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贴片机 的发展趋势与前景

王天曦 王豫明

清华大学SM丁实验室

择要:本文阐 述了三代贴片机发展的历程与技术特点,提出未来发展阶段的“三高四化”(高性能、高效率、高集成,柔性化、智能化、绿色化、多样化)要求,介绍了 系统化工艺先进组装工艺控制APC,并对贴 片机发展前景作了预测与评估,可供从 事贴片机研究和开发的同行参考。

关键词:电了制造,电了组装,SMT,贴片机

1引言

电了制 造业是国民经济的战略性、基础性 和先导性支柱产业,对于拉动经济增长、增强国家综合实力、加速现 代化建设和维护国家安全至关重要。我国电 了制造产业经过多年持续快速发展,已成为 世界最大的电了信息产品制造基地,当前正 处于产业结构和发展方式转型升级,由电了 制造大国向强国迈进的关键时期。

贴片机 是电了制造生产线中典型的高速度、高精度、高效率 的关键专用电了设备,通常占到整条SMT生产线投资的60%以上,是生产 流水线效率的瓶颈;也是最体现“现代化、白动化、智能化”生产、最具有 挑战性的现代制造装备技术。

贴片机 是电了制造基础装备,而装备 对制造业的重要性是显而易见的。古人云“工欲善 其事必先利其器”,虽然电 了制造是近代才发展起来的先进制造技术,但事理是大体一样的。不过古代的“器”只是简 单机械和手工工具,缺乏利器,可能只 涉及效率与质量;而现代 电了制造可就完全不一样了,没有相 应现代化半导体制造装备,根本不 可能制造出各种日新月异的终端电了信息产品所需要的芯片;没有高 效率先进电了组装设备,那些体积越来越小、问距越 来越密的电路板就无法组装,你的产 品根本无法在国际市场上参与竞争。

2贴片机发展历程 2. 1第1代贴片机

20世纪70年代,随着表 面贴装芯片和片式元件的展现出的性能优势,表面贴 装技术由初期主要应用在军事,航空,航天等 尖端产品和投资类产品逐渐广泛应用到计算机、通讯、工业控制等各行各业,并延仲 到消费类电了产品,SMT日益成 为电了组装制造的主流技术,在强大 市场需求推动下第1代贴片机应运而生。尽管当 时的贴片机采用的机械对中方式决定了贴装速度低(约1000 ^-2000片/h),贴装准确度也不高CX-Y定位士0.1 mm}贴片精度士0.25 mm),并且功能简单,但已经 具备了现代贴片机的全部要素,相对于 人工贴装和简单的手工贴装机而言,这样的 速度和精度无疑是电了组装技术革命的新开端。

第1代贴片 机开创了电了产品大规模全白动、高效率、高质量生产的新纪元,对于SMT发展初 期片式元器件比较大(Chip元件类型为1608, IC的节距为1.2 7 ^ 0.8  mm)的要求,已经可 以满足批量生产需求了。随着SMT不断发 展和元器件的微小型化,由于纯机械式机构,使得其定位精度差,机械抓 片方式对精细的片式元器件损伤的风险以及Z轴驱动对SMD和PCB造成过大冲击等缺点,这一代 贴片机早已退出市场,只有在 个别小企业可以见到。

2. 2第2代贴片机

20世纪80年代中期到90年代中后期,SMT产业成熟并快速发展,在其推动下,第2代贴片机在第1代贴片机基础上,其元器 件对中方式采用光学系统,加上数 控及精密运动控制技术的发展日益成熟,使贴片 机速度和精确度大幅度提高,满足了 电了产品迅速普及和快速发展的需求。

在发展 过程中逐渐形成以贴装Chip元件为主、强调贴 装速度的高速机(又称Chip元件贴装机或射片机),以贴装各种IC和异型 元件为主的多功能机(又称泛用机或IC贴装机)两个功 能和用途明显不同的机种。

(1)高速机

高速机 主要采用旋转式多头多吸嘴贴片头结构,按旋转方向与PCB平面角 度又可分为转塔式(旋转方向与PCB平面平行)和转轮式(旋转方向与PCB平面垂直或45度)两种,使贴装 效率和速度得到成倍提高。

由于采 用了光学定位对准技术以及精密机械系统(滚珠丝杆、直线导轨、线性电 动机和谐波驱动器等)、精密真空系统、各种传 感器和计算机控制技术,高速机 的贴装速度已经达到0.06 s/片的数量级,接近机 电运动控制系统的极限。

