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1、第5章 電子組裝設(shè)備與組裝生產(chǎn)線,1,高等教育出版社 電子產(chǎn)品制造工藝第二版配套課件,引入:SMT技術(shù)概述,1、 SMT技術(shù)的發(fā)展 SMT,Surface Mounting Technology,也稱表面裝配技術(shù)、表面組裝技術(shù) 通孔插裝技術(shù):THT,Through-Hole mounting Technology。,2,2、SMT的發(fā)展歷經(jīng)了三個階段:, 第一階段(19701975年),這一階段把小型化的片狀元件應用在混合電路(我國稱為厚膜電路)的生產(chǎn)制造之中。, 第二階段(19761985年),這一階段促使了電子產(chǎn)品迅速小型化、多功能化;SMT自動化設(shè)備大量研制開發(fā)出來 。,3, 第三階段(

2、1986現(xiàn)在),主要目標是降低成本,進一步改善電子產(chǎn)品的性能-價格比; SMT工藝可靠性提高 。,4,3. SMT的裝配技術(shù)特點,表面安裝技術(shù)和通孔插裝元器件的方式相比,具有以下優(yōu)越性:, 實現(xiàn)微型化。, 信號傳輸速度高。, 高頻特性好。,(5)有利于自動化生產(chǎn),提高成品率和生產(chǎn)效率。,(4) 材料成本低。, SMT技術(shù)簡化了電子整機產(chǎn)品的生產(chǎn)工序,降低了生產(chǎn)成本。,5,6,5.1 SMT電路板組裝工藝方案與組裝設(shè)備,(1)SMT元件引腳距離短,目前引腳中心間距最小的已經(jīng)達到0.3mm。,(2) SMT元器件直接貼裝在印制電路板的表面,將電極焊接在與元器件同一面的焊盤上。,1. 表面裝配元器件

3、的特點,7,8,2. 表面裝配元器件的種類和規(guī)格,從結(jié)構(gòu)形狀分類,有薄片矩形、圓柱形、扁平異形等; 從功能上分類為 無源元件(SMC,Surface Mounting Component) 有源器件(SMD,Surface Mounting Device) 機電元件三大類,9,表面安裝元件電阻、電容,10,表面貼裝電感器,11, 表面安裝鉭電容器,表面安裝鉭電容器的外型都是矩形,按兩頭的焊端不同,分為非模壓式和塑模式兩種。,12, 表面安裝電感器,貼片電感排,貼片電感,13,表面安裝電感器,14,無源元件SMC,SMC包括片狀電阻器、電容器、電感器、濾波器和陶瓷振蕩器等。,15,長方體SMC是

4、根據(jù)其外形尺寸的大小劃分成幾個系列型號 。歐美產(chǎn)品大多采用英制系列,日本產(chǎn)品大多采用公制系列,我國還沒有統(tǒng)一標準,兩種系列都可以使用。,16,典型SMC系列的外形尺寸(單位:mm/inch),1inch=1000mil;1inch=25.4mm,1mm40mil。,17,常用典型SMC電阻器的主要技術(shù)參數(shù),18,SMD分立器件,SMD分立器件包括各種分立半導體器件,有二極管、三極管、場效應管,也有由兩、三只三極管、二極管組成的簡單復合電路。, SMD分立器件的外形尺寸,19,SMD分立器件的外形尺寸,20,3、包裝 片狀元器件可以用三種包裝形式提供給用戶:散裝、管狀料斗和盤狀紙編帶。,21,S

5、MT元器件的包裝,22,5.1.1 錫膏涂敷工藝和錫膏印刷機,1、錫膏 2、SMT所用的粘合劑(紅膠)。用于SMT組裝的固化膠粘合劑,在110130的溫度下很快固化; 可經(jīng)260以上的高溫焊接。,23,電子產(chǎn)品的SMT生產(chǎn)工藝,兩種裝配方案 1、純SMT元件裝配,24,2、插件元件與SMT混合裝配,25,1、網(wǎng)板印錫膏、回流焊工藝,制作鋼網(wǎng),印錫膏,貼元件,回流焊,進行其他加工,26,2、粘膠固化波峰焊接工藝,27,SMT生產(chǎn)設(shè)備,1、印刷機 2、貼片機 3、回流焊機,28, 制作焊錫膏絲網(wǎng),29,圖5.2 漏印模板印刷法的基本原理,30,絲網(wǎng)漏印焊錫膏,手動刮錫膏,31,自動刮錫膏,32,自

