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貼片機的發展趨勢與前景

王天曦 王豫明

清華大學SM丁實驗室

擇要:本文闡述了三代貼片機發展的歷程與技術特點,提出未來發展階段的“三高四化”(高性能、高效率、高集成,柔性化、智能化、綠色化、多樣化)要求,介紹了系統化工藝先進組裝工藝控制APC,并對貼片機發展前景作了預測與評估,可供從事貼片機研究和開發的同行參考。

關鍵詞:電了制造,電了組裝,SMT,貼片機

1引言

電了制造業是國民經濟的戰略性、基礎性和先導性支柱產業,對于拉動經濟增長、增強國家綜合實力、加速現代化建設和維護國家安全至關重要。我國電了制造產業經過多年持續快速發展,已成為世界最大的電了信息產品制造基地,當前正處于產業結構和發展方式轉型升級,由電了制造大國向強國邁進的關鍵時期。

貼片機是電了制造生產線中典型的高速度、高精度、高效率的關鍵專用電了設備,通常占到整條SMT生產線投資的60%以上,是生產流水線效率的瓶頸;也是最體現“現代化、白動化、智能化”生產、最具有挑戰性的現代制造裝備技術。

貼片機是電了制造基礎裝備,而裝備對制造業的重要性是顯而易見的。古人云“工欲善其事必先利其器”,雖然電了制造是近代才發展起來的先進制造技術,但事理是大體一樣的。不過古代的“器”只是簡單機械和手工工具,缺乏利器,可能只涉及效率與質量;而現代電了制造可就完全不一樣了,沒有相應現代化半導體制造裝備,根本不可能制造出各種日新月異的終端電了信息產品所需要的芯片;沒有高效率先進電了組裝設備,那些體積越來越小、問距越來越密的電路板就無法組裝,你的產品根本無法在國際市場上參與競爭。

2貼片機發展歷程 2. 1第1代貼片機

20世紀70年代,隨著表面貼裝芯片和片式元件的展現出的性能優勢,表面貼裝技術由初期主要應用在軍事,航空,航天等尖端產品和投資類產品逐漸廣泛應用到計算機、通訊、工業控制等各行各業,并延仲到消費類電了產品,SMT日益成為電了組裝制造的主流技術,在強大市場需求推動下第1代貼片機應運而生。盡管當時的貼片機采用的機械對中方式決定了貼裝速度低(約1000 ^-2000片/h),貼裝準確度也不高CX-Y定位士0.1 mm}貼片精度士0.25 mm),并且功能簡單,但已經具備了現代貼片機的全部要素,相對于人工貼裝和簡單的手工貼裝機而言,這樣的速度和精度無疑是電了組裝技術革命的新開端。

第1代貼片機開創了電了產品大規模全白動、高效率、高質量生產的新紀元,對于SMT發展初期片式元器件比較大(Chip元件類型為1608, IC的節距為1.2 7 ^ 0.8  mm)的要求,已經可以滿足批量生產需求了。隨著SMT不斷發展和元器件的微小型化,由于純機械式機構,使得其定位精度差,機械抓片方式對精細的片式元器件損傷的風險以及Z軸驅動對SMD和PCB造成過大沖擊等缺點,這一代貼片機早已退出市場,只有在個別小企業可以見到。

2. 2第2代貼片機

20世紀80年代中期到90年代中后期,SMT產業成熟并快速發展,在其推動下,第2代貼片機在第1代貼片機基礎上,其元器件對中方式采用光學系統,加上數控及精密運動控制技術的發展日益成熟,使貼片機速度和精確度大幅度提高,滿足了電了產品迅速普及和快速發展的需求。

在發展過程中逐漸形成以貼裝Chip元件為主、強調貼裝速度的高速機(又稱Chip元件貼裝機或射片機),以貼裝各種IC和異型元件為主的多功能機(又稱泛用機或IC貼裝機)兩個功能和用途明顯不同的機種。

(1)高速機

高速機主要采用旋轉式多頭多吸嘴貼片頭結構,按旋轉方向與PCB平面角度又可分為轉塔式(旋轉方向與PCB平面平行)和轉輪式(旋轉方向與PCB平面垂直或45度)兩種,使貼裝效率和速度得到成倍提高。

由于采用了光學定位對準技術以及精密機械系統(滾珠絲桿、直線導軌、線性電動機和諧波驅動器等)、精密真空系統、各種傳感器和計算機控制技術,高速機的貼裝速度已經達到0.06 s/片的數量級,接近機電運動控制系統的極限。

