元件貼裝技術

SMT元件貼裝系統正在迅速地進化，特別的焦點在于兩個獨特的系統特征。第一個與處理所有出現在生產場合的最新包裝類型有關，這包括永遠在縮小的元件，如0402、0201，異型元件和對高輸入/輸出元件的新型包裝技術，如球柵列陣(BGA)、芯片規模包裝(CSP)、倒裝芯片(flip chip)、等—所有這些都必須在生產中貼裝。第二個目標是以更有成本效益的方法來完成所有這些元件貼裝。貼裝成本(Cpp, cost per placement)正成為行業內除了最低產量的實驗類環境之外的所有生產的追求目標。本文將討論這些因素和它們可能對SMT貼裝設備的采購決定及其使用所產生的影響。 　　

從八十年代早期開始，中等至大批量制造生產線由兩種機器組成：一種對小元件的轉塔式的射片機和一種對較大元件的柔性的異型元件與密腳元件的貼裝機。轉塔的概念是使用一組移動的送料器，轉塔從這里吸取元件，然后把元件貼放在位于移動的工作臺上的電路板上面。和它一起的柔性機器使用了取-與-放(pick-and-place)的概念，典型地具有單個或雙個吸取頭。這種機器是一個比轉塔較簡單的機械設計，因為送料器和板都是靜止不動的，而頭在一個X-Y拱架系統上從吸取到貼放地移動(圖一)。 　　

這種機器配備對許多典型的電路裝配(60~90%的片狀元件，其余為較大和密腳元件)具有相當的邏輯性，因為這個比率大概符合這兩種機器的速度差別。可是，在許多板上，這個比率不準確，因此平衡機器的輸出，使產量最大是很難的。轉塔機器貼裝片狀元件快，大型，昂貴。當用于貼裝大元件時，不得不運行得比貼裝片狀元件慢，結果是貼裝成本(Cpp)高。還有，轉塔機器只支持帶式送禮器，因此，如果元件供應在管或托盤內，就不能貼裝。即使可以安裝管式送料器，元件再填充的周期速度也會成為高產量的門限因素。一個附加的復雜性是這兩種機器的操作軟件和送料器經常是不同的，甚至是來自同一個供應商。這些都是成熟的設備，在其元件的能量范圍內運行時，都是可靠的機器。 　

X-Y拱架(X-Y gantry)設計概念
在過去十年，X-Y拱架系統的設計有重要的進步。不只是跟在轉塔貼放片狀的后面，吸取和貼放大的、密腳的和異型的元件，更新的設計提供更高的速度。有些接近傳統的轉塔機器的速度，但具有處理更寬元件范圍和包裝形式的能力，比轉塔機器的體積更小，成本更低。它們一般利用一根梁上幾個頭，達到的產量在轉塔與其相應的柔性機器之間。這些機器可以設定在同一臺機器上貼裝片狀和大型兩種元件，或者兩臺放成一線，仔細平衡循環時間，達到速度相當于一臺轉塔機器(圖二)。 　　這些機器通常有兩到八個頭，允許同時吸取元件。有些設計具有不僅從相同送料器尺寸而且從所有不同送料器寬度同時吸取的能力。這些多頭的拱架減少每個元件的循環時間，因為頭吸取和移動到板只需一次。較舊的型號使用機械式元件卡盤，而大多數較新的機械都使用使用視覺或激光系統來對元件定位。有些設計利用拱架上一個小型的旋轉頭，而不是固定的頭。 　　相當于轉塔系統，送料器靜止的拱架系統的另一個實惠是，送料器橫梁轉換系統可用來減少轉換時間。經常，在低到中等產量的環境中，小批量的設定時間可能與生產時間一樣長。當使用送料器橫梁轉換系統時，整個貼裝線的轉換在幾分鐘的時間內可以完成。更高速的拱架系統具有8至24個頭，達到曾經只有轉塔系統才能達到的速度，一般貼裝成本(Cpp)低。 　

分開軸(split-axis)的設計概念　
在分開軸的設計中，板是在Y軸工作臺上移動，而頭是在X軸上移動。這種設計的優點是強度，因為每個軸都是分別支撐和驅動的。一些缺點包括吸取元件的靈活性受到限制，板還在移動，潛在地引起元件移動。 　　平行貼裝(parallel-placement)設計概念　　平行貼裝概念主要用于高產量的應用。這里幾個頭同時獨立地在一塊板上運作。如果機器具有16個貼裝模塊，每個頭大約每秒吸取和貼裝一個元件，那么每秒鐘為16個元件或每小時64,000個貼裝。典型地，這些機器對在傳送帶上連續的板流同時運行。每個頭將貼裝板上一小部分的元件，而板在傳送帶上往下移動。

