貼片機結(jié)構(gòu)及原理分析

貼片機結(jié)構(gòu)及原理分析隨著SMC小型化、SMD多引腳窄間距化和復(fù)合式、組合式片式元器件、BGA、CSP、DCA（芯片直接貼裝技術(shù)）、以及表面組裝的接插件等新型片式元器件的不斷出現(xiàn)，對貼裝技術(shù)的要求越來越高。近年來，各類自動化貼裝機正朝著高速、高精度和多功能方向發(fā)展。采用多貼裝頭、多吸嘴以及高分辨率視覺系統(tǒng)等先進技術(shù)，使貼裝速度和貼裝精度大大提高。目前最高的貼裝速度可達到0.06S/Chip元件左右；高精度貼裝機的重復(fù)貼裝精度為0.05-0.25mm;1可編輯版

多功能貼片機除了能貼裝0201(0.6mm*0.3mm)元件外,還能貼裝SOIC(小外型集成電路)、PLCC（塑料有引線芯片載體）、窄引線間距QFP、BGA和CSP以及長接插件（150mm長）等SMD/SMC的能力。2可編輯版此外，現(xiàn)代的貼片機在傳動結(jié)構(gòu)（Y軸方向由單絲械向雙絲杠發(fā)展）；元件的對中方式（由機械向激光向全視覺發(fā)展）；圖像識別（采用高分辨CCD）；BGA和CSP的貼裝（采用反射加直射鏡技術(shù)）；采用鑄鐵機架以減少振動，提高精度，減少磨損；以及增強計算機功能等方面都采用了許多新技術(shù)，使操作更加簡便、迅速、直觀和易掌握。

3可編輯版第一章

貼裝機結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)組成

●SMT貼裝機是計算機控制，集光、電、氣及機械為一體的高精度自動化設(shè)備。其組成部分主要有機體、元器件供料器、PCB承載機構(gòu)、貼裝頭、器件對中檢測裝置、驅(qū)動系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)等。

●機體用來安裝和支撐貼裝的各種部件，因此，它必須具有足夠的剛性才能保證貼裝精度。供料器是能容納各種包裝形式的元器件、并將元器件傳送到取料部位的一種儲料供料部件，元器件以編帶、棒式、托盤或散裝等包裝形式放到相應(yīng)的供料器上。PCB貼裝承載機構(gòu)包括承載平臺、磁性或真空支撐桿，用于定位和固定PCB。4可編輯版第二章

貼裝機的工藝特性

精度、速度和適應(yīng)性是貼裝機的3個最重要的特性。精度決定貼裝機能貼裝的元器件種類和它能適用的領(lǐng)域，精度低的貼裝機只能貼裝SMC和極少數(shù)的SMD，適用于消費類電子產(chǎn)品領(lǐng)域用的電路組裝。而精度高的貼裝機，能貼裝SOIC和QFP等多引線細(xì)間距器件，適用于工業(yè)電子設(shè)備和軍用電子裝備領(lǐng)域的電路組裝。速度決定貼裝機的生產(chǎn)效率和能力。適應(yīng)性決定貼裝機能貼裝的元器件類型和能滿足各種不同貼裝要求；適應(yīng)性差的貼裝機只能滿足單一品種的電路組件的貼裝要求，當(dāng)對多品種電路組件組裝時，就須增加專用貼裝機才能滿足不同的貼裝要求。

5可編輯版2．貼裝頭及其組成

貼裝頭的基本功能是從供料器取料部位拾取SMC/SMD，并經(jīng)檢查、定心和方位校正后貼放到PCB的設(shè)定位置上。它安裝在貼裝區(qū)上方，可配置一個或多個SMD真空吸嘴或機械夾具，θ軸轉(zhuǎn)動吸持器件到所需角度，Z軸可自由上下將器件貼裝到PCB安裝面。貼裝頭是貼裝機上最復(fù)雜和最關(guān)鍵的部件，和供料器一起決定著貼裝機的貼裝能力。它由貼裝工具(真空吸嘴)、定心爪、其它任選部件(如粘接劑分配器)、電器檢驗夾具和光學(xué)PCB取像部件(如攝像機)等部分組成。根據(jù)定心原理區(qū)分，典型的貼裝頭有3種。