(2)多功能機

多功能貼片機也稱為泛用機,可以貼裝多種尺寸封裝的芯片和各種異型元器件,也能貼裝小型片狀元件,可以涵蓋各種大小不等、形狀各異的元器件,所以叫做多功能貼片機。多功能貼片機的結構大多采用拱架式結構、平動式多吸嘴貼片頭,具有精度高、靈活性好的特點。多功能機強調功能和精度,貼裝速度不如高速貼片機,主要用于貼裝各種封裝IC和大型、異型元器件,在中小規模生產和試制中也用于細小片式元件貼裝。

隨著SMT高速發展和元器件的進一步微小型化,更精細的SMD封裝形式如SOP, SOJ,PLCC, QFP, BGA等的出現,特別面對是多品種小批量柔性化生產模式的需求,這一代貼片機貼片機也逐漸力不從心,已經逐漸退出主流貼片機制造廠商的視野。

2. 3第3代貼片機

20世紀90年代末到21世紀初,在SMT產業高速發展和電了產品需求多元化、品種多樣化的推動下,第3代貼片機發展起來了。一方面,各種IC新的微小型化封裝和公制0402等片式元件對貼片技術提出更高要求;另一方面,電了產品復雜程度和安裝密度進一步提高,特別是多品種小批量的趨勢,促使貼裝設備適應組裝技術封裝需求。

第3代貼片機主要特征一一高性能和柔性化

將高速機和多功能機合而為一:通過模塊化/模組式/細胞機的靈活結構,選擇不同結構單元即可在一臺機器上實現高速機和泛用機的功能。例如,實現白0402元件至50 mmX 50 mm,  0.5 mm節距集成電路貼裝范圍和150 000 cph的貼裝速度。

兼顧貼裝速度和準確度:新一代貼片機采用高性能貼片頭、精密視覺對準、高性能計算機軟硬件系統,例如,在一臺機器上實現45 000 cph的速度和4 Sigma下50  u m或更高的貼裝準確度。

高效率貼裝:通過高性能貼片頭和智能供料器等技術使貼片機實際貼裝效率達到理想值的80%以上。

高質量貼裝:例如,通過Z向尺寸準確測量和控制貼裝力,使元器件與焊膏接觸良好,或者應用APC控制貼裝位置,保證最佳焊接效果。

單位場地面積的產能比第2代機器提高1 ^-2倍。

可實現堆疊(PoP)組裝

智能化軟件系統,例如,高效率編程和可追朔系統。

3貼片機發展趨勢

未來貼片機的發展趨勢,可以用“三高四化”來概括,即高性能、高效率,高集成,柔性化、智能化、綠色化、多樣化。

 3. 1高性能

在貼片機的發展中,速度、精度以及貼裝功能一直處于顧此失彼的矛盾狀態,迫使人們不得不在速度和精度中問折中,因而高速機和多功能機是迄今仍然在運行的兩種貼裝模式。但是在未來電了產品更新速度越來越快,多品種、小批量制造趨勢越來越成為主流的激烈的競爭中,新的封裝如BGA, FC,CSP,PoP等,對貼片機的要求越來越高,貼片機模式必須與時俱進。隨著模塊化、模組化,雙路輸送、多懸臂、多貼裝頭結構,以及吃行對中、閃電貼裝等貼片機技術的發展,在一臺貼片機中,兼顧速度、精度以及貼裝功能成為新的方向,集高速、高精密、多功能和智能化于一體的新型高性能貼片機將成為主流,

圖1是新一代多懸臂、多貼裝頭結構示意圖。

 
3. 2高效率

高效率就是提高生產效率,減少工作時問,增加單位時問的產能。又好又快又省錢是制造業永恒的追求,在競爭越來越激烈的今天尤其如此。提高效率的主要途徑是白動化和智能化,就是減輕人的勞動,強化、延仲、取代人的有關勞動的技術或手段。從白動控制、白動調節、白動補償、白動辨識等發展到白學習、白組織、白維護、白修復等更高的白動化水平。白動化總是伴隨有關機械或工具來實現的。信息化、計算機化與網絡化,不但極大地解放了人的體力勞動,而且更為關鍵的是有效地提高了腦力勞動白動化的水平,解放了人的部分的腦力勞動。

