中心議題：

• SMT元件貼裝系統進(jìn)化的焦點(diǎn)在于兩個(gè)獨特的系統特征
• 討論包裝類(lèi)型、貼裝成本等對SMT貼裝設備的采購決定及其使用所產(chǎn)生的影響

解決方案：

• X-Y拱架系統的設計具有處理更寬元件范圍和包裝形式的能力，體積更小，成本更低
• 散裝送料用于小型片狀元件的可靠供料，管狀送料主要用于較大的元件
• 平行貼裝概念用于高產(chǎn)量的應用，柔性視覺(jué)系統允許元件從前光或者后光照明
• 為工廠(chǎng)車(chē)間選擇合適的設備需注意兩個(gè)評定生產(chǎn)線(xiàn)要求的標準

SMT元件貼裝系統正在迅速地進(jìn)化，特別的焦點(diǎn)在于兩個(gè)獨特的系統特征。第一個(gè)與處理所有出現在生產(chǎn)場(chǎng)合的最新包裝類(lèi)型有關(guān)，這包括永遠在縮小的元件，如0402、0201，異型元件和對高輸入/輸出元件的新型包裝技術(shù)，如球柵列陣(BGA)、芯片規模包裝(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)內除了最低產(chǎn)量的實(shí)驗類(lèi)環(huán)境之外的所有生產(chǎn)的追求目標。本文將討論這些因素和它們可能對SMT貼裝設備的采購決定及其使用所產(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(xiàn)由兩種機器組成：一種對小元件的轉塔式的射片機和一種對較大元件的柔性的異型元件與密腳元件的貼裝機。轉塔的概念是使用一組移動(dòng)的送料器，轉塔從這里吸取元件，然后把元件貼放在位于移動(dòng)的工作臺上的電路板上面。和它一起的柔性機器使用了取-與-放(pick-and-place)的概念，典型地具有單個(gè)或雙個(gè)吸取頭。這種機器是一個(gè)比轉塔較簡(jiǎn)單的機械設計，因為送料器和板都是靜止不動(dòng)的，而頭在一個(gè)X-Y拱架系統上從吸取到貼放地移動(dòng)(圖一)。 　　

這種機器配備對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)具有相當的邏輯性，因為這個(gè)比率大概符合這兩種機器的速度差別?？墒?，在許多板上，這個(gè)比率不準確，因此平衡機器的輸出，使產(chǎn)量最大是很難的。轉塔機器貼裝片狀元件快，大型，昂貴。當用于貼裝大元件時(shí)，不得不運行得比貼裝片狀元件慢，結果是貼裝成本(Cpp)高。還有，轉塔機器只支持帶式送禮器，因此，如果元件供應在管或托盤(pán)內，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)附加的復雜性是這兩種機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)供應商。這些都是成熟的設備，在其元件的能量范圍內運行時(shí)，都是可靠的機器。 　

X-Y拱架(X-Y gantry)設計概念
在過(guò)去十年，X-Y拱架系統的設計有重要的進(jìn)步。不只是跟在轉塔貼放片狀的后面，吸取和貼放大的、密腳的和異型的元件，更新的設計提供更高的速度。有些接近傳統的轉塔機器的速度，但具有處理更寬元件范圍和包裝形式的能力，比轉塔機器的體積更小，成本更低。它們一般利用一根梁上幾個(gè)頭，達到的產(chǎn)量在轉塔與其相應的柔性機器之間。這些機器可以設定在同一臺機器上貼裝片狀和大型兩種元件，或者兩臺放成一線(xiàn)，仔細平衡循環(huán)時(shí)間，達到速度相當于一臺轉塔機器(圖二)。 　　這些機器通常有兩到八個(gè)頭，允許同時(shí)吸取元件。有些設計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，因為頭吸取和移動(dòng)到板只需一次。較舊的型號使用機械式元件卡盤(pán)，而大多數較新的機械都使用使用視覺(jué)或激光系統來(lái)對元件定位。有些設計利用拱架上一個(gè)小型的旋轉頭，而不是固定的頭。 　　相當于轉塔系統，送料器靜止的拱架系統的另一個(gè)實(shí)惠是，送料器橫梁轉換系統可用來(lái)減少轉換時(shí)間。經(jīng)常，在低到中等產(chǎn)量的環(huán)境中，小批量的設定時(shí)間可能與生產(chǎn)時(shí)間一樣長(cháng)。當使用送料器橫梁轉換系統時(shí)，整個(gè)貼裝線(xiàn)的轉換在幾分鐘的時(shí)間內可以完成。更高速的拱架系統具有8至24個(gè)頭，達到曾經(jīng)只有轉塔系統才能達到的速度，一般貼裝成本(Cpp)低。 　

