贴片机结构及原理分析.ppt

贴片机结构及原理分析 随着SMC小型化 SMD多引脚窄间距化和复合式 组合式片式元器件 BGA CSP DCA 芯片直接贴装技术 以及表面组装的接插件等新型片式元器件的不断出现 对贴装技术的要求越来越高 近年来 各类自动化贴装机正朝着高速 高精度和多功能方向发展 采用多贴装头 多吸嘴以及高分辨率视觉系统等先进技术 使贴装速度和贴装精度大大提高 目前最高的贴装速度可达到0 06S Chip元件左右 高精度贴装机的重复贴装精度为0 05 0 25mm 多功能贴片机除了能贴装0201 0 6mm 0 3mm 元件外 还能贴装SOIC 小外型集成电路 PLCC 塑料有引线芯片载体 窄引线间距QFP BGA和CSP以及长接插件 150mm长 等SMD SMC的能力 此外 现代的贴片机在传动结构 Y轴方向由单丝械向双丝杠发展 元件的对中方式 由机械向激光向全视觉发展 图像识别 采用高分辨CCD BGA和CSP的贴装 采用反射加直射镜技术 采用铸铁机架以减少振动 提高精度 减少磨损 以及增强计算机功能等方面都采用了许多新技术 使操作更加简便 迅速 直观和易掌握 第一章贴装机结构及系统组成 SMT贴装机是计算机控制 集光 电 气及机械为一体的高精度自动化设备 其组成部分主要有机体 元器件供料器 PCB承载机构 贴装头 器件对中检测装置 驱动系统 计算机控制系统等 机体用来安装和支撑贴装的各种部件 因此 它必须具有足够的刚性才能保证贴装精度 供料器是能容纳各种包装形式的元器件 并将元器件传送到取料部位的一种储料供料部件 元器件以编带 棒式 托盘或散装等包装形式放到相应的供料器上 PCB贴装承载机构包括承载平台 磁性或真空支撑杆 用于定位和固定PCB 第二章贴装机的工艺特性 精度 速度和适应性是贴装机的3个最重要的特性 精度决定贴装机能贴装的元器件种类和它能适用的领域 精度低的贴装机只能贴装SMC和极少数的SMD 适用于消费类电子产品领域用的电路组装 而精度高的贴装机 能贴装SOIC和QFP等多引线细间距器件 适用于工业电子设备和军用电子装备领域的电路组装 速度决定贴装机的生产效率和能力 适应性决定贴装机能贴装的元器件类型和能满足各种不同贴装要求 适应性差的贴装机只能满足单一品种的电路组件的贴装要求 当对多品种电路组件组装时 就须增加专用贴装机才能满足不同的贴装要求 2 贴装头及其组成 贴装头的基本功能是从供料器取料部位拾取SMC SMD 并经检查 定心和方位校正后贴放到PCB的设定位置上 它安装在贴装区上方 可配置一个或多个SMD真空吸嘴或机械夹具 轴转动吸持器件到所需角度 Z轴可自由上下将器件贴装到PCB安装面 贴装头是贴装机上最复杂和最关键的部件 和供料器一起决定着贴装机的贴装能力 它由贴装工具 真空吸嘴 定心爪 其它任选部件 如粘接剂分配器 电器检验夹具和光学PCB取像部件 如摄像机 等部分组成 根据定心原理区分 典型的贴装头有3种 定位固定方法有定位孔销钉 边沿接触定位杆及软件编程定位等 贴装头用于拾取和贴装SMC SMD 器件对中检测装置接触型的有机械夹爪 非接触型的有红外 激光及全视觉对中系统 驱动系统用于驱动贴片机构X Y移动和贴片头的旋转等动作 计算机控制系统对贴装过程进行程序控制 第三章贴装机支撑系统 机架是机器的基础 所有的传动 定位 传送机构均牢固地固定在它上面 大部分型号的贴片机及其各种送料器也安置在上面 因此机架应有足够的机械强度和刚性 图3 1为贴装机结构示意图 目前贴片机有各种形式的机架 大致可分为两类 第四章贴装机传动系统 一 传送机构与支撑台传送机构就是图3 1中的轨道 它的作用是将需要贴片的PCB送到预定位置 贴片完成后再将SMA送至下道工序 传送机构是安放在轨道上的超薄型皮带线传送系统 通常皮带轮安置在轨道边缘 皮带线通常分为A B C三段 并在B区传送部位设有PCB夹紧机构 在A C区装有红外传感器 更先进的机器还带有条形码阅读器 它能识别PCB的进入和送出 记录PCB数量 如图4 