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第8章贴装设备与贴装技术•贴装设备主要是指贴片机--是一种将元器件快速、准确组装到PCB指定位置的机器。•相应的技术就是贴装技术。与之相适应的工艺方法称为SMT贴装工艺。8.2贴片机的分类贴片机按速度分类可分为：低速贴片机（贴片速度4500片/h)，中速贴片机（4500片/h贴片速度9000片/h),高速贴片机（9000片/h贴片速度40000片/h)，超高速贴片机（贴片速度大于40000片/h）。贴片机按功能分类可分为：1.单功能机：主要是贴片式元件为主体的高速/超高速贴片机。2.多功能机：主要贴装大型器件和异型器件的贴片机。外形如图8-1所示。按自动化程度来分类，贴片机还可以分为全自动贴片机、半自动贴片机和手动贴片机三种。1、全自动贴片机：目前大部分的贴片机都是全自动机电一体化贴片机，如在前面所描述的各种速度和各种功能的贴片机，都是全自动贴片机。2、半自动贴片机：半自动贴片机采用人工上下线路板和人工贴片位置调校，吸料和贴装的动作则可自动完成。这类贴片机只能同时贴装很少的元件，如有更多元件需要再调校则不适应。这种贴片机只适合一些研发结构用来做样板。3、手动贴片机：该类贴片机需要操作人员将贴片头移至元器件的上方，元件便会自动被真空吸嘴吸起，然后把贴片头移动到线路板相应焊盘上，旋转贴片头，对好位置，把贴片头向下简单一按，同时脚踩脚踏开关，真空关闭，完成这个元器件的贴装。按结构形式大致可分为四种类型：过顶动臂拱架型，又称笛卡尔型贴片机、转塔型系统贴片机、复合式贴片机、大规模平行系统贴片机。1、动臂拱架型贴片机具有较大的灵活性和较高的贴片精度，PCB在贴装前已经被上板机构粗定位到贴装位置，其精确位置通过下照视觉系统获得，贴装头沿X和Y方向的轴梁运动到送料器处，吸取元件而后将元件移动到上照视觉系统处进行元件位置和缺陷检查，在移动到贴装位置的过程中对位置偏差进行校正，最后完成贴装。2、转塔型贴片机在其精密旋转主轴周围安装有一系列的贴装头如图8-4所示，PCB和贴装元件的视觉检查过程与过顶动臂拱架型系统相同，由于对各贴片头的运行、等待、元件检查等动作时间做了优化，充分发挥了多头贴装的效率，因而能达到相当高的贴装速度，通常为20000~50000chip/h。3、复合式机器是从动臂式机器发展而来，它集合了转盘式和动臂式的特点，在动臂上安装有转盘，像Simens的Siplace80S系列贴片机，有两个带有12个吸嘴的转盘。由于复合式机器可通过增加动臂数量来提高速度，具有较大灵活性，因此它的发展前景被看好，如Simens最新推出的HS-50机器就安装有4个这样的旋转头，贴装速度可达每小时5万片。4、大规模并行系统贴片机，是由一系列小型独立贴片机组成，各独立贴片机有各自的定位系统和视觉检查用摄相机，各自有自己的位置移动系统和贴装头，有数量不等的帯式供料器为独立贴片机供料，它们各自独立运行，每个独立贴片机负责贴装PCB的局部区域或多块电路板分区贴装，PCB以固定的间隔时间在机器内推进，虽然单个贴片机速度不高，但多个独立贴片机连续同时工作也可以达到50000~100000（chip/h）非常高的效率，甚至可以更高，这种机型的特点是对单台机器的要求并不高，运行过程中发热量不大，吸嘴磨损小。8.3贴片机的结构•目前，贴片的品种达近百种之多，但无论是何种贴片机，它总体结构基本相同，大体均可分为机架、PCB传送机构与定位装置、贴片头的运动控制及定位系统、气动系统、电力伺服系统、贴片头装置、视觉定位系统、传感器装置、供料器、计算机控制系统等，图8-5所示为SIEMENS贴片机的结构图机架是贴片机的支承部分，贴片机所有的部件如工作台、传动装置、定位系统、贴片头、送料器等均固定在其上，因此机架应有足够的强度和良好的刚性。目前贴片机的机架，有两大类型。1、整体铸造式：整体铸造的机架具有整体性强、刚性好、整个机架铸造后经时效处理后，变形微小，消震性好、价格低廉的特点，一般贴片机多采用此类结构。