表面貼裝技術(shù)(Surface mountingTechnology，簡(jiǎn)稱SMT)由于其組裝密度高及良好的自動(dòng)化生產(chǎn)性而得到高速發(fā)展并在電路組裝生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。SMT是第四代電子裝聯(lián)技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是元器件安裝密度高，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和提高生產(chǎn)效率，降低成本。SMT生產(chǎn)線由絲網(wǎng)印刷、貼裝元件及再流焊三個(gè)過程構(gòu)成，如圖1所示。其中SMC／SMD(surfacemount component／Surface mountdevice，片式電子元件／器件)的貼裝是整個(gè)表面貼裝工藝的重要組成部分，它所涉及到的問題較其它工序更復(fù)雜，難度更大，同時(shí)片式電子元件貼裝設(shè)備在整個(gè)設(shè)備投資中也最大。
目前隨著電子產(chǎn)品向便攜式、小型化方向發(fā)展，相應(yīng)的SMC／SMD也向小型化發(fā)展，但同時(shí)為滿足IC芯片多功能的要求，而采用了多引線和細(xì)間距。小型化指的是貼裝元件的外形尺寸小型化，它所經(jīng)歷的進(jìn)程：3225→3216→2520→2125→1608→1003→1603→0402→0201。貼裝QFP的引腳間距從1．27→0．635→0．5→0．4→0．3mm將向更細(xì)間距發(fā)展，但由于受元件引線框架加工速度的限制，QFP間距極限為0．3mm，因此為了滿足高密度封裝的需求，出現(xiàn)了比QFP性能優(yōu)越的BGA(Ball Grid Array)、CSP(Chip SizePackage)、COB(Chip On Board)裸芯片及Flip Chip。
片式電子元件貼裝設(shè)備(通稱貼片機(jī))作為電子產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備之一，采用全自動(dòng)貼片技術(shù)，能有效提高生產(chǎn)效率，降低制造成本。隨著電子元件日益小型化以及電子器件多引腳、細(xì)間距的趨勢(shì)，對(duì)貼片機(jī)的精度與速度要求越來越高，但精度與速度是需要折衷考慮的，一般高速貼片機(jī)的高速往往是以犧牲精度為代價(jià)的。
一：貼片機(jī)的工作原理
貼片機(jī)實(shí)際上是一種精密的工業(yè)機(jī)器人，是機(jī)-電-光以及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的綜合體。它通過吸取-位移-定位-放置等功能，在不損傷元件和印制電路板的情況下，實(shí)現(xiàn)了將SMC／SMD元件快速而準(zhǔn)確地貼裝到PCB板所指定的焊盤位置上。元件的對(duì)中有機(jī)械對(duì)中、激光對(duì)中、視覺對(duì)中3種方式。貼片機(jī)由機(jī)架、x-y運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(滾珠絲桿、直線導(dǎo)軌、驅(qū)動(dòng)電機(jī))、貼裝頭、元器件供料器、PCB承載機(jī)構(gòu)、器件對(duì)中檢測(cè)裝置、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成，整機(jī)的運(yùn)動(dòng)主要由x-y運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，通過滾珠絲桿傳遞動(dòng)力、由滾動(dòng)直線導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)副實(shí)現(xiàn)定向的運(yùn)動(dòng)，這樣的傳動(dòng)形式不僅其自身的運(yùn)動(dòng)阻力小、結(jié)構(gòu)緊湊，而且較高的運(yùn)動(dòng)精度有力地保證了各元件的貼裝位置精度。
貼片機(jī)在重要部件如貼裝主軸、動(dòng)／靜鏡頭、吸嘴座、送料器上進(jìn)行了Mark標(biāo)識(shí)。機(jī)器視覺能自動(dòng)求出這些Mark中心系統(tǒng)坐標(biāo)，建立貼片機(jī)系統(tǒng)坐標(biāo)系和PCB、貼裝元件坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，計(jì)算得出貼片機(jī)的運(yùn)動(dòng)精確坐標(biāo)；貼裝頭根據(jù)導(dǎo)入的貼裝元件的封裝類型、元件編號(hào)等參數(shù)到相應(yīng)的位置抓取吸嘴、吸取元件；靜鏡頭依照視覺處理程序?qū)ξ≡M(jìn)行檢測(cè)、識(shí)別與對(duì)中；對(duì)中完成后貼裝頭將元件貼裝到PCB上預(yù)定的位置。這一系列元件識(shí)別、對(duì)中、檢測(cè)和貼裝的動(dòng)作都是工控機(jī)根據(jù)相應(yīng)指令獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)后指令控制系統(tǒng)自動(dòng)完成。貼片機(jī)的工作流程框圖如圖2所示。
