光電器件混合組裝工藝中SMT技術(shù)貼片工藝研究

西安電子科技大學(xué)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(yè)界也普遍認(rèn)可 “組裝”這個(gè)術(shù)語。目前電子組裝主要利用表面貼裝技術(shù)SMT（surface mounted technology）和通孔安裝技術(shù)THT（through hole technology）。這兩種組裝技術(shù)可以單獨(dú)使用，也可以混合同時(shí)使用，現(xiàn)階段SMT技術(shù)占主導(dǎo)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(yōu)秀性能指標(biāo)、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(zhuǎn)移至SMT技術(shù)。SMT工藝過程包括涂覆焊料、貼裝元件、焊接等。SMT工藝的關(guān)鍵設(shè)備是貼片機(jī)，貼片精度、貼片速度、貼片機(jī)的適應(yīng)范圍決定了貼片機(jī)的技術(shù)能力，貼片機(jī)也決定了SMT生產(chǎn)線的效率。

2.SMT貼片技術(shù)

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(shù)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(zhǔn)檢測系統(tǒng)的位置關(guān)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(zhǔn)檢測系統(tǒng)識別基板上的Mark點(diǎn)，計(jì)算所有器件的貼裝位置坐標(biāo)；貼片頭從元器件送料器中拾取元器件；在貼片頭運(yùn)動的同時(shí)，對準(zhǔn)檢測系統(tǒng)經(jīng)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(yùn)動坐標(biāo)，貼片頭根據(jù)貼片元件與焊盤的位置偏差相應(yīng)調(diào)整；貼片頭吸取元器件運(yùn)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(xù)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(chǎn)線中貼片工序的生產(chǎn)效率最低，貼片機(jī)必須保持高速運(yùn)轉(zhuǎn)。貼片時(shí)需要將元器件的所有引腳與PCB基板上相應(yīng)焊盤對準(zhǔn)，因此貼片過程也是一個(gè)高精度的對位過程。衡量貼裝質(zhì)量的重要參數(shù)之一就是貼裝位置精度。

貼片技術(shù)的主要特征體現(xiàn)在以下幾個(gè)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(tǒng)電子元器件，元器件的體積相差數(shù)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(gè)元器件貼裝的時(shí)間已經(jīng)縮短到0.06s左右（片式元件），幾乎達(dá)到機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動速度的極限；（3）貼裝精確度要求高。通過采用機(jī)、電、光和軟硬件綜合技術(shù)，現(xiàn)在貼裝精確度已經(jīng)可以達(dá)到3σ下22～25μm，一部分細(xì)小元件和細(xì)節(jié)距IC貼裝精度甚至達(dá)到4σ下22μm ；元件與器件之間的距離達(dá)到0.1mm的量級，意味著SMT貼裝精確度指標(biāo)已經(jīng)與芯片封裝技術(shù)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(shù)產(chǎn)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(zhǔn)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(jī)的工作能力，這也就是貼片機(jī)的貼裝精度。貼裝精度定義為貼裝元器件引腳偏離標(biāo)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(jī)的貼裝精確度已經(jīng)達(dá)到微米數(shù)量級。

貼片機(jī)控制貼片元器件用平面X、Y、q（圍繞Z軸的轉(zhuǎn)角）三個(gè)坐標(biāo)來定位。三個(gè)坐標(biāo)綜合的結(jié)果決定貼裝的精度，并直接影響后序焊接工序的工藝質(zhì)量。目前在高精度貼片機(jī)中X、Y方向可以提供22mm/3σ的定位精度，q角可達(dá)± 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(zhuǎn)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(tǒng)的不精確性，它包括位移、定標(biāo)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(guī)定為電路板上元器件相對于設(shè)計(jì)中心標(biāo)定位置的真實(shí)位置半徑T，如果考慮X-Y坐標(biāo)的公差，則：

2.2.2 旋轉(zhuǎn)誤差

旋轉(zhuǎn)誤差是相對于標(biāo)定貼裝取向的角度公差，如圖4所示。離元器件中心最遠(yuǎn)的端子旋轉(zhuǎn)誤差最大。旋轉(zhuǎn)誤差來自元器件定心機(jī)構(gòu)的不精確性，或者貼裝工具旋轉(zhuǎn)的角度誤差。為了簡化分析，利用元器件外輪廓角點(diǎn)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(diǎn)的距離，θ為旋轉(zhuǎn)誤差，R為角位移。

