光電器件混合組裝工藝中SMT技術貼片工藝研究

西安電子科技大學電路CAD研究所 劉 晨 張 赟 王瑞東 陳 歡

1.引言

將元器件、芯片等組裝到PCB基板上稱為二級封裝，也可稱為板卡級封裝，業界也普遍認可 “組裝”這個術語。目前電子組裝主要利用表面貼裝技術SMT（surface mounted technology）和通孔安裝技術THT（through hole technology）。這兩種組裝技術可以單獨使用，也可以混合同時使用，現階段SMT技術占主導地位。光電器件因其不斷提高的光電集成水平，需要滿足高速傳輸速率、優秀性能指標、小型外形尺寸和低成本封裝工藝等要求，器件封裝形式從早期的雙列直插到到微型化Mini-DiL封裝，光電器件組裝工藝也將重心轉移至SMT技術。SMT工藝過程包括涂覆焊料、貼裝元件、焊接等。SMT工藝的關鍵設備是貼片機，貼片精度、貼片速度、貼片機的適應范圍決定了貼片機的技術能力，貼片機也決定了SMT生產線的效率。

2.SMT貼片技術

2.1 SMT貼片工藝過程

貼片的基本工藝過程概括來說是用一定的技術手段把SMC/SMD（表面貼裝元件/表面貼裝器件）貼放在PCB基板的指定位置上。貼裝過程中貼片頭、元器件、PCB基板、對準檢測系統的位置關系如圖1所示。貼片過程的基本步驟包括：將PCB基板輸送到貼裝指定位置并固定；對準檢測系統識別基板上的Mark點，計算所有器件的貼裝位置坐標；貼片頭從元器件送料器中拾取元器件；在貼片頭運動的同時，對準檢測系統經過圖像采集分析元器件相對于貼片頭的位置，從而得到貼片頭的最終運動坐標，貼片頭根據貼片元件與焊盤的位置偏差相應調整；貼片頭吸取元器件運動到指定位置后將元器件貼裝到PCB基板上。

圖1 貼片工作原理

貼裝的元器件是一片一片接續貼裝到PCB基板上的，因此相比焊料涂覆和再流焊等工序，SMT生產線中貼片工序的生產效率最低，貼片機必須保持高速運轉。貼片時需要將元器件的所有引腳與PCB基板上相應焊盤對準，因此貼片過程也是一個高精度的對位過程。衡量貼裝質量的重要參數之一就是貼裝位置精度。

貼片技術的主要特征體現在以下幾個方面：（1）貼裝對象種類繁多。表面貼裝元器件幾乎涵蓋了全部的傳統電子元器件，元器件的體積相差數百倍，元器件的頂面材料包括陶瓷、金屬及塑料等表面平整度和粗糙度不同的各種材料；（2）貼裝速度極快。目前每個元器件貼裝的時間已經縮短到0.06s左右（片式元件），幾乎達到機械結構運動速度的極限；（3）貼裝精確度要求高。通過采用機、電、光和軟硬件綜合技術，現在貼裝精確度已經可以達到3σ下22～25μm，一部分細小元件和細節距IC貼裝精度甚至達到4σ下22μm ；元件與器件之間的距離達到0.1mm的量級，意味著SMT貼裝精確度指標已經與芯片封裝技術要求處于同一水平；（4）印制電路板存在差異。承載貼裝元器件的印制電路板的幾何尺寸和板厚的變化會對貼裝技術產生影響。電路板的面積從1cm2～4000cm2不等，厚度尺寸變化范圍為0.5 mm～6mm（剛性板）。

2.2 SMT貼片工藝精度

貼片工藝最重要的在于準確放置貼片元件，以被貼元器件相對于PCB上指定位置的偏差大小衡量貼片機的工作能力，這也就是貼片機的貼裝精度。貼裝精度定義為貼裝元器件引腳偏離標定位置最大的綜合位置的誤差。隨著元器件引腳密度增加，目前貼片機的貼裝精確度已經達到微米數量級。

貼片機控制貼片元器件用平面X、Y、q（圍繞Z軸的轉角）三個坐標來定位。三個坐標綜合的結果決定貼裝的精度，并直接影響后序焊接工序的工藝質量。目前在高精度貼片機中X、Y方向可以提供22mm/3σ的定位精度，q角可達± 0.05°/3σ的精度。貼裝精度通常用貼裝后元器件的引腳相對PCB基板上焊盤的位置誤差大小來衡量，位置誤差包括平移誤差和旋轉誤差。

