基于磁力固定的PCB載具抗貼偏性研究

黃 超, 茅 健, 周玉鳳

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院, 上海 201620)

表面貼裝技術(shù)(Surface Mount Technology,SMT)是當(dāng)前電子產(chǎn)品制造業(yè)中使用最為廣泛的組裝技術(shù)[1].SMT生產(chǎn)線主要由貼片機(jī)、自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)(Automated Optical Inspection,AOI)設(shè)備、焊錫印刷機(jī)、點(diǎn)膠設(shè)備、回流焊爐等構(gòu)成,適用于大批量生產(chǎn)小體積、高性能的電子產(chǎn)品,如智能手機(jī)、固態(tài)硬盤(pán)、筆記本電腦等.SMT中貼片機(jī)專(zhuān)用于將電子元器件準(zhǔn)確貼裝在印制電路板(Printed Circuit Board,PCB)的預(yù)定位置,為防止PCB在貼裝過(guò)程中發(fā)生偏移導(dǎo)致報(bào)廢,須將PCB固定在相應(yīng)夾具裝置上[2].但現(xiàn)有貼片機(jī)專(zhuān)用夾具只適應(yīng)特定規(guī)格PCB的貼片加工[3],當(dāng)PCB尺寸變動(dòng)范圍較大時(shí),專(zhuān)用夾具不再適用,須頻繁更換夾具.

為解決PCB固定這一問(wèn)題,國(guó)內(nèi)不少單位研制高適應(yīng)度自動(dòng)貼片機(jī),主要針對(duì)貼片機(jī)夾具進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造.珠海祺力電子有限公司唐換名[4]研發(fā)一種既能夾持矩形形狀PCB,又能夾持不規(guī)則形狀PCB的貼片機(jī)夾具,主要通過(guò)兩組滑動(dòng)卡件包覆在PCB邊緣以實(shí)現(xiàn)固定.李繼昌[5]針對(duì)螺釘固定PCB后不便于拆卸的缺點(diǎn),研發(fā)一種僅需松緊螺母便可固定和移動(dòng)不同尺寸PCB的貼片機(jī)夾具.肖海等[6]針對(duì)貼片機(jī)只裝有單個(gè)夾具影響貼片效率的問(wèn)題,研發(fā)一種三段式貼片機(jī)夾具,該夾具可同時(shí)容納3個(gè)夾具,可提高更換夾具的速率.本文針對(duì)PCB固定問(wèn)題,從理論上分析磁鐵吸附固定的可行性,提出磁力計(jì)算模型,采用有限元法進(jìn)行磁力仿真求解,提出通過(guò)磁力固定PCB的方案.

1 磁力計(jì)算理論

設(shè)面積為2a×2b的矩形磁面如圖1所示.

圖1 P點(diǎn)磁標(biāo)量勢(shì)Fig.1 Magnetic scalar potential at point P

依據(jù)等效磁荷理論[7],任意一點(diǎn)P的標(biāo)量磁位方程為

(1)

(2)

對(duì)于體積為2a×2b×2c的矩形磁鐵,被磁化后只在兩端面上出現(xiàn)正或負(fù)磁荷.假設(shè)充磁方向與磁鐵表面法線方向重合,由靜磁學(xué)理論[8]在點(diǎn)P處對(duì)φp求梯度,可得P點(diǎn)處磁場(chǎng)強(qiáng)度為

(3)

其中

將兩塊矩形磁鐵上下放置,如圖2所示.上方磁鐵A:介質(zhì)極化強(qiáng)度為J,體積為2a×2b×2c;下方磁鐵B:介質(zhì)極化強(qiáng)度為J′,體積為2a′×2b′×2c′,充磁方向互相平行.

圖2 矩形磁鐵計(jì)算模型Fig.2 Rectangular magnet calculation model

根據(jù)等效磁荷理論,兩塊磁鐵間的磁力由相對(duì)的兩個(gè)端面相互作用產(chǎn)生,靜磁能[9]計(jì)算式為

(4)

ψ(Uij,Vkl,Wpq,r)

(5)

其中

(6)

根據(jù)虛功原理[8]得兩塊矩形磁鐵間磁力,當(dāng)上下磁鐵充磁方向相同時(shí)F取正,反之取負(fù)[10],計(jì)算式為

(7)

其中

帶磁性PCB載具實(shí)物如圖3所示.將兩根帶磁性的壓條分別置于載具上下端的兩個(gè)小凹槽中,載具上有定位銷(xiāo)孔.