分開(kāi)軸(split-axis)的設計概念　
在分開(kāi)軸的設計中，板是在Y軸工作臺上移動(dòng)，而頭是在X軸上移動(dòng)。這種設計的優(yōu)點(diǎn)是強度，因為每個(gè)軸都是分別支撐和驅動(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)設計概念　　平行貼裝概念主要用于高產(chǎn)量的應用。這里幾個(gè)頭同時(shí)獨立地在一塊板上運作。如果機器具有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，這些機器對在傳送帶上連續的板流同時(shí)運行。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)元件送料通常從機器的可用時(shí)間的觀(guān)點(diǎn)上考慮，是最希望的。料帶通?？梢栽跈C器停機補充料之間堅持較長(cháng)時(shí)間，而且通常送料器重擊/誤吸率低?？墒?，對那些比小引出線(xiàn)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)是減少包裝浪費和儲存尺寸，以及非常有限的補充元件停機時(shí)間。對帶盤(pán)式包裝，行進(jìn)中的(on-the-fly)元件補充要求搭接(splicing)技術(shù)，該技術(shù)不是十分安全的，可能引起送料器阻塞。對散裝供料，元件是在一個(gè)裝于送料器的料盒內供應的。當料盒門(mén)打開(kāi)時(shí)，元件剛好落入料斗，在這里送料機構將元件單獨出來(lái)傳送給吸取頭。不幸的是，每個(gè)元件尺寸要求自己專(zhuān)門(mén)的送料器。這個(gè)限制通常使得散料供應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(lèi)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，主要用于低至中等批量的送料應用。這種設計依靠送料器的振動(dòng)和供料管的斜度來(lái)將元件傳送到吸取點(diǎn)。缺點(diǎn)包括相對較慢的元件補充時(shí)間(一般1~2秒)和較不可靠的元件傳送。皮帶驅動(dòng)式管狀送料器具有快得多的元件補充時(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，驅動(dòng)馬達將下一個(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，因為元件通過(guò)驅動(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，當用其它技術(shù)送料時(shí)可能會(huì )被損傷。雖然當用于高產(chǎn)量時(shí)一些較小著(zhù)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)內供應的。有些BGA也是在托盤(pán)內供料，但由于不象QFP一樣引腳損傷是一個(gè)問(wèn)題，更多的這類(lèi)元件轉向帶式送料包裝。 　　今天購買(mǎi)的任何機器都應該能夠處理這些包裝類(lèi)型，以達到最大的靈活性。 　
　
元件對中(component alignment)技術(shù)　　
一個(gè)貼裝系統必須足夠靈活，可以對中所有在它上面運行的元件?，F在有三種類(lèi)型的對中系統投入使用：機械、激光和視覺(jué)。 　　機械系統在貼裝之前對頭上的方形元件使用某種機械卡夾系統。它們不能貼裝密腳元件，并且必須仔細校正。由于它們接觸元件，可能會(huì )有損傷。由于這些局限性，這些系統正逐步過(guò)時(shí)。 　　激光系統不接觸元件，在吸取到貼裝期間，可以通過(guò)在激光簾中轉動(dòng)來(lái)計算元件的質(zhì)心。這種方法快速，因為不要求從攝像機上方走過(guò)。其主要缺陷是不能對引腳和密腳元件作引腳檢查。對片狀元件是一個(gè)好選擇。 　　視覺(jué)對中系統超過(guò)激光對中系統的優(yōu)點(diǎn)，它可以檢查元件引腳以及測量引腳寬度、間距和數量。這對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，來(lái)抓拍元件圖象。為了抵消這個(gè)時(shí)間，更高速的系統同時(shí)吸取多個(gè)元件，以減少凈周期時(shí)間。一些最快的系統使用線(xiàn)排列(line-array)相機，它比傳統的面排列(area-array)CCD相機允許元件更快的通過(guò)，以達到甚至更高的產(chǎn)量。一些視覺(jué)系統設計將相機放在頭上或頭內，用于在吸取到貼放之間的視覺(jué)對中。額外的系統復雜性和穩固性是徹底研究所需要關(guān)注的。 　　設計良好的視覺(jué)系統具有許多對元件識別的不同元件運算法則，比激光對中系統更加靈活。更新的SMT元件，比如BGA、CSP和倒裝芯片，要求視覺(jué)系統來(lái)達到高品質(zhì)的貼裝。視覺(jué)允許更緊湊的頭的設計，消除了激光和要求元件旋轉的機械硬件。由于這些優(yōu)點(diǎn)，系統設計的趨勢對除了射片之外的所有應用都已經(jīng)轉向視覺(jué)技術(shù)。 　　柔性視覺(jué)系統允許元件從前光或者后光照明，看元件類(lèi)型而定。引腳QFP元件從后面照明，因為沒(méi)有虛光反射出現。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(xiàn)，可能混淆視覺(jué)系統。這些元件要求側面照明系統。它將從側面照明錫球，而不是底面的走線(xiàn)，因此視覺(jué)系統可檢查錫球分布，正確地識別元件。 　　