2、钢板焊接式：这类机架由各种规格的钢板根据需要焊接而成,再经时效处理以减少应力变形.它的整体性比整体铸造低一点,缺乏消震性，但具有加工简单,生产周期短的特点。焊接式机架一般用于试制产品。传送机构的作用是将需要贴片的PCB送到预定位置,贴片完成后再将SMA送至下道工序。线路板由上端传送轨道送入机器的载入轨道，再送入工作台被定位并夹紧。之后工作台根据需要作X、Y方向的移动从而实现不同坐标元件的贴装。当元件贴装完毕后，线路板由工作台送至送出轨道和下端传送轨道。8.3.1贴片头的运动控制及定位系统•贴片头的运动控制包括水平方向和Z轴方向垂直运动的控制，如何控制贴片头精确地运动到预定的地点，实现精确定位，是贴片头的运动控制系统及定位系统的基本功能。水平运动一般分为X、Y两个方向，Z轴只有上下一个方向，其伺服与定位，通常由传动和定位系统构成。X，Y传动机构主要有两大类，一类是滚珠丝杠--直线导轨，另一类是同步齿形带—直线导轨。1、滚珠丝杠—直线导轨滚珠丝杠—直线导轨的结构如图8-7所示，贴片头固定在滚珠螺母基座和对应的直线导轨上方的基座上，马达工作时，带动螺母做X方向往复运动，有导向的直线导轨支承，保证运动方向平行，X轴在两平行滚珠丝杠--直线导轨上做Y方向移动，从而实现了贴片头在X-Y方向正交平行移动。2、同步带—直线轴承驱动同步带是一种兼有链、齿轮、三角胶带优点的传动装置。兼有链、齿轮、三角胶带传动的优点，于1940年由美国尤尼罗尔(Unirayal)橡胶公司首先加以开发。1946年辛加公司把同步带用于缝纫机针和缠线管的同步传动上，现引用到贴片机的传动上。X-Y定位控制系统：随着组装精度的不断提高，对贴片机贴装精度的要求越来越高，对X-Y定位系统的要求也越来越高。而X-Y定位系统是由X-Y伺服系统来保证，即上述的滚珠丝杠—直线导轨及齿形带—直线导轨，是由交流伺服电机驱动，并在位移传感器及控制系统指挥下实现精确定位，因此位移传感器的精度起着关键作用。目前，贴片机上使用的位移传感器主要有圆光栅编码器、光栅尺和磁栅尺。8.3.2贴片机视觉对中系统及工作原理•贴片机在吸取元件后，要将元件的中心与贴片头的主轴的中心线保持一致，一实现精确贴装。最早贴片机的元件“对中”是用机械方法来实现的，机械“对中”方法动作慢，速度受到限制。同时，元件受机械力的作用也容易损坏，不易保持贴片质量。目前大部分贴片机采用的都是数字化的视觉系统。贴片机视觉系统包括硬件系统和软件系统两大部分。1、硬件系统包括图像获取单元、图像处理单元、图像存储单元和图像处理结果输出单元等。2、软件系统包括人机交互界面、标准元件数据库、图像预处理模块、图像处理模块和图像输出模块等。数字图像处理是一门跨学科的前沿科学技术，简单地说，数字图像处理就是把需处理的模拟图像数字化，再经过计算机对离散的数据进行一系列有目的处理计算，最后输出为人们需要的处理结果。数字图像处理系统的结构如图8-9所示。高性能贴片机都是采用视觉对中系统进行定位。视觉对中系统运用数字图像处理技术，当贴片头上的吸嘴吸取元器件后，在移到贴片位置的过程中，由固定在贴片头上或固定在机身某个位置上的摄像机对元件进行数据采集，即获取元件图像。固态摄像机的主要部分是一块集成电路，集成电路芯片上制作有许多细小精密光敏元件组成的电荷耦合器件阵列，每个光敏探测元件输出的电信号与被观察目标上相应位置反射光强度成正比，这一点信号即作为这一像元的灰度值被记录下来。像元坐标决定了该点在图像中的位置。每个像元产生的模拟电信号经过模/数（A/D）转换变成0～255灰度值之间的某一数值，灰度值与光密度成正比，灰度值越大，则数字化图像越清晰。数字化信息经存储、编码、放大、整理和分析，将结果反馈到控制单元，并把处理结果反馈到伺服系统中去调整补偿吸取元件的位置偏差，最后执行机构完成准确的贴片操作。机器通过对PCB上的基准点和元器件照像后，通过一系列坐标系之间的变换来定位元件的贴装目标。