SMT贴装机的贴装技术

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SMT贴装技术是表面组装技术中的必不可少的基本技术之一，拾取和放置演变而来的，因而有些资料现在仍然称其为拾放技术。贴装技术的英文名称还有“Chip Mounter”（片式元件安装）和“Component Mounter”（元件安装），以及“ChipPlacement”（片式元件安放）和“Component Placement”（元件安放），与现在通用的中文名称“贴装技术”或“贴片技术”比较吻合。


1、贴装技术特点


将物品或机器零部件快速、准确地放置到规定位置，是工业系统中各种制造和装配常见的一个工序或运行流程。例如，在半导体集成电路封装中，在半导体封装技术中将已经制造完成的芯片从划片薄膜上取下，放置到引线框架或封装衬底（基板）上的设定位置上，以便进行下一步引线键合或其他互连工序，称为装片（Die Attaching），实际也是一种贴装技术。由于在封装技术中，芯片外形和拾取性能相对变化不大，就装片工序相对于其他复杂而精确度要求很高的工序来说并不是技术关键，而且装片通常是和键合机组合为一种设备，因而在封装技术中，贴装的重要性远不如组装技术。但是这两种贴装技术、工艺要求和设备原理实质上是一样的，只不过封装技术中的装片从设备精确度到工艺要求都要比组装技术高。近年来，随着高密度高精度组装技术的发展，封装技术和组装技术界线开始模糊，组装技术开始与封装技术交叉融合，封装级精确度的贴片机开始应用于组装技术。“装片”与“贴片”如下图所示。




就贴装技术本身的工作原理和要求而言，实际上是相当简单的。用一定的方式把SMC/SMD（表面贴装元件和表面贴装器件）从它的包装中取出并贴放在印制板的规定的位置上。但是在工业系统迄今很少有其他工艺要求可以与SMT中的贴装技术相比。贴装对象（SMC/SMD）的几何尺寸和形状、表面性质和重量的范围，贴装速度及贴装准确度的要求，与其工作原理相比有天壤之别。贴装元器件多样性如下图所示。




贴装技术的特点如下所述。


（1）贴装对象——表面贴装元器件
① 表面贴装元器件的种类：几乎涵盖了传统电子元器件的全部。图1.9所示仅是其中一部分。
② 表面贴装元器件的体积：以片式元件为例，常用的片式电阻从6.14mm3（3216）～0.0096mm3（0402），相差约640 倍。如果与不同种类的相比，例如，表面贴装变压器或接插件，相差成千上万倍数。
③ 表面贴装元器件的顶面材料：陶瓷、金属及各种塑料等多种表面平整度和光洁度各不相同的材料。


（2）贴装速度
由于一块电路板上少则几种、几十个元器件，多则几十或几百种，数百到数千个元器件，而这些元器件只能一个一个地贴装，因此为了提高效率，目前每个元器件贴装的时间已经缩短到0.06 s左右（片式元件），已经几乎达到机械结构运动速度的极限。


（3）贴装精确度
由于组装密度不断提高，以及0.3/0.4 节距IC和0402 元件的应用，对贴装精确度要求越来越高。采用机、光、电和软硬件综合技术，使现在贴装精确度已经可以达到3 Sigma下75 μm的精度，一部分细小元件和细节距IC贴装精确度甚至要求4 Sigma下50 μm或更高。元件与元件、元件与器件之间的距离达到0.1mm的量级，意味着SMT贴装精确度指标已经与封装技术要求在一个水平线上。




（4）贴装承载电路板
承载贴装元器件的电路板与贴装技术相关的主要是几何尺寸和板厚方向的刚度。电路板的面积从最小可以不足1 cm2，最大超过4000 cm2，而决定电路板板厚方向的刚度的厚度尺寸，其变化范围则从小于0.5mm到超过6mm（刚性板）。
由于在SMT贴装技术中，从表面贴装元器件到承载电路板种类、几何尺寸及影响贴装的参数众多，贴装精确度已经达到纳米数量级，而贴装速度则接近机械运行的极限，因而贴装技术对设备要求非常高。可以毫不夸张地说，贴装技术是表面组装技术关键，而作为表面贴装设备的贴片机，在贴装技术中的决定性作用是其他技术无法比拟的。


