元件貼裝技術(shù)

元件貼裝技術(shù)

SMT元件貼裝系統(tǒng)正在迅速地進化，特別的焦點在于兩個獨特的系統(tǒng)特征。第一個與處理所有出現(xiàn)在生產(chǎn)場合的最新包裝類型有關(guān)，這包括永遠在縮小的元件，如0402、0201，異型元件和對高輸入/輸出元件的新型包裝技術(shù)，如球柵列陣(BGA)、芯片規(guī)模包裝(CSP)、倒裝芯片(flip chip)、等—所有這些都必須在生產(chǎn)中貼裝。第二個目標是以更有成本效益的方法來完成所有這些元件貼裝。貼裝成本(Cpp, cost per placement)正成為行業(yè)內(nèi)除了最低產(chǎn)量的實驗類環(huán)境之外的所有生產(chǎn)的追求目標。本文將討論這些因素和它們可能對SMT貼裝設(shè)備的采購決定及其使用所產(chǎn)生的影響。 　　

從八十年代早期開始，中等至大批量制造生產(chǎn)線由兩種機器組成：一種對小元件的轉(zhuǎn)塔式的射片機和一種對較大元件的柔性的異型元件與密腳元件的貼裝機。轉(zhuǎn)塔的概念是使用一組移動的送料器，轉(zhuǎn)塔從這里吸取元件，然后把元件貼放在位于移動的工作臺上的電路板上面。和它一起的柔性機器使用了取-與-放(pick-and-place)的概念，典型地具有單個或雙個吸取頭。這種機器是一個比轉(zhuǎn)塔較簡單的機械設(shè)計，因為送料器和板都是靜止不動的，而頭在一個X-Y拱架系統(tǒng)上從吸取到貼放地移動(圖一)。 　　

這種機器配備對許多典型的電路裝配(60~90%的片狀元件，其余為較大和密腳元件)具有相當(dāng)?shù)倪壿嬓?，因為這個比率大概符合這兩種機器的速度差別?？墒?，在許多板上，這個比率不準確，因此平衡機器的輸出，使產(chǎn)量最大是很難的。轉(zhuǎn)塔機器貼裝片狀元件快，大型，昂貴。當(dāng)用于貼裝大元件時，不得不運行得比貼裝片狀元件慢，結(jié)果是貼裝成本(Cpp)高。還有，轉(zhuǎn)塔機器只支持帶式送禮器，因此，如果元件供應(yīng)在管或托盤內(nèi)，就不能貼裝。即使可以安裝管式送料器，元件再填充的周期速度也會成為高產(chǎn)量的門限因素。一個附加的復(fù)雜性是這兩種機器的操作軟件和送料器經(jīng)常是不同的，甚至是來自同一個供應(yīng)商。這些都是成熟的設(shè)備，在其元件的能量范圍內(nèi)運行時，都是可靠的機器。 　

X-Y拱架(X-Y gantry)設(shè)計概念
在過去十年，X-Y拱架系統(tǒng)的設(shè)計有重要的進步。不只是跟在轉(zhuǎn)塔貼放片狀的后面，吸取和貼放大的、密腳的和異型的元件，更新的設(shè)計提供更高的速度。有些接近傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)塔機器的速度，但具有處理更寬元件范圍和包裝形式的能力，比轉(zhuǎn)塔機器的體積更小，成本更低。它們一般利用一根梁上幾個頭，達到的產(chǎn)量在轉(zhuǎn)塔與其相應(yīng)的柔性機器之間。這些機器可以設(shè)定在同一臺機器上貼裝片狀和大型兩種元件，或者兩臺放成一線，仔細平衡循環(huán)時間，達到速度相當(dāng)于一臺轉(zhuǎn)塔機器(圖二)。 　　這些機器通常有兩到八個頭，允許同時吸取元件。有些設(shè)計具有不僅從相同送料器尺寸而且從所有不同送料器寬度同時吸取的能力。這些多頭的拱架減少每個元件的循環(huán)時間，因為頭吸取和移動到板只需一次。較舊的型號使用機械式元件卡盤，而大多數(shù)較新的機械都使用使用視覺或激光系統(tǒng)來對元件定位。有些設(shè)計利用拱架上一個小型的旋轉(zhuǎn)頭，而不是固定的頭。 　　相當(dāng)于轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)，送料器靜止的拱架系統(tǒng)的另一個實惠是，送料器橫梁轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可用來減少轉(zhuǎn)換時間。經(jīng)常，在低到中等產(chǎn)量的環(huán)境中，小批量的設(shè)定時間可能與生產(chǎn)時間一樣長。當(dāng)使用送料器橫梁轉(zhuǎn)換系統(tǒng)時，整個貼裝線的轉(zhuǎn)換在幾分鐘的時間內(nèi)可以完成。更高速的拱架系統(tǒng)具有8至24個頭，達到曾經(jīng)只有轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)才能達到的速度，一般貼裝成本(Cpp)低。 　