1和4 2所示 第五章贴装机光学对中系统 贴片机的对中是指贴片机在吸取元件时要保证吸嘴吸在元件中心 使元件的中心与贴片头主轴的中心线保持一致 因此 首先遇到的是对中问题 早期贴片机的元件对中是用机械方法来实现的 称为 机械对中 当贴片头吸取元件后 在主轴提升时 拨动四个爪把元件抓一下 使元件轻微地移动到主轴的中心上来 QFP器件则在专门的对中台进行对中 如图5 1所示 这种对中方法由于是依靠机械动作 因此速度受到限制 同时元件也易受到损坏 目前这种对中方式已不再使用 取而代之的是光学对中 1 光学定位系统原理贴装头吸取元器件后 CCD摄像机对元器件成像 并转化成数字图像信号 经计算机分析出元器件的几何尺寸和几何中心 并与控制程序中的数据进行比较 计算出吸嘴中心与元器件中心在 X Y和 的误差 并及时反馈至控制系统进行修正 保证元器件引脚与PCB焊盘重合 如图5 2所示 2 光学系统的组成光学系统由光源 CCD 显示器以及数模转换与图像处理系统组成 即CCD在给定的视野范围内将实物图像的光强度分布转换成模拟电信号 模拟电信号再通过A D转换器转换为数字量 经图像系统处理后再转换为模拟图像 最后由显示器反应出来 3 CCD的分辨率光学系统采用两种分辨率 灰度值分辨率和空间分辨率 灰度值分辨率是利用图像多级亮度来表示分辨率的方法 机器能分辨给定点的测量光强度 所需光强度越小 则灰度值分辨率就越高 一般采用256级灰度值 它具有很强的精密区别目标特征的能力 而人眼处理的灰度值仅在50 60左右 因此机器的处理能力远高于人眼的处理能力 空间分辨率是指CCD分辨精度的能力 通常用像元素来表示 即规定覆盖原始图像的栅网的大小 栅网越细 网点和像元素越高 说明CCD的分辨精度越高 采用高分辨率CCD的贴片机其贴装精度也较高 但通常在分辨率高的场合下 CCD能见到的视野小 Frame 而大视野的情况下则分辨率较低 故在高速 高精度贴片机中装有两种不同视野的CCD 在处理高分辨率的情况下采用小视野CCD 在处理大器件时则使用大视野CCD 4 CCD的光源为了配合贴片机贴好BGA和CSP之类的新型器件 在以往的元件照明 周围 同轴 基础上增加了新型的BGA照明 所谓的BGA照明是LED比以往更加水平 早期的照明装置能同时照亮焊球与元件底部 故难以将它们区别开来 改进后的照明系统 当LED点亮时 仅使BGA元件的焊球发出反光 从而能够识别球删的排列 增加可信度 5 光学系统的作用贴片机中的光学系统 在工作过程中首先是对PCB的位置确认 当PCB输送至贴片位置上时 安装在贴片机头部的CCD 首先通过对PCB上所设定的定位标志的识别 实现对PCB位置的确认 所以通常在设计PCB时应设计定位标志CCD对定位标志确认后 通过BUS反馈给计算机 计算出贴片原点位置误差 X Y 同时反馈给运动控制系统 以实现PCB识别过程 在对PCB位置认后 接着是对元器件的确认 包括 1 元件的外形是否与程序一致 2 元件中心是否居中 3 元件引脚的共面性和形变 在SMD迅速发展的情况下 引脚间距已由早期的1 27mm过渡到0 5mm和0 3mm等 这样仅靠上述两个光学确认还不够 因此在PCB设计时还增加了小范围几何位置确认 即在要贴装的细间距QFP位置上再增加元器件图像识别标志 确保细间距器件贴装准确无误 6 CCD安装位置目前大部分贴片机中 CCD均固定安装在机器座上 贴片头吸嘴吸取元件后先移至CCD上确认 以修正 X Y和 再将元器件贴放到指定位置 这种办法比较传统 随着细间距的IC大量使用 花费在器件光学对中的时间也越来越长 如贴装l 27间距IC速度高达每小时10000片 但贴装0 5rnm间距IC速度仅为1000 2000片 时 即速度下降到1 10 l 5 随着电子产品复杂程度的提高 细间距IC的应用已越来越广泛 第六章喂料器供料器协 feederer 的作用是将片式元器件SMC SMD按照一定规律和顺序提供给贴片头以便准确方便地拾取 它在贴片机中占有较多的数量和位置 