黃 超, 茅 健, 周玉鳳

(上海工程技術大學 機械與汽車工程學院, 上海 201620)

表面貼裝技術(Surface Mount Technology,SMT)是當前電子產品制造業(yè)中使用最為廣泛的組裝技術[1].SMT生產線主要由貼片機、自動光學檢測(Automated Optical Inspection,AOI)設備、焊錫印刷機、點膠設備、回流焊爐等構成,適用于大批量生產小體積、高性能的電子產品,如智能手機、固態(tài)硬盤、筆記本電腦等.SMT中貼片機專用于將電子元器件準確貼裝在印制電路板(Printed Circuit Board,PCB)的預定位置,為防止PCB在貼裝過程中發(fā)生偏移導致報廢,須將PCB固定在相應夾具裝置上[2].但現有貼片機專用夾具只適應特定規(guī)格PCB的貼片加工[3],當PCB尺寸變動范圍較大時,專用夾具不再適用,須頻繁更換夾具.

為解決PCB固定這一問題,國內不少單位研制高適應度自動貼片機,主要針對貼片機夾具進行結構改造.珠海祺力電子有限公司唐換名[4]研發(fā)一種既能夾持矩形形狀PCB,又能夾持不規(guī)則形狀PCB的貼片機夾具,主要通過兩組滑動卡件包覆在PCB邊緣以實現固定.李繼昌[5]針對螺釘固定PCB后不便于拆卸的缺點,研發(fā)一種僅需松緊螺母便可固定和移動不同尺寸PCB的貼片機夾具.肖海等[6]針對貼片機只裝有單個夾具影響貼片效率的問題,研發(fā)一種三段式貼片機夾具,該夾具可同時容納3個夾具,可提高更換夾具的速率.本文針對PCB固定問題,從理論上分析磁鐵吸附固定的可行性,提出磁力計算模型,采用有限元法進行磁力仿真求解,提出通過磁力固定PCB的方案.

1 磁力計算理論

設面積為2a×2b的矩形磁面如圖1所示.

圖1 P點磁標量勢Fig.1 Magnetic scalar potential at point P

依據等效磁荷理論[7],任意一點P的標量磁位方程為

(1)

(2)

對于體積為2a×2b×2c的矩形磁鐵,被磁化后只在兩端面上出現正或負磁荷.假設充磁方向與磁鐵表面法線方向重合,由靜磁學理論[8]在點P處對φp求梯度,可得P點處磁場強度為

(3)

其中

將兩塊矩形磁鐵上下放置,如圖2所示.上方磁鐵A:介質極化強度為J,體積為2a×2b×2c;下方磁鐵B:介質極化強度為J′,體積為2a′×2b′×2c′,充磁方向互相平行.

圖2 矩形磁鐵計算模型Fig.2 Rectangular magnet calculation model

根據等效磁荷理論,兩塊磁鐵間的磁力由相對的兩個端面相互作用產生,靜磁能[9]計算式為

(4)

ψ(Uij,Vkl,Wpq,r)

(5)

其中

(6)

根據虛功原理[8]得兩塊矩形磁鐵間磁力,當上下磁鐵充磁方向相同時F取正,反之取負[10],計算式為

(7)

其中

帶磁性PCB載具實物如圖3所示.將兩根帶磁性的壓條分別置于載具上下端的兩個小凹槽中,載具上有定位銷孔.

圖3 帶磁條載具Fig.3 Carrier with magnetic stripe

載具初始狀態(tài)如圖4所示.磁條未固定PCB,磁條吸附在載具表面固定,如圖5所示.

圖4 初始狀態(tài)Fig.4 Initial state

圖5 固定PCBFig.5 Fixing PCB

PCB固定后,將磁條與載具表面接觸部分抽離出來構成簡化的計算模型,如圖6所示.磁條材料選用導磁性較好的釹鐵硼,幾何參數見表1.

圖6 磁力計算模型Fig.6 Magnetic calculation model

將模型劃分為圖6所示的7段矩形方塊,各段幾何參數見表2.將各段參數分別代入式(7)進行磁力求解,求和可得磁條吸附力F磁.

表1 磁條幾何參數Table 1 Magnetic strip geometric parameters

表2 計算明細表Table 2 Calculation schedule

2 有限元模型

2.1 模型建立

利用ANSYS分析時使用的耦合場單元為SOLID98[11],共定義3種材料屬性:材料1為壓條永磁;材料2為載具永磁;材料3為空氣.由于壓條截面尺寸變化較大,對磁通密度分布影響較大,建模時將其劃分為7個體單元,載具部分單獨作為1個體單元.

加邊界條件:在對稱平面(z=0)內磁力線垂直通過,所以在這個位置施加磁力線垂直的邊界條件(φ=0).由于假設不漏磁,所有磁通量沿磁路通過,故在所有其他外表面上施加磁力線平行的邊界條件(?φ/?n=0).求解后,得到磁通密度矢量如圖7所示,磁場強度矢量如圖8所示.