分開軸(split-axis)的設(shè)計概念　
在分開軸的設(shè)計中，板是在Y軸工作臺上移動，而頭是在X軸上移動。這種設(shè)計的優(yōu)點是強度，因為每個軸都是分別支撐和驅(qū)動的。一些缺點包括吸取元件的靈活性受到限制，板還在移動，潛在地引起元件移動。 　　平行貼裝(parallel-placement)設(shè)計概念　　平行貼裝概念主要用于高產(chǎn)量的應(yīng)用。這里幾個頭同時獨立地在一塊板上運作。如果機器具有16個貼裝模塊，每個頭大約每秒吸取和貼裝一個元件，那么每秒鐘為16個元件或每小時64,000個貼裝。典型地，這些機器對在傳送帶上連續(xù)的板流同時運行。每個頭將貼裝板上一小部分的元件，而板在傳送帶上往下移動。

　　
元件送料(component feeding)技術(shù)
帶盤式(tape-and-reel)元件送料通常從機器的可用時間的觀點上考慮，是最希望的。料帶通?？梢栽跈C器停機補充料之間堅持較長時間，而且通常送料器重擊/誤吸率低。可是，對那些比小引出線集成電路(SOIC, small outline integrated circuit)大的元件，通常帶狀包裝比管狀包裝多出額外的包裝成本。 　　散裝送料(bulk feeding)是一個相當(dāng)較新的選擇，用于小型片狀元件的可靠供料。其優(yōu)點是減少包裝浪費和儲存尺寸，以及非常有限的補充元件停機時間。對帶盤式包裝，行進中的(on-the-fly)元件補充要求搭接(splicing)技術(shù)，該技術(shù)不是十分安全的，可能引起送料器阻塞。對散裝供料，元件是在一個裝于送料器的料盒內(nèi)供應(yīng)的。當(dāng)料盒門打開時，元件剛好落入料斗，在這里送料機構(gòu)將元件單獨出來傳送給吸取頭。不幸的是，每個元件尺寸要求自己專門的送料器。這個限制通常使得散料供應(yīng)器更適合于大批量的元件。 　　管狀送料主要用于較大的元件。兩種廣泛使用的這類元件送料方法是振動式和帶式管狀送料器。振動式管狀送料器是一種低成本的傳送系統(tǒng)，主要用于低至中等批量的送料應(yīng)用。這種設(shè)計依靠送料器的振動和供料管的斜度來將元件傳送到吸取點。缺點包括相對較慢的元件補充時間(一般1~2秒)和較不可靠的元件傳送。皮帶驅(qū)動式管狀送料器具有快得多的元件補充時間(0.5~1秒的范圍)。通常，一個傳感器在吸取期間將使前止停器收回，保證不與之摩擦。在元件從送料器拿開后，驅(qū)動馬達將下一個元件排放到吸取位置，然后關(guān)閉。這些送料器具有良好的元件傳送可靠性，因為元件通過驅(qū)動皮帶主動移動到吸取位置。 　　托盤經(jīng)常用于大型、密腳元件，當(dāng)用其它技術(shù)送料時可能會被損傷。雖然當(dāng)用于高產(chǎn)量時一些較小著陸點元件可能使用帶盤式供料，幾乎所有其它密腳方平包裝(QFP, quad flat pack)元件都是在托盤內(nèi)供應(yīng)的。有些BGA也是在托盤內(nèi)供料，但由于不象QFP一樣引腳損傷是一個問題，更多的這類元件轉(zhuǎn)向帶式送料包裝。 　　今天購買的任何機器都應(yīng)該能夠處理這些包裝類型，以達到最大的靈活性。 　