6可編輯版定位固定方法有定位孔銷釘、邊沿接觸定位桿及軟件編程定位等。貼裝頭用于拾取和貼裝SMC/SMD。器件對中檢測裝置接觸型的有機械夾爪，非接觸型的有紅外、激光及全視覺對中系統(tǒng)。驅(qū)動系統(tǒng)用于驅(qū)動貼片機構(gòu)X-Y移動和貼片頭的旋轉(zhuǎn)等動作。計算機控制系統(tǒng)對貼裝過程進行程序控制。

7可編輯版第三章

貼裝機支撐系統(tǒng)

機架是機器的基礎(chǔ)，所有的傳動、定位、傳送機構(gòu)均牢固地固定在它上面，大部分型號的貼片機及其各種送料器也安置在上面，因此機架應(yīng)有足夠的機械強度和剛性，圖3-1為貼裝機結(jié)構(gòu)示意圖。目前貼片機有各種形式的機架，大致可分為兩類。

8可編輯版9可編輯版第四章

貼裝機傳動系統(tǒng)

一．

傳送機構(gòu)與支撐臺傳送機構(gòu)就是圖3-1中的軌道，它的作用是將需要貼片的PCB送到預(yù)定位置，貼片完成后再將SMA送至下道工序。

傳送機構(gòu)是安放在軌道上的超薄型皮帶線傳送系統(tǒng)。通常皮帶輪安置在軌道邊緣，皮帶線通常分為A，B，C三段，并在B區(qū)傳送部位設(shè)有PCB夾緊機構(gòu)，在A，C區(qū)裝有紅外傳感器，更先進的機器還帶有條形碼閱讀器，它能識別PCB的進入和送出，記錄PCB數(shù)量，如圖4-1和4-2所示。10可編輯版第五章

貼裝機光學(xué)對中系統(tǒng)

貼片機的對中是指貼片機在吸取元件時要保證吸嘴吸在元件中心，使元件的中心與貼片頭主軸的中心線保持一致，因此，首先遇到的是對中問題。早期貼片機的元件對中是用機械方法來實現(xiàn)的（稱為“機械對中”）。當(dāng)貼片頭吸取元件后，在主軸提升時，撥動四個爪把元件抓一下，使元件輕微地移動到主軸的中心上來，QFP器件則在專門的對中臺進行對中，如圖5-1所示。11可編輯版12可編輯版這種對中方法由于是依靠機械動作，因此速度受到限制，同時元件也易受到損壞，目前這種對中方式已不再使用，取而代之的是光學(xué)對中。1.光學(xué)定位系統(tǒng)原理貼裝頭吸取元器件后，CCD攝像機對元器件成像，并轉(zhuǎn)化成數(shù)字圖像信號，經(jīng)計算機分析出元器件的幾何尺寸和幾何中心，并與控制程序中的數(shù)據(jù)進行比較，計算出吸嘴中心與元器件中心在

ΔX，ΔY和Δθ的誤差，并及時反饋至控制系統(tǒng)進行修正，保證元器件引腳與PCB焊盤重合，如圖5-2所示。13可編輯版2．光學(xué)系統(tǒng)的組成

光學(xué)系統(tǒng)由光源、CCD、顯示器以及數(shù)模轉(zhuǎn)換與圖像處理系統(tǒng)組成，即CCD在給定的視野范圍內(nèi)將實物圖像的光強度分布轉(zhuǎn)換成模擬電信號，模擬電信號再通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，經(jīng)圖像系統(tǒng)處理后再轉(zhuǎn)換為模擬圖像，最后由顯示器反應(yīng)出來