(2)多功能机

多功能 贴片机也称为泛用机,可以贴 装多种尺寸封装的芯片和各种异型元器件,也能贴 装小型片状元件,可以涵 盖各种大小不等、形状各异的元器件,所以叫 做多功能贴片机。多功能 贴片机的结构大多采用拱架式结构、平动式多吸嘴贴片头,具有精度高、灵活性好的特点。多功能 机强调功能和精度,贴装速 度不如高速贴片机,主要用 于贴装各种封装IC和大型、异型元器件,在中小 规模生产和试制中也用于细小片式元件贴装。

随着SMT高速发 展和元器件的进一步微小型化,更精细的SMD封装形式如SOP, SOJ,PLCC, QFP, BGA等的出现,特别面 对是多品种小批量柔性化生产模式的需求,这一代 贴片机贴片机也逐渐力不从心,已经逐 渐退出主流贴片机制造厂商的视野。

2. 3第3代贴片机

20世纪90年代末到21世纪初,在SMT产业高 速发展和电了产品需求多元化、品种多样化的推动下,第3代贴片机发展起来了。一方面,各种IC新的微 小型化封装和公制0402等片式 元件对贴片技术提出更高要求;另一方面,电了产 品复杂程度和安装密度进一步提高,特别是 多品种小批量的趋势,促使贴 装设备适应组装技术封装需求。

第3代贴片 机主要特征一一高性能和柔性化

将高速 机和多功能机合而为一:通过模块化/模组式/细胞机的灵活结构,选择不 同结构单元即可在一台机器上实现高速机和泛用机的功能。例如,实现白0402元件至50 mmX 50 mm,  0.5 mm节距集 成电路贴装范围和150 000 cph的贴装速度。

兼顾贴 装速度和准确度:新一代 贴片机采用高性能贴片头、精密视觉对准、高性能 计算机软硬件系统,例如,在一台机器上实现45 000 cph的速度和4 Sigma下50  u m或更高的贴装准确度。

高效率贴装:通过高 性能贴片头和智能供料器等技术使贴片机实际贴装效率达到理想值的80%以上。

高质量贴装:例如,通过Z向尺寸 准确测量和控制贴装力,使元器 件与焊膏接触良好,或者应用APC控制贴装位置,保证最佳焊接效果。

单位场 地面积的产能比第2代机器提高1 ^-2倍。

可实现堆叠(PoP)组装

智能化软件系统,例如,高效率 编程和可追朔系统。

3贴片机发展趋势

未来贴 片机的发展趋势,可以用“三高四化”来概括,即高性能、高效率,高集成,柔性化、智能化、绿色化、多样化。

 3. 1高性能

在贴片机的发展中,速度、精度以 及贴装功能一直处于顾此失彼的矛盾状态,迫使人 们不得不在速度和精度中问折中,因而高 速机和多功能机是迄今仍然在运行的两种贴装模式。但是在 未来电了产品更新速度越来越快,多品种、小批量 制造趋势越来越成为主流的激烈的竞争中,新的封装如BGA, FC,CSP,PoP等,对贴片 机的要求越来越高,贴片机 模式必须与时俱进。随着模块化、模组化,双路输送、多悬臂、多贴装头结构,以及吃行对中、闪电贴 装等贴片机技术的发展,在一台贴片机中,兼顾速度、精度以 及贴装功能成为新的方向,集高速、高精密、多功能 和智能化于一体的新型高性能贴片机将成为主流,

图1是新一代多悬臂、多贴装头结构示意图。

 
3. 2高效率

高效率 就是提高生产效率,减少工作时问,增加单位时问的产能。又好又 快又省钱是制造业永恒的追求,在竞争 越来越激烈的今天尤其如此。提高效 率的主要途径是白动化和智能化,就是减轻人的劳动,强化、延仲、取代人 的有关劳动的技术或手段。从白动控制、白动调节、白动补偿、白动辨 识等发展到白学习、白组织、白维护、白修复 等更高的白动化水平。白动化 总是伴随有关机械或工具来实现的。信息化、计算机化与网络化,不但极 大地解放了人的体力劳动,而且更 为关键的是有效地提高了脑力劳动白动化的水平,解放了 人的部分的脑力劳动。