圖3 帶磁條載具Fig.3 Carrier with magnetic stripe

載具初始狀態(tài)如圖4所示.磁條未固定PCB,磁條吸附在載具表面固定,如圖5所示.

圖4 初始狀態(tài)Fig.4 Initial state

圖5 固定PCBFig.5 Fixing PCB

PCB固定后,將磁條與載具表面接觸部分抽離出來(lái)構(gòu)成簡(jiǎn)化的計(jì)算模型,如圖6所示.磁條材料選用導(dǎo)磁性較好的釹鐵硼,幾何參數(shù)見(jiàn)表1.

圖6 磁力計(jì)算模型Fig.6 Magnetic calculation model

將模型劃分為圖6所示的7段矩形方塊,各段幾何參數(shù)見(jiàn)表2.將各段參數(shù)分別代入式(7)進(jìn)行磁力求解,求和可得磁條吸附力F磁.

表1 磁條幾何參數(shù)Table 1 Magnetic strip geometric parameters

表2 計(jì)算明細(xì)表Table 2 Calculation schedule

2 有限元模型

2.1 模型建立

利用ANSYS分析時(shí)使用的耦合場(chǎng)單元為SOLID98[11],共定義3種材料屬性:材料1為壓條永磁;材料2為載具永磁;材料3為空氣.由于壓條截面尺寸變化較大,對(duì)磁通密度分布影響較大,建模時(shí)將其劃分為7個(gè)體單元,載具部分單獨(dú)作為1個(gè)體單元.

加邊界條件:在對(duì)稱(chēng)平面(z=0)內(nèi)磁力線垂直通過(guò),所以在這個(gè)位置施加磁力線垂直的邊界條件(φ=0).由于假設(shè)不漏磁,所有磁通量沿磁路通過(guò),故在所有其他外表面上施加磁力線平行的邊界條件(?φ/?n=0).求解后,得到磁通密度矢量如圖7所示,磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量如圖8所示.

2.2 仿真結(jié)果分析

1) 磁通密度在所選路徑上的分布

在對(duì)稱(chēng)平面(z=0)內(nèi)選取20個(gè)特征節(jié)點(diǎn) (圖7中1,2,3,…,20),依次連接相鄰特征點(diǎn)形成路徑Path,將磁通密度數(shù)據(jù)映射到路徑Path上,得到磁通密度變化如圖9所示.圖中,兩端節(jié)點(diǎn)磁通密度最大,中間節(jié)點(diǎn)由于存在空氣介質(zhì),磁通密度驟減;此外,大截面處節(jié)點(diǎn)磁通密度大于小截面處節(jié)點(diǎn)磁通密度.

圖7 磁通密度矢量圖Fig.7 Vector diagram of magnetic flux density

圖8 磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量圖Fig.8 Vector diagram of magnetic field strength

圖9 路徑Path上磁通密度Fig.9 Magnetic flux density on Path

2) 磁力在所選路徑上的分布

將節(jié)點(diǎn)磁力數(shù)據(jù)映射到路徑Path上,如圖10所示.由圖可見(jiàn),節(jié)點(diǎn)磁力表現(xiàn)出與節(jié)點(diǎn)磁通密度相似的變化規(guī)律,由于空氣介質(zhì)對(duì)磁力分布的影響,導(dǎo)致即使是在對(duì)稱(chēng)節(jié)點(diǎn),磁力也并非一定相等.

3 貼裝試驗(yàn)仿真

圖10 Path上節(jié)點(diǎn)磁力變化曲線Fig.10 Magnetic variation curve of nodes on Path

1) 從同一高度3個(gè)不同位置下落小球,初始速度均為100 m/s.PCB板材料選用聚乙烯,小球材料選用結(jié)構(gòu)鋼,劃分網(wǎng)格單元大小為0.005 m,將薄板兩個(gè)端面固定,求解時(shí)間設(shè)定為0.5 s.3組試驗(yàn)小球位置如圖11所示.1號(hào)落點(diǎn)應(yīng)變?nèi)鐖D12所示.3組測(cè)試應(yīng)力分布圖13所示.