14可編輯版3．CCD的分辨率

光學(xué)系統(tǒng)采用兩種分辨率——灰度值分辨率和空間分辨率。

灰度值分辨率是利用圖像多級亮度來表示分辨率的方法，機器能分辨給定點的測量光強度，所需光強度越小，則灰度值分辨率就越高，一般采用256級灰度值，它具有很強的精密區(qū)別目標(biāo)特征的能力。而人眼處理的灰度值僅在50～60左右，因此機器的處理能力遠高于人眼的處理能力。

15可編輯版空間分辨率是指CCD分辨精度的能力，通常用像元素來表示，即規(guī)定覆蓋原始圖像的柵網(wǎng)的大小，柵網(wǎng)越細(xì)，網(wǎng)點和像元素越高，說明CCD的分辨精度越高。采用高分辨率CCD的貼片機其貼裝精度也較高。

但通常在分辨率高的場合下，CCD能見到的視野?。‵rame），而大視野的情況下則分辨率較低，故在高速/高精度貼片機中裝有兩種不同視野的CCD。在處理高分辨率的情況下采用小視野CCD，在處理大器件時則使用大視野CCD。

16可編輯版4．CCD的光源為了配合貼片機貼好BGA和CSP之類的新型器件，在以往的元件照明（周圍、同軸）基礎(chǔ)上增加了新型的BGA照明。所謂的BGA照明是LED比以往更加水平，早期的照明裝置能同時照亮焊球與元件底部，故難以將它們區(qū)別開來，改進后的照明系統(tǒng)，當(dāng)LED點亮?xí)r，僅使BGA元件的焊球發(fā)出反光，從而能夠識別球刪的排列，增加可信度

17可編輯版5．光學(xué)系統(tǒng)的作用

貼片機中的光學(xué)系統(tǒng)，在工作過程中首先是對PCB的位置確認(rèn)。當(dāng)PCB輸送至貼片位置上時，安裝在貼片機頭部的CCD，首先通過對PCB上所設(shè)定的定位標(biāo)志的識別，實現(xiàn)對PCB位置的確認(rèn)。所以通常在設(shè)計PCB時應(yīng)設(shè)計定位標(biāo)志

CCD對定位標(biāo)志確認(rèn)后，通過BUS反饋給計算機，計算出貼片原點位置誤差（ΔX、ΔY），同時反饋給運動控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)PCB識別過程

18可編輯版在對PCB位置認(rèn)后，接著是對元器件的確認(rèn)，包括：

（1）元件的外形是否與程序一致；

（2）元件中心是否居中；

（3）元件引腳的共面性和形變。

在SMD迅速發(fā)展的情況下，引腳間距已由早期的1.27mm過渡到0.5mm和0.3mm等，這樣僅靠上述兩個光學(xué)確認(rèn)還不夠，因此在PCB設(shè)計時還增加了小范圍幾何位置確認(rèn)，即在要貼裝的細(xì)間距

QFP位置上再增加元器件圖像識別標(biāo)志，確保細(xì)間距器件貼裝準(zhǔn)確無誤。19可編輯版6．CCD安裝位置

目前大部分貼片機中，CCD均固定安裝在機器座上。貼片頭吸嘴吸取元件后先移至

CCD上確認(rèn)，以修正ΔX、ΔY和Δθ，再將元器件貼放到指定位置，這種辦法比較傳統(tǒng)。隨著細(xì)間距的IC大量使用，花費在器件光學(xué)對中的時間也越來越長，如貼裝l..27間距IC速度高達每小時10000片，但貼裝0.5rnm間距

IC速度僅為1000～2000片/時，即速度下降到1/10～l/5；隨著電子產(chǎn)品復(fù)雜程度的提高，細(xì)間距IC的應(yīng)用已越來越廣泛，