2.2 仿真結果分析

1) 磁通密度在所選路徑上的分布

在對稱平面(z=0)內選取20個特征節(jié)點 (圖7中1,2,3,…,20),依次連接相鄰特征點形成路徑Path,將磁通密度數據映射到路徑Path上,得到磁通密度變化如圖9所示.圖中,兩端節(jié)點磁通密度最大,中間節(jié)點由于存在空氣介質,磁通密度驟減;此外,大截面處節(jié)點磁通密度大于小截面處節(jié)點磁通密度.

圖7 磁通密度矢量圖Fig.7 Vector diagram of magnetic flux density

圖8 磁場強度矢量圖Fig.8 Vector diagram of magnetic field strength

圖9 路徑Path上磁通密度Fig.9 Magnetic flux density on Path

2) 磁力在所選路徑上的分布

將節(jié)點磁力數據映射到路徑Path上,如圖10所示.由圖可見,節(jié)點磁力表現出與節(jié)點磁通密度相似的變化規(guī)律,由于空氣介質對磁力分布的影響,導致即使是在對稱節(jié)點,磁力也并非一定相等.

3 貼裝試驗仿真

圖10 Path上節(jié)點磁力變化曲線Fig.10 Magnetic variation curve of nodes on Path

1) 從同一高度3個不同位置下落小球,初始速度均為100 m/s.PCB板材料選用聚乙烯,小球材料選用結構鋼,劃分網格單元大小為0.005 m,將薄板兩個端面固定,求解時間設定為0.5 s.3組試驗小球位置如圖11所示.1號落點應變如圖12所示.3組測試應力分布圖13所示.

從圖12和13可以看出,當小球從靠近薄板中心區(qū)域(1號位置)下落時,對薄板兩個端面幾乎沒有造成沖擊,所以要驗證σ磁是否滿足約束條件,應盡量選取靠近薄板邊緣的落點進行試驗.2號位置下落時最大應力比3號位置大,σmax<0.08 kPa<σ磁,σ磁滿足約束條件.

圖11 落點位置Fig.11 Location of drop point

圖12 1號高點應變測試Fig.12 Equivalent elastic strain test at positio one

圖13 不同下落位置應力分布圖Fig.13 Stress distribution diagram of different falling positions

2) 從同一位置以不同速度下落小球,取2號位置落點進行測試.讓小球在2號位置,分別以初始速度v=100、110、120和130 m/s下落,應力分布如圖14所示.由圖可知,當小球初始速度增大時,薄板表面產生的碰撞應力逐漸增大;當v=130 m/s,t=0.5 s時,產生的最大應力σmax=0.192 kPa<σ磁,說明此時σ磁仍然滿足約束條件.在實際貼裝過程中,貼裝頭速度越大,產生的碰撞應力也越大.

4 真機試驗

本文選擇3種不同規(guī)格PCB進行真機試驗. A組:PCB尺寸為120 mm×128 mm×1 mm,400片;B組:PCB尺寸為80 mm×100 mm×1 mm,400片;C組:PCB尺寸為150 mm×200 mm×1 mm,400片.貼片機型號為Panasonic-NPM-W2,如圖15所示.

圖14 不同下落速度應力分布圖Fig.14 Stress distribution diagram of different falling speeds

圖15 現場測試圖Fig.15 Field testing diagram

第1組試驗:將貼裝頭速度設定為100 m/s,安裝好磁條;分別將A、B、C 3組各100片PCB投入貼裝加工工序;貼裝后利用AOI測量儀檢測PCB偏移量.第2、3、4組分別將貼裝頭速度設定為110、120和130 m/s,其他條件保持不變.生產規(guī)定PCB的X和Y方向上偏移量不能超過0.1 mm.

統(tǒng)計分析1 200片PCB的X和Y方向上的偏移量,1 200片PCB可分為12組,每組100片,從每組中采用不放回隨機抽樣的方式取出3片,共抽取36片PCB作為樣本,樣本偏移量見表3.散點圖如圖16所示.由此可見,樣本偏移量均處于生產允許范圍內,并由樣本推斷出總體偏移量也均在允許范圍內.實際生產結果表明,1 200片PCB偏移量均能滿足生產要求,并未出現不合格品.

表3 12組樣本偏移量Table 3 12 group sample offsets mm

圖16 樣本偏移量散點圖Fig.16 Scatter diagram of sample offset

5 結 語

本文針對貼裝過程中固定PCB的問題展開研究,提出可行的磁力載具方案.利用等效磁荷和靜磁學理論中磁力計算公式,計算出磁條磁力大小后,經ANSYS進行磁力仿真,得到磁力仿真值與理論計算值.碰撞模擬試驗和真機試驗均證實磁力載具方案具有可行性.本文仿真過程中忽略溫度對磁力的影響,但實際生產中載具進入120 ℃爐溫機中進行回爐焊工序時,磁條磁力會產生一定波動.此外,貼裝過程伴隨著高頻率振動,本文只是根據瞬時碰撞應力大小對磁力的約束進行校核,滿足靜力學條件,下一步工作是在動力學條件下進行研究.