元件貼裝技術(shù)

SMT元件貼裝系統(tǒng)正在迅速地進(jìn)化，特別的焦點(diǎn)在于兩個(gè)獨(dú)特的系統(tǒng)特征。第一個(gè)與處理所有出現(xiàn)在生產(chǎn)場(chǎng)合的最新包裝類型有關(guān)，這包括永遠(yuǎn)在縮小的元件，如0402、0201，異型元件和對(duì)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(gè)目標(biāo)是以更有成本效益的方法來(lái)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(shí)驗(yàn)類環(huán)境之外的所有生產(chǎn)的追求目標(biāo)。本文將討論這些因素和它們可能對(duì)SMT貼裝設(shè)備的采購(gòu)決定及其使用所產(chǎn)生的影響。 　　

從八十年代早期開(kāi)始，中等至大批量制造生產(chǎn)線由兩種機(jī)器組成：一種對(duì)小元件的轉(zhuǎn)塔式的射片機(jī)和一種對(duì)較大元件的柔性的異型元件與密腳元件的貼裝機(jī)。轉(zhuǎn)塔的概念是使用一組移動(dòng)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(dòng)的工作臺(tái)上的電路板上面。和它一起的柔性機(jī)器使用了取-與-放(pick-and-place)的概念，典型地具有單個(gè)或雙個(gè)吸取頭。這種機(jī)器是一個(gè)比轉(zhuǎn)塔較簡(jiǎn)單的機(jī)械設(shè)計(jì)，因?yàn)樗土掀骱桶宥际庆o止不動(dòng)的，而頭在一個(gè)X-Y拱架系統(tǒng)上從吸取到貼放地移動(dòng)(圖一)。 　　

這種機(jī)器配備對(duì)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)倪壿嬓裕驗(yàn)檫@個(gè)比率大概符合這兩種機(jī)器的速度差別。可是，在許多板上，這個(gè)比率不準(zhǔn)確，因此平衡機(jī)器的輸出，使產(chǎn)量最大是很難的。轉(zhuǎn)塔機(jī)器貼裝片狀元件快，大型，昂貴。當(dāng)用于貼裝大元件時(shí)，不得不運(yùn)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(jī)器只支持帶式送禮器，因此，如果元件供應(yīng)在管或托盤(pán)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(huì)成為高產(chǎn)量的門(mén)限因素。一個(gè)附加的復(fù)雜性是這兩種機(jī)器的操作軟件和送料器經(jīng)常是不同的，甚至是來(lái)自同一個(gè)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(yùn)行時(shí)，都是可靠的機(jī)器。 　

X-Y拱架(X-Y gantry)設(shè)計(jì)概念
在過(guò)去十年，X-Y拱架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有重要的進(jìn)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(jì)提供更高的速度。有些接近傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)塔機(jī)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(jī)器的體積更小，成本更低。它們一般利用一根梁上幾個(gè)頭，達(dá)到的產(chǎn)量在轉(zhuǎn)塔與其相應(yīng)的柔性機(jī)器之間。這些機(jī)器可以設(shè)定在同一臺(tái)機(jī)器上貼裝片狀和大型兩種元件，或者兩臺(tái)放成一線，仔細(xì)平衡循環(huán)時(shí)間，達(dá)到速度相當(dāng)于一臺(tái)轉(zhuǎn)塔機(jī)器(圖二)。 　　這些機(jī)器通常有兩到八個(gè)頭，允許同時(shí)吸取元件。有些設(shè)計(jì)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(shí)吸取的能力。這些多頭的拱架減少每個(gè)元件的循環(huán)時(shí)間，因?yàn)轭^吸取和移動(dòng)到板只需一次。較舊的型號(hào)使用機(jī)械式元件卡盤(pán)，而大多數(shù)較新的機(jī)械都使用使用視覺(jué)或激光系統(tǒng)來(lái)對(duì)元件定位。有些設(shè)計(jì)利用拱架上一個(gè)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(gè)實(shí)惠是，送料器橫梁轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可用來(lái)減少轉(zhuǎn)換時(shí)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(shí)間可能與生產(chǎn)時(shí)間一樣長(zhǎng)。當(dāng)使用送料器橫梁轉(zhuǎn)換系統(tǒng)時(shí)，整個(gè)貼裝線的轉(zhuǎn)換在幾分鐘的時(shí)間內(nèi)可以完成。更高速的拱架系統(tǒng)具有8至24個(gè)頭，達(dá)到曾經(jīng)只有轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)才能達(dá)到的速度，一般貼裝成本(Cpp)低。 　

