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JUKI贴片机的结构与特征

SMT生产中的贴片技术通常是指用一定的方式将片式元器件准确地贴放到PCB指定的位置, 这个过程英文称之为“Pick and Place”, 显然它是指吸取 /拾取与放置两个动作。在SMT初期,由于片式元器件尺寸相对较大,人们用镊子等简单的工具就可以实现上述动作,至今尚有少数工厂仍采用或部分采用人工放 置元件的方法。但为了满足大生产的需要,特别是随着SMC/SMD的精细化,人们越来越重视采用自动化的机器--贴片机来实现高速高精度的贴放元器件。

近30年来,贴片机已由早期的低速度(1-1.5秒/片)和低精度(机械对中)发展到高速(0.08秒/片)和高精度(光学对 中,贴片精度+-60um/4δ)。高精度全自动贴片机是由计算机、光学、精密机械、滚珠丝杆、直线导轨、线性马达、谐波驱动器以及真空系统和各种传感器 构成的机电一体化的高科技装备。从某种意义上来说,贴片机技术已经成为SMT的支柱和深入发展的重要标志,贴片机是整个SMT 生产中最关键、最复杂的设备,也是人们初次建立SMT生产线时最难选择的设备。

本章将着重讨论贴片机的主要结构,工作原理,各类贴片机的主要特点以及IPC最新推出的贴片机验收标准,为选购及组织验收贴片机提供依据。

1.贴片机的结构与特性

目前 ,世界上生产贴片机的厂家有几十家,贴片机的品种达几百个之多,但无论是全自动贴片机还是手动贴片机,无论是高速贴片机还是中低速贴片机,它的总体结构均有类似之处。

贴片机的结构可分为:机架,PCB传送机构及支撑台X,Y与Z/θ伺服,定位系统,光学识别系统,贴片头,供料器,传感器和计算机操作软件。现将上述各种结构的特征及原理简介如下。

1.1 机架

机架是机器的基础,所有的传动、定位、传送机构均牢固地固定在它上面,大部分型号的贴片机及其各种送料器也安置在上面,因此机架应有足够的机械强度和刚性。目前贴片机有各种形式的机架,大致可分为两类。

(1).整体铸造式

整体铸造的机架的特点是整体性强,刚性好,整个机架铸造后采用时效处理,机架的变形微小,工作时稳固。高档机多采用此类结构。

(2).钢板烧焊式

这类机架由各种规格的钢板等烧焊而成,再经时效处理以减少应力变形.它的整体性比整体铸造低一点,但具有加工简单,成本较低的特点.在外观上(去掉机器外壳)可见到焊缝.

机器采用那种结构的机架,取决于机器的整体设计和承重.通常机器在运行过程中应平稳,轻松,无震动感 (用金属币立于机器上不会出现翻倒),从某种意义上来讲机架起着关键作用.

1.2 传送机构与支撑台

传送机构的作用是将需要贴片的PCB送到预定位置,贴片完成后再将SMA送至下道工序。

传送机构是安放在轨道上的超薄型皮带传送系统。通常皮带安置在轨道边缘,皮带分为A,B,C三段,并在B区传送部位设有PCB夹紧机构,在A,C区装有红外传感器,更先进的机器还带有条形码阅读器,它能识别PCB的进入和送出,记录PCB的数量。

传送机构根据贴片机的类型又分为两种

(1)整体式导轨

在这种方式贴片机中,PCB的进入、贴片、送出始终在导轨上,当PCB送到导轨上并前进到B区时,PCB会有一个后退动作并遇到后制限位块,于是PCB停止运行,与此同时,PCB下方带有定位销的顶块上行,将销钉顶入PCB的工艺孔中,并且B区上的压紧机构将PCB压紧。

在PCB的下方,有一块支撑台板,台板上有阵列式圆孔,当PCB进入B区后,可根据PCB结构需要在台板上安装适当数量的支撑杆,随着台面的上移,支撑杆将PCB支撑在水平位,这样当贴片头工作时就不会将PCB下压而影响贴片精度。

若PCB事先没有预留工艺孔,则可以采用光学辨认系统确认PCB的位置,此时可以将定位块上的销钉拆除,当PCB到位后,由PCB前后限位块及夹紧机构共同完成PCB的定位。