　
元件對中(component alignment)技術(shù)　　
一個貼裝系統(tǒng)必須足夠靈活，可以對中所有在它上面運行的元件?，F(xiàn)在有三種類型的對中系統(tǒng)投入使用：機械、激光和視覺。 　　機械系統(tǒng)在貼裝之前對頭上的方形元件使用某種機械卡夾系統(tǒng)。它們不能貼裝密腳元件，并且必須仔細校正。由于它們接觸元件，可能會有損傷。由于這些局限性，這些系統(tǒng)正逐步過時。 　　激光系統(tǒng)不接觸元件，在吸取到貼裝期間，可以通過在激光簾中轉(zhuǎn)動來計算元件的質(zhì)心。這種方法快速，因為不要求從攝像機上方走過。其主要缺陷是不能對引腳和密腳元件作引腳檢查。對片狀元件是一個好選擇。 　　視覺對中系統(tǒng)超過激光對中系統(tǒng)的優(yōu)點，它可以檢查元件引腳以及測量引腳寬度、間距和數(shù)量。這對貼裝之前檢查引腳元件，特別是小于0.025"(0.635mm)的密腳元件是很重要的。為達到高品質(zhì)、低缺陷的生產(chǎn)輸出，視覺檢查是必要的。一般，視覺檢查要求通過一個固定攝像機，來抓拍元件圖象。為了抵消這個時間，更高速的系統(tǒng)同時吸取多個元件，以減少凈周期時間。一些最快的系統(tǒng)使用線排列(line-array)相機，它比傳統(tǒng)的面排列(area-array)CCD相機允許元件更快的通過，以達到甚至更高的產(chǎn)量。一些視覺系統(tǒng)設(shè)計將相機放在頭上或頭內(nèi)，用于在吸取到貼放之間的視覺對中。額外的系統(tǒng)復(fù)雜性和穩(wěn)固性是徹底研究所需要關(guān)注的。 　　設(shè)計良好的視覺系統(tǒng)具有許多對元件識別的不同元件運算法則，比激光對中系統(tǒng)更加靈活。更新的SMT元件，比如BGA、CSP和倒裝芯片，要求視覺系統(tǒng)來達到高品質(zhì)的貼裝。視覺允許更緊湊的頭的設(shè)計，消除了激光和要求元件旋轉(zhuǎn)的機械硬件。由于這些優(yōu)點，系統(tǒng)設(shè)計的趨勢對除了射片之外的所有應(yīng)用都已經(jīng)轉(zhuǎn)向視覺技術(shù)。 　　柔性視覺系統(tǒng)允許元件從前光或者后光照明，看元件類型而定。引腳QFP元件從后面照明，因為沒有虛光反射出現(xiàn)。相反，BGA元件最好是從前光照明，將完整的錫球分布在包裝底面上顯示出來。有些微型BGA在元件底面有可見的走線，可能混淆視覺系統(tǒng)。這些元件要求側(cè)面照明系統(tǒng)。它將從側(cè)面照明錫球，而不是底面的走線，因此視覺系統(tǒng)可檢查錫球分布，正確地識別元件。 　　

