西安電子科技大學(xué)電路CAD研究所 劉 晨 張 赟 王瑞東 陳 歡

1.引言

將元器件、芯片等組裝到PCB基板上稱為二級(jí)封裝，也可稱為板卡級(jí)封裝，業(yè)界也普遍認(rèn)可 “組裝”這個(gè)術(shù)語(yǔ)。目前電子組裝主要利用表面貼裝技術(shù)SMT（surface mounted technology）和通孔安裝技術(shù)THT（through hole technology）。這兩種組裝技術(shù)可以單獨(dú)使用，也可以混合同時(shí)使用，現(xiàn)階段SMT技術(shù)占主導(dǎo)地位。光電器件因其不斷提高的光電集成水平，需要滿足高速傳輸速率、優(yōu)秀性能指標(biāo)、小型外形尺寸和低成本封裝工藝等要求，器件封裝形式從早期的雙列直插到到微型化Mini-DiL封裝，光電器件組裝工藝也將重心轉(zhuǎn)移至SMT技術(shù)。SMT工藝過(guò)程包括涂覆焊料、貼裝元件、焊接等。SMT工藝的關(guān)鍵設(shè)備是貼片機(jī)，貼片精度、貼片速度、貼片機(jī)的適應(yīng)范圍決定了貼片機(jī)的技術(shù)能力，貼片機(jī)也決定了SMT生產(chǎn)線的效率。

2.SMT貼片技術(shù)

2.1 SMT貼片工藝過(guò)程

貼片的基本工藝過(guò)程概括來(lái)說(shuō)是用一定的技術(shù)手段把SMC/SMD（表面貼裝元件/表面貼裝器件）貼放在PCB基板的指定位置上。貼裝過(guò)程中貼片頭、元器件、PCB基板、對(duì)準(zhǔn)檢測(cè)系統(tǒng)的位置關(guān)系如圖1所示。貼片過(guò)程的基本步驟包括：將PCB基板輸送到貼裝指定位置并固定；對(duì)準(zhǔn)檢測(cè)系統(tǒng)識(shí)別基板上的Mark點(diǎn)，計(jì)算所有器件的貼裝位置坐標(biāo)；貼片頭從元器件送料器中拾取元器件；在貼片頭運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，對(duì)準(zhǔn)檢測(cè)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)圖像采集分析元器件相對(duì)于貼片頭的位置，從而得到貼片頭的最終運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，貼片頭根據(jù)貼片元件與焊盤的位置偏差相應(yīng)調(diào)整；貼片頭吸取元器件運(yùn)動(dòng)到指定位置后將元器件貼裝到PCB基板上。

圖1 貼片工作原理

貼裝的元器件是一片一片接續(xù)貼裝到PCB基板上的，因此相比焊料涂覆和再流焊等工序，SMT生產(chǎn)線中貼片工序的生產(chǎn)效率最低，貼片機(jī)必須保持高速運(yùn)轉(zhuǎn)。貼片時(shí)需要將元器件的所有引腳與PCB基板上相應(yīng)焊盤對(duì)準(zhǔn)，因此貼片過(guò)程也是一個(gè)高精度的對(duì)位過(guò)程。衡量貼裝質(zhì)量的重要參數(shù)之一就是貼裝位置精度。

貼片技術(shù)的主要特征體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）貼裝對(duì)象種類繁多。表面貼裝元器件幾乎涵蓋了全部的傳統(tǒng)電子元器件，元器件的體積相差數(shù)百倍，元器件的頂面材料包括陶瓷、金屬及塑料等表面平整度和粗糙度不同的各種材料；（2）貼裝速度極快。目前每個(gè)元器件貼裝的時(shí)間已經(jīng)縮短到0.06s左右（片式元件），幾乎達(dá)到機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度的極限；（3）貼裝精確度要求高。通過(guò)采用機(jī)、電、光和軟硬件綜合技術(shù)，現(xiàn)在貼裝精確度已經(jīng)可以達(dá)到3σ下22～25μm，一部分細(xì)小元件和細(xì)節(jié)距IC貼裝精度甚至達(dá)到4σ下22μm ；元件與器件之間的距離達(dá)到0.1mm的量級(jí)，意味著SMT貼裝精確度指標(biāo)已經(jīng)與芯片封裝技術(shù)要求處于同一水平；（4）印制電路板存在差異。承載貼裝元器件的印制電路板的幾何尺寸和板厚的變化會(huì)對(duì)貼裝技術(shù)產(chǎn)生影響。電路板的面積從1cm2～4000cm2不等，厚度尺寸變化范圍為0.5 mm～6mm（剛性板）。