通常光学定位的精度高于机械定位,但定位时间较长。

(2)活动式导轨

在另一类高速贴片机中,B区导轨相对于A、C区是固定不变的,A、C区导轨却可以上下升降,当PCB由印刷机送到导轨A区时,A 区导轨处于高位并与印刷机相接,当PCB运行到B区时,A区导轨下沉到与B区导轨同一水平面,PCB由A区移到B区,并由B区夹紧定位,当PCB贴片完成 后送到C区导轨,C区导轨由低位(与B区同水平)上移到与下道工序的设备轨道同一水平,并将PCB由C区送到下道工序。然而在最新的松下MSR型贴片机 中,其A,C区导轨为固定 导轨,B区导轨则设计成可做X-Y移动的PCB承载台,并可做上下升降运动。由此可见,不同机型的导轨有不同结构,其做法主要取决于贴片机的整体结构。

1.3 X,Y与Z/θ伺服,定位系统

1.功能

X,Y定位系统是贴片机的关键机构,也是评估贴片机精度的主要指标,它包括X,Y传动结构和X,Y伺服系统。它的功能有两种,一 种是支撑贴片头,即贴片头安装在X导轨上,X导轨沿Y方向运动从而实现在X-Y方向贴片的全过程,这类结构在通用型贴片机[泛用机]中多见,另一种功能是 支撑PCB承载平台并实现PCB在X-Y方向移动,这类结构常见于塔式旋转头类的贴片机[转塔式]中。这类高速机中,其贴片头仅做旋转运动,而依靠送料器 的水平移动和PCB承载平面的运动完成贴片过程。上述两种X,Y定位系统中,X导轨沿Y方向运动,从运动的形式来看,属于连动式结构,其特点是X导轨受Y 导轨支撑,并沿Y轴运动,它属于动式导轨(Moving Rail)结构。

还有一类贴片机,贴片机的机头安装在X导轨上,并仅做X方向运动,而PCB承载台仅做Y方向运动,工作时两者配合完成贴片过程,其特点是X,Y导轨均与机座固定,它属于静式导轨(Statil Rail)结构。

从理论上讲,分离式结构的导轨在运动中的变形量要小于连动式,但在分离式的结构中,PCB处于运动状态,对贴装后的元器件是否产生位移,则应考虑。

2.结构

X,Y传动机构主要有两大类,一类是滚珠丝杠--直线导轨,另一类是同步齿行带---直线导轨。

(1)滚珠丝杠--直线导轨

典型的滚珠丝杠---直线导轨的结构,贴片头固定在滚珠螺母基座和对应的直线导轨上方的基座上,马达工作时,带动螺母做X方向往复运动,有导 向的直线导轨支承,保证运动方向平行,X轴在两平行滚珠丝杠--直线导轨上做Y方向移动,从而实现了贴片头在X-Y方向正交平行移动。同理,PCB承载平 台也以同样的方法,实现X-Y方向正交平行移动。

贴片速度的提高,意味着X-Y传动结构速度的提高,这将会导致X-Y传动结构因运动过快而发热,通常钢材的线膨胀系数为0.000015,铝 的线膨胀系数为钢的1.5倍,而滚珠丝杠[与马达连接]为主要热源,其热量的变化会影响贴装精度,故最新研制出的X-Y传动系统,在导轨内部设有[氮冷] 冷却系统,以保证因热膨胀带来的误差,如果X-Y轴没有强制冷却,在轴的附近会有明确的变形。

此外,在高速机中采用无摩擦线性马达,和空气轴承导轨传动,运行速度能做的更快。

(2)同步带--直线轴承驱动

典型的同步齿行带--直线导轨结构,同步齿行带由传动马达驱动小齿轮,使同步带在一定范围内作直线往复运动。这样带动轴基座在直线轴承往复运动,两个方向传动部件组合在一起组成X-Y传动系统。

由于同步齿行带载荷能力相对较小,仅适用于支持贴片头运动,典型产品是德国西门子贴片机,如HS-50型贴片机,该系统运行噪声低,工作环境好。

(3) X-Y伺服系统(定位控制电脑系统)

