【正文】 n0201裝配，從難關(guān)到常規(guī)貼裝 　　雖然通常認(rèn)為是相當(dāng)近期的一項(xiàng)發(fā)展，印刷電路板(PCB, printed circuit board)自從五十年代早期就已經(jīng)有了。從那時起，對越來越小、越來越輕和越來越快速的電子產(chǎn)品的需求就一直推動著電子元件、PCB和裝配設(shè)備技術(shù)朝著SMT的方向發(fā)展?！　MT最早的普遍接受是發(fā)生在八十年代早期，那時諸如Dynapert MPS500和FUJI CP2這些機(jī)器進(jìn)入市場。在那時，1206(3216)電阻與電容是最流行的貼裝元件?？墒窃谝粌赡陜?nèi)，1206即讓路給0805(2125)作為SMT貼裝的最普遍的元件包裝。　　在這個期間，機(jī)器與元件兩者都迅速進(jìn)化。在機(jī)器變得更快更靈活的同時，0603 (1608) 元件開始發(fā)展。在這時，許多裝配機(jī)器制造商走回研究開放(Ramp。D, research and development)實(shí)驗(yàn)室，重新評估用于接納這些更新、更小元件的設(shè)備中的技術(shù)。更高分辨率的相機(jī)與更小的真空吸嘴就在這些元件帶給裝配設(shè)備的變化之中?！　?402(1608)包裝的出現(xiàn)在PCB裝配的各方面都產(chǎn)生了進(jìn)一步的挑戰(zhàn)。在機(jī)器發(fā)展方面，真空吸嘴變得更小和更脆弱。新的重點(diǎn)放在元件的送料器(feeder)上面，它作為需要改進(jìn)的一個單元，為機(jī)器更準(zhǔn)確地送出零件。　　隨著0402元件的出現(xiàn)，工藝挑戰(zhàn)又增加到那些需要為成功的元件貼裝而探討的問題之中。錫膏(solder paste)印刷變得更加關(guān)鍵 模板(stencil)厚度與錫膏網(wǎng)孔是越來越重要的工藝考慮因素。這種貼裝所需要的技術(shù)也涉及重要的新成本?！　∵@些因素的結(jié)合造成在電子工業(yè)歷史中最慢采用的一種新包裝形式。總計(jì)，幾乎將近五年時間，0402包裝才在工業(yè)中達(dá)到廣泛的接受 并且在今天還有許多裝配工廠從來不貼裝一顆0402片狀。　　現(xiàn)在，進(jìn)入了0201?！　≡谶^去一年半時間里，0201貼裝已經(jīng)是整個工業(yè)內(nèi)討論的一個關(guān)鍵主題。由于尺寸、重量和功率消耗的需求，許多OEM電路板裝配商需要將甚至更小的元件和技術(shù)結(jié)合到其產(chǎn)品中去。合約制造商(CM, contract manufacturer)也必須具備新的技術(shù)，以保持裝配工藝最新和為客戶提供完整的服務(wù)范圍。對于機(jī)器制造商，其挑戰(zhàn)是開發(fā)在一個動態(tài)的技術(shù)變化的時代中更加抵抗陳舊過時的裝配設(shè)備。0201貼裝的挑戰(zhàn)　　0201元件的貼裝比其前面的元件介入更具挑戰(zhàn)性。主要原因是0201包裝大約為相應(yīng)的0402尺寸的三分之一?！　≡瓤梢越邮艿臋C(jī)器貼裝精度馬上變成引進(jìn)0201的一個局限因素。另外，傳統(tǒng)的工業(yè)帶包裝(taping)規(guī)格對于可靠的0201貼裝允許太多的移動，而工藝控制水平也必須提高，以使得0201貼裝成為生產(chǎn)現(xiàn)實(shí)?！　‰m然這些障礙非常大，但它們遠(yuǎn)不是不可克服的。當(dāng)然，它們需要全體的決心，因?yàn)閷?201貼裝所必須的技術(shù)獲得要求大量的資金和最高管理層對研究開發(fā)(Ramp。