2.2 SMT貼片工藝精度

貼片工藝最重要的在于準(zhǔn)確放置貼片元件，以被貼元器件相對(duì)于PCB上指定位置的偏差大小衡量貼片機(jī)的工作能力，這也就是貼片機(jī)的貼裝精度。貼裝精度定義為貼裝元器件引腳偏離標(biāo)定位置最大的綜合位置的誤差。隨著元器件引腳密度增加，目前貼片機(jī)的貼裝精確度已經(jīng)達(dá)到微米數(shù)量級(jí)。

貼片機(jī)控制貼片元器件用平面X、Y、q（圍繞Z軸的轉(zhuǎn)角）三個(gè)坐標(biāo)來(lái)定位。三個(gè)坐標(biāo)綜合的結(jié)果決定貼裝的精度，并直接影響后序焊接工序的工藝質(zhì)量。目前在高精度貼片機(jī)中X、Y方向可以提供22mm/3σ的定位精度，q角可達(dá)± 0.05°/3σ的精度。貼裝精度通常用貼裝后元器件的引腳相對(duì)PCB基板上焊盤的位置誤差大小來(lái)衡量，位置誤差包括平移誤差和旋轉(zhuǎn)誤差。

2.2.1 平移誤差

平移誤差是元器件中心的偏離，主要來(lái)自X-Y定位系統(tǒng)的不精確性，它包括位移、定標(biāo)和軸線正交等，如圖3所示。

圖2 平移誤差的定義

貼片元器件貼裝后總會(huì)存在平移誤差。從理論上說(shuō)，平移誤差可以規(guī)定為電路板上元器件相對(duì)于設(shè)計(jì)中心標(biāo)定位置的真實(shí)位置半徑T，如果考慮X-Y坐標(biāo)的公差，則：

2.2.2 旋轉(zhuǎn)誤差

旋轉(zhuǎn)誤差是相對(duì)于標(biāo)定貼裝取向的角度公差，如圖4所示。離元器件中心最遠(yuǎn)的端子旋轉(zhuǎn)誤差最大。旋轉(zhuǎn)誤差來(lái)自元器件定心機(jī)構(gòu)的不精確性，或者貼裝工具旋轉(zhuǎn)的角度誤差。為了簡(jiǎn)化分析，利用元器件外輪廓角點(diǎn)的位移近似表示這種誤差，圖4中L為器件的貼裝中心到外輪廓角點(diǎn)的距離，θ為旋轉(zhuǎn)誤差，R為角位移。

圖3 旋轉(zhuǎn)誤差的定義

圖4 貼裝誤差計(jì)算實(shí)例示意圖

旋轉(zhuǎn)誤差也可以用沿X軸和Y軸計(jì)算旋轉(zhuǎn)誤差的分量，即：

旋轉(zhuǎn)誤差與元器件的大小有關(guān)，所以必須分別確定平移誤差和旋轉(zhuǎn)誤差。

2.2.3 總誤差

旋轉(zhuǎn)誤差和平移誤差組合產(chǎn)生累積效果，這兩種成分的矢量相加得到總誤差，則X軸和Y軸的誤差分量：

總的誤差為：

貼裝元器件的類型確定后，可由這兩個(gè)數(shù)值計(jì)算總的貼裝精度。

圖5示例，一臺(tái)貼片機(jī)在X軸和Y軸上的平移誤差為±0.01mm，旋轉(zhuǎn)角誤差為±0.2°，84根引線的PLCC（對(duì)角線長(zhǎng)度為42mm），其L=21mm。得到旋轉(zhuǎn)誤差R為：

旋轉(zhuǎn)誤差的X軸和Y軸成分：

沿兩個(gè)軸的誤差為：

所以，貼裝總誤差為：

3.SMT貼片機(jī)

3.1 SMT貼片機(jī)組成

根據(jù)自動(dòng)化程度，貼片機(jī)分為手動(dòng)貼片機(jī)、半自動(dòng)化貼片機(jī)和全自動(dòng)貼片機(jī)。所有貼片機(jī)都包含機(jī)械主體、貼片頭、PCB輸送系統(tǒng)、元器件供料系統(tǒng)、基板與元器件對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)。全自動(dòng)貼片機(jī)包含復(fù)雜的控制和軟件系統(tǒng)。

3.1.1 機(jī)械主體

機(jī)械主體包括機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)、PCB傳送結(jié)構(gòu)、元件傳送結(jié)構(gòu)、X/Y軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、貼片頭等系統(tǒng)。如圖6所示，貼片機(jī)的機(jī)械主體一般采用橫梁式結(jié)構(gòu)，貼片頭安裝在橫梁即X向運(yùn)動(dòng)軸上，橫梁在底座上做Y向移動(dòng)，貼片頭上有若干貼片吸嘴，吸嘴做Z向運(yùn)動(dòng)和q角的旋轉(zhuǎn)。