随着SMC/SMD尺寸的减小及精度的不断提高,对贴片机贴装精度的要求越来越高,换言之,对X-Y定位系统的要求越来越高。而X-Y定位系统是由X-Y 伺服系统来保证,即上述的滚珠丝杠--直线导轨及齿行带--直线导轨,是由交流伺服电机驱动,并在位移传感器及控制系统指挥下实现精确定位,因此位移传感 器的精度起着关键作用。目前,贴片机上使用的位移传感器有圆光栅编码器、磁栅尺和光栅尺,现将它们的结构与原理介绍如下。

(1)圆光栅编码器

通常圆光栅编码器的转动部位上装有两片圆光栅,圆光栅是由玻璃片或透明塑料制成,并在片上镀有明暗相间的放射状铬线,相邻的明暗 间距称为一个栅节,整个圆周总栅节数为编码器的线脉冲数。铬线数的多少,也表示其精度的高低,显然,铬线数越多,其精度越高。其中一片光栅固定在转动部位 做指标光栅,另一片则随转动轴同步运动并用来记数,因此,指标光栅与转动光栅组成一对扫描系统,相当于记数传感器。

编码器在工作时,可以检测出转动件的位置、角度、及角加速度,它可以将这些物理量转换成电信号,传输给控制系统,控制系统就可以根据这些量来控制驱动装置,因此,圆光栅编码器通常装在伺服电机中,而电机直接与滚珠丝杆相连。

贴片机在工作时,将位移量转换为编码信号,输入编码器中,当电机工作时,编码器就能记录丝杆的旋转度数,并将信息反馈给比较器,直至符合被测线性位移量,这样就将旋转运动转换成了线性运动,保证贴片头运行到所需位置上。

采用圆光栅编码器的位移控制系统结构简单,抗干扰性强,测量精度取决于编码器中光栅盘上的光栅数及滚珠丝杠导轨的精度。

(2)磁栅尺

磁栅尺由磁栅尺和磁头检测电路组成,利用电磁特性和录磁原理对位移进行测量。磁栅尺是在非导磁性标尺基础上采用化学涂覆或电镀工艺沉积一层磁性膜(一般 10-20微米),在磁性膜上录制代表一定长度具有一定波长的方波或正弦波磁轨迹信号。磁头在磁栅尺上移动和读取磁信号,并转变成电信号输入到控制电路, 最终控制AC伺服电机的运行。通常磁栅尺直接安装在X,Y导轨上。

磁栅尺的优点是**简单,安装方便,稳定性高,量程范围大,测量精度高达1-5微米。一般高精度自动贴片机采用此装置。帖片精度一般在0.02毫米。

(3)光栅尺

该系统同磁栅尺系统类似,它也由光栅尺、光栅读数头与检测电路组成。光栅尺是在透明玻璃或金属镜面上真空沉积镀膜,利用光刻技术制作密集条纹(每毫米100-300条纹),条纹平行且距离相等。光栅读数头由指示光栅 、光源、透镜及光敏器件组成。指示光栅有相同密度的条纹,光栅尺是根据物理学的莫尔条纹形成原理进行位移测量,测量精度高,一般在0.1-1微米。光栅尺在高精度贴片机中应用,其定位精度比磁栅尺还要高1-2个数量级。

西门子贴片机最早采用光栅尺---AC伺服电机系统。但装有光栅尺的贴片机对环境要求比较高,特别是防尘,尘埃落在光尺上将会引起贴片机出故障。

总之,上述三种测量方法均能获得很高的定位精度,但仅能对单轴向运动位置的偏差进行检测,而对轨道的变形、弯曲等因素造成的正交或旋转误差却无能为力。有最新的贴片机在X、Y导轨上安装冷却系统,可以有效的防止导轨的热变形。

4.Y轴方向运行的同步性

由于支撑着贴片机头的X轴是安装在两根Y轴导轨上,为了保证运行的同步性,早期的贴片机采用齿轮、齿条和过桥装置将两Y导轨相连接。但这种做 法,机械噪音大,运行速度受到限制,贴片头的停止与启动均会产生应力,导致震动并可能会影响贴片精度。目前设计的新型贴片机X轴运行采用完全同步控制回路 的双AC伺服电机驱动系统,将内部震动降至最低,从而保证了Y方向同步运行,其速度快,噪音低,贴片头运行流畅轻松。