2.）贴装技术的内容
贴装技术主要包括贴装工艺和贴装设备两个部分，如下所示。




二、 贴装工艺


贴装工艺从贴装方式来说，有3 种工艺方式：手工方式、半自动方式和全自动方式。尽管现在电子组装自动化程度越来越高，但是在研发部门、实验室和科研机构，手工方式和半自动方式仍然具有实际价值，即使规模化的组装工厂，目前也不能完全取消手工方式，在全自动生产线上有时也可以看到使用手工贴装的个例。


无论采用哪一种工艺方式，基本工序都是一样的，即：印制板装载、传送和对准，元器件“出现”在设定的拾取位置上，拾取元器件，元器件检查和定位对准，贴放元器件，印制板传送离开工作区域。


1）手工贴装
手工贴装是采用镊子夹持或用真空吸笔将元器件从包装中拾取，贴放到印制电路板的规定位置，如下图所示。早期曾经使用的手动贴片机贴装，由于没有机器定位和贴装控制机构，虽然使用了所谓的贴片机，实际上仍然属于“手工贴装”的范畴。镊子夹持只适合片式元件和部分双列引线的集成电路，以及部分异型元件，对QFP封装集成电路，必须使用真空吸笔，对于一些细间距集成电路还必须使用放大镜。手工贴装的速度、正确性和准确性完全取决于操作者的技术水平和责任心，因此这种方式既不可靠，效率也很低。对于BGA和CSP等IC封装及1005以下的片式元件，采用手工贴装方式已经是捉襟见肘，很难保证贴装质量了。






2）半自动贴装
在以前的SMT资料中是没有“半自动贴装”这个贴装方式的，在实际生产中也确实很少看到这种方式，但是在实验室和科研机构中确实存在这种介于自动贴装和手工贴装之间的方式。所谓半自动贴装方式，指使用简单的机械定位控制的贴装机构，或虽然具有较先进的定位、检测和贴装机构，但不能组成自动流水线功能的贴装方式。


半自动贴装方式由于具有机器定位对准机构，摆脱了手工贴装的局限，不但效率和可靠性提高，而且可以贴装各种元器件，甚至最新的IC封装和片式元件，因而在科研工作和企业的产品研发试制中具有不可或缺的作用。一部分企业针对这种需求新开发的贴装机构具有很高的精确度和元器件适应能力，同样属于高科技产品。


下图是用于产品研发、实验室和科研的半自动贴装设备。




3）全自动贴装机
全自动贴装机是采用全自动贴装设备完成全部贴装工序的组装方式，是目前规模化生产中普遍采用的贴装方法。在全自动贴装中，从印制板装载、传送和对准，把元器件移动到设定的拾取位置上，拾取元器件，元器件检测和定位对准，贴放元器件，直到将印制板传送离开工作区域的全过程，均由全自动机器完成而无须人工干预，贴装速度和质量主要取决于贴装设备的技术性能及其应用和管理水平。


全自动贴装机贴装过程是现代自动化、精密化和智能化工业技术综合应用的结晶。在全自动贴装机中，应用精密机械、高速高精度视觉检测与控制、智能化检测与运动控制及计算机数字控制等现代机—光—电一体化的综合高技术，实现贴装速度与准确性和生产效率与灵活性的不断提升和日趋完善。


全自动贴装机的工艺是表面贴装技术中对设备依赖性最强的一个工序，整个SMT生产线的产能、效率和产品适应性，主要取决于贴装工序，在全自动贴装机中贴装机设备起决定性作用。但是这绝不意味着设备决定一切，有了先进的设备不等于有先进的工艺和管理，更不等于自然可以实现高效率、高质量和高产能。如同一个体格健全、精力充沛的人，如果没有相应的智商和情商，不可能取得事业的成功一样。