國產(chǎn)貼片機(jī)研發(fā)現(xiàn)狀與分析*

周德儉

(桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 廣西 桂林 541004)

國產(chǎn)貼片機(jī)研發(fā)現(xiàn)狀與分析*

周德儉

(桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 廣西 桂林 541004)

我國在焊膏印刷機(jī)、回流焊設(shè)備、波峰焊設(shè)備、AOI檢測設(shè)備等表面組裝技術(shù)(Surface Mount Technology, SMT)設(shè)備的研發(fā)方面已經(jīng)有了長足的進(jìn)步，但在SMT生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備——中、高檔貼片機(jī)的研發(fā)方面始終未能有大的突破。文中在簡述貼片機(jī)技術(shù)發(fā)展、國內(nèi)應(yīng)用和研發(fā)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析了國產(chǎn)貼片機(jī)研發(fā)中存在的問題，提出了加快國產(chǎn)貼片機(jī)研發(fā)步伐的建議。

貼片機(jī)；研發(fā)；現(xiàn)狀；分析

引 言

表面組裝技術(shù)(Surface Mount Technology, SMT)是現(xiàn)代電子產(chǎn)品的核心組件——PCB(印制電路板)級電路模塊組裝制造、微電子組件/微系統(tǒng)制造的主要技術(shù)，已成為現(xiàn)代電子產(chǎn)品制造技術(shù)中必不可少的組成部分。以焊膏印刷機(jī)、貼片機(jī)、回流焊設(shè)備、波峰焊設(shè)備、AOI檢測設(shè)備等為主要設(shè)備形成的SMT產(chǎn)品組裝生產(chǎn)線，是典型的現(xiàn)代電子產(chǎn)品制造系統(tǒng)，其技術(shù)發(fā)展水平影響甚至決定了電子產(chǎn)品的制造水平和能力。近20年來，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)通過不懈努力，在焊膏印刷機(jī)、回流焊設(shè)備、波峰焊設(shè)備、AOI檢測設(shè)備等SMT設(shè)備的研發(fā)方面有了長足的進(jìn)步，但在SMT生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備——中、高檔貼片機(jī)的研發(fā)方面始終未能有大的突破，至今仍然依賴進(jìn)口。這不僅阻礙了國內(nèi)SMT產(chǎn)品制造技術(shù)的進(jìn)步和電子產(chǎn)品制造能力的提升，也給國產(chǎn)高端電子產(chǎn)品和軍用電子裝備的自主制造留下了巨大隱患。如今，隨著國家基礎(chǔ)工業(yè)和綜合能力的進(jìn)步，自主研發(fā)中、高檔貼片機(jī)產(chǎn)品的基本條件已經(jīng)具備，而高度重視和科學(xué)規(guī)劃國產(chǎn)貼片機(jī)的研發(fā)工作，成為其成功的關(guān)鍵。

1 貼片機(jī)應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 貼片機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀[1]

我國電子制造業(yè)自1985年開始引進(jìn)SMT生產(chǎn)線以來已近30年，應(yīng)用水平不斷提高，在SMT設(shè)備研發(fā)方面也有不少成果。自2005年以來，國內(nèi)在印刷機(jī)、焊接、檢測等SMT設(shè)備方面已基本實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，并憑借市場價(jià)格優(yōu)勢占據(jù)了70%～80%的國內(nèi)市場份額，但在國產(chǎn)貼片機(jī)的研發(fā)方面明顯滯后。

據(jù)文獻(xiàn)[1]報(bào)道，目前我國SMT生產(chǎn)線大約有5萬條，貼片機(jī)總保有量超過10萬臺，自動(dòng)貼片機(jī)市場已占全球的40%，成為全球最大、最重要的SMT設(shè)備市場。但除了LED貼片機(jī)之類的專用貼片機(jī)有國產(chǎn)的外，中、高檔自動(dòng)貼片機(jī)完全依賴進(jìn)口。2013年國內(nèi)自動(dòng)貼片機(jī)進(jìn)口金額已達(dá)到13億美元，進(jìn)口來源國主要為日本、韓國、德國等，如圖1和圖2所示。

圖1 2001～2013年自動(dòng)貼片機(jī)進(jìn)口情況

圖2 2013年進(jìn)口自動(dòng)貼片機(jī)國別和地區(qū)分布

1.2 貼片機(jī)技術(shù)水平現(xiàn)狀[2-3]

