硕士论文-集成电路板锡膏印刷机现场总线系统应用

上海交通大学硕士学位论文集成电路板锡膏印刷机现场总线系统应用姓名：夏明伟申请学位级别：硕士专业：控制工程指导教师：韩兵;黄雄哲20091105上海交通大学工程硕士学位论文摘要第I页集成电路板锡膏印刷机现场总线系统应用摘要随着电子产品向微型化、便携式、网络化和多媒体方向迅速发展，SMT(SurfaceMountTechnology表面贴装技术)在电子工业中正得到越来越广泛的应用，并且在许多领域部分或全部取代了传统电子装配技术，SMT的出现使传统电子装配技术发生了根本的、革命性的变革。同时,工业控制领域越来越成熟的现场总线通信技术的发展，使得SMT装备设备的控制方式也发生了改变。例如，集成电路板锡膏印刷机，为了简化结构、增加可靠性、提高整体性能，CAN总线控制系统取代了传统DCS控制系统的锡膏印刷机。由于表面贴装技术在国外发展的比较早，技术成熟，所以这方面的自动化设备几乎都是国外生产的。所以我研究这台锡膏印刷机，对于国产此种设备提供一定的依据。本课题从现有的CAN总线控制系统的锡膏印刷机入手，分析了锡膏印刷机这一个多传感器多运动机构的复杂控制设备，对设备中使用的传感器和马达进行了分析和总结，并通过对比常规DCS控制系统，研究了基于CAN总线的锡膏印刷机FCS控制系统。与传统的锡膏印刷机控制结构相比，CAN总线锡膏印刷机的控制系统机构减少了硬件配线，易于系统的模块化实现和故障诊断。CAN总线在保证锡膏印刷机系统可靠性的同时，提高了设备精度，降低了成本，具有重要的应用价值。关键字：锡膏印刷机，CAN总线，CANopen，DCS，FCS，SMT上海交通大学工程硕士学位论文ABSTRACT第II页ApplicationsofFieldbusControlSystemfortheIntegratedCircuitBoardPastePrinterABSTRACTWiththeminiaturization,portability,networkingandmiltimediaofelectronicproduct，SMThasbecomemoreandmorepopularinelectronicindustry,andittakestheplaceofthetraditionalelectronicassemblytechnologypartiallyorwholly.SMThasrevolutionizedthetraditionalelectronicassemblytechnology.Atthesametime,withthedevelopmentofthefieldbusintheindustryautomationfield,thecontrolmodeofSMTequipmenthasalsochanged.Forexample,theintegratedcircuitboardpasteprinter,thecontrolsystemwithCANbushastooktheplaceofonewiththetraditionaldistributioncontrolsystemforsimplifyingcontrolstructure,improvingreliability,boostingoverallperformance.Thispaperanalysesthecontrolsystemmechanismofthepasteprinter,andinvestigatesthefieldbuscontrolsystemofthepasteprinterbasedonCANbus.ThepasteprintercontrolsystembasedonCANbushaslowerwiringthanthecontrolsystemofthetraditionalpasteprinter,itwillbeeasytorealizethesystemmoduleandtroubleshooting.TheCANbuscanensurethesystemreliability,improvesthesystemprecisionandreducesthecostofthepasteprinter,soithastheimportantfunctionalvalue.Keywords:PastePrinter,CANBus,CANopen,DCS（DistributionControlSystem）,FCS（FieldbusControlSystem）,SMT（SurfaceMountTechnology）上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论第1页第一章绪论1.1引言近年来，随着全球个人电脑和个人电子产品的不断普及，需求也不断增大。电子制造业已经超过其它任何行业，成为当今第一大产业。在20世纪70年代末中国改革开放之时，正是全球个人消费类电子产品的初期，中国的崛起加速的全球消费类电子产品的快速普及。短短十余年，中国就成为全球昀大的电子产品制造基地[1][2]。电子制造是从硅片制备到产品成型的实现过程。一个电子产品的制造过程大致如图1-1所示。其中，把元器件安装到集成电路板（PCB,PrintCircuitBoard）上有两中方式：通孔安装技术（THT，ThroughHoleTechnology）和表面贴装技术（SMT，SurfaceMountingTechnology）。SMT的优点非常突出，已成为电子生产领域里的主流技术。图1-1电子产品的物理实现过程Fig.1-1PhysicalAchievementProcessofElectronicProducts表面贴装技术是新一代电子组装技术,它将传统的电子元器件压缩成为体积只有几十分之一的器件,从而实现了电子产品组装的高密度、高可靠、小型化、低成本，以及生产的自动化。将这些元器件装配到PCB上的工艺方法称为SMT工艺[1][2]。相关的组装设备则称为SMT设备。