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贴片机介绍

来源: 作者: 时间:2010-06-18 点击:

    表面贴装技术(Surface mounting Technology,简称SMT)由于其组装密度高及良好的自动化生产性而得到高速发展并在电路组装生产中被广泛应用。SMT是第四代电子装联技术,其优点是元器件安装密度高,易于实现自动化和提高生产效率,降低成本。SMT生产线由丝网印刷、贴装元件及再流焊三个过程构成,如图1所示。其中SMC/SMD(surface mount component/Surface mount device,片式电子元件/器件)的贴装是整个表面贴装工艺的重要组成部分,它所涉及到的问题较其它工序更复杂,难度更大,同时片式电子元件贴装设备在整个设备投资中也最大。这种设备我们一般被称它为贴片机。

什么是贴片机

    贴片机:又称“贴装机”、“表面贴装系统”(Surface Mount System),在生产线中,它配置在点胶机或丝网印刷机之后,是通过移动贴装头把表面贴装元器件准确地放置PCB焊盘上的一种设备。分为手动和全自动两种。
    全自动贴片机是用来实现高速、高精度地全自动地贴放元器件的设备,是整个SMI、生产中最关键、最复杂的设备。贴片机是SMT的生产线中的主要设备,现在,贴片机已从早期的低速机械贴片机发展为高速光学对中贴片机,并向多功能、柔性连接模块化发展。

主要厂商       

    Assembleon安比昂、Siemens西门子(德国)、Panasonic松下(日本)、FUJI富机(日本)、YAMAHA雅马哈(日本)、JUKI(日本)、SAMSUNG三星(韩国)、SANYO三洋(日本)、三菱MITSUBISHI(日本)等
 

SMT贴片机的分类     

    SMT贴片机分为高速贴片机和中速贴片机。
    一、高速贴片机(又名:转塔式贴片机):
    1、一般采用转塔式,贴装头安装于一个转塔上,转塔上安装有多组贴片头,一般在十几到二十几组,每个贴片头上安装有4-6个吸嘴。
    2、采用真空吸取料件,基板固定于X/Y要作台上,元件喂料器放于一个移动式料车上,在吸取物料时,移动式料车移动到真空吸嘴吸作位置,经转塔转动到吸取位置吸取物料,再转动与方向调整至贴片位置进行贴片;
    3、对元件与方向的调整:相机成像识别,X/Y坐标系统调整位置、吸嘴旋转调整方向;
    4、优点:速度较快,造合于大批量生产,将动作细微化,吸嘴自动切换(节省吸嘴切换时间),选择吸嘴、料器移动到位、取元件、元件识别、方向调整、工作台移动贴片等相关动作可以在同一周期内完成等优点。
    5、缺点:占用空间大,生产时噪音大,结构复杂,造价成本高,适合于CHIP物料贴装,异形元件较难完成等缺点。
    二、中速贴片机/泛用机(又名:拱架型贴片机):
    1.贴装头安装于拱架的X/Y坐标移动横梁上,喂料器与基板是固定的,贴片头上安装多个吸嘴(多达10个以上),采用吸空吸料方法作业,吸嘴头在喂料器与基板之间来回移动,将元件从送料器取出,经过对元件位置与贴装方向的调整,然后贴放于基板上;
    2.对元件与方向的调整:
    2.1、激光识别、X/Y坐标系统调整位置、吸嘴旋转调整方向,元件可以飞行过程中识别,但对部份精度高的异形元件元法达到贴片的高精度;
    2.2、相机成像识别、X/Y坐标系统调整位置、吸嘴旋转调整方向,相机成像识别,可以识别任何元件。
    3、优点:系统结构简单,可以实现高精度,适合于各种大小、异形元件、管装、盘装之元件贴片,适合小批量生产,也可多台机组合用于大批量生产及与高速贴贴片机组合生产;
    4、缺点:速度受到限制、而且不同类型的元件需要换用不同型号的真空吸嘴,换吸嘴有时间上的延误;