二： 貼片機(jī)的結(jié)構(gòu)形式
按照貼裝頭系統(tǒng)與PCB板運(yùn)載系統(tǒng)以及送料系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)情況，貼片機(jī)大致可分為3種類型：轉(zhuǎn)塔式(turret-style)(如圖3)、模塊型(parallel-style)(如圖4)和框架式(gantry-style)。而框架式貼片機(jī)又根據(jù)貼裝頭在框架上的布置情況可以細(xì)分為動(dòng)臂式(如圖5)、垂直旋轉(zhuǎn)式(如圖6)、平行旋轉(zhuǎn)式(如圖7)。
轉(zhuǎn)塔式貼片機(jī)也稱為射片機(jī)，以高速為特征，它的基本工作原理為：搭載送料器的平臺(tái)在貼片機(jī)左右方向不斷移動(dòng)，將裝有待吸取元件的送料器移動(dòng)到吸取位置。PCB沿x-y方向運(yùn)行，使PCB精確地定位于規(guī)定的貼片位置，而貼片機(jī)核心的轉(zhuǎn)塔在多點(diǎn)處攜帶著元件，在運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)施視覺檢測(cè)，并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)校正。轉(zhuǎn)塔式貼片機(jī)中的轉(zhuǎn)塔技術(shù)是日本SANYO公司的專利，目前將此技術(shù)運(yùn)用得比較成功的有Panasert公司的轉(zhuǎn)塔式貼片機(jī)系列(最早推出的是MK系列，然后發(fā)展到MV系列，現(xiàn)在主推機(jī)型是MSR系列)，F(xiàn)UJI公司的CP系列(現(xiàn)在最新的是CP7系列)。
框架型貼片機(jī)的送料器和PCB是固定不動(dòng)的，它通過移動(dòng)安裝于x-y運(yùn)動(dòng)框架中的貼裝頭(一般是裝在x軸橫梁上)，進(jìn)行吸取和貼片動(dòng)作。此結(jié)構(gòu)的貼裝精度取決于定位軸x、y和θ的精度。
盡管都采用了框架型結(jié)構(gòu)，但由于貼裝頭的不同形式，可以將這種款式的貼片機(jī)分成3種，一種是Samsung、YAMAHA、Mirea等廠商主推的動(dòng)臂式，還有一種是SiemensDematic主推的垂直旋轉(zhuǎn)式，第三種是SONY主推的平行旋轉(zhuǎn)式。
框架型貼片機(jī)可以采用增加橫梁／懸臂(也是增加貼裝頭)的方式達(dá)到增加貼裝速度的目的。這種結(jié)構(gòu)貼片機(jī)的基本原理是當(dāng)一個(gè)貼裝頭在吸取元件時(shí)，另外一個(gè)貼裝頭去貼裝元件。
模塊型貼片機(jī)可以看成是由很多個(gè)小框架型貼片機(jī)并聯(lián)組合在一起而形成的一臺(tái)組合式貼片機(jī)。目前世界上只有Assembleon(原來是PHILIPS)公司的FCM機(jī)型和FUJI公司新推出的NXT機(jī)型用到了此種技術(shù)。
模塊型貼片機(jī)使用一系列小的單獨(dú)的貼裝單元。每個(gè)單元有自己獨(dú)立的x-y一z運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，安裝有獨(dú)立的貼裝頭和元件對(duì)中系統(tǒng)。每個(gè)貼裝頭可從有限的帶式送料器上吸取元件，貼裝PCB的一部分，PCB以固定的間隔時(shí)間在機(jī)器內(nèi)步步推進(jìn)。每個(gè)獨(dú)立單元往往只有一個(gè)吸嘴，這樣每個(gè)貼裝單元的貼裝速度就比較慢，但是將所有的貼裝單元加起來，可以達(dá)到極高的產(chǎn)量。
下面對(duì)這幾種類型貼片機(jī)的性能進(jìn)行綜合比較，見表1。
(1)貼裝速度
速度一直是轉(zhuǎn)塔型貼片機(jī)的優(yōu)勢(shì)，但隨著技術(shù)的發(fā)展，新型貼片機(jī)的不斷推出，框架型貼片機(jī)和模塊型貼片機(jī)有幾種新機(jī)型的貼裝速度已經(jīng)超越了新型的轉(zhuǎn)塔型貼片機(jī)。這從不同類型貼片機(jī)的性能參數(shù)表中可以看出。
(2)貼裝精度
隨著微型元件和密間距元件的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)在的電子產(chǎn)品在貼裝精度方面對(duì)貼片機(jī)提出了更高的要求。幾年以前，行業(yè)內(nèi)可接受的精度標(biāo)準(zhǔn)還是0．1mm(chip元件)和0．05 mm(IC元件)。目前這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)有縮減到0．05 mm(chip元件)和0．025mm(IC元件)的趨勢(shì)。
