【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(shí)起，對(duì)越來(lái)越小、越來(lái)越輕和越來(lái)越快速的電子產(chǎn)品的需求就一直推動(dòng)著電子元件、PCB和裝配設(shè)備技術(shù)朝著SMT的方向發(fā)展?！　?duì)SMT最早的普遍接受是發(fā)生在八十年代早期，那時(shí)諸如Dynapert MPS500和FUJI CP2這些機(jī)器進(jìn)入市場(chǎng)。在那時(shí)，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?！　≡谶@個(gè)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(shí)，0603 (1608) 元件開(kāi)始發(fā)展。在這時(shí)，許多裝配機(jī)器制造商走回研究開(kāi)放(Ramp。D, research and development)實(shí)驗(yàn)室，重新評(píng)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(gè)單元，為機(jī)器更準(zhǔn)確地送出零件?！　‰S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(wèn)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(lái)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。　　這些因素的結(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(shí)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(lái)不貼裝一顆0402片狀?！　‖F(xiàn)在，進(jìn)入了0201?！　≡谶^(guò)去一年半時(shí)間里，0201貼裝已經(jīng)是整個(gè)工業(yè)內(nèi)討論的一個(gè)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(duì)于機(jī)器制造商，其挑戰(zhàn)是開(kāi)發(fā)在一個(gè)動(dòng)態(tài)的技術(shù)變化的時(shí)代中更加抵抗陳舊過(guò)時(shí)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(gè)局限因素。另外，傳統(tǒng)的工業(yè)帶包裝(taping)規(guī)格對(duì)于可靠的0201貼裝允許太多的移動(dòng)，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?duì)0201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(duì)研究開(kāi)發(fā)(Ramp。D)的許諾?？煽康?201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(kāi)始，設(shè)計(jì)的每個(gè)方面都得到評(píng)估其對(duì)一個(gè)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(duì)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(tái)。Ramp。D計(jì)劃得出結(jié)論，精密定位料車(chē)(carriage)工作臺(tái)的能力 和作出極小的調(diào)整來(lái)補(bǔ)償料帶 (tape) 的不精確 %的關(guān)鍵因素。　　為了達(dá)到這個(gè)，送料器(feeder)工作臺(tái)必須精密加工，以保證單個(gè)送料器的可重復(fù)定位，并且使用雙軌線性移動(dòng)導(dǎo)軌與一個(gè)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(jué)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(shí)保證元件料帶(carrier tape)的精密、可重復(fù)的送出。 送料器驅(qū)動(dòng)鏈輪。驅(qū)動(dòng)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(dòng)鏈輪輪齒的形狀、錐度和長(zhǎng)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(dòng)鏈輪的直徑和料帶與鏈輪接觸的數(shù)量等。對(duì)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(xiǎn)。為了這些原因，吸嘴必須能夠在其夾具內(nèi)移動(dòng)?！　〔牧线x擇、材料硬度、加工公差和熱特性都必須理解，以構(gòu)造一個(gè)可靠的吸取頭。吸嘴必須在其夾具(holder)內(nèi)自由移動(dòng)，而不犧牲精度(圖一)。 吸嘴軸裝配。吸嘴軸(nozzle shaft)也是一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)元素 通過(guò)保持整個(gè)吸嘴與軸裝配直接對(duì)中，消除了過(guò)壓(overdrive)現(xiàn)象。過(guò)壓是由于當(dāng)貼裝頭上下運(yùn)動(dòng)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(dòng)(whip) 或過(guò)壓。過(guò)壓造成定位精度的變化，它決定于運(yùn)動(dòng)速度、吸嘴重量和元件重量。通過(guò)消除過(guò)壓，直接對(duì)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(duì)于允許接納0201元件是一個(gè)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(gè)長(zhǎng)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?cè)黾游鞆?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(dòng)?；w框架設(shè)計(jì)是減少產(chǎn)生振動(dòng)和諧波共振的速度與運(yùn)動(dòng)效應(yīng)的關(guān)鍵第一步。通過(guò)使用鑄鐵基礎(chǔ)框架和藝術(shù)級(jí)結(jié)構(gòu)技術(shù)，振動(dòng)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(guò)所有六個(gè)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)?！　?duì)于0201元件貼裝，現(xiàn)在接受的工藝窗口是在3 Σ 時(shí)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(jí)，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(duì)0201進(jìn)料和貼裝都產(chǎn)生挑戰(zhàn)。散裝進(jìn)料(bulk feeding)正在開(kāi)放之中，應(yīng)該在2001年可以得到?！　‰m然機(jī)器現(xiàn)在具備這個(gè)能力，但只有一小部分使用者將準(zhǔn)備在未來(lái)12~24個(gè)月內(nèi)邁出使用0201貼裝的步伐。這類(lèi)似于球柵陣列(BGA, ball grid array)和0402元件的引入，在裝配這個(gè)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)特性，還需要作另外的工作來(lái)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(gè)更加無(wú)縫的(seamless)開(kāi)發(fā)過(guò)程。最終結(jié)果將是對(duì)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(guò)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(wèn)題可以使產(chǎn)品更快地推出市場(chǎng)，并減少缺陷?！　