2.2.1 平移誤差

平移誤差是元器件中心的偏離，主要來自X-Y定位系統的不精確性，它包括位移、定標和軸線正交等，如圖3所示。

圖2 平移誤差的定義

貼片元器件貼裝后總會存在平移誤差。從理論上說，平移誤差可以規定為電路板上元器件相對于設計中心標定位置的真實位置半徑T，如果考慮X-Y坐標的公差，則：

2.2.2 旋轉誤差

旋轉誤差是相對于標定貼裝取向的角度公差，如圖4所示。離元器件中心最遠的端子旋轉誤差最大。旋轉誤差來自元器件定心機構的不精確性，或者貼裝工具旋轉的角度誤差。為了簡化分析，利用元器件外輪廓角點的位移近似表示這種誤差，圖4中L為器件的貼裝中心到外輪廓角點的距離，θ為旋轉誤差，R為角位移。

圖3 旋轉誤差的定義

圖4 貼裝誤差計算實例示意圖

旋轉誤差也可以用沿X軸和Y軸計算旋轉誤差的分量，即：

旋轉誤差與元器件的大小有關，所以必須分別確定平移誤差和旋轉誤差。

2.2.3 總誤差

旋轉誤差和平移誤差組合產生累積效果，這兩種成分的矢量相加得到總誤差，則X軸和Y軸的誤差分量：

總的誤差為：

貼裝元器件的類型確定后，可由這兩個數值計算總的貼裝精度。

圖5示例，一臺貼片機在X軸和Y軸上的平移誤差為±0.01mm，旋轉角誤差為±0.2°，84根引線的PLCC（對角線長度為42mm），其L=21mm。得到旋轉誤差R為：

旋轉誤差的X軸和Y軸成分：

沿兩個軸的誤差為：

所以，貼裝總誤差為：

3.SMT貼片機

3.1 SMT貼片機組成

根據自動化程度，貼片機分為手動貼片機、半自動化貼片機和全自動貼片機。所有貼片機都包含機械主體、貼片頭、PCB輸送系統、元器件供料系統、基板與元器件對準系統。全自動貼片機包含復雜的控制和軟件系統。

3.1.1 機械主體

機械主體包括機械支撐結構、PCB傳送結構、元件傳送結構、X/Y軸驅動機構、貼片頭等系統。如圖6所示，貼片機的機械主體一般采用橫梁式結構，貼片頭安裝在橫梁即X向運動軸上，橫梁在底座上做Y向移動，貼片頭上有若干貼片吸嘴，吸嘴做Z向運動和q角的旋轉。

（1）貼片機主體結構形式

貼片機的X/Y軸定位形式主要采用橫梁式結構，橫梁與兩側的導軌構成拱形結構。貼片機可以采用單橫梁單貼片頭、單橫梁雙貼片頭、雙橫梁雙貼片頭等結構。

（2）PCB傳送結構

PCB傳送結構負責將印刷過焊膏的PCB板輸送并固定到貼裝位置，等貼裝完成后再將PCB板輸送到卸料位置。PCB傳送結構分為單工作臺單軌道傳送、單工作臺雙軌道傳送形式，復合貼片機采用多軌式。

雙軌內有6個區域，區域A，C，D和F用來輸入／傳出PCB，區域B和E用來貼片，貼片機一次最多可放3塊PCB。一般兩個板在區域B和E，另一個板可以在任何其他輸入／傳出位置。當一個板貼片時，另一個板在預備軌道的緩沖區域內，前一個板貼片完成后，立即開始處理預備軌道區域的板，這樣就可以把傳送板的時間降到最低。

（3）元器件送料機構

在貼片機中，供料器將包裝中的元器件按貼片機指令提供給吸嘴，因而供料器和表面貼裝元器件的包裝形式及其質量對拾取元件有重要影響。供料器(Feeder)也稱為喂料器，是貼裝技術中影響貼裝精度和生產效率的重要部件，以至于有的貼片機型號中直接以可容納供料器數量作為標志。

