贴片工艺

第三章贴片通用工艺“PickandPlace”第一节贴片机工艺特性•贴片机的基本组成基座元器件送料器PCB承载机构贴装头对中检测装置驱动系统计算机控制系统•贴装头及其组成贴装头是贴装机上最复杂和最关键的部件，和供料器一起决定着贴装机的贴装能力。•贴装头分类1无定心爪式贴装头：只有一个真空吸嘴，结构简单，操作过程对元器件不会有损伤，适用范围广。2带有机械定心爪的贴装头：由主轴、真空吸嘴、定心爪驱动部件和传感器等部件组成。3自定心贴装头采用一对钳形定心机构给元器件定位。贴片机技术参数•PCB尺寸•贴片速度•贴片精度•标准8mm供料器数量•贴装元器件类型/尺寸•机器动力参数•几何尺寸及质量、外形最大尺寸与机器总质量贴片精度•表征贴片机的一项重要指标。•指贴片机X、Y导轨运动的机械精度和Z轴旋转精度。定位精度（PlacementAccuracy）重复精度（Replaceability）分辨率（Resolution）1定位精度•定位精度指实际贴片位置与设定贴片位置的偏差。定位精度例：QFP240，引脚间距0.5mm，假设器件仅有平面Δθ误差，引脚宽0.25mm、长1mm，焊盘宽0.25mm、长2mm，则当Δθ为0.525°时，它在极限位置所产生的误差如图所示。ΔX＝H×tanθ=18.5×tan0.525°=0.17mm重复精度•重复精度是描述贴片机重复地返回设定贴片位置的能力。GB10931-89数字机床精度评定方法规定单向趋近时，为在同样条件下对某给定点多次趋近得出以平均位置X为中心的离散度。双向趋近时，为在同样条件下，正负方向对某给定点多次趋近所得曲线叠加后以平均位置X为中心的离散度，并以±3σ表示。分辨率•分辨率是指贴片机机械位移的最小当量。•它取决于伺服马达和轴驱动机构上的旋转或线性编码器的分辨率，即贴片机所采取的实现高精度贴片的手段。3种精度之间的关系2速度通常贴片机样本中提供的贴片速度仅是理论上的速度，市场价在理想条件下测算出的。这与使用时的实际速度有一定的差距，因为在实际生产中应考虑辅助时间。•PCB装卸时间•PCB尺寸较大时的影响•换料时间•机器维修保养时间•不可预测的停机时间3适应性适应性是贴片机适应不同贴装要求的能力。适应性包括以下内容：（1）能贴装元器件的类型（2）贴装机能容纳的供料器数目和类型（3）贴装机的调整：贴装机的再编程、供料器的更换、PCB传送机构和定位工作台的调整、贴装头的调整/更换等贴片机的编程•贴片程序由拾片程序和贴片程序两部分组成。•拾片程序就是告诉机器到哪里去拾片、拾什么样的元件、元件的包装是什么样的等信息。其内容包括：每一步的元件名、每一步拾片的X、Y和转角θ的偏移量、供料器料站位置、供料器的类型、拾片高度、抛料位置、是否跳步等。•贴片程序就是告诉机器把元件贴到哪里、贴片的角度、贴片的高度等信息。其内容包括：每一步的元件名、说明、每一步的X、Y坐标和转角θ、贴片的高度是否需要修正、用第几号贴片头贴片、是否同时贴片、是否跳步等，贴片程序中还包括PCB和局部Mark的X、Y坐标信息等。•编程的方法有离线编程和在线编程两种方法。离线编程•离线编程是指利用离线编程软件和PCB的CAD设计文件在计算机上进行编制贴片程序的工作。•离线编程软件一般由两部分组成：CAD转换软件和自动编程并优化软件。•离线编程的步骤：PCB程序数据编辑→自动编程优化并编辑→将数据输入设备→在贴片机上对优化好的产品程序进行编辑→校对检查并备份贴片程序。贴片机视觉系统•采用视觉系统的原因要精确地贴装细间距元器件，需要考虑：（1）PCB定位误差（2）元器件定心误差（3）机器本身的运动误差贴片机视觉系统•机器视觉系统的原理机器视觉系统是以计算机为主体的图像观察、识别和分析系统，主要采用摄像机作为计算机感觉图像的传感部件。贴片机视觉系统•CCD的分辨率在机器视觉系统中采用两种分辨率：灰度分辨率和空间分辨率。灰度分辨率是利用图像多级亮度来表示分辨率的方法。