I(yè)界所面臨的現(xiàn)實(shí)是零件變得越來(lái)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?！　∫?yàn)閷?duì)于許多新的產(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(huì)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(wèn)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(gè)數(shù)量級(jí)。例如，0201元件通常要求較小的焊盤(pán)尺寸來(lái)防止焊錫污跡，和接納無(wú)焊腳焊接。還有，更小的焊盤(pán)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(duì)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(huì)增加錫橋、錫珠、元件豎立和元件不對(duì)準(zhǔn)焊盤(pán)的機(jī)會(huì)?！　∫虼?，我們需要什么呢？現(xiàn)在，%的吸取率，同時(shí)3σ的貼裝精度為177。60181。m。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，機(jī)器精度變成首要問(wèn)題?！　±?，摩托羅拉的試驗(yàn)表明。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的焊盤(pán)(用十萬(wàn)個(gè)元件進(jìn)行試驗(yàn))，y, x?？墒?，當(dāng)偏移增加到，缺陷水平上升到超過(guò)5000ppm。雖然這個(gè)絕對(duì)距離意味著很小，但是研究表明該工藝留下很少犯錯(cuò)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(jué)識(shí)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。　　吸取位置公差　　為了保持生產(chǎn)系統(tǒng)的連貫性，吸嘴必須能夠在所有三個(gè)方向上移動(dòng)，即沿X,Y和Z軸移動(dòng) 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(méi)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(duì)于將元件對(duì)中在吸嘴上是必要的(圖一)。自然地，這個(gè)對(duì)中對(duì)于0201比對(duì)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(gè)軸上的閉環(huán)實(shí)時(shí)反饋，對(duì)送料器校準(zhǔn)的需要實(shí)際上消除了。沒(méi)有三個(gè)軸上的實(shí)時(shí)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(dòng)是保證穩(wěn)定和持續(xù)的元件吸取的關(guān)鍵?！　≡阱a膏上的運(yùn)動(dòng)　　另一個(gè)貼裝問(wèn)題是在某些條件下，0201不會(huì)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(duì)于Y方向3σ的貼裝精度?！　?huì)發(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(shí)，元件不會(huì)發(fā)生由于超程的滑移，但是在錫膏上時(shí)會(huì)發(fā)生。結(jié)論：?jiǎn)栴}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(shí)的反饋機(jī)構(gòu)，測(cè)量每個(gè)元件的厚度?！　‘?dāng)顆粒大小大于20181。m時(shí)，元件偏斜就有可能，因?yàn)轭w粒在焊盤(pán)上分布不均。因?yàn)樵N裝時(shí)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(dòng)。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(duì)照。圖二、當(dāng)元件超程沖擊焊錫顆粒時(shí)，反作用力改變吸嘴的軸向并產(chǎn)生一個(gè)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(wú)焊腳焊盤(pán)時(shí)，元件會(huì)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(gè)起作用的因素是板的支撐，沒(méi)有支撐元件可能從過(guò)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(shí)提供一個(gè)不會(huì)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(huì)由于小的接觸面積而惡化。所有這些都必須意識(shí)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(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的盤(pán)帶送料器也應(yīng)該有助于更精確和更快速的元件貼裝?！　〗Y(jié)論　　一個(gè)現(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題是用0201元件生產(chǎn)的板將比其對(duì)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(shí)、和對(duì)報(bào)廢及檢查/修理活動(dòng)的增加的認(rèn)識(shí)?！　☆A(yù)防性維護(hù)總是生產(chǎn)的一個(gè)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(lèi)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(cè)量與調(diào)整。元件吸取和貼裝的高度將是關(guān)鍵的，對(duì)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(tái)運(yùn)行對(duì)元件貼片的影響解決轉(zhuǎn)塔式平臺(tái)的問(wèn)題要求完全了解許多工藝參數(shù)，并始終將重點(diǎn)放在過(guò)程控制上。1986年轉(zhuǎn)塔式貼片機(jī)問(wèn)世以來(lái)，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(chǎng)時(shí)，轉(zhuǎn)塔式平臺(tái)曾以每小時(shí)貼片14400個(gè)元件震驚一時(shí)。在過(guò)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(lèi)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(shí)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(méi)有任何變化。其基本設(shè)計(jì)是相當(dāng)簡(jiǎn)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(dòng)過(guò)程中實(shí)施視覺(jué)檢測(cè)，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(gè)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(shuō)，任何吸嘴都能夠隨時(shí)拾取元件，取消了過(guò)多的或不必要的運(yùn)行操作步驟?！　?將用于校正元件的視覺(jué)檢測(cè)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(jiǎn)單的機(jī)械齒輪傳動(dòng)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(dòng)。這樣就不會(huì)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(wèn)題（例如：當(dāng)臺(tái)架始終不斷從送料器向攝像機(jī)、電路