（4）貼片頭

傳統拱架式結構的貼片頭有單吸嘴和多吸嘴并列的結構。單吸嘴貼片頭在一個貼裝循環中只能貼裝一個元件，貼裝的精度較高。多吸嘴并列貼片頭有2～12個并列平行的吸嘴貼裝軸，在一個貼裝循環中可以吸取、校正和貼裝多個元件，可以有效提高貼裝速度。由于貼片元件大小不一，而貼片頭上貼裝軸的數量有限，因此在拱架式貼片機上一般都有一個專門的吸嘴儲藏機構，供貼裝頭在需要時進行吸嘴更換，以便貼裝頭采用合適的吸嘴來吸取和貼裝元件。貼裝頭的結構形式分為轉動式和平動式。轉動形貼片頭結構又分為轉塔形、轉輪形、小轉塔形。

3.1.2 控制系統

貼片機的控制系統一般由供料系統、傳送系統、輸入/輸出系統、貼裝系統、定位系統、視覺系統、報警系統、電源系統及人機系統等各個子系統的控制系統組成。

3.1.3 對準系統

貼片機的對準系統包括PCB基板的對準檢測系統和元器件對準系統。貼片機的對準檢測系統構成及工作原理如圖4所示。當一塊新的待貼裝PCB通過送板裝置傳送到指定位置固定后，安裝在貼片頭上的基準（MARK點）CCD攝像機在區域內通過圖像識別算法搜尋MARK點，并由系統軟件計算出其在貼片工作臺坐標系中的坐標，同時將元器件應貼裝的位置數據送給主控計算機。

圖5 貼片機的對準檢測系統構成及工作原理示意圖

為了提高對準檢測的速度，現在的貼片機普遍采用飛行對中檢測技術。飛行對中是指將攝像機或激光檢測系統直接安裝在貼片頭上，在貼片頭拾取元件移到指定位置的過程中，完成對元件的檢測和對中的方式。這種技術一般用在旋轉式多吸嘴貼片頭中，它可以大幅度縮短對中的時間，提高貼裝效率。

3.1.4 軟件系統

全自動貼片機軟件系統的構成。全自動貼片機的軟件系統包括數控庫管理系統、控制系統、視覺系統、安全監控、系統調節、幫助系統、智能管理系統等。

3.2 典型貼片機

貼片機技術的發展方向主要是在滿足貼裝精度的前提下，提高貼裝的速度、效率以及貼裝元器件的適應性。

（1）雙模塊復合式貼片機

可選配的貼裝頭有傾斜轉輪式、垂直轉輪式和水平排列式。貼片機主體結構由兩臺貼片機組合而成。一個固定橫梁上兩側各有兩個懸臂梁，四個懸臂梁上分別安裝一個裝貼頭。懸臂梁和貼裝頭的X/Y軸運動都是依靠直線電機驅動，貼裝頭沿著懸臂梁移動，懸臂梁沿著固定橫梁移動，從而實現了貼片頭的X/Y軸快速、高精度運動。貼裝頭在拾取元器件的同時，元器件檢測攝像機在作對中檢測。PCB輸送系統沿著與固定橫梁垂直方向布置?？蛇x配的PCB輸送系統有單軌和雙軌道式結構。每臺貼片機可以安裝四套送料器架，每個送料器架可以安裝多個元器件輸送系統。

（2）多功能模組式貼片機

日本富士公司推出的FUJINXTⅢ型模組式高速多功能貼片機。多功能模組式貼片機的組成原理是，在模組主體的基礎上加裝多個高速貼片系統，加裝的貼片系統使用通用基座。單個高速貼片系統有自己的送料器、貼片頭，以及元器件對準檢測系統，使用的貼片頭可以是單個貼片頭，也可以是小轉輪式貼片頭。根據貼裝元器件的尺寸大小，可以將貼片頭設計成不同規格。元器件送料系統是通用系統，可以在不同貼片系統上使用。多功能模組式貼片機的PCB輸送系統是共用系統。根據這種組合方法，貼裝生產線可以非常靈活的搭建貼片機系統，維修或者更換產品也非常方便。FUJINXTⅢ是在2008年推出的NXTⅡ的基礎上改進而來。通過高速化的X/Y機械手和料帶供料器以及使用新研發的相機（Fixed On-the- fl y camera），可以提高包括從小型元件到大型異形元件等所有元件的貼裝能力。此外，使用新型高速工作頭（H24工作頭）后，每個模組的元件貼裝能力高達35,000cph，比NXTII提高了約35%。FUJINXTIII不僅可以對應現在生產中使用的最小的0402元件，還可以貼裝03015超小型元件。此外，通過采用比現有機種更具剛性的機器構造、獨自的伺服控制技術以及元件影像識別技術，可以達到行業頂尖的小型芯片的貼裝精度：±25μm（3σ）Cpk≧1.00。