对于贴 片机这种白动化数控设备来说,软件编 程效率对提高设备效率至关重要。开发更 强大的软件功能系统,包括各种形式的PCB文件,直接优 化生成贴片程序文件,减少人工编程的时问,开发机 器故障诊断系统及大批量生产综合管理系统,实现智能化操作是未

来高效 率贴片机发展的重要环节。

另一方面,设备结 构和工作模式的改进也是提高生产效率的重要方式。例如贴 片机在贴装速度潜力挖掘没有多少空问的情况下,结构是 提高效率的一种有效方法。双路输 送贴片机在保留传统单路贴片机性能的基础上,将PCB的输送、定位、检测、贴片等 设计成双路结构。这种双 路结构可以同步方式或异步方式工作,均能缩 短贴片机的无效工作时问,提高机器的生产效率。再如贴片机的多悬臂、多贴装头结构,都是行之有效的方法。

图2是一种 双路输送结构示意图。

 
3. 3高集成

高集成,一是装备技术的集成,二是技 术与管理的集成;其本质是知识的集成。装备技术的集成,就是要多种技术交义、嫁接、融合。例如机光电一体化;检测传感技术,信息处理技术,白动控制技术,伺服传动技术,精密机械技术,系统总 体技术综合应用;软硬件 技术协调与集成等。技术与管理的集成,就是要 充分利用计算机、白动化和网络技术,在设备 应用于管理技术有机融合,特别是 成套装备即白动化生产线尤其重要。例如SMT生产线设备中嵌入SPC (statistical process control,统计过程控制),可追朔系统等,可以充 分发挥设备效能,提高产能和质量。

3. 4柔性化

未来电 了产品制造最大的挑战是多品种、小批量和短周期,适应这 种基本趋势的唯一有效方法方法是贴装设备柔性化。

贴片机 柔性化的一个重要模式是设备的模块化和模组化。模块化又称积木式,例如将 贴片机的主机做成标准设备,并装备 统一的标准的机座平台和通用的用户接口,而将点 胶贴片的各种功能做成功能模块组件,用户可 以根据需要在主机上装置所需的功能模块组件或更换新的组件,以实现 用户需要的新的功能要求。模组化 可以理解为了母机模式,例如将 贴片机分为控制主机和功能模块机,根据用户的不同需求,由控制 主机和功能模块机柔性组合来满足用户的需求。模块机有不同的功能,针对不 同元器件的贴装要求,可以按 不同的精度和速度进行贴装,以达到 较高的使用效率。当用户有新的要求时,可以根 据需要增加新的功能模块机;订单增 加时可以增加模块机数量来增加产能而不用增加新的整机。

贴片机 柔性化的另一个模式是一机多用。例如用“点胶头”、“印刷头”取代贴 片头而实现点胶机、印刷机的功能,这种性 能对科研和产品开发机构特别有用。当然这 种模式必须是在机器设计时就在机械结构、电气控 制以及计算机软硬件等各个环节都考虑到模式的兼容性和接口的适配性。

有关柔 性化进一步介绍见本书第2章。

3. 5智能化

制造装 备的智能化是制造技术发展最具前景的方向。近20年来,制造系 统正在由原先的能量驱动型转变为信息驱动型,这就要 求制造系统不但要具备柔性,而且还要表现出智能,以便应 对大量复杂信息的处理、瞬息万 变的市场需求和激烈竞争的复杂环境。

智能化 贴片机的基础是计算机智能技术。智能贴 片机具有以下特点:

·人机一体化;

·白律能力;

·白组织与超柔性;

·学习能力;

·白检测与白维护能力。

未来智能化贴片机,具有更 高级的类人思维的能力,借助计 算机模拟的人类专家的智能活动,对贴装过程进行分析、判断、推理、构思和决策,取代或 延仲制造环境中人的部分脑力劳动。同时,收集、存储、处理、完善、共享、继承和 发展人类专家的智能等。

智能化 在贴装装备中应用还刚开始,贴装功 能与检测分析功能有机融合,以提高智能化水平,例如配 备智能系统的贴片机可以根据检测到的异常现象(故障),分析故 障根源并白动校正或给出改进建议。

3. 6绿色化

绿色化 是电了制造未来发展必然趋势。人类社 会的发展必将走向人与白然界的和谐,贴片机当然不能例外。

未来贴 装装备要从构思开始,在设计阶段、制造阶段、销售阶段、使用与维修阶段,直到回收阶段、再制造各阶段,都必须 充分考虑对环境的影响,提高材料和能源效率,降低能耗,使用户 投资效益最大化。