分開(kāi)軸(split-axis)的設(shè)計(jì)概念　
在分開(kāi)軸的設(shè)計(jì)中，板是在Y軸工作臺(tái)上移動(dòng)，而頭是在X軸上移動(dòng)。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度，因?yàn)槊總€(gè)軸都是分別支撐和驅(qū)動(dòng)的。一些缺點(diǎn)包括吸取元件的靈活性受到限制，板還在移動(dòng)，潛在地引起元件移動(dòng)。 　　平行貼裝(parallel-placement)設(shè)計(jì)概念　　平行貼裝概念主要用于高產(chǎn)量的應(yīng)用。這里幾個(gè)頭同時(shí)獨(dú)立地在一塊板上運(yùn)作。如果機(jī)器具有16個(gè)貼裝模塊，每個(gè)頭大約每秒吸取和貼裝一個(gè)元件，那么每秒鐘為16個(gè)元件或每小時(shí)64,000個(gè)貼裝。典型地，這些機(jī)器對(duì)在傳送帶上連續(xù)的板流同時(shí)運(yùn)行。每個(gè)頭將貼裝板上一小部分的元件，而板在傳送帶上往下移動(dòng)。

　　
元件送料(component feeding)技術(shù)
帶盤(pán)式(tape-and-reel)元件送料通常從機(jī)器的可用時(shí)間的觀點(diǎn)上考慮，是最希望的。料帶通常可以在機(jī)器停機(jī)補(bǔ)充料之間堅(jiān)持較長(zhǎng)時(shí)間，而且通常送料器重?fù)?誤吸率低。可是，對(duì)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(gè)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(diǎn)是減少包裝浪費(fèi)和儲(chǔ)存尺寸，以及非常有限的補(bǔ)充元件停機(jī)時(shí)間。對(duì)帶盤(pán)式包裝，行進(jìn)中的(on-the-fly)元件補(bǔ)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(duì)散裝供料，元件是在一個(gè)裝于送料器的料盒內(nèi)供應(yīng)的。當(dāng)料盒門(mén)打開(kāi)時(shí)，元件剛好落入料斗，在這里送料機(jī)構(gòu)將元件單獨(dú)出來(lái)傳送給吸取頭。不幸的是，每個(gè)元件尺寸要求自己專門(mén)的送料器。這個(gè)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(dòng)式和帶式管狀送料器。振動(dòng)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(jì)依靠送料器的振動(dòng)和供料管的斜度來(lái)將元件傳送到吸取點(diǎn)。缺點(diǎn)包括相對(duì)較慢的元件補(bǔ)充時(shí)間(一般1~2秒)和較不可靠的元件傳送。皮帶驅(qū)動(dòng)式管狀送料器具有快得多的元件補(bǔ)充時(shí)間(0.5~1秒的范圍)。通常，一個(gè)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(kāi)后，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)將下一個(gè)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?yàn)樵ㄟ^(guò)驅(qū)動(dòng)皮帶主動(dòng)移動(dòng)到吸取位置。 　　托盤(pán)經(jīng)常用于大型、密腳元件，當(dāng)用其它技術(shù)送料時(shí)可能會(huì)被損傷。雖然當(dāng)用于高產(chǎn)量時(shí)一些較小著陸點(diǎn)元件可能使用帶盤(pán)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(pán)內(nèi)供應(yīng)的。有些BGA也是在托盤(pán)內(nèi)供料，但由于不象QFP一樣引腳損傷是一個(gè)問(wèn)題，更多的這類元件轉(zhuǎn)向帶式送料包裝。 　　今天購(gòu)買(mǎi)的任何機(jī)器都應(yīng)該能夠處理這些包裝類型，以達(dá)到最大的靈活性。 　
　
元件對(duì)中(component alignment)技術(shù)　　
一個(gè)貼裝系統(tǒng)必須足夠靈活，可以對(duì)中所有在它上面運(yùn)行的元件。現(xiàn)在有三種類型的對(duì)中系統(tǒng)投入使用：機(jī)械、激光和視覺(jué)。 　　機(jī)械系統(tǒng)在貼裝之前對(duì)頭上的方形元件使用某種機(jī)械卡夾系統(tǒng)。它們不能貼裝密腳元件，并且必須仔細(xì)校正。由于它們接觸元件，可能會(huì)有損傷。由于這些局限性，這些系統(tǒng)正逐步過(guò)時(shí)。 　　激光系統(tǒng)不接觸元件，在吸取到貼裝期間，可以通過(guò)在激光簾中轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)計(jì)算元件的質(zhì)心。這種方法快速，因?yàn)椴灰髲臄z像機(jī)上方走過(guò)。其主要缺陷是不能對(duì)引腳和密腳元件作引腳檢查。對(duì)片狀元件是一個(gè)好選擇。 　　視覺(jué)對(duì)中系統(tǒng)超過(guò)激光對(duì)中系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，它可以檢查元件引腳以及測(cè)量引腳寬度、間距和數(shù)量。這對(duì)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(dá)到高品質(zhì)、低缺陷的生產(chǎn)輸出，視覺(jué)檢查是必要的。一般，視覺(jué)檢查要求通過(guò)一個(gè)固定攝像機(jī)，來(lái)抓拍元件圖象。為了抵消這個(gè)時(shí)間，更高速的系統(tǒng)同時(shí)吸取多個(gè)元件，以減少凈周期時(shí)間。一些最快的系統(tǒng)使用線排列(line-array)相機(jī)，它比傳統(tǒng)的面排列(area-array)CCD相機(jī)允許元件更快的通過(guò)，以達(dá)到甚至更高的產(chǎn)量。一些視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)將相機(jī)放在頭上或頭內(nèi)，用于在吸取到貼放之間的視覺(jué)對(duì)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(jì)良好的視覺(jué)系統(tǒng)具有許多對(duì)元件識(shí)別的不同元件運(yùn)算法則，比激光對(duì)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(jué)系統(tǒng)來(lái)達(dá)到高品質(zhì)的貼裝。視覺(jué)允許更緊湊的頭的設(shè)計(jì)，消除了激光和要求元件旋轉(zhuǎn)的機(jī)械硬件。由于這些優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的趨勢(shì)對(duì)除了射片之外的所有應(yīng)用都已經(jīng)轉(zhuǎn)向視覺(jué)技術(shù)。 　　柔性視覺(jué)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?yàn)闆](méi)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(lái)。有些微型BGA在元件底面有可見(jiàn)的走線，可能混淆視覺(jué)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(jué)系統(tǒng)可檢查錫球分布，正確地識(shí)別元件。 　　