ASMPT(ASM太平洋科技有限公司，2011年收購西門子的SIPLACE貼裝設(shè)備部)2014年推出的西門子SIPLACE X4iS貼片機(jī)，已可貼裝03015(公制)元件，貼裝速度達(dá)到150 000 片/h(0.024 s/點(diǎn))，代表了當(dāng)代全球貼片機(jī)的先進(jìn)水平。已趨向成熟的SIPLACE X4i系列貼片機(jī)(如圖3所示)可貼裝的元件范圍為01005(公制0402)元器件至200 mm × 125 mm元器件，貼裝精度為±41 μm/3σ(角精度為±0.5°/3σ)。它采用了一些設(shè)計(jì)新概念，使設(shè)備的全自動(dòng)功能更為強(qiáng)大。例如：貼片頭可以通過傳感器或真空測量來確定物料吸取是否成功；在拾取過程中，貼裝頭上安裝的百萬像素?cái)?shù)字相機(jī)將測量元件，并可啟動(dòng)任意位置糾正舉措；吸嘴可通過邊接頭部的彈簧調(diào)節(jié)緩沖，可避免因吸嘴活動(dòng)不順暢而導(dǎo)致的一些貼片問題(漏料、移位)；Z軸有自動(dòng)控制、測量功能，可根據(jù)壓力自動(dòng)調(diào)整，對零件的高度參數(shù)不敏感，能控制某單個(gè)零件的貼片壓力，有助于消除錫橋或虛焊；可以使用非接觸式的吸料方式“真空對中”，有助于小元件的吸取等。

圖3 SIPLACE X4i貼片機(jī)

韓國三星貼片機(jī)也處于世界先進(jìn)水平。例如：其EXCEN FLEX貼片機(jī)(如圖4所示)具有極高的生產(chǎn)性能和作業(yè)靈活性，它采用雙懸臂、模組式結(jié)構(gòu)，具有12個(gè)吸嘴的飛行識別及貼裝系統(tǒng)，貼片速度達(dá)82 000 片/h，可對應(yīng)01005(公制0402)元器件到異型140mm×55 mm元器件的貼裝，并具有頭部壓力控制及插入型元器件作業(yè)功能。其EXCEN PRO超高速貼片機(jī)采用了適用高速的模組式旋轉(zhuǎn)頭部，貼片速度達(dá)到了120 000 片/h。

圖4 EXCEN FLEX貼片機(jī)

2 國產(chǎn)貼片機(jī)研發(fā)情況

2.1 研發(fā)歷程

國產(chǎn)貼片機(jī)已經(jīng)過較長的研發(fā)歷程。在20世紀(jì)90年代初及中期，隨著國內(nèi)SMT生產(chǎn)線及其貼片機(jī)的大量引進(jìn)，相關(guān)設(shè)備研制單位敏感地捕捉到了其發(fā)展前景和商機(jī)，中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所(原電子工業(yè)部工藝所)、上海無線電專用設(shè)備廠(與日本合資組裝貼片機(jī))等單位率先投入了貼片機(jī)的研發(fā)工作。迄今為止，投入過貼片機(jī)研發(fā)工作的研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)有715廠(成都宏明電子股份有限公司)、中國電子科技集團(tuán)公司第四十三研究所、4506廠(建新機(jī)械廠)、熊貓電子集團(tuán)有限公司、風(fēng)華高新科技股份有限公司、上?，F(xiàn)代科技發(fā)展有限公司、上海微電子裝備公司(與上海交通大學(xué)合作)、羊城科技實(shí)業(yè)有限公司、華南理工大學(xué)(與風(fēng)華高新科技股份有限公司肇慶新寶華電子有限公司合作)、江蘇騰世機(jī)電有限公司等數(shù)十家。