第六章

喂料器供料器協(xié)（feederer）的作用是將片式元器件SMC/SMD按照一定規(guī)律和順序提供給貼片頭以便準(zhǔn)確方便地拾取，它在貼片機中占有較多的數(shù)量和位置，它也是選擇貼片機和安排貼片工藝的重要組成部分，隨著貼片速度和精度要求的提高，近幾年來供料器的設(shè)計與安裝，愈來愈受到人們的重視。根據(jù)SMC/SMD包裝的不同，供料器通常有帶狀（Tape）、管狀（stick）、盤狀（waffle）和散料等幾種。1．帶狀供料器

（l）帶狀包裝

在第二章中曾介紹了SMC/SMD的包裝，其形式之一就是帶狀包裝，在貼片生產(chǎn)中占有較大的比例。常見的元件有電阻、各種電容以及各種SIOC。帶狀包裝由帶盤與編帶組成，類似電影拷貝，如圖6-1所示。根據(jù)材質(zhì)不同，有紙編帶，塑料編帶及黏結(jié)式塑料編帶，其中紙編帶包裝與塑料編圖6-1帶狀包裝外形結(jié)構(gòu)

帶的器件，可用同一種帶狀供料器，而黏結(jié)式塑料編帶所使用的帶狀供料器的形式有所不同，但不管哪種材料的包裝帶，

均有相同的結(jié)構(gòu)。

紙編帶外型結(jié)構(gòu)尺寸如圖6-2所示。紙編帶由基帶、底帶和蓋帶組成，其中基帶為紙，而底帶和蓋帶則是塑料薄膜?；鶐喜加行≡祝址Q同步孔，兩孔之間的距離稱為步距，是供帶狀送料器上棘輪傳動時的定位孔。矩形孔是裝載元器件的料腔，用來裝載不同尺寸的元件。W是帶寬，帶寬現(xiàn)已有標(biāo)準(zhǔn)化尺寸，有8mm，12mm，16mm，24mm和32mm。用來裝載0603以上尺寸元件的同步孔步距均為4mm，而小于0603尺寸的包裝帶上的同步孔孔距則為2rnm，故定購供料器時應(yīng)加以區(qū)別。圖6-2紙帶外形結(jié)構(gòu)與尺寸

塑料編帶由基帶、蓋帶和底帶組成，均為塑料，同步孔及帶寬與紙帶類似。黏結(jié)式編帶常用于包裝尺寸大一些的器件，如SIOC等，包裝的元器件依靠不干膠粘合在編帶上，但編帶上有一個長槽元孔，供料器上的專用針形銷將元件頂出，以便使元器件在與黏結(jié)帶脫離時被貼片機的真空吸嘴吸住，黏結(jié)式編帶的外型如圖6-3所示。

圖6-3黏結(jié)式編帶結(jié)構(gòu)

（2）供料器的運行原理編帶安裝在供料器上的外型如圖6-4所示。從圖中可以看出，編帶輪固定在供料器的軸上，編帶通過壓帶裝置進人供料槽內(nèi)。上帶與編帶基體通過分離板分離，固定到收帶輪上，編帶基體上同步孔裝入同步棘輪齒上，編帶頭直至供料器的外端。供料器裝入供料站后，貼片頭按程序吸取元件并通過“進給滾輪給”手柄一個機械信號，使同步輪轉(zhuǎn)一個角度，使下一個元件送到供料位置上。更先進的供料器具有“清潔”功能，在帶倉打開時，還能瞬時實現(xiàn)對元件的“清潔”，去除元件上“污染物”，供料器增加元件的可焊性。上層帶通過皮帶輪機構(gòu)將上層帶收回卷緊，廢基帶通過廢帶通道排除到外面，并定時處理。20可編輯版目前先進的貼片機采用飛行對中技術(shù)，實現(xiàn)在

QFP等器件吸起來后，在送至貼片位置之前，即在運動中就將位置校正好，因此大大節(jié)約了器件的對中速度。飛行對中的技術(shù)有下列幾種形式：

（1）CCD安裝在貼片頭上，這是Qllad貼片機最先采用的方法，用此方法QFP的貼裝速度由原來的0.7s下降到0.3s。（2）CCD采用懸掛式安裝，有利于

SMC/SMD運動中校正位置。2