近年对 于绿色化和环境保护的概念已经有了内涵,所谓环 境保护是广义的,不仅要保护白然环境,还要保护社会环境、生产环境,更要保 护生产者的身心健康。在此前提下,制造出高精度、高效率、高质量,供货期短、售后服 务好的贴装设备。

3. 7多样化

当今世 界是一个多元化、多样化的世界。不同国 家和区域发展不平衡,同一国 家的不同地区也不平衡,因而对 电了产品层次和档次呈现多样化的的需求;同时不 同应用领域对电了产品应用环境和可靠性要求千差万别,也使产 品制造工艺和设备形成多样化需求。

这种多 样化需求对未来贴装设备发展将是多元化结构和技术交义:

·适应多 种多种产品的多功能、柔性化 通用贴片机和针对特定领域、特定产 品的高效率专用贴片机并存;

·服务于 大企业及高密度组装的全白动、智能化、高精度、高产能 的高端贴片机和适合中小型企业及一般电了产品需求的中低端都有各白生存和发展空问;

·面向工 业界规模化制造的高性能、主流贴 片机与适应科研、教学和 实验室的小型非主流贴片机共同发展;

·由于电 了产品持续微小型化,3D组装以及SiP, PoP在更多产品中应用,“板卡级”组装已 经向上渗透到半导体封装领域,即要求 贴片机的精确度适应晶片在PCB上直接组装的要求;另一方 面在半导体封装领域所处理的对象也不仅仅是晶片,在一些 封装模块中需要嵌入无源元件或其它微型构件,从而向 下延仲到组装领域,这种技 术的交义和渗透,使半导 体级别的贴装机和板卡级贴片机的界限模糊,将二者 有机融合的新型贴片机将是一个重要的发展趋势。

4贴装APC技术简介

APC CAdvanced Process Control)技术是 一种先进组装工艺控制技术,其基本 思路是把焊膏涂敷、元件贴 装和回流焊接工艺作为一个整体来考虑,以达到最佳组装效果。

元件贴 装中对位基准的优化,是APC应用实例之一。如图3所示,传统的 元件贴装对中是以印制电路板上焊盘图形为基准(严格地 说是以电路板设计电路图为基准),由于电 路板制造及焊膏涂敷中不可避免的制造与定位误差,实际焊 膏涂敷图形与焊盘图形会出现位移误差和旋转误差。通过试验发现,贴装时 如果不考虑焊膏涂敷误差,仍然以 焊盘图形作为对准基准,则回流 焊接后出现缺陷的可能要大得多。

应用APC技术,火狐体 育官网以实际焊膏涂敷的图形作为元件贴装的基准,则可以 一定范围内防止缺陷的产生。实现这 种定位可以有两种方式:

(1)检测调整法

焊膏涂 敷后进行检测以及带有检测功能的焊膏印刷机已经在实际中应用,将印刷 后的检查结果输入给贴片机,按照每 一印刷锡膏的偏位量调整贴装点的X, Y和。(角度)坐标后 进行贴装就可以了,当然具 体实现中还有一系列实际技术问题需要解决。

(2)焊膏基准法

这种方 法的基本思路是在贴片机中以实际焊膏涂敷图形的位置作为基准而不是印制板上的铜箔图形。这种方 式需要在焊膏涂敷时在作为基准点的位置涂敷焊膏图形,在贴片 机中以此图形为基准点进行印制板定位。在具体实现中,由于焊 膏图形边缘不规则而且是三维图形,识别焊 膏图形要比铜箔图形难度要大。但显而易见,这种方 式工艺简单而且速度占优势。

 
5贴片机的前景

贴片机 未来的前景与电了组装制造技术紧密相连。根据目 前技术研究发展情况,未来具有革命性、颠覆性 的电了组装制造技术有以下儿种:

(1)逆序组装技术

近年,一种被称为逆序组装(又称Occam工艺)的全新 的电了制造工艺引人注目,尽管目 前这种技术还是处于实验室研究和评估阶段,但工艺 思路的创新性和相比常规工艺的优越性令人耳目一新。

所谓“逆序组装工艺”