圖3 旋轉(zhuǎn)誤差的定義

圖4 貼裝誤差計(jì)算實(shí)例示意圖

旋轉(zhuǎn)誤差也可以用沿X軸和Y軸計(jì)算旋轉(zhuǎn)誤差的分量，即：

旋轉(zhuǎn)誤差與元器件的大小有關(guān)，所以必須分別確定平移誤差和旋轉(zhuǎn)誤差。

2.2.3 總誤差

旋轉(zhuǎn)誤差和平移誤差組合產(chǎn)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(gè)數(shù)值計(jì)算總的貼裝精度。

圖5示例，一臺貼片機(jī)在X軸和Y軸上的平移誤差為±0.01mm，旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)誤差R為：

旋轉(zhuǎn)誤差的X軸和Y軸成分：

沿兩個(gè)軸的誤差為：

所以，貼裝總誤差為：

3.SMT貼片機(jī)

3.1 SMT貼片機(jī)組成

根據(jù)自動化程度，貼片機(jī)分為手動貼片機(jī)、半自動化貼片機(jī)和全自動貼片機(jī)。所有貼片機(jī)都包含機(jī)械主體、貼片頭、PCB輸送系統(tǒng)、元器件供料系統(tǒng)、基板與元器件對準(zhǔn)系統(tǒng)。全自動貼片機(jī)包含復(fù)雜的控制和軟件系統(tǒng)。

3.1.1 機(jī)械主體

機(jī)械主體包括機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)、PCB傳送結(jié)構(gòu)、元件傳送結(jié)構(gòu)、X/Y軸驅(qū)動機(jī)構(gòu)、貼片頭等系統(tǒng)。如圖6所示，貼片機(jī)的機(jī)械主體一般采用橫梁式結(jié)構(gòu)，貼片頭安裝在橫梁即X向運(yùn)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(yùn)動和q角的旋轉(zhuǎn)。

（1）貼片機(jī)主體結(jié)構(gòu)形式

貼片機(jī)的X/Y軸定位形式主要采用橫梁式結(jié)構(gòu)，橫梁與兩側(cè)的導(dǎo)軌構(gòu)成拱形結(jié)構(gòu)。貼片機(jī)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(jié)構(gòu)。

（2）PCB傳送結(jié)構(gòu)

PCB傳送結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)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(jié)構(gòu)分為單工作臺單軌道傳送、單工作臺雙軌道傳送形式，復(fù)合貼片機(jī)采用多軌式。

雙軌內(nèi)有6個(gè)區(qū)域，區(qū)域A，C，D和F用來輸入／傳出PCB，區(qū)域B和E用來貼片，貼片機(jī)一次最多可放3塊PCB。一般兩個(gè)板在區(qū)域B和E，另一個(gè)板可以在任何其他輸入／傳出位置。當(dāng)一個(gè)板貼片時(shí)，另一個(gè)板在預(yù)備軌道的緩沖區(qū)域內(nèi)，前一個(gè)板貼片完成后，立即開始處理預(yù)備軌道區(qū)域的板，這樣就可以把傳送板的時(shí)間降到最低。

（3）元器件送料機(jī)構(gòu)

在貼片機(jī)中，供料器將包裝中的元器件按貼片機(jī)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(zhì)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(shù)中影響貼裝精度和生產(chǎn)效率的重要部件，以至于有的貼片機(jī)型號中直接以可容納供料器數(shù)量作為標(biāo)志。

（4）貼片頭

傳統(tǒng)拱架式結(jié)構(gòu)的貼片頭有單吸嘴和多吸嘴并列的結(jié)構(gòu)。單吸嘴貼片頭在一個(gè)貼裝循環(huán)中只能貼裝一個(gè)元件，貼裝的精度較高。多吸嘴并列貼片頭有2～12個(gè)并列平行的吸嘴貼裝軸，在一個(gè)貼裝循環(huán)中可以吸取、校正和貼裝多個(gè)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(shù)量有限，因此在拱架式貼片機(jī)上一般都有一個(gè)專門的吸嘴儲藏機(jī)構(gòu)，供貼裝頭在需要時(shí)進(jìn)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(jié)構(gòu)形式分為轉(zhuǎn)動式和平動式。轉(zhuǎn)動形貼片頭結(jié)構(gòu)又分為轉(zhuǎn)塔形、轉(zhuǎn)輪形、小轉(zhuǎn)塔形。

3.1.2 控制系統(tǒng)

貼片機(jī)的控制系統(tǒng)一般由供料系統(tǒng)、傳送系統(tǒng)、輸入/輸出系統(tǒng)、貼裝系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)、電源系統(tǒng)及人機(jī)系統(tǒng)等各個(gè)子系統(tǒng)的控制系統(tǒng)組成。