1.2表面贴装技术介绍及国内外现状表面贴装技术是将表面贴装元器件贴装焊接到PCB表面规定位置上的电路板卡制造技术。具产品接插件、导线连接等通孔安装，表面贴装引线键合，倒装芯片等半导体工艺晶片元器件单晶硅片板卡上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论第2页体过程可分为锡膏印刷、贴片和回流焊三个步骤。首先在PCB焊盘上印刷锡膏，再将表面贴装元器件准确地放到印有锡膏的焊盘上，通过整体加热（回流焊）使得锡膏中的锡熔化、助焊剂挥发，冷却后就在元器件引脚与焊盘之间形成了焊点，完成元器件与PCB的互连。1.2.1表面贴装技术的优点(1)贴装密度高表面贴装元器件（SMC/SMD,SurfaceMountComponent/SurfaceMountDevice）与传统通空插装元器件相比，所占面积和重量都大为减少。一般来说，采用SMT可使电子产品体积缩小60%～70%，重量减轻90%以上。通孔安装技术元器件，它们按2.54mm网格安装元件，而SMT贴装元件网格从1.27mm发展到了目前的0.63mm网格，个别达0.5mm网格的安装元件，密度更高。例如一个64引脚的双列直插(DIP)集成块，它的贴装面积为25mmx75mm，而同样引脚采用引线间距为0.63mm的方形扁平封装集成块(QFP)，它的贴装面积为12mmx12mm[1][2]。(2)可靠性高由于片式元器件的可靠性高，器件小而轻，故抗震动能力强，自动化生产程度高。贴装可靠性高，一般不良焊点率小于百万分之十，比通孔插元件波峰焊接技术低一个数大连理工大学硕士学位论文量级，用SM1，贴装的电子产品平均无故障时间(MTBF)为25万小时，目前几乎有90%的电子产品采用SMT工艺[1][2]。(3)高频特性好由于片式元器件贴装牢固，器件通常为无引线或短引线，降低了寄生电感和寄生电容的影响，提高了电路的高频特性。采用SMC及SMD设计的电路昀高频率达3GHz,而采用通孔元件仅为500MHz。采用SMT也可缩短传输延迟时间，可用于时钟频率为16MHz以上的电路。若使用多芯片模块MCM技术，计算机工作站的高端时钟频率可达l00MHz，由寄生电抗引起的附加功耗可降低2至3倍。(4)成本低①印制板使用面积减小，面积为采用通孔技术面积的1/12，若采用CSP安装，则其面积还可大幅度下降;②印制板上钻孔数量减少，节约返修费用;⑧频率特性提高，减少了电路调试费用:④片式元器件体积小、重量轻，减少了包装、运输和储存费用;⑤片式之器件(SMC/SMD)发展快，成本迅速下降，一个片式电阻己同通孔电阻价格相当，约0.3美分，合2分人民币。(5)便于自动化生产目前穿孔安装印制板要实现完全自动化，还需扩大40%原印制板面积，这样才能使自动插件的插装头将元件插入，若没有足够的空间间隙，将碰坏零件。而自动贴片机采用真空吸嘴吸放元件，真空吸嘴小于元件外形，可提高安装密度。事实上小元件及细间FEQFP器件均采用自动贴片机进行生产，以实现全线自动化生产。当然，SMT大生产也存在一些问题，如:上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论第3页①元器件上的标称数值看不清，维修工作困难;②维修调换器件困难，并需专用工具:③元器件与印制板之间热膨胀系数(CTE)一致性差。随着专用拆装设备及新型的低膨胀系数印制板的出现，它们已不再成为阻碍SMT深入发展的障碍[1][2]。1.2.2SMT的基本工艺流程表面贴装技术是一组技术密集、知识密集的技术群，涉及到元器件封装、电路基板技术、印刷技术、自动控制技术、软钎焊技术、物理、化工、新型材料等多种专业和学科。在设备方面，如贴片机，多为从国外引进，近年来又引进柔性好适应面宽的设备，这些设备都采用计算机控制，由计算机、图像识别系统、传感器、伺服系统组成控制系统，涉及计算机控制理论、图像识别等多种学科知识。一般贴片机采用焊接结构为基础机架，采用大量精密灵敏组件如滚动丝杆、滑动直线导轨、磁性流体阻尼器件等，巧妙地组装上气动系统、真空系统和电气控制，与机械式凸轮分配轴系统相结合，广泛采用同步带传动，涉及到机械学的各个领域。中、高速贴片机运行速度快，振动频率高，一旦紧固松动、传感器移位、结构件错位、任何一个电接触浮动都会导致设备不能正常运行.事故原因需从机、电、光几个方面寻找，故要求SMT人员机电并通，具有丰富的机电一体化学科知识。在新型材料方面，焊膏和胶水都是触变性质流体，它们引起的缺陷占SMT总缺陷的60%,熟练掌握这些材料知识才能保证SMT质量。SMT还涉及多种装联工艺，如印刷工艺、点胶工艺、贴放工艺、固化工艺，只要其中任一环节工艺参数漂移，就会导致不良品产生[1]。SMT生产线装备主要包括锡膏印刷机、点胶机、贴片机、回流焊炉和质量检测装置。其主要工艺流程如下:PCB锡膏印刷—锡膏印刷质量检测—元件贴装点胶一一点胶质量检测—元件贴装—贴装质量检测—热风回流焊接—焊接质量检测-PCB性能检测。SMT工艺有两类昀基本的工艺流程，一类是锡膏一再流焊工艺，即单纯的THT工艺；另一类是贴片一波峰焊工艺，即单纯的SMT工艺。在实际生产中，应根据所用元器件和生产装备的类型以及产品的需求，选择单独进行或者重复、混合使用，以满足不同产品生产的需要。现将基本的工艺流程图示如下:（1）单面组装工艺图1-2单面组装工艺Fig1-2ProcessofSingle-SideAssembly上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论第4页（2）单面混装工艺单面元器件混装工艺流程是比较常见的工艺流程，如图1-3所示。一般先在电路板上印刷锡膏，在贴装SMC/SMD，再利用回焊炉焊接好，然后插上穿孔元器件通过波峰焊焊接好。该工艺操作简单，但组装密度相对较低。典型产品有VCD/DVD解码板、电脑服务器主机板等。图1-3单面混装工艺Fig1-3ProcessofSingle-SideMulti-assembly（3）双面组装工艺图1-4双面组装工艺Fig1-4ProcessofDouble-SideAssembly（4）双面混装工艺双面元