D)的許諾。可靠的0201貼裝的關(guān)鍵　　在FUJI，進(jìn)取的Ramp。D計(jì)劃已經(jīng)產(chǎn)生了使所有的電路裝配機(jī)器以100%速度兼容0201的能力，%，%，%。在一開始，設(shè)計(jì)的每個方面都得到評估其對一個完整的0201方案的能力，還有緊密相關(guān)的機(jī)器元件參數(shù)的單一元素的結(jié)合證明對達(dá)到成功是關(guān)鍵的。這些參數(shù)包括： 元件送料器工作臺。Ramp。D計(jì)劃得出結(jié)論，精密定位料車(carriage)工作臺的能力 和作出極小的調(diào)整來補(bǔ)償料帶 (tape) 的不精確 %的關(guān)鍵因素?！　榱诉_(dá)到這個，送料器(feeder)工作臺必須精密加工，以保證單個送料器的可重復(fù)定位，并且使用雙軌線性移動導(dǎo)軌與一個高分辨率半封閉循環(huán)的伺服系統(tǒng)相結(jié)合。該設(shè)計(jì)允許作出很小的調(diào)節(jié) 基于由視覺系統(tǒng)判斷的吸取精度結(jié)果。這保證元件盡可能地靠近中心吸取。 元件送料器。送料器必須制造達(dá)到極緊的公差，以保證吸取位置維持可重復(fù)性，不管元件高度和大量的可能元件位置的變化。用于定位和將送料器鎖定在位置上的機(jī)構(gòu)必須耐用和精密，還要保持用戶友好。另外，用于制造送料器的材料必須強(qiáng)度高、重量輕，以允許人機(jī)工程上的操作，同時保證元件料帶(carrier tape)的精密、可重復(fù)的送出。 送料器驅(qū)動鏈輪。驅(qū)動鏈輪在機(jī)器定位元件料帶的能力中起關(guān)鍵作用。驅(qū)動鏈輪輪齒的形狀、錐度和長度重大地影響送料器定位料帶的能力。其它因素也作了調(diào)查研究，比如驅(qū)動鏈輪的直徑和料帶與鏈輪接觸的數(shù)量等。對基本的鏈輪設(shè)計(jì)所作的改變得到定位精度的改進(jìn)，比較早的設(shè)計(jì)在X方向提高20%，Y方向提高50%。 吸取頭。在適當(dāng)?shù)剡M(jìn)給元件之后，下一步是將元件吸取在真空吸嘴上，并把它帶到電路板上。真空吸嘴(nozzle)需要順應(yīng)以吸收在吸取與貼裝元件期間的沖擊，補(bǔ)償錫膏高度上的微小變化，并且減少元件破裂的危險。為了這些原因，吸嘴必須能夠在其夾具內(nèi)移動。　　材料選擇、材料硬度、加工公差和熱特性都必須理解，以構(gòu)造一個可靠的吸取頭。吸嘴必須在其夾具(holder)內(nèi)自由移動，而不犧牲精度(圖一)。 吸嘴軸裝配。吸嘴軸(nozzle shaft)也是一個關(guān)鍵的設(shè)計(jì)元素 通過保持整個吸嘴與軸裝配直接對中，消除了過壓(overdrive)現(xiàn)象。過壓是由于當(dāng)貼裝頭上下運(yùn)動是所產(chǎn)生的慣性造成的。如果吸嘴和軸不在一條直線，就產(chǎn)生一點(diǎn)抖動(whip) 或過壓。過壓造成定位精度的變化，它決定于運(yùn)動速度、吸嘴重量和元件重量。通過消除過壓，直接對中減少與元件吸取和貼裝有關(guān)的負(fù)面因素的數(shù)量(圖二)。 吸嘴設(shè)計(jì)。吸嘴設(shè)計(jì)上的變化對于允許接納0201元件是一個很重要的因素。為了吸取 mm 的元件，吸嘴必須有不大于 的外徑。這樣形成一個長而細(xì)的吸嘴軸，彎曲脆弱但還必須保持精度以維持吸取的高可靠性。從直線軸到錐形設(shè)計(jì)的改變增加吸嘴強(qiáng)度，并允許吸嘴抵抗彎曲(圖三)。 基體結(jié)構(gòu)。所有機(jī)械在運(yùn)行期間都產(chǎn)生振動。