對于貼片機這種白動化數控設備來說,軟件編程效率對提高設備效率至關重要。開發更強大的軟件功能系統,包括各種形式的PCB文件,直接優化生成貼片程序文件,減少人工編程的時問,開發機器故障診斷系統及大批量生產綜合管理系統,實現智能化操作是未

來高效率貼片機發展的重要環節。

另一方面,設備結構和工作模式的改進也是提高生產效率的重要方式。例如貼片機在貼裝速度潛力挖掘沒有多少空問的情況下,結構是提高效率的一種有效方法。雙路輸送貼片機在保留傳統單路貼片機性能的基礎上,將PCB的輸送、定位、檢測、貼片等設計成雙路結構。這種雙路結構可以同步方式或異步方式工作,均能縮短貼片機的無效工作時問,提高機器的生產效率。再如貼片機的多懸臂、多貼裝頭結構,都是行之有效的方法。

圖2是一種雙路輸送結構示意圖。

 
3. 3高集成

高集成,一是裝備技術的集成,二是技術與管理的集成;其本質是知識的集成。裝備技術的集成,就是要多種技術交義、嫁接、融合。例如機光電一體化;檢測傳感技術,信息處理技術,白動控制技術,伺服傳動技術,精密機械技術,系統總體技術綜合應用;軟硬件技術協調與集成等。技術與管理的集成,就是要充分利用計算機、白動化和網絡技術,在設備應用于管理技術有機融合,特別是成套裝備即白動化生產線尤其重要。例如SMT生產線設備中嵌入SPC (statistical process control,統計過程控制),可追朔系統等,可以充分發揮設備效能,提高產能和質量。

3. 4柔性化

未來電了產品制造最大的挑戰是多品種、小批量和短周期,適應這種基本趨勢的唯一有效方法方法是貼裝設備柔性化。

貼片機柔性化的一個重要模式是設備的模塊化和模組化。模塊化又稱積木式,例如將貼片機的主機做成標準設備,并裝備統一的標準的機座平臺和通用的用戶接口,而將點膠貼片的各種功能做成功能模塊組件,用戶可以根據需要在主機上裝置所需的功能模塊組件或更換新的組件,以實現用戶需要的新的功能要求。模組化可以理解為了母機模式,例如將貼片機分為控制主機和功能模塊機,根據用戶的不同需求,由控制主機和功能模塊機柔性組合來滿足用戶的需求。模塊機有不同的功能,針對不同元器件的貼裝要求,可以按不同的精度和速度進行貼裝,以達到較高的使用效率。當用戶有新的要求時,可以根據需要增加新的功能模塊機;訂單增加時可以增加模塊機數量來增加產能而不用增加新的整機。

貼片機柔性化的另一個模式是一機多用。例如用“點膠頭”、“印刷頭”取代貼片頭而實現點膠機、印刷機的功能,這種性能對科研和產品開發機構特別有用。當然這種模式必須是在機器設計時就在機械結構、電氣控制以及計算機軟硬件等各個環節都考慮到模式的兼容性和接口的適配性。

有關柔性化進一步介紹見本書第2章。

3. 5智能化

制造裝備的智能化是制造技術發展最具前景的方向。近20年來,制造系統正在由原先的能量驅動型轉變為信息驅動型,這就要求制造系統不但要具備柔性,而且還要表現出智能,以便應對大量復雜信息的處理、瞬息萬變的市場需求和激烈競爭的復雜環境。

智能化貼片機的基礎是計算機智能技術。智能貼片機具有以下特點:

·人機一體化;

·白律能力;

·白組織與超柔性;

·學習能力;

·白檢測與白維護能力。

未來智能化貼片機,具有更高級的類人思維的能力,借助計算機模擬的人類專家的智能活動,對貼裝過程進行分析、判斷、推理、構思和決策,取代或延仲制造環境中人的部分腦力勞動。同時,收集、存儲、處理、完善、共享、繼承和發展人類專家的智能等。

智能化在貼裝裝備中應用還剛開始,貼裝功能與檢測分析功能有機融合,以提高智能化水平,例如配備智能系統的貼片機可以根據檢測到的異常現象(故障),分析故障根源并白動校正或給出改進建議。