贴片机的工作原理

    贴片机实际上是一种精密的工业机器人,是机-电-光以及计算机控制技术的综合体。它通过吸取-位移-定位-放置等功能,在不损伤元件和印制电路板的情况下,实现了将SMC/SMD元件快速而准确地贴装到PCB板所指定的焊盘位置上。元件的对中有机械对中、激光对中、视觉对中3种方式。贴片机由机架、x-y运动机构(滚珠丝杆、直线导轨、驱动电机)、贴装头、元器件供料器、PCB承载机构、器件对中检测装置、计算机控制系统组成,整机的运动主要由x-y运动机构来实现,通过滚珠丝杆传递动力、由滚动直线导轨运动副实现定向的运动,这样的传动形式不仅其自身的运动阻力小、结构紧凑,而且较高的运动精度有力地保证了各元件的贴装位置精度。
    贴片机在重要部件如贴装主轴、动/静镜头、吸嘴座、送料器上进行了Mark标识。机器视觉能自动求出这些Mark中心系统坐标,建立贴片机系统坐标系和PCB、贴装元件坐标系之间的转换关系,计算得出贴片机的运动精确坐标;贴装头根据导入的贴装元件的封装类型、元件编号等参数到相应的位置抓取吸嘴、吸取元件;静镜头依照视觉处理程序对吸取元件进行检测、识别与对中;对中完成后贴装头将元件贴装到PCB上预定的位置。这一系列元件识别、对中、检测和贴装的动作都是工控机根据相应指令获取相关的数据后指令控制系统自动完成。

国内外贴片机性能研究

    国外的贴片机研制技术一直走在前列,如日本的松下、雅马哈、富士,韩国的三星,德国的西门子,美国的环球,荷兰的飞利浦等都已开发出非常成熟的产品系列[3]。
    美国乔治亚州理工学院的D.A.Bodner,M.Damrau等[4][5]利用Virtual NC仿真工具,以电子贴装设备Siemens 80S20为原型机,建立了相应的数字化样机模型,如图12所示。以贴装系统、送板机构、送料系统三大核心组件为基础,对整机性能进行了较为详尽的研究,分析了影响贴装速度的因素以及怎样取得最少的贴装周期时间。
    德国埃尔兰根大学的Feldmann与Christoph[6][7]基于多体仿真的思想,集成多体动力学仿真软件、有限元分析软件、控制仿真工具,建立一个综合性的多体仿真分析平台,如图13所示。以两门子Siplace F4贴片机为原型机,建立了贴片机的多体仿真数字化样机模型,对贴片机运动物体特性、挠性、振动特性以及热变形等进行了研究。其中重点介绍了在柔性体上建立线性约束的方法,并利用ADAMS/ENGINE模块中的"Timing Mechanism"建立了电机驱动齿形带的仿真模型。
    英国诺丁汉大学的Masri Ayob博士从改善取片--贴片操作、增强运动控制、吸嘴选择和送料器装配等方面入手,研究了多头顺序式贴片机的优化问题[5][6][7]。
    贴片机曾是我国"七五"、"八五"、"九五"、"十五"计划中电子装备类别的重点发展项目之一。20多年来,国内一些研究所、大学、工厂开展了SMT生产线中各种设备(指丝印、贴片、焊接等设备)的研制工作。
    从1978年我国引进第一条彩电生产线开始,电子部二所就开始了贴片机的研发工作,以后有电子部56所、电子部4506厂、航天部二院、广州机床研究所等科研院所分别进行了研制,并取得了大量科研成果。虽然这些研究成果没有实现产业化,但为后来者积累了宝贵的经验。
    国内现有或进行过贴片机研发、生产的企业有:羊城科技、熊猫电子、风华高科、上海现代、上海微电子、深圳日东等。 羊城科技从贴片机的低端市场出发,面向围内中小电子企业、科研院所等单位,自主研发,成功研制出SMT2505贴片机,并与西安交通大学[8][9]、中南大学[10][11][12][13]等展开合作,在自主研发产品基础上[14][15][16],采用数字化样机研究于段,进行了针对贴片机性能的系统研究,取得了一定成效。不过与国外机型相比还存在一定差距,而且因资金问题,产品尚未进入批量生产阶段。其它的研究企业也进行了贴片机的研制,完成各自的研制课题和样机,取得了一定的成果[17][18]。由于贴片机的技术含量高,研发周期较长,投入大,因此大部分中小企业对贴片机的研发工作仍停留在样机阶段,无法将产品应用到生产线上去。
    国内大专院校对贴片机的研究工作也一直末停止过,例如西安电子科技大学的闫红超、姜建国等采用改进混合遗传算法进行了贴片机装配工艺优化的研究[19];两安交通大学的李蕾、杜春华等对贴片机视觉检测算法进行了研究[20];西南交通大学的杨帆研究了SMT贴片机的定位运动控制[21];龙绪明对贴片机视觉系统进行了综述[22];山东大学的刘锦波基于视觉研究了楔型贴片机运动控制系统[47];上海交通大学机械与动力工程学院的莫锦秋、程志国、浦晓峰等研究了贴片机的控制系统[23],CIM研究所的曾又铰、金烨研究了贴片机的贴装优化问题[24],微电子装备研究所的于新瑞、王石刚、刘绍军研究了贴片机系统的图像处理技术问题[25],自动化研究所的田福厚、李少远等进行了贴片机喂料器分配的优化及其遗传算法研究[26];


 

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