目前的轉(zhuǎn)塔型貼片機(jī)已經(jīng)很難超越0．05mm的精度等級(jí)，最好的轉(zhuǎn)塔型貼片機(jī)也只能剛好達(dá)到這個(gè)精度。而最先進(jìn)的框架型貼裝系統(tǒng)可以達(dá)到4σ、25μm的精度。而達(dá)到此能力的機(jī)器貼裝速度都不太高。
三：可貼裝元件范圍
轉(zhuǎn)塔型貼片機(jī)受送料方式影響，只能貼裝帶式包裝或散料包裝的元件，而管料和盤料就無法進(jìn)行貼裝，即使它的視覺系統(tǒng)可以處理這些元件。密間距的元件一般都是采用盤料包裝形式，因此轉(zhuǎn)塔型貼片機(jī)在這項(xiàng)指標(biāo)上是最弱的。而且受機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，基本少有改進(jìn)的余地。
四：貼片機(jī)x一y運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)
x-y運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能是驅(qū)動(dòng)貼裝頭在x軸和y軸兩個(gè)方向做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使貼裝頭能夠快速、準(zhǔn)確、平穩(wěn)地到達(dá)指定位置。
目前貼片機(jī)上的x-y運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)有幾種不同的構(gòu)成方式，分別是由滾珠絲杠+直線導(dǎo)軌傳動(dòng)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式；由同步齒形帶+直線導(dǎo)軌傳動(dòng)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式；直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。
這幾種驅(qū)動(dòng)方式在結(jié)構(gòu)上都是類似的，都需要直線導(dǎo)軌做導(dǎo)向，只是在傳動(dòng)方式存在差異。
下面主要介紹由滾珠絲杠+直線導(dǎo)軌傳動(dòng)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。
圖8所示為一個(gè)基本的貼片機(jī)x-y運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，x軸伺服電機(jī)利用安裝于橫梁上的滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌驅(qū)動(dòng)貼裝頭在x軸方向運(yùn)動(dòng)，y軸伺服電機(jī)利用安裝于機(jī)架上的滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌驅(qū)動(dòng)整個(gè)橫梁在y軸方向運(yùn)動(dòng)。這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)結(jié)合在一起就形成了一個(gè)驅(qū)動(dòng)貼裝頭在x-y平面內(nèi)高速運(yùn)動(dòng)的x-y運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
在y軸方向，由于要驅(qū)動(dòng)一個(gè)有一定長(zhǎng)度的橫梁，必然要把橫梁的兩端安裝到固定的直線導(dǎo)軌上，兩根導(dǎo)軌之間有一定的跨度，而電機(jī)及傳動(dòng)滾珠絲杠不可能安裝于兩根導(dǎo)軌的正中間位置，只能安裝于靠近一側(cè)導(dǎo)軌的內(nèi)側(cè)。這樣，當(dāng)貼裝頭的重量和橫梁的跨度達(dá)到一個(gè)較大的值時(shí)，貼裝頭在遠(yuǎn)離電機(jī)一端的導(dǎo)軌近處的移動(dòng)會(huì)在y軸滾珠絲杠與橫梁的結(jié)合處產(chǎn)生一個(gè)很難平衡的角擺力矩，y軸的加減速和定位性能會(huì)受到較大的影響。為減輕此不利因素，現(xiàn)在很多貼片機(jī)在y軸采用了雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，如圖9所示。
采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，兩個(gè)電機(jī)同步協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)橫梁移動(dòng)，提高了定位穩(wěn)定性，減少了定位時(shí)間，從而提高了y軸的速度和精度。