5.X-Y运动系统的速度控制

在高速机中,X-Y运动系统的运行速度高达150mm/s,瞬时的启动与停止都会产生震动和冲击。最新的X-Y运动系统采用模糊控制技术,运动过程中分三 段控制,即“慢-快-慢”,呈“S”型变化,从而使运动变得更“柔和”,也有利于贴片精度的提高,同时机器噪音也可以减到最小。

6.Z轴[HEAD]伺服,定位系统

在通用型贴片机[泛用机]中,支撑贴片头的基座固定在X导轨上,基座本身不做“Z”方向的运动。这里的Z轴控制系统,特指贴片头的吸嘴运动过程中的定位,其目的是适应不同厚度PCB与不同高度元器件的贴片需要。Z轴控制系统常见的形式有下列几种。

(1)圆光栅编码器----AC/DC马达伺服系统

在通用型贴片机[泛用机]中,吸嘴的Z方向伺服控制与X-Y伺服定位系统类似,即采用圆光栅编码器的AC/DC伺服马达--滚珠丝杆或同步带机构。采用A C/DC伺服马达--滚珠丝杆控制时,其马达-滚珠丝杆安装在吸嘴上方;采用AC/DC伺服马达--同步带控制时,其马达则可安装在侧位,通过齿轮转换机构实现吸嘴在Z方向的控制。由于吸嘴Z方向运动行程短,以及采用光栅编码器,通常控制精度均能满足要求。

(2)原筒凸轮控制系统

在松下MVB[MVIIVB?]型贴片机中,吸嘴Z方向的运动则是依靠特殊设计的圆筒凸轮曲线实现吸嘴上下运动,贴片时在PCB装载台的配合下(装载可以自动调节高度),完成贴片程序。

7.Z轴旋转定位

早期贴片机的Z轴/吸嘴的旋转控制是采用气缸和档块来实现的,现在的贴片机已直接将微型脉冲马达安装在贴片头内部,以实现θ方向高精度的控制。松下MSR 型贴片机的微型马达的分辨率为0.072度/脉冲,它通过高精度的谐波驱动器(减速比为30:1),直接驱动吸嘴装置,由于谐波驱动器具有输入轴与输出轴 同心度高、间隙小、震动低等优点,故吸嘴的θ方向实际分辨率高达0.024度/脉冲,确保了贴片精度的提高。

1.4光学对中系统

贴片机的对中是指贴片机在吸取元件时要保证吸嘴吸在元件中心,使元件的中心与贴片头主轴的中心线保持一致,因此,首先遇到的是对中问题。早期贴片机的元件 对中是用机械方法来实现的(称为“机械对中”)。当贴片头吸取元件后,在主轴提升时,拨动四个爪把元件抓一下,使元件轻微的移动到主轴中心上来,QFP器 件则在专门的对中台[规正爪]进行对中,

这种对中方法由于是依靠机械动作,因此速度受到限制,同时元件也容易受到损坏,目前这种对中方式已不在使用,取而代之的是光学对中。

1.光学定位系统原理

贴片头吸取元件后,CCD摄象机对元器件成像,并转化成数字图象信号,经计算机分析出元器件的几何尺寸和几何中心,并与控制程序中的数据进行比较,计算出吸嘴中心与元器件中心在△X,△Y和△θ的误差,并及时反馈至控制系统进行修正,保证元器件引脚与PCB焊盘重合。

2.光学系统的组成

光学系统由光源、CCD、显示器以及数模转换与图象处理系统组成,即CCD在给定的视野范围内将实物图象的光强度分布转换成模拟信号,模拟电信号在通过A/D转换器转换为数字量,经图象系统处理后 再转换为模拟图象,最后由显示器反应出来。

3.CCD的分辨率

光学系统采用两种分辨率--灰度值分辨率和空间分辨率。

灰度值分辨率是利用图象多级亮度来表示分辨率的方法,机器能分辨给定点的测量光强度,所需光强度越小,则灰度值分辨率就越高,一般采用256级灰度值,它具有很强的精密区别目标特征的能力。而人眼处理的灰度值仅在50~60左右,因此机器的处理能力远高于人眼的处理能力。