3.1.3 對準(zhǔn)系統(tǒng)

貼片機(jī)的對準(zhǔn)系統(tǒng)包括PCB基板的對準(zhǔn)檢測系統(tǒng)和元器件對準(zhǔn)系統(tǒng)。貼片機(jī)的對準(zhǔn)檢測系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理如圖4所示。當(dāng)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(zhǔn)（MARK點(diǎn)）CCD攝像機(jī)在區(qū)域內(nèi)通過圖像識別算法搜尋MARK點(diǎn)，并由系統(tǒng)軟件計(jì)算出其在貼片工作臺坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，同時(shí)將元器件應(yīng)貼裝的位置數(shù)據(jù)送給主控計(jì)算機(jī)。

圖5 貼片機(jī)的對準(zhǔn)檢測系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理示意圖

為了提高對準(zhǔn)檢測的速度，現(xiàn)在的貼片機(jī)普遍采用飛行對中檢測技術(shù)。飛行對中是指將攝像機(jī)或激光檢測系統(tǒng)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(shù)一般用在旋轉(zhuǎn)式多吸嘴貼片頭中，它可以大幅度縮短對中的時(shí)間，提高貼裝效率。

3.1.4 軟件系統(tǒng)

全自動貼片機(jī)軟件系統(tǒng)的構(gòu)成。全自動貼片機(jī)的軟件系統(tǒng)包括數(shù)控庫管理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、安全監(jiān)控、系統(tǒng)調(diào)節(jié)、幫助系統(tǒng)、智能管理系統(tǒng)等。

3.2 典型貼片機(jī)

貼片機(jī)技術(shù)的發(fā)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(yīng)性。

（1）雙模塊復(fù)合式貼片機(jī)

可選配的貼裝頭有傾斜轉(zhuǎn)輪式、垂直轉(zhuǎn)輪式和水平排列式。貼片機(jī)主體結(jié)構(gòu)由兩臺貼片機(jī)組合而成。一個(gè)固定橫梁上兩側(cè)各有兩個(gè)懸臂梁，四個(gè)懸臂梁上分別安裝一個(gè)裝貼頭。懸臂梁和貼裝頭的X/Y軸運(yùn)動都是依靠直線電機(jī)驅(qū)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(shí)現(xiàn)了貼片頭的X/Y軸快速、高精度運(yùn)動。貼裝頭在拾取元器件的同時(shí)，元器件檢測攝像機(jī)在作對中檢測。PCB輸送系統(tǒng)沿著與固定橫梁垂直方向布置?？蛇x配的PCB輸送系統(tǒng)有單軌和雙軌道式結(jié)構(gòu)。每臺貼片機(jī)可以安裝四套送料器架，每個(gè)送料器架可以安裝多個(gè)元器件輸送系統(tǒng)。

（2）多功能模組式貼片機(jī)

日本富士公司推出的FUJINXTⅢ型模組式高速多功能貼片機(jī)。多功能模組式貼片機(jī)的組成原理是，在模組主體的基礎(chǔ)上加裝多個(gè)高速貼片系統(tǒng)，加裝的貼片系統(tǒng)使用通用基座。單個(gè)高速貼片系統(tǒng)有自己的送料器、貼片頭，以及元器件對準(zhǔn)檢測系統(tǒng)，使用的貼片頭可以是單個(gè)貼片頭，也可以是小轉(zhuǎn)輪式貼片頭。根據(jù)貼裝元器件的尺寸大小，可以將貼片頭設(shè)計(jì)成不同規(guī)格。元器件送料系統(tǒng)是通用系統(tǒng)，可以在不同貼片系統(tǒng)上使用。多功能模組式貼片機(jī)的PCB輸送系統(tǒng)是共用系統(tǒng)。根據(jù)這種組合方法，貼裝生產(chǎn)線可以非常靈活的搭建貼片機(jī)系統(tǒng)，維修或者更換產(chǎn)品也非常方便。FUJINXTⅢ是在2008年推出的NXTⅡ的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來。通過高速化的X/Y機(jī)械手和料帶供料器以及使用新研發(fā)的相機(jī)（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(gè)模組的元件貼裝能力高達(dá)35,000cph，比NXTII提高了約35%。FUJINXTIII不僅可以對應(yīng)現(xiàn)在生產(chǎn)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(xiàn)有機(jī)種更具剛性的機(jī)器構(gòu)造、獨(dú)自的伺服控制技術(shù)以及元件影像識別技術(shù)，可以達(dá)到行業(yè)頂尖的小型芯片的貼裝精度：±25μm（3σ）Cpk≧1.00。