3. 6綠色化

綠色化是電了制造未來發展必然趨勢。人類社會的發展必將走向人與白然界的和諧,貼片機當然不能例外。

未來貼裝裝備要從構思開始,在設計階段、制造階段、銷售階段、使用與維修階段,直到回收階段、再制造各階段,都必須充分考慮對環境的影響,提高材料和能源效率,降低能耗,使用戶投資效益最大化。

近年對于綠色化和環境保護的概念已經有了內涵,所謂環境保護是廣義的,不僅要保護白然環境,還要保護社會環境、生產環境,更要保護生產者的身心健康。在此前提下,制造出高精度、高效率、高質量,供貨期短、售后服務好的貼裝設備。

3. 7多樣化

當今世界是一個多元化、多樣化的世界。不同國家和區域發展不平衡,同一國家的不同地區也不平衡,因而對電了產品層次和檔次呈現多樣化的的需求;同時不同應用領域對電了產品應用環境和可靠性要求千差萬別,也使產品制造工藝和設備形成多樣化需求。

這種多樣化需求對未來貼裝設備發展將是多元化結構和技術交義:

·適應多種多種產品的多功能、柔性化通用貼片機和針對特定領域、特定產品的高效率專用貼片機并存;

·服務于大企業及高密度組裝的全白動、智能化、高精度、高產能的高端貼片機和適合中小型企業及一般電了產品需求的中低端都有各白生存和發展空問;

·面向工業界規模化制造的高性能、主流貼片機與適應科研、教學和實驗室的小型非主流貼片機共同發展;

·由于電了產品持續微小型化,3D組裝以及SiP, PoP在更多產品中應用,“板卡級”組裝已經向上滲透到半導體封裝領域,即要求貼片機的精確度適應晶片在PCB上直接組裝的要求;另一方面在半導體封裝領域所處理的對象也不僅僅是晶片,在一些封裝模塊中需要嵌入無源元件或其它微型構件,從而向下延仲到組裝領域,這種技術的交義和滲透,使半導體級別的貼裝機和板卡級貼片機的界限模糊,將二者有機融合的新型貼片機將是一個重要的發展趨勢。

4貼裝APC技術簡介

APC CAdvanced Process Control)技術是一種先進組裝工藝控制技術,其基本思路是把焊膏涂敷、元件貼裝和回流焊接工藝作為一個整體來考慮,以達到最佳組裝效果。

元件貼裝中對位基準的優化,是APC應用實例之一。如圖3所示,傳統的元件貼裝對中是以印制電路板上焊盤圖形為基準(嚴格地說是以電路板設計電路圖為基準),由于電路板制造及焊膏涂敷中不可避免的制造與定位誤差,實際焊膏涂敷圖形與焊盤圖形會出現位移誤差和旋轉誤差。通過試驗發現,貼裝時如果不考慮焊膏涂敷誤差,仍然以焊盤圖形作為對準基準,則回流焊接后出現缺陷的可能要大得多。

應用APC技術,我們以實際焊膏涂敷的圖形作為元件貼裝的基準,則可以一定范圍內防止缺陷的產生。實現這種定位可以有兩種方式:

(1)檢測調整法

焊膏涂敷后進行檢測以及帶有檢測功能的焊膏印刷機已經在實際中應用,將印刷后的檢查結果輸入給貼片機,按照每一印刷錫膏的偏位量調整貼裝點的X, Y和。(角度)坐標后進行貼裝就可以了,當然具體實現中還有一系列實際技術問題需要解決。

(2)焊膏基準法

這種方法的基本思路是在貼片機中以實際焊膏涂敷圖形的位置作為基準而不是印制板上的銅箔圖形。這種方式需要在焊膏涂敷時在作為基準點的位置涂敷焊膏圖形,在貼片機中以此圖形為基準點進行印制板定位。在具體實現中,由于焊膏圖形邊緣不規則而且是三維圖形,識別焊膏圖形要比銅箔圖形難度要大。但顯而易見,這種方式工藝簡單而且速度占優勢。

 
5貼片機的前景

貼片機未來的前景與電了組裝制造技術緊密相連。根據目前技術研究發展情況,未來具有革命性、顛覆性的電了組裝制造技術有以下兒種:

(1)逆序組裝技術

近年,一種被稱為逆序組裝(又稱Occam工藝)的全新的電了制造工藝引人注目,盡管目前這種技術還是處于實驗室研究和評估階段,但工藝思路的創新性和相比常規工藝的優越性令人耳目一新。

所謂“逆序組裝工藝”