為了在單臺(tái)貼片機(jī)上達(dá)到更高的貼片速度，現(xiàn)在的高速貼片機(jī)都采用了雙橫梁／雙貼裝頭的技術(shù)，如圖10、圖11所示。
圖10是YAMAHA開發(fā)的框架式機(jī)型，x橫梁系統(tǒng)沿y向運(yùn)動(dòng)，x橫梁兩側(cè)分別裝有兩貼裝頭。每個(gè)貼裝頭能分別從x橫梁兩側(cè)的取料站拾取元件并貼裝。而PCB板可以在x、y平面內(nèi)移動(dòng)。
圖11是YAMAHA圖10機(jī)型的改進(jìn)型，它采用了雙X橫梁雙貼裝頭結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的貼片機(jī)在送板機(jī)構(gòu)兩側(cè)有2個(gè)x橫梁與雙貼裝頭系統(tǒng)，同時(shí)兩側(cè)都有取料站與貼裝區(qū)，兩側(cè)的系統(tǒng)都能完成各自的取料與貼裝。
貼片機(jī)對(duì)速度和精度的要求很高。1個(gè)貼裝循環(huán)(就是貼片機(jī)完成1次取料貼片動(dòng)作)，包含貼裝主軸吸取元件的時(shí)間、移動(dòng)到靜鏡頭的時(shí)間、靜鏡頭攝像的時(shí)間、移動(dòng)到貼裝位置的時(shí)間、校正元件偏移的時(shí)間、貼裝主軸貼裝元件的時(shí)間，這所有時(shí)間的總和要達(dá)到1～2s。當(dāng)貼片機(jī)每個(gè)貼裝頭上的吸嘴數(shù)目較少(3個(gè)以下)時(shí)，x-y運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)貼裝頭移動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短就成了影響貼裝速度的關(guān)鍵因素。為了達(dá)到高速貼裝的要求，x，y向要以1．25m／s或更高的速度運(yùn)動(dòng)，還要有較大的加、減速度(1g～2g），提速與制動(dòng)的時(shí)間要盡量短。這樣貼片機(jī)就不可能像數(shù)控機(jī)床那樣把運(yùn)動(dòng)部件做得非常堅(jiān)固、笨重，而要像小轎車、飛機(jī)那樣盡可能的減輕高速運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量和慣量，達(dá)到足夠的運(yùn)動(dòng)定位精度和盡可能高的加、減速性能，在這2者之中優(yōu)選，實(shí)現(xiàn)最佳慣量匹配。
五： 國(guó)內(nèi)外貼片機(jī)性能研究
國(guó)外的貼片機(jī)研制技術(shù)一直走在前列，如日本的松下、雅馬哈、富士，韓國(guó)的三星，德國(guó)的西門子，美國(guó)的環(huán)球，荷蘭的飛利浦等都已開發(fā)出非常成熟的產(chǎn)品系列[3]。
美國(guó)喬治亞州理工學(xué)院的D．A．Bodner，M．Damrau等利用VirtualNC仿真工具，以電子貼裝設(shè)備Siemens80S20為原型機(jī)，建立了相應(yīng)的數(shù)字化樣機(jī)模型，如圖12所示。以貼裝系統(tǒng)、送板機(jī)構(gòu)、送料系統(tǒng)三大核心組件為基礎(chǔ)，對(duì)整機(jī)性能進(jìn)行了較為詳盡的研究，分析了影響貼裝速度的因素以及怎樣取得最少的貼裝周期時(shí)間。
德國(guó)埃爾蘭根大學(xué)的Feldmann與Christoph基于多體仿真的思想，集成多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件、有限元分析軟件、控制仿真工具，建立一個(gè)綜合性的多體仿真分析平臺(tái)，如圖13所示。以兩門子SiplaceF4貼片機(jī)為原型機(jī)，建立了貼片機(jī)的多體仿真數(shù)字化樣機(jī)模型，對(duì)貼片機(jī)運(yùn)動(dòng)物體特性、撓性、振動(dòng)特性以及熱變形等進(jìn)行了研究。其中重點(diǎn)介紹了在柔性體上建立線性約束的方法，并利用ADAMS／ENGINE模塊中的"TimingMechanism"建立了電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒形帶的仿真模型。
英國(guó)諾丁漢大學(xué)的MasriAyob博士從改善取片--貼片操作、增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)控制、吸嘴選擇和送料器裝配等方面入手，研究了多頭順序式貼片機(jī)的優(yōu)化問題。
貼片機(jī)曾是我國(guó)"七五"、"八五"、"九五"、"十五"計(jì)劃中電子裝備類別的重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目之一。20多年來，國(guó)內(nèi)一些研究所、大學(xué)、工廠開展了SMT生產(chǎn)線中各種設(shè)備(指絲印、貼片、焊接等設(shè)備)的研制工作。