（1）貼片機(jī)主體結(jié)構(gòu)形式

貼片機(jī)的X/Y軸定位形式主要采用橫梁式結(jié)構(gòu)，橫梁與兩側(cè)的導(dǎo)軌構(gòu)成拱形結(jié)構(gòu)。貼片機(jī)可以采用單橫梁?jiǎn)钨N片頭、單橫梁雙貼片頭、雙橫梁雙貼片頭等結(jié)構(gòu)。

（2）PCB傳送結(jié)構(gòu)

PCB傳送結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)將印刷過(guò)焊膏的PCB板輸送并固定到貼裝位置，等貼裝完成后再將PCB板輸送到卸料位置。PCB傳送結(jié)構(gòu)分為單工作臺(tái)單軌道傳送、單工作臺(tái)雙軌道傳送形式，復(fù)合貼片機(jī)采用多軌式。

雙軌內(nèi)有6個(gè)區(qū)域，區(qū)域A，C，D和F用來(lái)輸入／傳出PCB，區(qū)域B和E用來(lái)貼片，貼片機(jī)一次最多可放3塊PCB。一般兩個(gè)板在區(qū)域B和E，另一個(gè)板可以在任何其他輸入／傳出位置。當(dāng)一個(gè)板貼片時(shí)，另一個(gè)板在預(yù)備軌道的緩沖區(qū)域內(nèi)，前一個(gè)板貼片完成后，立即開始處理預(yù)備軌道區(qū)域的板，這樣就可以把傳送板的時(shí)間降到最低。

（3）元器件送料機(jī)構(gòu)

在貼片機(jī)中，供料器將包裝中的元器件按貼片機(jī)指令提供給吸嘴，因而供料器和表面貼裝元器件的包裝形式及其質(zhì)量對(duì)拾取元件有重要影響。供料器(Feeder)也稱為喂料器，是貼裝技術(shù)中影響貼裝精度和生產(chǎn)效率的重要部件，以至于有的貼片機(jī)型號(hào)中直接以可容納供料器數(shù)量作為標(biāo)志。

（4）貼片頭

傳統(tǒng)拱架式結(jié)構(gòu)的貼片頭有單吸嘴和多吸嘴并列的結(jié)構(gòu)。單吸嘴貼片頭在一個(gè)貼裝循環(huán)中只能貼裝一個(gè)元件，貼裝的精度較高。多吸嘴并列貼片頭有2～12個(gè)并列平行的吸嘴貼裝軸，在一個(gè)貼裝循環(huán)中可以吸取、校正和貼裝多個(gè)元件，可以有效提高貼裝速度。由于貼片元件大小不一，而貼片頭上貼裝軸的數(shù)量有限，因此在拱架式貼片機(jī)上一般都有一個(gè)專門的吸嘴儲(chǔ)藏機(jī)構(gòu)，供貼裝頭在需要時(shí)進(jìn)行吸嘴更換，以便貼裝頭采用合適的吸嘴來(lái)吸取和貼裝元件。貼裝頭的結(jié)構(gòu)形式分為轉(zhuǎn)動(dòng)式和平動(dòng)式。轉(zhuǎn)動(dòng)形貼片頭結(jié)構(gòu)又分為轉(zhuǎn)塔形、轉(zhuǎn)輪形、小轉(zhuǎn)塔形。

3.1.2 控制系統(tǒng)

貼片機(jī)的控制系統(tǒng)一般由供料系統(tǒng)、傳送系統(tǒng)、輸入/輸出系統(tǒng)、貼裝系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、視覺(jué)系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)、電源系統(tǒng)及人機(jī)系統(tǒng)等各個(gè)子系統(tǒng)的控制系統(tǒng)組成。

3.1.3 對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)

貼片機(jī)的對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)包括PCB基板的對(duì)準(zhǔn)檢測(cè)系統(tǒng)和元器件對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)。貼片機(jī)的對(duì)準(zhǔn)檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理如圖4所示。當(dāng)一塊新的待貼裝PCB通過(guò)送板裝置傳送到指定位置固定后，安裝在貼片頭上的基準(zhǔn)（MARK點(diǎn)）CCD攝像機(jī)在區(qū)域內(nèi)通過(guò)圖像識(shí)別算法搜尋MARK點(diǎn)，并由系統(tǒng)軟件計(jì)算出其在貼片工作臺(tái)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，同時(shí)將元器件應(yīng)貼裝的位置數(shù)據(jù)送給主控計(jì)算機(jī)。

圖5 貼片機(jī)的對(duì)準(zhǔn)檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理示意圖