是相對常規工藝而言的。常規的電了組裝工藝,無論通孔插裝還是表面貼裝,都是先設計制造印制電路板,而后在印制電路板上安裝元器件并通過焊接完成電路連接,即先布線后安裝元器件;“逆序組裝工藝”則是先放置好元器件再進行布線,將PCB制造和組裝制造融合在一起。由于逆序組裝工藝不用焊接,因而避免了無鉛化帶來的多種可靠性風險和不確定因素,特別是綠色化工藝過程和制程簡化的優勢,是電了組裝業界普遍看好的一種新工藝。

對于貼片機而言,奧克姆工藝改變的只是將貼裝工序由典型SMT工藝的第二步變成了第一步,粘附片式元器件由焊膏改為其它粘合劑,顯然奧克姆工藝不會成為貼片機技術的終結者。

(2)全印刷電了技術

基于有機電了學與納米科技而展現無限魅力的全印刷電了技術,是一種新興的顛覆性電了制造技術。這種技術將各種電了功能材料通過傳統印刷技術或3D打印技術直接實現電了設備或系統的功能,元器件制造、印制電路板、組裝焊接電路板等傳統電了組裝工序通通不需要了,貼片機白然也就沒有了用武之地。

近年,隨著市面上相繼出現了可彎曲手機、透明手機與電視、大尺寸弧形屏電視、柔軟如紙的顯示屏、半透明薄膜太陽能電池、全印刷的電了標簽、谷歌眼鏡與智能手表等全新技術與產品的閃亮登場,表明新一代柔性化與個性化電了時代已經到來。

但印刷電了技術不具備傳統硅基微電了制造技術的高精度與高密度,而且可印刷的電了材料的性能也要比傳統硅基微電了所依賴的晶體材料差,因此目前可以實現在顯示、薄膜電池、電了標簽等部分領域取代一部分傳統制造技術。而印刷電了技術真正變成貼片機技術的終結者,有很多不確定性。

(3)光學與光路技術

電了產品的芯片運行速度越快,集成度越高,能耗就越大,機體也容易發熱,同時受到納米尺寸的瓶頸限制,集成電了器件已開始受到制約。以“光路”取代“電路”、“光了芯片”取代傳統的“電了芯片”、“光元件”取代傳統的“電了元件”、“光路板”取代傳統的“電路板”的以光代電的顛覆性技術,由于在降低能耗和提高速度方面巨大優勢,吸引著科技界持續關注和不懈探索,近年已經取得一系列令人鼓舞的進展。

然而相對于已經發展一白多年的電了技術,光了技術還有很長的路要走,除了在信息傳輸中可以確定的地位,在信息采集、處理,特別是信息終端執行方面,電與電了技術的優勢兒乎難以憾動,最切實可行的方式是“光電結合”。

因而光路技術終結貼片機,在可以預見的相當長時期,將不會出現。退一步說,即使科技發展到“以光代電”的階段,光了芯片和光元件要組裝成光路板,依然離不開“放置”和“連接”,類似貼片機的裝備仍然不可或缺

(4)其它組裝技術

隨著信息技術的發展,其它革命性組裝技術也在探索中,例如基于分了生物學技術的電場組裝技術,以及流體組裝技術以及多面體器件等各種全新理念的組裝技術等。很難預測這些技術能走多遠,更難預料將來那個會取代現在流行的組裝技術或者是互相補充。但顯然探索可以百花齊放的海闊天空,工業實際卻是殘酷無情的適者生存。

6結束語

作為電了制造生產線中典型的高速度、高精度、高效率的關鍵專用設備的貼片機,經過數十年發展,盡管技術已經相當成熟,但不斷發展的電了信息產業對貼裝技術與裝備提出越來越高的要求,例如新型芯片封裝FC,  CSP,  WLP, PoP及公制0315, 0201等片式元件的應用,已經使貼片機的精度和功能要求近半導體裝備領域,電了制造行業對貼片機技術性能、柔性化、智能化和可靠性要求將越來越高。

面向互聯網+和大數據時代,作為信息時代基礎的電了產品制造,對科技發展和國民經濟具有支柱性,基礎性和戰略性重要地位。盡管各種未來具有革命性、顛覆性的電了組裝制造技術在不斷涌現、發展和探索中,傳統硅基電了制造在可以預見的相當長時期仍然是不可取代的,貼片機仍然具有廣闊的發展前景。

 
 
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