從圖12和13可以看出,當(dāng)小球從靠近薄板中心區(qū)域(1號(hào)位置)下落時(shí),對(duì)薄板兩個(gè)端面幾乎沒(méi)有造成沖擊,所以要驗(yàn)證σ磁是否滿足約束條件,應(yīng)盡量選取靠近薄板邊緣的落點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn).2號(hào)位置下落時(shí)最大應(yīng)力比3號(hào)位置大,σmax<0.08 kPa<σ磁,σ磁滿足約束條件.

圖11 落點(diǎn)位置Fig.11 Location of drop point

圖12 1號(hào)高點(diǎn)應(yīng)變測(cè)試Fig.12 Equivalent elastic strain test at positio one

圖13 不同下落位置應(yīng)力分布圖Fig.13 Stress distribution diagram of different falling positions

2) 從同一位置以不同速度下落小球,取2號(hào)位置落點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試.讓小球在2號(hào)位置,分別以初始速度v=100、110、120和130 m/s下落,應(yīng)力分布如圖14所示.由圖可知,當(dāng)小球初始速度增大時(shí),薄板表面產(chǎn)生的碰撞應(yīng)力逐漸增大;當(dāng)v=130 m/s,t=0.5 s時(shí),產(chǎn)生的最大應(yīng)力σmax=0.192 kPa<σ磁,說(shuō)明此時(shí)σ磁仍然滿足約束條件.在實(shí)際貼裝過(guò)程中,貼裝頭速度越大,產(chǎn)生的碰撞應(yīng)力也越大.

4 真機(jī)試驗(yàn)

本文選擇3種不同規(guī)格PCB進(jìn)行真機(jī)試驗(yàn). A組:PCB尺寸為120 mm×128 mm×1 mm,400片;B組:PCB尺寸為80 mm×100 mm×1 mm,400片;C組:PCB尺寸為150 mm×200 mm×1 mm,400片.貼片機(jī)型號(hào)為Panasonic-NPM-W2,如圖15所示.

圖14 不同下落速度應(yīng)力分布圖Fig.14 Stress distribution diagram of different falling speeds

圖15 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖Fig.15 Field testing diagram

第1組試驗(yàn):將貼裝頭速度設(shè)定為100 m/s,安裝好磁條;分別將A、B、C 3組各100片PCB投入貼裝加工工序;貼裝后利用AOI測(cè)量?jī)x檢測(cè)PCB偏移量.第2、3、4組分別將貼裝頭速度設(shè)定為110、120和130 m/s,其他條件保持不變.生產(chǎn)規(guī)定PCB的X和Y方向上偏移量不能超過(guò)0.1 mm.

統(tǒng)計(jì)分析1 200片PCB的X和Y方向上的偏移量,1 200片PCB可分為12組,每組100片,從每組中采用不放回隨機(jī)抽樣的方式取出3片,共抽取36片PCB作為樣本,樣本偏移量見(jiàn)表3.散點(diǎn)圖如圖16所示.由此可見(jiàn),樣本偏移量均處于生產(chǎn)允許范圍內(nèi),并由樣本推斷出總體偏移量也均在允許范圍內(nèi).實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果表明,1 200片PCB偏移量均能滿足生產(chǎn)要求,并未出現(xiàn)不合格品.

表3 12組樣本偏移量Table 3 12 group sample offsets mm

圖16 樣本偏移量散點(diǎn)圖Fig.16 Scatter diagram of sample offset

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)貼裝過(guò)程中固定PCB的問(wèn)題展開(kāi)研究,提出可行的磁力載具方案.利用等效磁荷和靜磁學(xué)理論中磁力計(jì)算公式,計(jì)算出磁條磁力大小后,經(jīng)ANSYS進(jìn)行磁力仿真,得到磁力仿真值與理論計(jì)算值.碰撞模擬試驗(yàn)和真機(jī)試驗(yàn)均證實(shí)磁力載具方案具有可行性.本文仿真過(guò)程中忽略溫度對(duì)磁力的影響,但實(shí)際生產(chǎn)中載具進(jìn)入120 ℃爐溫機(jī)中進(jìn)行回爐焊工序時(shí),磁條磁力會(huì)產(chǎn)生一定波動(dòng).此外,貼裝過(guò)程伴隨著高頻率振動(dòng),本文只是根據(jù)瞬時(shí)碰撞應(yīng)力大小對(duì)磁力的約束進(jìn)行校核,滿足靜力學(xué)條件,下一步工作是在動(dòng)力學(xué)條件下進(jìn)行研究.