空间分辨率是指CCD分辨精度的能力,通常用像元素来表示,即规定覆盖原始图象的栅网的大小,栅网越细,网点和像元素越高,说明CCD的分辨精度越高。采用高分辨率CCD的贴片机其贴装精度也越高。

但通常在分辨率高的场合下,CCD能见的视野(Frame)小,而大视野的情况下则分辨率较低,故在高速/高精度的贴片机中装有两种不同视野的 CCD。在处理高分辨率的情况下采用小视野CCD,在处理大器件时则使用大视野CCD。

例如松下MSR高速机中,小视野CCD视场为6mm×6mm,像素为25万,分辨率达到12.5

μm,大视野CCD视场为36mm×36mm,像素达100万,分辨率为41μm 。

4.CCD的光源

为了配合贴片机贴好BGA和CSP之类的新型器件,在以往的元件照明(周围、同轴)基础上增加了新型的BGA照明。所谓的BGA照明是LCD 比以往更加水平,早期的照明装置能同时照亮焊球与元件底部,故难以把它们区别开来,改进后的照明系统,当LCD点亮时,仅使BGA元件的焊球发出反光,从 而能够识别球栅的排列,增加可信度。

5.光学系统的作用

贴片机中的光学系统,在工作过程中首先是对PCB的位置确认。当PCB输送至贴片位置上时,安装在贴片机头部的CCD,首先通过对PCB上所 设定的定位标志识别,实现对PCB位置的确认。所以通常在设计PCB时应设计定位标志。CCD对定位标志确认后,通过BUS反馈给计算机,计算出贴片原点 位置误差(△X、△Y),同时反馈给运动控制系统,以实现PCB的识别过程。

在对PCB位置确认后,接着是对元器件的确认,包括:

(1)元件的外形是否与程序一致;

(2)元件中心是否居中;

(3)元件引脚的共面性和形变。

在SMD迅速发展的情况下,引脚间距已由早期的1.27mm过渡到0.5mm和0.3mm等,这样仅靠上述两个光学确认还不够,因此在PCB设计时还增加了小范围几何位置确认,即在要贴装的细间距QFP位置上再增加元器件图象识别标志,确保细间距器件贴装准确无误。

6.CCD的安装位置

目前大部分贴片机中,CCD均固定安装在机座上。贴片头吸嘴吸取元件后先移至CCD上确认,以修正△X,△Y和△θ,再将元器件贴放到指定位置,这种方法 比较传统。随着细间距IC大量使用,花费在器件光学对中的时间越来越长,如贴装1.27mm间距IC速度高达每小时10 000片,但贴装0.5mm间距IC速度仅为1000~2000片/小时,即速度下降到1/10~1/5;随着电子产品复杂程度的提高,细间距IC的应用 已越来越广泛,目前先进的贴片机采用飞行对中技术,实现QFP等器件吸起来后,在送至贴片位置之前,即在运动中就将位置校正好,因此大大节约了器件的对中 速度。飞行对中的技术有下列几种形式:

(1)CCD安装在贴片头上,这是Qllad贴片机最先采用的方法,用此方法QFP的贴装速度由原来的0.7s下降到0.3s。

(2)CCD采用悬挂式安装,有利于SMC/SMD运动中校正位置。

1.5贴片头

贴片头是贴片机关键部件,它拾取元件后能在校正系统的控制下自动校正位置,并将元器件准确地贴放到指定的位置。贴片头的发展是贴片机进步的标志,贴片头已由早期的单头、机械对中发展到多头光学对中,下列为贴片头的种类形式:

单头

贴片头{ 固定式

多头 { 水平旋转式/转塔式

旋转式{

垂直旋转/转盘式

1.固定单头

早期单头贴片机是由吸嘴、定位爪、定位台和Z轴、θ角运动系统组成,并固定在X、Y传动机构上。当吸嘴吸取一个元件后,通过机械对中机构实现元件对中并给 供料器一个信号(电信号或机械信号),使下一个元件进入吸片位置。但这种方式贴片速度很慢,通常贴放一只片式元件需1s。为了提高贴片速度,人们采取增加 贴片头的数量的方法,即采用多个贴片头来增加贴片速度。