SMT元件趨勢　　
SMT元件繼續(xù)進化。今天，許多制造商在新的設(shè)計中正從舊的、較大的1206和0805轉(zhuǎn)向0603和0402。這些數(shù)字是mil為單位的外形尺寸，即，0805就是0.080" × 0.050"。下一步更小的元件即將出來：0201的元件。今天所選擇的任何設(shè)備都應(yīng)該能夠處理可能在不久的將來出現(xiàn)在生產(chǎn)車間的最大的元件范圍。 傳統(tǒng)的通孔元件，如連接器和其它異型元件，正轉(zhuǎn)換成SMT包裝。具有最大的柔性來處理這些元件的能力是所希望的。具有增加用戶吸嘴能力的自動吸嘴轉(zhuǎn)換器也是一個優(yōu)點。對大多數(shù)元件，更密腳距的元件趨勢已經(jīng)停留在0.020"(0.508mm)。今天所貼裝的密腳元件只有一個很少的百分比是在0.020"腳間距之下。大多數(shù)是0.015"(0.4mm)；在美國生產(chǎn)中，幾乎沒有0.012"(0.3mm)腳間距的貼裝。原因是更高引腳數(shù)的和更小形狀因素(form-factor)的元件都以BGA和CSP的形式包裝。球柵列陣包裝的優(yōu)點包括： 元件更堅固，沒有容易彎曲的引腳和很少共面性問題 一般，對相當(dāng)?shù)囊鰯?shù)，腳間距更大，很少造成印刷/橋接的問題 BGA在印刷電路板(PCB)上的覆蓋區(qū)域比相當(dāng)引腳元件的更小 一般可以用現(xiàn)有的SMT印刷和貼裝工藝允許。

怎樣為工廠車間選擇合適的設(shè)備　　
每一個生產(chǎn)環(huán)境都是不同的。對一個轉(zhuǎn)包商，靈活性是重要的。對一個原設(shè)備制造商(OEM)，或許速度將是一個更大的因素。通常，有兩個主要評定生產(chǎn)線要求的標準。第一個是靈活性與轉(zhuǎn)換的數(shù)量。大的OEM可能轉(zhuǎn)換的需求很少，可能少到每年一兩次。合約制造商或許想減少轉(zhuǎn)換時間，大概每天就有幾次。 　　Cpp是重要的，因為管理層都努力使投資回報最大。這對OEM也是重要的，因為有越來越多的轉(zhuǎn)包選擇可以利用。在這個成本競爭的世界市場，小的、效率高的生產(chǎn)過程是關(guān)鍵的。對這個計量有一個簡單的計算公式： Cpp = $機器成本 ÷ 每小時貼片數(shù) 例如，$175,000 ÷ 12,250 = 14.3 　　這只是一個比較率，可為所有考慮中的機器計算。很明顯，數(shù)字越低越好。該計算用實際的每小時貼裝數(shù)，而不是用機器規(guī)格中的速率。 　　每一種機器將對每一種板有不同的折扣因素。有些機器幾乎達到其規(guī)格中的速率，而有些只能達到50%。應(yīng)保證速率包括所有傳送和基準點識別時間。還有，指定用于元件供應(yīng)的帶盤式、管狀或托盤 — 這將影響產(chǎn)量，甚至工作能力。評估這個的最好方法是樣板PCB，以CAD數(shù)據(jù)把它送給所有在考慮之列的供應(yīng)商。確保供應(yīng)商用書面形式寫出他的貼裝速率并保證它。表一是比較Cpp的一個例子。 表一、貼裝成本的比較 機型 速率 實際速度 成本 Cpp 供應(yīng)商A，轉(zhuǎn)塔和密腳 30+5=35k 23+3=26k 500+250=$750k 750/26=29 供應(yīng)商B，兩臺高速拱架 20+20=40k 16+9=25k 350+250=$600k 600/25=24 供應(yīng)商C，兩臺高速拱架 15+15=30k 12+9=21k 200+200=$400k 400/21=19 　　當(dāng)然，有許多其它無形的東西在作供應(yīng)商選擇之前應(yīng)該考慮。服務(wù)支持是保證生產(chǎn)線運行的關(guān)鍵。供應(yīng)商有多少服務(wù)工程師？最近的有多近？他們有24小時熱線嗎？這些類型的機器的安裝基礎(chǔ)是什么？這給你一個機器設(shè)計好壞與市場份額的概念。他們能提供廣泛的滿意顧客清單嗎？所有這些問題可幫助構(gòu)畫出公及其產(chǎn)品的輪廓圖。

總之，SMT貼裝設(shè)備能力正在增加，因此Cpp在減少。與其它諸如PC之類的高科技產(chǎn)品類似，SMT機器設(shè)計的技術(shù)進步經(jīng)常在發(fā)生。不管是轉(zhuǎn)包商或OEM，都有必要選擇合適的機器來滿足變幻的需求、和使貼裝成本(Cpp)最小，以維持在世界市場上的競爭性。