為了提高對(duì)準(zhǔn)檢測(cè)的速度，現(xiàn)在的貼片機(jī)普遍采用飛行對(duì)中檢測(cè)技術(shù)。飛行對(duì)中是指將攝像機(jī)或激光檢測(cè)系統(tǒng)直接安裝在貼片頭上，在貼片頭拾取元件移到指定位置的過(guò)程中，完成對(duì)元件的檢測(cè)和對(duì)中的方式。這種技術(shù)一般用在旋轉(zhuǎn)式多吸嘴貼片頭中，它可以大幅度縮短對(duì)中的時(shí)間，提高貼裝效率。

3.1.4 軟件系統(tǒng)

全自動(dòng)貼片機(jī)軟件系統(tǒng)的構(gòu)成。全自動(dòng)貼片機(jī)的軟件系統(tǒng)包括數(shù)控庫(kù)管理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、視覺(jué)系統(tǒng)、安全監(jiān)控、系統(tǒng)調(diào)節(jié)、幫助系統(tǒng)、智能管理系統(tǒng)等。

3.2 典型貼片機(jī)

貼片機(jī)技術(shù)的發(fā)展方向主要是在滿足貼裝精度的前提下，提高貼裝的速度、效率以及貼裝元器件的適應(yīng)性。

（1）雙模塊復(fù)合式貼片機(jī)

可選配的貼裝頭有傾斜轉(zhuǎn)輪式、垂直轉(zhuǎn)輪式和水平排列式。貼片機(jī)主體結(jié)構(gòu)由兩臺(tái)貼片機(jī)組合而成。一個(gè)固定橫梁上兩側(cè)各有兩個(gè)懸臂梁，四個(gè)懸臂梁上分別安裝一個(gè)裝貼頭。懸臂梁和貼裝頭的X/Y軸運(yùn)動(dòng)都是依靠直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，貼裝頭沿著懸臂梁移動(dòng)，懸臂梁沿著固定橫梁移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了貼片頭的X/Y軸快速、高精度運(yùn)動(dòng)。貼裝頭在拾取元器件的同時(shí)，元器件檢測(cè)攝像機(jī)在作對(duì)中檢測(cè)。PCB輸送系統(tǒng)沿著與固定橫梁垂直方向布置。可選配的PCB輸送系統(tǒng)有單軌和雙軌道式結(jié)構(gòu)。每臺(tái)貼片機(jī)可以安裝四套送料器架，每個(gè)送料器架可以安裝多個(gè)元器件輸送系統(tǒng)。

（2）多功能模組式貼片機(jī)

日本富士公司推出的FUJINXTⅢ型模組式高速多功能貼片機(jī)。多功能模組式貼片機(jī)的組成原理是，在模組主體的基礎(chǔ)上加裝多個(gè)高速貼片系統(tǒng)，加裝的貼片系統(tǒng)使用通用基座。單個(gè)高速貼片系統(tǒng)有自己的送料器、貼片頭，以及元器件對(duì)準(zhǔn)檢測(cè)系統(tǒng)，使用的貼片頭可以是單個(gè)貼片頭，也可以是小轉(zhuǎn)輪式貼片頭。根據(jù)貼裝元器件的尺寸大小，可以將貼片頭設(shè)計(jì)成不同規(guī)格。元器件送料系統(tǒng)是通用系統(tǒng)，可以在不同貼片系統(tǒng)上使用。多功能模組式貼片機(jī)的PCB輸送系統(tǒng)是共用系統(tǒng)。根據(jù)這種組合方法，貼裝生產(chǎn)線可以非常靈活的搭建貼片機(jī)系統(tǒng)，維修或者更換產(chǎn)品也非常方便。FUJINXTⅢ是在2008年推出的NXTⅡ的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)。通過(guò)高速化的X/Y機(jī)械手和料帶供料器以及使用新研發(fā)的相機(jī)（Fixed On-the- fl y camera），可以提高包括從小型元件到大型異形元件等所有元件的貼裝能力。此外，使用新型高速工作頭（H24工作頭）后，每個(gè)模組的元件貼裝能力高達(dá)35,000cph，比NXTII提高了約35%。FUJINXTIII不僅可以對(duì)應(yīng)現(xiàn)在生產(chǎn)中使用的最小的0402元件，還可以貼裝03015超小型元件。此外，通過(guò)采用比現(xiàn)有機(jī)種更具剛性的機(jī)器構(gòu)造、獨(dú)自的伺服控制技術(shù)以及元件影像識(shí)別技術(shù)，可以達(dá)到行業(yè)頂尖的小型芯片的貼裝精度：±25μm（3σ）Cpk≧1.00。