這些研發(fā)工作中比較典型的成果有：廣州市羊城科技實(shí)業(yè)有限公司于2002年推出了SMT2505全視覺多功能貼片機(jī)樣機(jī)，并通過了廣東省科技成果鑒定，是國內(nèi)首臺全視覺貼片機(jī)。它采用全視覺識別系統(tǒng)對不同元件進(jìn)行視覺識別,能高速高精度貼裝微小片狀元件、精細(xì)IC元件或異形元件。其貼裝精度(±0.05 mm)、識別元件范圍(0603以上)、貼裝速度(1.6 s/片)等性能都達(dá)到了當(dāng)時(shí)的國際先進(jìn)水平[4]。上海交通大學(xué)于2003年成功研制出貼片機(jī)工業(yè)樣機(jī)(WJT-2000)，并通過了上海市科委的成果鑒定[5]。華南理工大學(xué)推出的TP111全自動(dòng)貼片機(jī)獲得了2004年國家重點(diǎn)新產(chǎn)品稱號[6]。上?，F(xiàn)代、風(fēng)華高科、江蘇騰世機(jī)電等企業(yè)也推出過自己的貼片機(jī)樣機(jī)和產(chǎn)品[7-8]。

2.2 研發(fā)水平

江蘇騰世機(jī)電有限公司于2014年10月推出了TS-320M-20型高速全自動(dòng)貼片機(jī)(如圖5所示)，其技術(shù)性能在國產(chǎn)貼片機(jī)研發(fā)樣機(jī)中具有代表性，主要指標(biāo)性能已接近同類進(jìn)口機(jī)的先進(jìn)水平。該機(jī)型采用雙12工位垂直旋轉(zhuǎn)式貼裝頭，主要由R軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)裝置、Q軸角度調(diào)整裝置、Z軸取放料裝置、視覺對中裝置和真空切換裝置等幾部分構(gòu)成。X-Y運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)為自主設(shè)計(jì)的雙龍門結(jié)構(gòu)方式，均采用了直線馬達(dá)驅(qū)動(dòng)和滾珠直線滑軌副組合的運(yùn)動(dòng)模式，用高精度的光柵尺和計(jì)算機(jī)組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。貼裝速度為50 000 片/h，貼裝精度為±0.04 mm/3σ，可貼裝元件范圍為0201元器件至20 mm × 20 mm元器件，并具有自主設(shè)計(jì)的無縫換板工作臺等系列專利[8]。利用無縫換板工作臺，當(dāng)一塊電路板貼好元器件后，另一塊電路板無需等待即可投入工作，實(shí)現(xiàn)了換板時(shí)的無縫銜接,與同類進(jìn)口貼片機(jī)相比可節(jié)省2～5 s的換板時(shí)間。利用“真空切換裝置”專利，可通過改變高速貼片機(jī)易損件的結(jié)構(gòu)與工作方式，減少處于高速磨損狀態(tài)的關(guān)鍵零部件的制造與維護(hù)成本，并延長其使用壽命[9]。

圖5 TS-320M-20貼片機(jī)

3 存在的問題分析與建議

3.1 存在的問題與分析

雖然國內(nèi)有不少企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)投入了中、高檔國產(chǎn)貼片機(jī)的研究開發(fā)，并有一定成果，但至今基本沒有真正進(jìn)入市場的最終產(chǎn)品。其原因錯(cuò)綜復(fù)雜，存在的主要問題大致可歸納為以下幾類:

1)部分技術(shù)難題突破難度大。貼片機(jī)是高新技術(shù)產(chǎn)品，其研發(fā)制造涉及大量綜合性技術(shù)難題。大如基座結(jié)構(gòu)性能的穩(wěn)定性、伺服系統(tǒng)高速驅(qū)動(dòng)的精確性，小至貼片吸嘴制作質(zhì)量和材料性能，都有相當(dāng)高的要求。由于國內(nèi)基礎(chǔ)工業(yè)與發(fā)達(dá)國家相比仍有較大差距，無論是貼片機(jī)配件還是制作件，自行配套和研發(fā)要達(dá)到同類進(jìn)口機(jī)的質(zhì)量程度都不是一件易事。依賴企業(yè)或研究機(jī)構(gòu)單一的自發(fā)式研發(fā)模式，在突破綜合性技術(shù)難題方面力不從心。所研發(fā)的產(chǎn)品在實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)指標(biāo)、保持性能穩(wěn)定可靠以及實(shí)現(xiàn)配套件保障等方面都不盡人意，最終在產(chǎn)品性能指標(biāo)、可靠性和實(shí)用性方面無法與進(jìn)口機(jī)競爭。