從1978年我國(guó)引進(jìn)第一條彩電生產(chǎn)線開始，電子部二所就開始了貼片機(jī)的研發(fā)工作，以后有電子部56所、電子部4506廠、航天部二院、廣州機(jī)床研究所等科研院所分別進(jìn)行了研制，并取得了大量科研成果。雖然這些研究成果沒有實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但為后來者積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。
國(guó)內(nèi)現(xiàn)有或進(jìn)行過貼片機(jī)研發(fā)、生產(chǎn)的企業(yè)有：羊城科技、熊貓電子、風(fēng)華高科、上?，F(xiàn)代、上海微電子、深圳日東等。羊城科技從貼片機(jī)的低端市場(chǎng)出發(fā)，面向圍內(nèi)中小電子企業(yè)、科研院所等單位，自主研發(fā)，成功研制出SMT2505貼片機(jī)，并與西安交通大學(xué)、中南大學(xué)等展開合作，在自主研發(fā)產(chǎn)品基礎(chǔ)上，采用數(shù)字化樣機(jī)研究于段，進(jìn)行了針對(duì)貼片機(jī)性能的系統(tǒng)研究，取得了一定成效。不過與國(guó)外機(jī)型相比還存在一定差距，而且因資金問題，產(chǎn)品尚未進(jìn)入批量生產(chǎn)階段。其它的研究企業(yè)也進(jìn)行了貼片機(jī)的研制，完成各自的研制課題和樣機(jī)，取得了一定的成果。由于貼片機(jī)的技術(shù)含量高，研發(fā)周期較長(zhǎng)，投入大，因此大部分中小企業(yè)對(duì)貼片機(jī)的研發(fā)工作仍停留在樣機(jī)階段，無法將產(chǎn)品應(yīng)用到生產(chǎn)線上去。
國(guó)內(nèi)大專院校對(duì)貼片機(jī)的研究工作也一直末停止過，例如西安電子科技大學(xué)的閆紅超、姜建國(guó)等采用改進(jìn)混合遺傳算法進(jìn)行了貼片機(jī)裝配工藝優(yōu)化的研究；兩安交通大學(xué)的李蕾、杜春華等對(duì)貼片機(jī)視覺檢測(cè)算法進(jìn)行了研究；西南交通大學(xué)的楊帆研究了SMT貼片機(jī)的定位運(yùn)動(dòng)控制；龍緒明對(duì)貼片機(jī)視覺系統(tǒng)進(jìn)行了綜述；山東大學(xué)的劉錦波基于視覺研究了楔型貼片機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)；上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院的莫錦秋、程志國(guó)、浦曉峰等研究了貼片機(jī)的控制系統(tǒng)，CIM研究所的曾又鉸、金燁研究了貼片機(jī)的貼裝優(yōu)化問題，微電子裝備研究所的于新瑞、王石剛、劉紹軍研究了貼片機(jī)系統(tǒng)的圖像處理技術(shù)問題，自動(dòng)化研究所的田福厚、李少遠(yuǎn)等進(jìn)行了貼片機(jī)喂料器分配的優(yōu)化及其遺傳算法研究；華中科技大學(xué)的汪宏昇、史鐵林等從視覺與圖像方面進(jìn)行了貼片機(jī)的相關(guān)研究；華南理工大學(xué)與風(fēng)華高科合作，從視覺檢測(cè)、圖像處理、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、效率優(yōu)化等方面展開了相關(guān)研究。
六：結(jié)論
根據(jù)貼裝元器件的不同以及貼裝的通用程度不同，貼片機(jī)可分為專用型與泛用型，專用型有Chip專用型與IC專用型，前者主要追求高速，后者主要追求高精密；泛用型即可貼Chip也可貼IC，廣泛應(yīng)用于中等產(chǎn)量的連續(xù)生產(chǎn)貼裝生產(chǎn)線中。通用貼片機(jī)的高適應(yīng)性是犧牲了精度和速度的折衷設(shè)計(jì)，它的貼裝速度比高速貼裝機(jī)慢，貼裝精度比精密貼裝機(jī)低。高速貼片機(jī)的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到一定極限程度，目前貼片機(jī)制造廠商主要發(fā)展泛用機(jī)型，以適應(yīng)更多的貼裝工藝需求。由于后封裝和貼片工藝已經(jīng)開始相互融合，這對(duì)貼片機(jī)的精度又提出了更高的要求。
同時(shí)具有高速和高精度的要求是貼片機(jī)研制的主要難點(diǎn)。解決高速和高精度的矛盾需要多個(gè)學(xué)科的完美結(jié)合，需要設(shè)計(jì)、模擬、工藝、裝配、檢驗(yàn)的有機(jī)聯(lián)合，這樣才能研制出高水平的貼片機(jī)。但由于貼片機(jī)的制造十分依賴基礎(chǔ)工業(yè)發(fā)展，這也較大阻礙了高速高精度貼片機(jī)的開發(fā)。
