果與不同種類的相比，例如，表面貼裝變壓器或接插件，相差成千上萬倍數。
③ 表面貼裝元器件的頂面材料：陶瓷、金屬及各種塑料等多種表面平整度和光潔度各不相同的材料。


（2）貼裝速度
由于一塊電路板上少則幾種、幾十個元器件，多則幾十或幾百種，數百到數千個元器件，而這些元器件只能一個一個地貼裝，因此為了提高效率，目前每個元器件貼裝的時間已經縮短到0.06 s左右（片式元件），已經幾乎達到機械結構運動速度的極限。


（3）貼裝精確度
由于組裝密度不斷提高，以及0.3/0.4 節距IC和0402 元件的應用，對貼裝精確度要求越來越高。采用機、光、電和軟硬件綜合技術，使現在貼裝精確度已經可以達到3 Sigma下75 μm的精度，一部分細小元件和細節距IC貼裝精確度甚至要求4 Sigma下50 μm或更高。元件與元件、元件與器件之間的距離達到0.1mm的量級，意味著SMT貼裝精確度指標已經與封裝技術要求在一個水平線上。




（4）貼裝承載電路板
承載貼裝元器件的電路板與貼裝技術相關的主要是幾何尺寸和板厚方向的剛度。電路板的面積從最小可以不足1 cm2，最大超過4000 cm2，而決定電路板板厚方向的剛度的厚度尺寸，其變化范圍則從小于0.5mm到超過6mm（剛性板）。
由于在SMT貼裝技術中，從表面貼裝元器件到承載電路板種類、幾何尺寸及影響貼裝的參數眾多，貼裝精確度已經達到納米數量級，而貼裝速度則接近機械運行的極限，因而貼裝技術對設備要求非常高。可以毫不夸張地說，貼裝技術是表面組裝技術關鍵，而作為表面貼裝設備的貼片機，在貼裝技術中的決定性作用是其他技術無法比擬的。


2.）貼裝技術的內容
貼裝技術主要包括貼裝工藝和貼裝設備兩個部分，如下所示。




二、 貼裝工藝


貼裝工藝從貼裝方式來說，有3 種工藝方式：手工方式、半自動方式和全自動方式。盡管現在電子組裝自動化程度越來越高，但是在研發部門、實驗室和科研機構，手工方式和半自動方式仍然具有實際價值，即使規模化的組裝工廠，目前也不能完全取消手工方式，在全自動生產線上有時也可以看到使用手工貼裝的個例。


無論采用哪一種工藝方式，基本工序都是一樣的，即：印制板裝載、傳送和對準，元器件“出現”在設定的拾取位置上，拾取元器件，元器件檢查和定位對準，貼放元器件，印制板傳送離開工作區域。


1）手工貼裝
手工貼裝是采用鑷子夾持或用真空吸筆將元器件從包裝中拾取，貼放到印制電路板的規定位置，如下圖所示。早期曾經使用的手動貼片機貼裝，由于沒有機器定位和貼裝控制機構，雖然使用了所謂的貼片機，實際上仍然屬于“手工貼裝”的范疇。鑷子夾持只適合片式元件和部分雙列引線的集成電路，以及部分異型元件，對QFP封裝集成電路，必須使用真空吸筆，對于一些細間距集成電路還必須使用放大鏡。手工貼裝的速度、正確性和準確性完全取決于操作者的技術水平和責任心，因此這種方式既不可靠，效率也很低。對于BGA和CSP等IC封裝及1005以下的片式元件，采用手工貼裝方式已經是捉襟見肘，很難保證貼裝質量了。






2）半自動貼裝
在以前的SMT資料中是沒有“半自動貼裝”這個貼裝方式的，在實際生產中也確實很少看到這種方式，但是在實驗室和科研機構中確實存在這種介于自動貼裝和手工貼裝之間的方式。所謂半自動貼裝方式，指使用簡單的機械定位控制的貼裝機構，或雖然具有較先進的定位、檢測和貼裝機構，但不能組成自動流水線功能的貼裝方式。


半自動貼裝方式由于具有機器定位對準機構，擺脫了手工貼裝的局限，不但效率和可靠性提高，而且可以貼裝各種元器件，甚至最新的IC封裝和片式元件，因而在科研工作和企業的產品研發試制中具有不可或缺的作用。一部分企業針對這種需求新開發的貼裝機構具有很高的精確度和元器件適應能力，同樣屬于高科技產品。


下圖是用于產品研發、實驗室和科研的半自動貼裝設備。




3）全自動貼裝機
全自動貼裝機是采用全自動貼裝設備完成全部貼裝工序的組裝方式，是目前規?；a中普遍采用的貼裝方法。在全自動貼裝中，從印制板裝載、傳送和對準，把元器件移動到設定的拾取位置上，拾取元器件，元器件檢測和定位對準，貼放元器件，直到將印制板傳送離開工作區域的全過程，均由全自動機器完成而無須人工干預，貼裝速度和質量主要取決于貼裝設備的技術性能及其應用和管理水平。


全自動貼裝機貼裝過程是現代自動化、精密化和智能化工業技術綜合應用的結晶。在全自動貼裝機中，應用精密機械、高速高精度視覺檢測與控制、智能化檢測與運動控制及計算機數字控制等現代機—光—電一體化的綜合高技術，實現貼裝速度與準確性和生產效率與靈活性的不斷提升和日趨完善。


全自動貼裝機的工藝是表面貼裝技術中對設備依賴性最強的一個工序，整個SMT生產線的產能、效率和產品適應性，主要取決于貼裝工序，在全自動貼裝機中貼裝機設備起決定性作用。但是這絕不意味著設備決定一切，有了先進的設備不等于有先進的工藝和管理，更不等于自然可以實現高效率、高質量和高產能。如同一個體格健全、精力充沛的人，如果沒有相應的智商和情商，不可能取得事業的成功一樣。