2)企業(yè)研發(fā)資金維系困難。貼片機(jī)技術(shù)進(jìn)步和更新?lián)Q代很快，往往研發(fā)單位好不容易研制出一代產(chǎn)品，而同類進(jìn)口機(jī)已經(jīng)更新?lián)Q代。這時(shí)若讓國產(chǎn)機(jī)與換代下來的進(jìn)口二手機(jī)競爭，則連唯一的價(jià)格優(yōu)勢也很低了。所以新研發(fā)國產(chǎn)機(jī)在既沒有技術(shù)優(yōu)勢又無法保證市場價(jià)格優(yōu)勢的情況下，能在研發(fā)產(chǎn)品初期獲得經(jīng)濟(jì)效益的可能性很小。而另一方面，要緊跟貼片機(jī)的技術(shù)進(jìn)步步伐快速研發(fā)出高水平的新產(chǎn)品，就必須在短周期內(nèi)投入大量的研發(fā)資金，這對一般企業(yè)而言是困難的，企業(yè)無法形成良性的效益經(jīng)濟(jì)鏈，研發(fā)工作也由此不可持續(xù)。

3)缺少綜合性研發(fā)人才和團(tuán)隊(duì)。在國產(chǎn)貼片機(jī)研發(fā)過程中，能借鑒進(jìn)口機(jī)技術(shù)的僅僅是一些表面內(nèi)容，更重要的技術(shù)內(nèi)涵需要人才開發(fā)?？傇O(shè)計(jì)師或技術(shù)負(fù)責(zé)人需要具有跨學(xué)科綜合性知識和技能，需要具有相當(dāng)程度的貼片機(jī)應(yīng)用和維護(hù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并具有將理論和實(shí)踐相結(jié)合的水平和能力。由于缺乏專門的培養(yǎng)，國內(nèi)該領(lǐng)域的綜合性研發(fā)人才和團(tuán)隊(duì)力量非常薄弱。這也是導(dǎo)致國產(chǎn)貼片機(jī)雖然研發(fā)單位不少，但難以形成高水平成果、難以突破國外專利技術(shù)限制、難以形成具有競爭性市場產(chǎn)品的重要原因之一。

4)存在制度和政策問題。政府對一項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)力是巨大的，若有好的戰(zhàn)略規(guī)劃和政策支持，則國產(chǎn)貼片機(jī)的研發(fā)步伐必將大幅加快。這方面的欠缺，也是導(dǎo)致國產(chǎn)貼片機(jī)研發(fā)工作至今基本處于研發(fā)單位各自為陣、研發(fā)技術(shù)水平有限、研發(fā)成果水平不高、形不成市場產(chǎn)品、難以與進(jìn)口機(jī)競爭狀態(tài)的關(guān)鍵因素。

3.2 發(fā)展建議

3.2.1 政策引導(dǎo)和支持

高度重視貼片機(jī)對現(xiàn)代電子產(chǎn)品制造的重要性以及國產(chǎn)機(jī)研發(fā)對國家科技發(fā)展和國防建設(shè)的重大戰(zhàn)略意義。建議政府有關(guān)部門制定相關(guān)發(fā)展規(guī)劃，有計(jì)劃、有步驟地進(jìn)行組織和政策引導(dǎo)，從統(tǒng)籌規(guī)劃、協(xié)同研發(fā)組織、資金支持、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)立項(xiàng)、新產(chǎn)品進(jìn)入市場政策扶持等方面進(jìn)行組織和實(shí)施。這是國產(chǎn)貼片機(jī)研發(fā)能否快速進(jìn)步的關(guān)鍵。

3.2.2 構(gòu)建研發(fā)體系

借助國內(nèi)的工業(yè)4.0和智能制造規(guī)劃推進(jìn)大勢，結(jié)合電子產(chǎn)品制造其它關(guān)鍵設(shè)備的研發(fā)需求，以政策為橋梁，以網(wǎng)絡(luò)為紐帶，構(gòu)建以國產(chǎn)貼片機(jī)研發(fā)為主體內(nèi)容的電子產(chǎn)品制造關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)體系，整合優(yōu)勢，分工協(xié)作，聯(lián)合攻關(guān)，形成由體系內(nèi)主研企業(yè)牽頭、助研單位協(xié)同、技術(shù)支撐單位支持的有機(jī)體，在國產(chǎn)貼片機(jī)已有的研發(fā)成果基礎(chǔ)上，聚集人力資源，合力解決制造工藝、材料、配套件等方面的綜合性技術(shù)難題，獲取高水平研發(fā)成果。