基體框架設(shè)計(jì)是減少產(chǎn)生振動和諧波共振的速度與運(yùn)動效應(yīng)的關(guān)鍵第一步。通過使用鑄鐵基礎(chǔ)框架和藝術(shù)級結(jié)構(gòu)技術(shù)，振動與諧波共振可在機(jī)器內(nèi)減少到可控制水平，這樣，負(fù)面影響可以應(yīng)付。達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)　　通過所有六個關(guān)鍵因素，可靠的0201貼裝的障礙已經(jīng)消除。因此，Ramp。D的焦點(diǎn)已經(jīng)轉(zhuǎn)向更新、更小的元件，0201不再認(rèn)為是前緣的元件包裝技術(shù)。　　對于0201元件貼裝，現(xiàn)在接受的工藝窗口是在3 Σ 時大約75181。m 的X 和75181。m 的Y。為了達(dá)到 6 Σ 的貼裝可靠性，X與Y的公差必須減少到50181。m。最新的高速貼裝設(shè)備具有66181。m的等級，實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)偏差大約為35~45181。m。隨著0201元件變得更加廣泛地使用和制造工藝變緊，可達(dá)到提高的準(zhǔn)確性?！　」?yīng)商之間的元件尺寸差別對0201進(jìn)料和貼裝都產(chǎn)生挑戰(zhàn)。散裝進(jìn)料(bulk feeding)正在開放之中，應(yīng)該在2001年可以得到。　　雖然機(jī)器現(xiàn)在具備這個能力，但只有一小部分使用者將準(zhǔn)備在未來12~24個月內(nèi)邁出使用0201貼裝的步伐。這類似于球柵陣列(BGA, ball grid array)和0402元件的引入，在裝配這個環(huán)境里，機(jī)器的能力超前于工藝狀態(tài)。前面的挑戰(zhàn)　　雖然0201元件的貼裝現(xiàn)在是新貼裝設(shè)備的一個標(biāo)準(zhǔn)特性，還需要作另外的工作來改進(jìn)終端用戶的整體工藝。在機(jī)器制造商、元件供應(yīng)商、電路板制造商、模板工廠和錫膏制造商之間的關(guān)系需要加強(qiáng)，以形成一個更加無縫的(seamless)開發(fā)過程。最終結(jié)果將是對該工藝的統(tǒng)一的理解，以及將使最終用戶受益的更好的工作關(guān)系，特別是通過使新的生產(chǎn)技術(shù)更快和更有效的結(jié)合。如何準(zhǔn)確地貼裝0201元件 　　本文介紹，更小的元件與更窄的間距為電路板裝配提出了新的挑戰(zhàn)。理解這些貼裝問題可以使產(chǎn)品更快地推出市場，并減少缺陷。　　業(yè)界所面臨的現(xiàn)實(shí)是零件變得越來越小。例如，0201片狀電容比0402小75%，在電路板上所占的面積少66%，這些元件在本十年的早期將出現(xiàn)在一些通用的印刷電路板上，而甚至更小的01005片狀元件到2005年將在空間更珍貴的模塊電路板上看到。　　因?yàn)閷τ谠S多新的產(chǎn)品板的空間是如此珍貴，盡管更小的元件成本更高，但還是會得到甚至更廣泛的使用。這種新的小型化要求貼裝精度提高但又不降低速度?！　〈_認(rèn)所面臨的挑戰(zhàn)　　小的元件提出了許多問題。更高的密度 這是困擾較小元件的主要原因 使得貼裝任務(wù)的難度大了一個數(shù)量級。例如，0201元件通常要求較小的焊盤尺寸來防止焊錫污跡，和接納無焊腳焊接。還有，更小的焊盤意味著更窄的元件間距。雖然這些允許設(shè)計(jì)者取得高度功能化與緊湊的產(chǎn)品所需要的更高密度，但也使情況復(fù)雜化。