SMT元件趨勢(shì)　　
SMT元件繼續(xù)進(jìn)化。今天，許多制造商在新的設(shè)計(jì)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(lái)：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(lái)出現(xiàn)在生產(chǎn)車(chē)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(lái)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(dòng)吸嘴轉(zhuǎn)換器也是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。對(duì)大多數(shù)元件，更密腳距的元件趨勢(shì)已經(jīng)停留在0.020"(0.508mm)。今天所貼裝的密腳元件只有一個(gè)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(guó)生產(chǎn)中，幾乎沒(méi)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(diǎn)包括： 元件更堅(jiān)固，沒(méi)有容易彎曲的引腳和很少共面性問(wèn)題 一般，對(duì)相當(dāng)?shù)囊鰯?shù)，腳間距更大，很少造成印刷/橋接的問(wèn)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(chē)間選擇合適的設(shè)備　　
每一個(gè)生產(chǎn)環(huán)境都是不同的。對(duì)一個(gè)轉(zhuǎn)包商，靈活性是重要的。對(duì)一個(gè)原設(shè)備制造商(OEM)，或許速度將是一個(gè)更大的因素。通常，有兩個(gè)主要評(píng)定生產(chǎn)線要求的標(biāo)準(zhǔn)。第一個(gè)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(shí)間，大概每天就有幾次。 　　Cpp是重要的，因?yàn)楣芾韺佣寂κ雇顿Y回報(bào)最大。這對(duì)OEM也是重要的，因?yàn)橛性絹?lái)越多的轉(zhuǎn)包選擇可以利用。在這個(gè)成本競(jìng)爭(zhēng)的世界市場(chǎng)，小的、效率高的生產(chǎn)過(guò)程是關(guān)鍵的。對(duì)這個(gè)計(jì)量有一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算公式： Cpp = $機(jī)器成本 ÷ 每小時(shí)貼片數(shù) 例如，$175,000 ÷ 12,250 = 14.3 　　這只是一個(gè)比較率，可為所有考慮中的機(jī)器計(jì)算。很明顯，數(shù)字越低越好。該計(jì)算用實(shí)際的每小時(shí)貼裝數(shù)，而不是用機(jī)器規(guī)格中的速率。 　　每一種機(jī)器將對(duì)每一種板有不同的折扣因素。有些機(jī)器幾乎達(dá)到其規(guī)格中的速率，而有些只能達(dá)到50%。應(yīng)保證速率包括所有傳送和基準(zhǔn)點(diǎn)識(shí)別時(shí)間。還有，指定用于元件供應(yīng)的帶盤(pán)式、管狀或托盤(pán) — 這將影響產(chǎn)量，甚至工作能力。評(píng)估這個(gè)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(shū)面形式寫(xiě)出他的貼裝速率并保證它。表一是比較Cpp的一個(gè)例子。 表一、貼裝成本的比較 機(jī)型 速率 實(shí)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(tái)高速拱架 20+20=40k 16+9=25k 350+250=$600k 600/25=24 供應(yīng)商C，兩臺(tái)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(wú)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(yùn)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(shí)熱線嗎？這些類型的機(jī)器的安裝基礎(chǔ)是什么？這給你一個(gè)機(jī)器設(shè)計(jì)好壞與市場(chǎng)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(wèn)題可幫助構(gòu)畫(huà)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(jī)器設(shè)計(jì)的技術(shù)進(jìn)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(jī)器來(lái)滿足變幻的需求、和使貼裝成本(Cpp)最小，以維持在世界市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)性。