SMT元件趨勢　　
SMT元件繼續進(jìn)化。今天，許多制造商在新的設計中正從舊的、較大的1206和0805轉向0603和0402。這些數字是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備都應該能夠處理可能在不久的將來(lái)出現在生產(chǎn)車(chē)間的最大的元件范圍。 傳統的通孔元件，如連接器和其它異型元件，正轉換成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(hù)吸嘴能力的自動(dòng)吸嘴轉換器也是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。對大多數元件，更密腳距的元件趨勢已經(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。大多數是0.015"(0.4mm)；在美國生產(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： 元件更堅固，沒(méi)有容易彎曲的引腳和很少共面性問(wèn)題 一般，對相當的引出數，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)上的覆蓋區域比相當引腳元件的更小 一般可以用現有的SMT印刷和貼裝工藝允許。

怎樣為工廠(chǎng)車(chē)間選擇合適的設備　　
每一個(gè)生產(chǎn)環(huán)境都是不同的。對一個(gè)轉包商，靈活性是重要的。對一個(gè)原設備制造商(OEM)，或許速度將是一個(gè)更大的因素。通常，有兩個(gè)主要評定生產(chǎn)線(xiàn)要求的標準。第一個(gè)是靈活性與轉換的數量。大的OEM可能轉換的需求很少，可能少到每年一兩次。合約制造商或許想減少轉換時(shí)間，大概每天就有幾次。 　　Cpp是重要的，因為管理層都努力使投資回報最大。這對OEM也是重要的，因為有越來(lái)越多的轉包選擇可以利用。在這個(gè)成本競爭的世界市場(chǎng)，小的、效率高的生產(chǎn)過(guò)程是關(guān)鍵的。對這個(gè)計量有一個(gè)簡(jiǎn)單的計算公式： Cpp = $機器成本 ÷ 每小時(shí)貼片數 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器計算。很明顯，數字越低越好。該計算用實(shí)際的每小時(shí)貼裝數，而不是用機器規格中的速率。 　　每一種機器將對每一種板有不同的折扣因素。有些機器幾乎達到其規格中的速率，而有些只能達到50%。應保證速率包括所有傳送和基準點(diǎn)識別時(shí)間。還有，指定用于元件供應的帶盤(pán)式、管狀或托盤(pán) — 這將影響產(chǎn)量，甚至工作能力。評估這個(gè)的最好方法是樣板PCB，以CAD數據把它送給所有在考慮之列的供應商。確保供應商用書(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 機型 速率 實(shí)際速度 成本 Cpp 供應商A，轉塔和密腳 30+5=35k 23+3=26k 500+250=$750k 750/26=29 供應商B，兩臺高速拱架 20+20=40k 16+9=25k 350+250=$600k 600/25=24 供應商C，兩臺高速拱架 15+15=30k 12+9=21k 200+200=$400k 400/21=19 　　當然，有許多其它無(wú)形的東西在作供應商選擇之前應該考慮。服務(wù)支持是保證生產(chǎn)線(xiàn)運行的關(guān)鍵。供應商有多少服務(wù)工程師？最近的有多近？他們有24小時(shí)熱線(xiàn)嗎？這些類(lèi)型的機器的安裝基礎是什么？這給你一個(gè)機器設計好壞與市場(chǎng)份額的概念。他們能提供廣泛的滿(mǎn)意顧客清單嗎？所有這些問(wèn)題可幫助構畫(huà)出公及其產(chǎn)品的輪廓圖。

總之，SMT貼裝設備能力正在增加，因此Cpp在減少。與其它諸如PC之類(lèi)的高科技產(chǎn)品類(lèi)似，SMT機器設計的技術(shù)進(jìn)步經(jīng)常在發(fā)生。不管是轉包商或OEM，都有必要選擇合適的機器來(lái)滿(mǎn)足變幻的需求、和使貼裝成本(Cpp)最小，以維持在世界市場(chǎng)上的競爭性。
 
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