它也是选择贴片机和安排贴片工艺的重要组成部分 随着贴片速度和精度要求的提高 近几年来供料器的设计与安装 愈来愈受到人们的重视 根据SMC SMD包装的不同 供料器通常有带状 Tape 管状 stick 盘状 waffle 和散料等几种 1 带状供料器 l 带状包装在第二章中曾介绍了SMC SMD的包装 其形式之一就是带状包装 在贴片生产中占有较大的比例 常见的元件有电阻 各种电容以及各种SIOC 带状包装由带盘与编带组成 类似电影拷贝 如图6 1所示 根据材质不同 有纸编带 塑料编带及黏结式塑料编带 其中纸编带包装与塑料编图6 1带状包装外形结构带的器件 可用同一种带状供料器 而黏结式塑料编带所使用的带状供料器的形式有所不同 但不管哪种材料的包装带 均有相同的结构 纸编带外型结构尺寸如图6 2所示 纸编带由基带 底带和盖带组成 其中基带为纸 而底带和盖带则是塑料薄膜 基带上布有小元孔 又称同步孔 两孔之间的距离称为步距 是供带状送料器上棘轮传动时的定位孔 矩形孔是装载元器件的料腔 用来装载不同尺寸的元件 W是带宽 带宽现已有标准化尺寸 有8mm 12mm 16mm 24mm和32mm 用来装载0603以上尺寸元件的同步孔步距均为4mm 而小于0603尺寸的包装带上的同步孔孔距则为2rnm 故定购供料器时应加以区别 图6 2纸带外形结构与尺寸塑料编带由基带 盖带和底带组成 均为塑料 同步孔及带宽与纸带类似 黏结式编带常用于包装尺寸大一些的器件 如SIOC等 包装的元器件依靠不干胶粘合在编带上 但编带上有一个长槽元孔 供料器上的专用针形销将元件顶出 以便使元器件在与黏结带脱离时被贴片机的真空吸嘴吸住 黏结式编带的外型如图6 3所示 图6 3黏结式编带结构 2 供料器的运行原理编带安装在供料器上的外型如图6 4所示 从图中可以看出 编带轮固定在供料器的轴上 编带通过压带装置进人供料槽内 上带与编带基体通过分离板分离 固定到收带轮上 编带基体上同步孔装入同步棘轮齿上 编带头直至供料器的外端 供料器装入供料站后 贴片头按程序吸取元件并通过 进给滚轮给 手柄一个机械信号 使同步轮转一个角度 使下一个元件送到供料位置上 更先进的供料器具有 清洁 功能 在带仓打开时 还能瞬时实现对元件的 清洁 去除元件上 污染物 供料器增加元件的可焊性 上层带通过皮带轮机构将上层带收回卷紧 废基带通过废带通道排除到外面 并定时处理 目前先进的贴片机采用飞行对中技术 实现在QFP等器件吸起来后 在送至贴片位置之前 即在运动中就将位置校正好 因此大大节约了器件的对中速度 飞行对中的技术有下列几种形式 1 CCD安装在贴片头上 这是Qllad贴片机最先采用的方法 用此方法QFP的贴装速度由原来的0 7s下降到0 3s 2 CCD采用悬挂式安装 有利于SMC SMD运动中校正位置 第六章喂料器 供料器协 feederer 的作用是将片式元器件SMC SMD按照一定规律和顺序提供给贴片头以便准确方便地拾取 它在贴片机中占有较多的数量和位置 它也是选择贴片机和安排贴片工艺的重要组成部分 随着贴片速度和精度要求的提高 近几年来供料器的设计与安装 愈来愈受到人们的重视 根据SMC SMD包装的不同 供料器通常有带状 Tape 管状 stick 盘状 waffle 和散料等几种 第七章贴装机控制系统 贴片机的控制系统通常采用二级计算机控制 子级由专用工控计算机系统构成 完成对机械机构运动的控制 主控计算机采用PC机实现编程和人机接口 第八章手工贴装 1 手工贴装的应用范围a 由于个别元器件是散件 特殊元件没有相应的供料器 或由于器件的引脚变形等各种原因造成不能实现在贴装机上进行贴装时 作为机器贴装后的补充贴装 b 新产品开发研制阶段的少量或小批量生产时 c 由于资金紧缺 还没有引进贴装机 同时产品的组装密度和难度不是很大时 2 手工贴装工艺流程施加焊膏 手工贴装 贴装检验 再流焊 修板 清洗 检验 3 施加焊膏可采用简易印刷工装手工印刷焊膏工艺或手动点胶机滴涂焊膏工艺4 手工贴装