空间分辨率是指CCD分辨精度的能力，通常用像素来表示。贴片机视觉系统•视觉系统的精度通常在高分辨率的场合下，CCD能见到的视野较小，而大视野的情况下则分辨率较低。在高速/高精度贴片机中装有两种不同视野的CCD，处理高分辨率采用小视野CCD，在处理大器件时采用大视野的CCD。例如：松下MSR高速机小视野CCD视场为6mm×6mm，25万像素，分辨率12.5微米；大视野CCD视场为36mm×36mm，100万像素，分辨率41微米；贴片机视觉系统•机器视觉系统的构成机器视觉系统由视觉硬件和视觉软件两大部分组成。贴片机视觉系统•视觉系统在贴片机中的作用（1）PCB的精确定位PCBMark：用来修正PCB加工误差的。局部Mark：多引脚窄间距的器件，贴装精度要求非常高，靠PCBMark不能满足定位要求，需要采用2-4个局部Mark单独定位，以保证单个器件的贴装精度。贴片机视觉系统•视觉系统在贴片机中的作用（2）器件定心和对准原因：器件中心与器件引线的中心不重合和定心机构的误差。方法：在定心台上对器件定心借助局部MARK定心比较引线与焊盘图形贴片机视觉系统•视觉系统在贴片机中的作用（3）器件检测细间距器件引线的变形是导致贴装误差和贴装可靠性下降的重要原因。检测内容：引线有无弯曲和搭接，引线的共面性贴装元器件的工艺要求①各装配位号元器件的类型、型号、标称值和极性等特征标记要符合产品装配图和明细表的要求。②贴装好的元器件要完好无损。③贴装元器件焊端或引脚浸入焊膏的厚度要不小于1/2。④元器件的端头或引脚应与焊盘图形对齐、居中。保证贴装质量的三要素（1）元件正确要求各装配位号元器件的类型、型号、标称值和极性等特征标记要符合产品装配图和明细表的要求，不能贴错位置。保证贴装质量的三要素（2）位置准确元器件的端头或引脚应与焊盘图形对齐、居中，确保元件焊端接触焊膏图形。元器件贴装位置应满足工艺要求。正确不正确保证贴装质量的三要素（3）压力（贴片高度）合适第二节影响准确贴装的主要原因•SMD贴装准确度分析•贴片机的影响因素•坐标读数的影响•准确贴装的检测SMD在PCB上的贴装准确度取决于许多因素，主要包括:PCB设计加工SMD的封装形式贴片机传动系统定位偏差SMD贴装准确度分析SMD引脚需与PCB焊盘尺寸匹配，如果器件引脚与焊盘的偏差超出技术标准允许范围，即会造成电路组件焊接缺陷或故障。1．引脚与焊盘图形的匹配性贴装吸嘴从喂料器吸持器件后移到贴装区，在PCB二维平面上方对准焊盘完成SMD的贴装。器件的对准定位有X、Y、θ3个自由度。X轴坐标位置——PCB装载在贴片机传送机构上，器件中心与PCB焊盘中心线的相对坐标位置。Y轴坐标位置——与X轴正交，器件中心线与PCB焊盘中心线的相对坐标位置。θ角——器件与PCB焊盘的相对角度位置。2．贴装吸嘴与焊盘的对称性•实际生产中的贴片精度是指器件引脚与对应的焊盘两者对位的偏差程度。•贴片机贴片精度除了自身的重复精度以外，还应包括PCB/焊盘定位误差、焊盘尺寸误差、PCB光绘误差以及片式元器件制造误差。•采用数理统计的方法，即以贴片质量的特征分布描述贴片机的贴片精度，用平均值(μ)与标准偏差(σ)来表征3．实际生产中的贴片精度在PCB标准测试样板上重复贴装100个0805样本器件，沿X轴向测贴装位置偏差。从数据中找出最大、最小偏差(Lmax=300.0，Smin＝200.0)，数据(L，S)称为数据的散布范围，记作B，采集数据在B内变动，B＝(300，200)。将100个数据分为10个组，组距为10μm。•所谓过程能力指数，是当过程处于正常状态时，所表示出的保证产品质量的能力，并以数值定量的表达出来。•贴片机过程能力指数的数学表达式：4．贴片机的过程能力指数CP/CPK•过程能力指数Cp是指分布中心μ和公差中心重合(即μ＝Tm)，此时过程无偏移，若分布中心与公差中心不重合，出现偏移量，此时应对过程能力指数的计算进行修正，修正后的过程能力指数记为Cpk，其表达式为：4．