對于密度高的PCB，貼裝精度直接影響回流焊接后的裝配缺陷數(shù)量，例如，貼裝偏移會增加錫橋、錫珠、元件豎立和元件不對準(zhǔn)焊盤的機(jī)會。　　因此，我們需要什么呢？現(xiàn)在，%的吸取率，同時3σ的貼裝精度為177。60181。m。為了達(dá)到這個目標(biāo)，機(jī)器精度變成首要問題?！　±纾ν辛_拉的試驗(yàn)表明。對于標(biāo)準(zhǔn)的焊盤(用十萬個元件進(jìn)行試驗(yàn))，y, x。可是，當(dāng)偏移增加到，缺陷水平上升到超過5000ppm。雖然這個絕對距離意味著很小，但是研究表明該工藝留下很少犯錯的余地。還有，貼裝操作涉及的不止其本身。它包括吸取的可靠性、準(zhǔn)確的元件視覺識別和貼裝的可重復(fù)性。事實(shí)上，試驗(yàn)表明0201元件要求99%的吸取可靠性?！　∥∥恢霉睢　榱吮３稚a(chǎn)系統(tǒng)的連貫性，吸嘴必須能夠在所有三個方向上移動，即沿X,Y和Z軸移動 這一點(diǎn)是重要的，因?yàn)樵谒猩a(chǎn)機(jī)器上Y軸的控制是沒有的?？墒牵瑸榱吮３仲N裝精度在公差之內(nèi)，Y方向的控制對于將元件對中在吸嘴上是必要的(圖一)。自然地，這個對中對于0201比對其他零件具有更緊的公差。圖一、Y方向是0201元件貼裝的唯一最重要的軸向糾正　　由于在三個軸上的閉環(huán)實(shí)時反饋，對送料器校準(zhǔn)的需要實(shí)際上消除了。沒有三個軸上的實(shí)時閉環(huán)反饋，送料器的校準(zhǔn)是關(guān)鍵的?！　⊙芯勘砻?，在Y方向177。還有，成功的貼裝要求在X方向177。，在Z方向177。糾正吸嘴X/Y軸的運(yùn)動是保證穩(wěn)定和持續(xù)的元件吸取的關(guān)鍵。　　在錫膏上的運(yùn)動　　另一個貼裝問題是在某些條件下，0201不會停留在其貼裝的位置?？紤]這樣一種情況，試驗(yàn)將0201電容貼裝在印刷錫膏和助焊劑的PCB上，希望得到177。試驗(yàn)已經(jīng)顯示，對于Y方向3σ的貼裝精度?！　l(fā)生什么呢？有趣的是進(jìn)一步調(diào)查顯示當(dāng)元件只是貼裝在助焊劑上時，元件不會發(fā)生由于超程的滑移，但是在錫膏上時會發(fā)生。結(jié)論：問題在于錫膏的顆粒直徑。為了補(bǔ)償Z軸糾正，機(jī)器必須具有實(shí)時的反饋機(jī)構(gòu)，測量每個元件的厚度?！　‘?dāng)顆粒大小大于20181。m時，元件偏斜就有可能，因?yàn)轭w粒在焊盤上分布不均。因?yàn)樵N裝時間是幾毫秒，所以任何不平的表面度可能造成零件偏斜或運(yùn)動。這就是為什么熱風(fēng)焊錫均涂(HASL)的板不適合于0201貼裝，這與0402許可HASL形成對照。圖二、當(dāng)元件超程沖擊焊錫顆粒時，反作用力改變吸嘴的軸向并產(chǎn)生一個水平的力，產(chǎn)生元件的偏移　　因此，超程降低貼裝精度。它也可能增加高密度貼裝的錫橋，因?yàn)楫?dāng)使用無焊腳焊盤時，元件會將錫膏從零件下擠出(圖二)。因此，可以將超程定義為使得元件和PCB之間的間隙小于焊錫顆粒大小，即，貼裝系統(tǒng)必須控制該間隙，將它保持在4060181。m。一個起作用的因素是板的支撐，沒有支撐元件可能從過高的高度落下或被壓入錫膏中。為了準(zhǔn)確地控制行程，板的支撐系統(tǒng)必須為板的拱形提供足夠的糾正?！　⌒枰母倪M(jìn)　　要取得有效的0201元件的使用，部分的解決方法將在吸嘴的設(shè)計(jì)改進(jìn)中找到。因?yàn)樵侨绱说男?，它們要求吸嘴的設(shè)計(jì)盡量加大真空的接觸表面積，同時提供一個不會干涉高密度布局的外形。