是相对 常规工艺而言的。常规的电了组装工艺,无论通 孔插装还是表面贴装,都是先 设计制造印制电路板,而后在 印制电路板上安装元器件并通过焊接完成电路连接,即先布 线后安装元器件;“逆序组装工艺”则是先 放置好元器件再进行布线,将PCB制造和 组装制造融合在一起。由于逆 序组装工艺不用焊接,因而避 免了无铅化带来的多种可靠性风险和不确定因素,特别是 绿色化工艺过程和制程简化的优势,是电了 组装业界普遍看好的一种新工艺。

对于贴片机而言,奥克姆 工艺改变的只是将贴装工序由典型SMT工艺的 第二步变成了第一步,粘附片 式元器件由焊膏改为其它粘合剂,显然奥 克姆工艺不会成为贴片机技术的终结者。

(2)全印刷电了技术

基于有 机电了学与纳米科技而展现无限魅力的全印刷电了技术,是一种 新兴的颠覆性电了制造技术。这种技 术将各种电了功能材料通过传统印刷技术或3D打印技 术直接实现电了设备或系统的功能,元器件制造、印制电路板、组装焊 接电路板等传统电了组装工序通通不需要了,贴片机 白然也就没有了用武之地。

近年,随着市 面上相继出现了可弯曲手机、透明手机与电视、大尺寸弧形屏电视、柔软如纸的显示屏、半透明 薄膜太阳能电池、全印刷的电了标签、谷歌眼 镜与智能手表等全新技术与产品的闪亮登场,表明新 一代柔性化与个性化电了时代已经到来。

但印刷 电了技术不具备传统硅基微电了制造技术的高精度与高密度,而且可 印刷的电了材料的性能也要比传统硅基微电了所依赖的晶体材料差,因此目 前可以实现在显示、薄膜电池、电了标 签等部分领域取代一部分传统制造技术。而印刷 电了技术真正变成贴片机技术的终结者,有很多不确定性。

(3)光学与光路技术

电了产 品的芯片运行速度越快,集成度越高,能耗就越大,机体也容易发热,同时受 到纳米尺寸的瓶颈限制,集成电 了器件已开始受到制约。以“光路”取代“电路”、“光了芯片”取代传统的“电了芯片”、“光元件”取代传统的“电了元件”、“光路板”取代传统的“电路板”的以光 代电的颠覆性技术,由于在 降低能耗和提高速度方面巨大优势,吸引着 科技界持续关注和不懈探索,近年已 经取得一系列令人鼓舞的进展。

然而相 对于已经发展一白多年的电了技术,光了技 术还有很长的路要走,除了在 信息传输中可以确定的地位,在信息采集、处理,特别是 信息终端执行方面,电与电 了技术的优势儿乎难以憾动,最切实可行的方式是“光电结合”。

因而光 路技术终结贴片机,在可以 预见的相当长时期,将不会出现。退一步说,即使科技发展到“以光代电”的阶段,光了芯 片和光元件要组装成光路板,依然离不开“放置”和“连接”,类似贴 片机的装备仍然不可或缺

(4)其它组装技术

随着信息技术的发展,其它革 命性组装技术也在探索中,例如基 于分了生物学技术的电场组装技术,以及流 体组装技术以及多面体器件等各种全新理念的组装技术等。很难预 测这些技术能走多远,更难预 料将来那个会取代现在流行的组装技术或者是互相补充。但显然 探索可以百花齐放的海阔天空,工业实 际却是残酷无情的适者生存。

6结束语

作为电 了制造生产线中典型的高速度、高精度、高效率 的关键专用设备的贴片机,经过数十年发展,尽管技 术已经相当成熟,但不断 发展的电了信息产业对贴装技术与装备提出越来越高的要求,例如新型芯片封装FC,  CSP,  WLP, PoP及公制0315, 0201等片式元件的应用,已经使 贴片机的精度和功能要求近半导体装备领域,电了制 造行业对贴片机技术性能、柔性化、智能化 和可靠性要求将越来越高。

面向互联网+和大数据时代,作为信 息时代基础的电了产品制造,对科技 发展和国民经济具有支柱性,基础性 和战略性重要地位。尽管各 种未来具有革命性、颠覆性 的电了组装制造技术在不断涌现、发展和探索中,传统硅基电了制造在可以 预见的相当长时期仍然是不可取代的,贴片机 仍然具有广阔的发展前景。

 
 
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