　　
元件送料(component feeding)技術
帶盤式(tape-and-reel)元件送料通常從機器的可用時間的觀點上考慮，是最希望的。料帶通常可以在機器停機補充料之間堅持較長時間，而且通常送料器重擊/誤吸率低。可是，對那些比小引出線集成電路(SOIC, small outline integrated circuit)大的元件，通常帶狀包裝比管狀包裝多出額外的包裝成本。 　　散裝送料(bulk feeding)是一個相當較新的選擇，用于小型片狀元件的可靠供料。其優點是減少包裝浪費和儲存尺寸，以及非常有限的補充元件停機時間。對帶盤式包裝，行進中的(on-the-fly)元件補充要求搭接(splicing)技術，該技術不是十分安全的，可能引起送料器阻塞。對散裝供料，元件是在一個裝于送料器的料盒內供應的。當料盒門打開時，元件剛好落入料斗，在這里送料機構將元件單獨出來傳送給吸取頭。不幸的是，每個元件尺寸要求自己專門的送料器。這個限制通常使得散料供應器更適合于大批量的元件。 　　管狀送料主要用于較大的元件。兩種廣泛使用的這類元件送料方法是振動式和帶式管狀送料器。振動式管狀送料器是一種低成本的傳送系統，主要用于低至中等批量的送料應用。這種設計依靠送料器的振動和供料管的斜度來將元件傳送到吸取點。缺點包括相對較慢的元件補充時間(一般1~2秒)和較不可靠的元件傳送。皮帶驅動式管狀送料器具有快得多的元件補充時間(0.5~1秒的范圍)。通常，一個傳感器在吸取期間將使前止停器收回，保證不與之摩擦。在元件從送料器拿開后，驅動馬達將下一個元件排放到吸取位置，然后關閉。這些送料器具有良好的元件傳送可靠性，因為元件通過驅動皮帶主動移動到吸取位置。 　　托盤經常用于大型、密腳元件，當用其它技術送料時可能會被損傷。雖然當用于高產量時一些較小著陸點元件可能使用帶盤式供料，幾乎所有其它密腳方平包裝(QFP, quad flat pack)元件都是在托盤內供應的。有些BGA也是在托盤內供料，但由于不象QFP一樣引腳損傷是一個問題，更多的這類元件轉向帶式送料包裝。 　　今天購買的任何機器都應該能夠處理這些包裝類型，以達到最大的靈活性。 　
　
元件對中(component alignment)技術　　
一個貼裝系統必須足夠靈活，可以對中所有在它上面運行的元件。現在有三種類型的對中系統投入使用：機械、激光和視覺。 　　機械系統在貼裝之前對頭上的方形元件使用某種機械卡夾系統。它們不能貼裝密腳元件，并且必須仔細校正。由于它們接觸元件，可能會有損傷。由于這些局限性，這些系統正逐步過時。 　　激光系統不接觸元件，在吸取到貼裝期間，可以通過在激光簾中轉動來計算元件的質心。這種方法快速，因為不要求從攝像機上方走過。其主要缺陷是不能對引腳和密腳元件作引腳檢查。對片狀元件是一個好選擇。 　　視覺對中系統超過激光對中系統的優點，它可以檢查元件引腳以及測量引腳寬度、間距和數量。這對貼裝之前檢查引腳元件，特別是小于0.025"(0.635mm)的密腳元件是很重要的。為達到高品質、低缺陷的生產輸出，視覺檢查是必要的。一般，視覺檢查要求通過一個固定攝像機，來抓拍元件圖象。為了抵消這個時間，更高速的系統同時吸取多個元件，以減少凈周期時間。一些最快的系統使用線排列(line-array)相機，它比傳統的面排列(area-array)CCD相機允許元件更快的通過，以達到甚至更高的產量。一些視覺系統設計將相機放在頭上或頭內，用于在吸取到貼放之間的視覺對中。額外的系統復雜性和穩固性是徹底研究所需要關注的。 　　設計良好的視覺系統具有許多對元件識別的不同元件運算法則，比激光對中系統更加靈活。更新的SMT元件，比如BGA、CSP和倒裝芯片，要求視覺系統來達到高品質的貼裝。視覺允許更緊湊的頭的設計，消除了激光和要求元件旋轉的機械硬件。由于這些優點，系統設計的趨勢對除了射片之外的所有應用都已經轉向視覺技術。 　　柔性視覺系統允許元件從前光或者后光照明，看元件類型而定。引腳QFP元件從后面照明，因為沒有虛光反射出現。相反，BGA元件最好是從前光照明，將完整的錫球分布在包裝底面上顯示出來。有些微型BGA在元件底面有可見的走線，可能混淆視覺系統。這些元件要求側面照明系統。它將從側面照明錫球，而不是底面的走線，因此視覺系統可檢查錫球分布，正確地識別元件。 　　