另外，吸嘴必須高度耐磨，因?yàn)槠涓g作用會由于小的接觸面積而惡化。所有這些都必須意識到如何滿足和處理即將面臨的01005元件的挑戰(zhàn)。　　、60181。m(3σ)的精度、%的吸取率。、40181。m(3σ)的精度、%的吸取率。為0201元件專門開發(fā)的盤帶送料器也應(yīng)該有助于更精確和更快速的元件貼裝。　　結(jié)論　　一個現(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)問題是用0201元件生產(chǎn)的板將比其對應(yīng)的較大零件更加昂貴。另外，更緊的公差必然需要增加工藝控制、更徹底的預(yù)防性維護(hù)、更多的培訓(xùn)和工藝知識、和對報(bào)廢及檢查/修理活動的增加的認(rèn)識。　　預(yù)防性維護(hù)總是生產(chǎn)的一個重要部分，現(xiàn)在由于0201貼裝而更加重要。因?yàn)檎`差的公差和可達(dá)性和元件本身一樣小，預(yù)防性維護(hù)是0201生產(chǎn)線比其他元件更加重要的制造成本因素。類似地，似乎0201的使用將要求更頻繁的吸嘴清洗、攝像機(jī)清潔和機(jī)器貼裝的測量與調(diào)整。元件吸取和貼裝的高度將是關(guān)鍵的，對于初始的元件吸取，送料器軸的調(diào)整是需要的，盡管機(jī)器可以在吸取位置補(bǔ)償元件的偏移。工作臺運(yùn)行對元件貼片的影響解決轉(zhuǎn)塔式平臺的問題要求完全了解許多工藝參數(shù)，并始終將重點(diǎn)放在過程控制上。1986年轉(zhuǎn)塔式貼片機(jī)問世以來，已為電路板組裝工業(yè)生產(chǎn)出大量的合格產(chǎn)品。當(dāng)其作為新產(chǎn)品進(jìn)入市場時，轉(zhuǎn)塔式平臺曾以每小時貼片14400個元件震驚一時。在過去的16年中，轉(zhuǎn)塔式貼片機(jī)的平均貼片速度已提高了近四倍，可貼裝元件和器件的類型和范圍也明顯擴(kuò)大，目前，貼片機(jī)煩瑣的換線僅用微波爐嘣一袋爆米花的時間就可完成。　　然而，經(jīng)多年的進(jìn)展，轉(zhuǎn)塔式貼片機(jī)的基本原理卻沒有任何變化。其基本設(shè)計(jì)是相當(dāng)簡單的。元件送料器前后運(yùn)行，向固定的拾取位置供給元件。PCB沿XY方向運(yùn)行，使PCB精確地定位于規(guī)定的貼片位置，而貼片機(jī)核心的轉(zhuǎn)塔在兩點(diǎn)間攜帶著元件，在運(yùn)動過程中實(shí)施視覺檢測，并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)校正（圖1）。　　就高速貼片機(jī)而言，任何轉(zhuǎn)塔式設(shè)計(jì)的基本結(jié)構(gòu)都具有一些顯著的優(yōu)點(diǎn)： 多達(dá)6個不同尺寸的吸嘴適用于任何貼片頭，工作中不需要更換吸嘴。也就是說，任何吸嘴都能夠隨時拾取元件，取消了過多的或不必要的運(yùn)行操作步驟?！　?將用于校正元件的視覺檢測系統(tǒng)，按規(guī)則安裝在轉(zhuǎn)塔式貼片機(jī)的拾取點(diǎn)和貼片點(diǎn)之間，可以在“飛行”中進(jìn)行圖像處理?！　?簡單的機(jī)械齒輪傳動式轉(zhuǎn)塔設(shè)計(jì)可保持供電用電纜、伺服系統(tǒng)、編碼器、傳感器和攝像機(jī)等靜止不動。這樣就不會產(chǎn)生由于恒定的彎應(yīng)力使線路斷裂而出現(xiàn)的電氣問題（例如：當(dāng)臺架始終不斷從送料器向攝像機(jī)、電路