贴片机的过程能力指数CP/CPK•贴片机XY轴传动系统的结构•XY坐标轴向平移传动误差•XY位移检测装置•贴装机的结构可靠性•贴装速度对贴装准确度的影响贴片机的影响因素•常见的传动结构形式有3种：1．贴片机XY轴传动系统的结构坐标导轨的定位精度主要有3个部分：步距精度导轨移动的直线性XY轴导轨移动的垂直度非线性误差产生的原因：导轨的非线性两导轨的非平行性驱动机构与线性电机的非线性2．XY坐标轴向平移传动误差•XY位移检测装置基本工作过程为：测量贴装头（PCB承载平台）XY平移运动的位置，由位移传感器将采集到的XY轴向位置运动误差数据，输入传动伺服系统，将与程序设定数据比较得到差值信号放大，调整驱动电机消除误差。•贴装机上使用的位移传感器主要有；圆光栅编码器、磁栅尺、光栅尺。3．XY位移检测装置•贴装机应具有优良的结构可靠件，以及传动系统的高稳定性和高分辨率，抗振动性能是不容轻视的问题。一台抗振性强的贴片机与其结构的刚度密切相关。•贴装机安装条件是一个重要因素，地基代表贴装机末端条件(边界条件)，其刚度或阻尼的任何变化或多或少地影响到贴片机发生振动的趋势。•对于同样的安装基础，地脚螺钉的配置和紧固状态也会影响贴装机的动态刚度，因此改善贴装机与地基之间的联接刚度，贴装机的动态刚度将随之提高，抗振性能也就越好。4．贴装机的结构可靠性•高的贴装速度会损失贴装准确度。•大尺寸器件贴装时，大多数贴片机会降低贴装速度进行贴装，以保证贴装的准确性。•片式器件要求的准确度相对较低，可以在高速条件下进行贴装。5．贴装速度对贴装准确度的影响•自动贴片机按照程序把元器件贴放在PCB的目标位置上。•为了确保这些位置精确地与PCB焊盘图形的位置相对应，PCB焊盘图形和元器件(包括引线)的有关信息必须寄存在机器的坐标系统中。坐标读数的影响•为了进行精确定位，根据不同的精度要求，采用几种不同的方法把PCB的位置特征寄存在贴装机的坐标系统中。一般采用的方法有：(1)寄存PCB边缘。(2)寄存加工孔。(3)PCB级视觉对准。1．PCB对准标志仅据供料器提供的元器件大致取向定心对于精确定位是不够的，所以贴装工具拾取元器件之后必须进行元器件定心。可以根据贴装精度的实际要求选择采用机械定心爪、定心工件台或光学对准系统进行元器件定心。2．元器件定心•元器件检测•贴装准确度的检测准确贴装的检测•贴装机以高度自动化的方式在PCB上快速贴装大量SMC/SMD。为了确保SMA的可靠性，不容许有缺陷的元器件贴装到PCB上。所以在贴装时要求贴装机自动地对贴装的元器件进行检测并纠正可能有的缺陷。•元器件检测主要有3项基本内容：元器件有/无机械检测电气检测1．元器件检测•大尺寸多引脚器件贴装准确度要求比较高，尤其对于精细间距引脚QFP器件，至关紧要的是贴装机必须具有最高的精度。•对贴装准确度高的器件，大多数情况是采用模拟实际器件的贴装过程，一般是使用玻璃仿真器件及PCB样板进行测量，可达到良好的测试效果。2．贴装准确度的测量方法玻璃仿真器件样本外形尺寸略微大于正式器件标称值，在其背面采用真空薄膜工艺沉积金属层，光刻制作器件引脚轮廓投影。在玻璃板平面上制作基准标志与贴装焊盘位置的轮廓投影图形。在贴装焊盘上喷涂粘结剂或粘贴双面胶带，应尽可能避免视差对测量数据产生不利影响。(1)多引脚器件贴装准确度的测量每个样本器件测量4次：样本器件顶面引脚图形与玻璃板焊盘图形的相对偏差样本器件底面引脚图形与玻璃板焊盘图形的相对偏差样本器件左侧引脚图形与玻璃板焊盘图形的相对偏差样本器件右侧引脚图形与玻璃板焊盘图形的相对偏差(1)多引脚器件贴装准确度的测量顶面/底面偏差平均值——X轴向偏差；左侧/右侧偏差平均值——y轴向偏差；顶面与底面偏差的差值——样本与焊盘图形的相对转动角偏差。•贴装片式器件，贴装准确度的测量最常用的方法是采用实际器件直接在印有坐标栅格的基板表面进行贴装测量，删格交点的坐标值由基板的基准标志确定。(2)片式器件贴装准确度的测量