SMT元件趨勢　　
SMT元件繼續進化。今天，許多制造商在新的設計中正從舊的、較大的1206和0805轉向0603和0402。這些數字是mil為單位的外形尺寸，即，0805就是0.080" × 0.050"。下一步更小的元件即將出來：0201的元件。今天所選擇的任何設備都應該能夠處理可能在不久的將來出現在生產車間的最大的元件范圍。 傳統的通孔元件，如連接器和其它異型元件，正轉換成SMT包裝。具有最大的柔性來處理這些元件的能力是所希望的。具有增加用戶吸嘴能力的自動吸嘴轉換器也是一個優點。對大多數元件，更密腳距的元件趨勢已經停留在0.020"(0.508mm)。今天所貼裝的密腳元件只有一個很少的百分比是在0.020"腳間距之下。大多數是0.015"(0.4mm)；在美國生產中，幾乎沒有0.012"(0.3mm)腳間距的貼裝。原因是更高引腳數的和更小形狀因素(form-factor)的元件都以BGA和CSP的形式包裝。球柵列陣包裝的優點包括： 元件更堅固，沒有容易彎曲的引腳和很少共面性問題 一般，對相當的引出數，腳間距更大，很少造成印刷/橋接的問題 BGA在印刷電路板(PCB)上的覆蓋區域比相當引腳元件的更小 一般可以用現有的SMT印刷和貼裝工藝允許。

怎樣為工廠車間選擇合適的設備　　
每一個生產環境都是不同的。對一個轉包商，靈活性是重要的。對一個原設備制造商(OEM)，或許速度將是一個更大的因素。通常，有兩個主要評定生產線要求的標準。第一個是靈活性與轉換的數量。大的OEM可能轉換的需求很少，可能少到每年一兩次。合約制造商或許想減少轉換時間，大概每天就有幾次。 　　Cpp是重要的，因為管理層都努力使投資回報最大。這對OEM也是重要的，因為有越來越多的轉包選擇可以利用。在這個成本競爭的世界市場，小的、效率高的生產過程是關鍵的。對這個計量有一個簡單的計算公式： Cpp = $機器成本 ÷ 每小時貼片數 例如，$175,000 ÷ 12,250 = 14.3 　　這只是一個比較率，可為所有考慮中的機器計算。很明顯，數字越低越好。該計算用實際的每小時貼裝數，而不是用機器規格中的速率。 　　每一種機器將對每一種板有不同的折扣因素。有些機器幾乎達到其規格中的速率，而有些只能達到50%。應保證速率包括所有傳送和基準點識別時間。還有，指定用于元件供應的帶盤式、管狀或托盤 — 這將影響產量，甚至工作能力。評估這個的最好方法是樣板PCB，以CAD數據把它送給所有在考慮之列的供應商。確保供應商用書面形式寫出他的貼裝速率并保證它。表一是比較Cpp的一個例子。 表一、貼裝成本的比較 機型 速率 實際速度 成本 Cpp 供應商A，轉塔和密腳 30+5=35k 23+3=26k 500+250=$750k 750/26=29 供應商B，兩臺高速拱架 20+20=40k 16+9=25k 350+250=$600k 600/25=24 供應商C，兩臺高速拱架 15+15=30k 12+9=21k 200+200=$400k 400/21=19 　　當然，有許多其它無形的東西在作供應商選擇之前應該考慮。服務支持是保證生產線運行的關鍵。供應商有多少服務工程師？最近的有多近？他們有24小時熱線嗎？這些類型的機器的安裝基礎是什么？這給你一個機器設計好壞與市場份額的概念。他們能提供廣泛的滿意顧客清單嗎？所有這些問題可幫助構畫出公及其產品的輪廓圖。

總之，SMT貼裝設備能力正在增加，因此Cpp在減少。與其它諸如PC之類的高科技產品類似，SMT機器設計的技術進步經常在發生。不管是轉包商或OEM，都有必要選擇合適的機器來滿足變幻的需求、和使貼裝成本(Cpp)最小，以維持在世界市場上的競爭性。