2.固定式多头

这是通用型贴片机[泛用机]采用的结构,它在原单头的基础上进行了改进,即由单头增加到了3~6个贴片头。它们仍然固定在X,Y轴上,但不在使用机械对 中,而改为多种样式的光学对中。工作时分别吸取元器件,对中后再依次贴放到PCB指定的位置上。目前这类机型的贴片速度已达3万个元件/小时的水准,而且 这类机器价格较低,并可组合联用。

随着贴片头由机械式改为吸嘴式,其吸嘴的技术也相应提高

(1)吸嘴的真空系统

吸嘴在吸片时,必须达到一定的真空度方能判别拾起元件是否正常,当元件侧立或因元件“卡带”未能被吸起时,贴片机将会发出报警信号。

(2)吸嘴的软着陆

贴片头吸嘴拾起元件并将其贴放到PCB上的瞬间,通常是采取两种方法贴放,一是根据元件的高度,即事先输入元件的厚度,当贴片头下降到此高度时,真空释放 并将元件贴放到焊盘上,采用这种方法有时会因元件厚度的超差,出现贴放过早或过迟现象,严重时会引起元件移位或“飞片”缺陷;另一种更先进的方法是,吸嘴 会根据元件与PCB接触的瞬间产生的反作用力,在压力传感器的作用下实现贴放的软着陆,又称为Z轴的软着陆,故贴片轻松,不易出现移位与飞片缺陷。

(3)吸嘴的材料与结构

随着元件的微型化,现已出现0.6mm×0.3mm的片式元件,而吸嘴又高速与元件接触,其磨损是非常严重的,特别是高速贴片机中,故吸嘴的 材料与结构也越来越受到人们的重视。早期采用合金材料,以后又改为碳纤维耐磨塑料材料,更先进的吸嘴则采用陶瓷材料及金刚石,使吸嘴更耐用。

吸嘴的结构也做了改进,特别是在0603元件的贴片中,为了保证吸起的可靠性,在吸嘴上设个孔,以保证吸取时的平衡。此外还考虑到,不仅是元 件本身尺寸在减小,而且与周围元件的间隙也在减小,因此不仅要能吸起元件,而且要不影响周边元件故改进后的吸嘴即使元件之间的间隙为0.15mm也能方便 贴装。

3旋转式多头

高速贴片机多采用旋转式多头结构,目前这种方式的贴片速度已达到4.5~5万只/小时。每贴一个元件仅需0.08s左右的时间。

旋转式多头又分为水平旋转式/转塔式与垂直方向旋转/转盘式,现分别介绍如下。

(1)水平旋转/转塔式

这类机器多见松下、三洋和富士**的贴片机,以松下MSR贴片机为例,原理如下。

这类贴片机中有16个贴片头,每个头上有4~6个吸嘴,故可以吸放多种大小不同的元件。16个贴片头固定安装在转塔上,只做水平方向旋转,习惯上人们称为 水平旋转式或转塔式。旋转头各位置做了明确分工。贴片头在1号位从送料器上吸起元器件,然后在运动过程中完成校正、测试,直至5号位完成贴片工序。由于贴 片头是固定旋转,不能移动,元件的供给只能靠送料器在水平方向的运动将所需的贴放元件送到指定的位置。贴放位置则由PCB工作台的X,Y高速运动来实现。 这类贴片机的高速度取决于旋转头的高速运行,在贴片头旋转的过程中,送料器以及PCB也在同步运行。

(2)垂直旋转/转盘式贴片头

这类贴片头多见于西门子贴片机,旋转头上安装有12个吸嘴,工作时每个吸嘴均吸取元件,并在CCD处(固定安装)调整△θ,吸嘴中均安装有真 空传感器和压力传感器。通常此类贴片机中安装两组或四组旋转头,其中一组头在贴片,而另一组则在吸取元件,然后**功能,以达到高速贴片的目的。

4组合式贴片头

安必昂FCM型贴片机,由16个独立贴片头组合而成。16个头可以同时贴放元件,每小时可以贴放9.6万个片式元器件,但对于每个贴片头来 说,每小时只贴6000个片式元件,仅相当于一台中速机的水平,因此工作时贴片精度高,故障率小,噪音低,对一个需贴装的产品来说,只要将所贴放的元件按 照一定的程序分配到16个贴片头上,就能实现均衡组合,并可获得极高的速度。

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