对元件照像完成后，机器在图像坐标系中计算出元件特征的中心位置坐标，通过与摄像机和图像坐标系的关联转换到机器坐标系中，此时在同一坐标系中比较元件中心坐标和吸嘴中心坐标。两个坐标的差异就是需要的位置偏差补偿值。然后根据同一坐标系中确定的目标贴装位置，机器控制单元和伺服系统就可以控制机器进行精确贴装了。3、视觉系统光学性能的4项基本参数1）视野——视野就是摄像机需要检测的区域尺寸。2）分辨率——分辨率是系统可以检测到的受检验物体上的最小可分辨率特征尺寸。3）工作距离——工作距离是指从镜头前部到受检验物体的距离。4）视野深度——视野深度是物体离最佳焦点较近或较远时，镜头保持所需分辨率的能力。4、视觉系统的精度视觉系统的精度主要是由摄像机的分辨率决定，摄像机的分辨越高，对应于单位面积像元数就越多，精度就越高。分辨率越高，视野就越小，找到相应图像就更加困难，因而就会降低贴装效率，所以要根据实际需要决定合适的摄像机分辨率。例如美国环球公司GSM贴片机的仰视摄像机分辨率有0.0254mm、0.0660mm、0.1016mm三种。0.1016mm摄像机所能处理的最小引脚宽度为0.203mm，针对33.358mm以下尺寸（例如QFP208）可一次成像，而对大于33.358mm尺寸的元件（例如QFP240）会采取四次照相合成的方法来增大照相面积，先分别照四边，然后合成一个整个的器件，但所花费的时间将会成倍增加。0.0660mm摄像机能处理的最后引脚宽度为0.132mm，一次成像的最大元件尺寸为20.8mm，0.0254mm摄像机所能处理的最后引脚宽度为0.066mm，一次成像的最大元件尺寸仅为8mm，可以看出，随着相机分辨率的提升，可处理元件的精度也提高，但所花费的时间也大幅提升。视觉系统的种类：视觉系统一般分为俯视、仰视、头部或激光对齐等类型。（1）俯视摄像机安装在贴片头上，用来在电路板上搜寻目标（称作基准），以便在贴装前将电路板置于正确位置。（2）仰视摄像机安装在固定位置，用来检测元器件，吸嘴吸取元器件必须移过摄像机上方，以便做视觉对中处理。通常摄像机安装在拾取位置（从送料处）和组装位置（板上）之间，视觉图像的获取和处理便可在帖片头移动的过程中进行，从而缩短贴装时间。（3）头部摄像机直接安装在贴片头上，一般采用在线传感器技术，在拾取元件移到指定位置的过程中完成对元件的检测。这种技术又称“飞行对中技术”。此技术可以大幅度提高贴装效率。（4）激光对齐是指从光源产生一适中的光束，照射在元件上，通过接收器收集照射过来的光线来测量元件所在位置对光线的影响，这种方法可以测量元件的尺寸形状以及吸嘴中心轴的偏差，这种方法快速，不要求吸取的元器件从摄像机上方走过。其对齐原理如图所示。其主要缺陷是不能对引脚和密脚元件作引脚检查。用激光对位片状元件是一个好的方法，90年代激光对位技术推出时只能处理7mm×7mm的元件，目前安必昂公司推出的第二代激光对位系统处理元件尺寸增至18mm×18mm，激光技术可识别更多的形状，精度也有显著提高。8.3.3贴片机的贴片头•1、贴片头的作用：•贴片头是贴片机硬件的核心部件，机械结构十分复杂，SIEMENS80S-20贴片头外形及结构如图所示。贴片头的作用是拾取元件后能在校正系统的控制下自动校正位置，并将元器件准确地贴放到指定的位置。•①贴片头的真空吸嘴②弃料马达③后半头④前半头⑤元件亮度控制板⑥元件摄像机⑦消音器、⑧Z轴电机⑨中间转换板⑩主电机2、贴片头的种类：贴片头的种类可分为单头和多头两大类。早期的贴片机多为单头机，并且是机械对中，单头贴片机是由吸嘴、定位爪、定位台和Z轴、θ角运动系统组成，固定在X、Y传动机构上，如图所示。后来发展成固定式多头贴片机，是在原单头的基础上进行了改进，即由单头增加到了3～6个贴片头如图8-20所示。它们仍然固定在X，Y轴上，但不再使用机械对中，而改为多种样式的光学对中。工作时分别吸取元器件，对中后再依次贴放到PCB指定的位置上。（1）水平旋转式（转塔式）机器多见松下、三洋和富士