3.2.3 開通可持續(xù)研發(fā)之路

通過設(shè)立研發(fā)專項(xiàng)，給予研發(fā)資金和成果轉(zhuǎn)化資金扶持，制定成果產(chǎn)品進(jìn)入市場銷售補(bǔ)貼政策等措施，開通國產(chǎn)貼片機(jī)可持續(xù)研發(fā)之路。扶持重點(diǎn)研發(fā)企業(yè)逐步形成能緊跟進(jìn)口貼片機(jī)技術(shù)發(fā)展步伐、及時(shí)推出自主研發(fā)新產(chǎn)品的能力，使國產(chǎn)貼片機(jī)的研發(fā)與產(chǎn)品化得到良性發(fā)展。

4 結(jié)束語

國產(chǎn)貼片機(jī)研發(fā)是一項(xiàng)涉及綜合性高新技術(shù)的系統(tǒng)性工程，在國內(nèi)現(xiàn)有制造水平和實(shí)際研發(fā)情況下，只有得到有效的政策引導(dǎo)和扶持，充分利用國內(nèi)的整體制造實(shí)力解決技術(shù)難題，使其達(dá)到一定的技術(shù)水準(zhǔn)，并進(jìn)入市場產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，才能使其有所突破和可持續(xù)發(fā)展。

[1] 張強(qiáng). 我國SMT裝備制造業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及面臨的瓶頸分析: NEPCON CHINA 2014展會(huì)調(diào)研報(bào)告[R/OL]. [2015-11-06]. http://intl.ce.cn/specials/zxgjzh/201405/19/t20140519_2835682.shtml.

[2] 西門子SIPLACE-X4(i)貼片機(jī)的新概念[EB/OL]. [2015-11-16]. http://www.wenkuxiazai.com/doc/3593210c581b6bd97f19ea7a. Html.

[3] 韓國三星的高速機(jī)EXCEN PRO貼片機(jī), 三星全自動(dòng)高速貼片機(jī)EXCEN FLEX新產(chǎn)品技術(shù)新聞資訊[EB/OL]. [2015-10-08]. http://blog.sina.com.cn/s/blog_b8f1b50f0101igeg.html.

[4] 宋福民, 張小麗, 馬如震. SMT2505全視覺多功能貼片機(jī)的研制[J]. 電子工業(yè)專用設(shè)備, 2002, 31(4): 219-222.

[5] 上海市科委2003年科技成果鑒定清單[EB/OL]. [2015-11-09]. http://www.doc88.com/p-6734187900942.html.

[6] 華南理工大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與工程學(xué)院導(dǎo)師成果介紹[EB/OL]. [2015-10-19]. http://yz.kaoyan.com/scut/daoshi/07/430179/.

[7] 深圳市托普科實(shí)業(yè)有限公司.中國SMT貼片機(jī)市場分析[EB/OL]. [2015-11-10]. http://www.smt-ai.com/pddetailthree/tech/detail-767950.html.

[8] 騰世集團(tuán). 騰世機(jī)電有限公司“國產(chǎn)高速貼片機(jī)鑒定會(huì)暨發(fā)布會(huì)”的召開[EB/OL]. [2015-11-02]. http://www.torsung.com/newsShow. asp?id=359.

[9] 騰世集團(tuán). 高速貼片機(jī)有了“中國造”[EB/OL]. [2015-11-21]. http://www.torsung.com/newsShow.asp?id=360.

周德儉(1954-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槲㈦娮又圃炫c表面組裝技術(shù)。

Development Status and Analysis of Domestic SMT Mounter

ZHOU De-jian

(ElectromechanicalEngineeringCollege,GuilinUniversityofElectronicTechnology,Guilin541004,China)

Significant progress has been made in the development of SMT (surface mount technology) equipment in our country, such as solder paste printers, reflow soldering equipment, wave soldering equipment, AOI test equipment etc. However, development of the mid-range and the high-grade SMT mounters, the key equipment in SMT production line, has little breakthrough up to now. In this paper the technology development，the domestic application and development status of SMT mounter are briefly described. The main difficult problems of domestic mounter development are pointed out. And some recommendations for mounter development are made to speed up the development of the domestic SMT mounter.

SMT mounter; development; present status; analysis

2015-12-03

TG439.9

A

1008-5300(2016)01-0001-04