6、動刮錫膏,33,34,5.1.2 SMT元器件貼片工藝和貼片機,自動貼片機以日本、歐美和韓國的品牌為主,主要有:FUJI(富士)、SIEMENS(西門子)、UNIVERSAL(環(huán)球)、PHILIPS(飛利浦)、PANASONIC(松下)、YAMAHA(雅馬哈)、CASIO(卡西歐)、SONY(索尼)、SAMSUNG(三星)等。 可以分為高速機(通常貼裝速度在5Chips/s以上)與中速機,一般高速貼片機主要用于貼裝各種SMC元件和較小的SMD器件(最大約25mm30mm);而多功能貼片機(又稱為泛用貼片機)能夠貼裝大尺寸(最大60mm60mm)的SMD器件和連接器(最大長度可達150mm)等異

7、形元器件。 保證貼片質(zhì)量三個要素:貼裝元器件的正確性、貼裝位置的準確性和貼裝壓力(貼片高度)的適度性。,35, 貼裝SMT元器件,小型貼片機,36,2 SMT生產(chǎn)設(shè)備,37,SMT元器件貼片機的類型,38,自動貼片機的主要結(jié)構(gòu) 自動貼片機相當于機器人的機械手,能按照事先編制好的程序把元器件從包裝中取出來,并貼放到電路板相應的位置上。 貼片機的基本結(jié)構(gòu)包括設(shè)備本體、片狀元器件供給系統(tǒng)、電路板傳送與定位裝置、貼裝頭及其驅(qū)動定位裝置、貼片工具(吸嘴)、計算機控制系統(tǒng)等。為適應高密度超大規(guī)模集成電路的貼裝,比較先進的貼片機還具有光學檢測與視覺對中系統(tǒng),保證芯片能夠高精度地準確定位。,39,圖5.7 貼

8、片機的貼裝精度,40,圖5.8 元器件貼裝偏差,41,(4) SMT焊接設(shè)備,再流焊,42,SMT自動生產(chǎn)線,43,SMT自動生產(chǎn)線的組合,44,5.1.3 SMT涂敷貼片膠工藝和點膠機,把貼片膠涂敷到電路板上的工藝俗稱“點膠”。常用的方法有點滴法、注射法和印刷法。,45,自動點膠機的工作原理示意,46,貼片膠的固化,在涂敷貼片膠的位置貼裝元器件以后,需要固化貼片膠,把元器件固定在電路板上。固化貼片膠可以采用多種方法,比較典型的方法有三種: 用電熱烘箱或紅外線輻射(可以用再流焊設(shè)備),對貼裝了元器件的電路板加熱一定時間; 在粘合劑中混合添加一種硬化劑,使粘接了元器件的貼片膠在室溫中固化,也可以

9、通過提高環(huán)境溫度加速固化; 采用紫外線輻射固化貼片膠。,47,SMT工藝流程小結(jié),48,完整的SMT工藝總流程,49,5.2 與SMT焊接有關(guān)的檢測設(shè)備與工藝方法,生產(chǎn)廠家在大批量生產(chǎn)過程中,檢測SMT電路板的焊接質(zhì)量,廣泛使用自動光學檢測(AOI)或自動X射線檢測(AXI)技術(shù)及設(shè)備。 采用電性能測試的方法,通過在線檢測(ICT)儀或飛針測試儀等自動化檢測裝置對焊接質(zhì)量進行判斷。,50,5.2.1 自動光學檢測設(shè)備(AOI),DRC法是用給定的設(shè)計規(guī)則來檢查電路圖形,它能從算法上保證被檢測電路的正確性,統(tǒng)一評判標準,幫助制造過程控制質(zhì)量,并具有高速處理數(shù)據(jù)、編程工作量小等特點,但它對邊界條件

10、的確定能力較差。 圖形識別法是用已經(jīng)儲存在計算機里的數(shù)字化設(shè)計圖形與實際產(chǎn)品的圖形相比較,按照完好的電路樣板或計算機輔助設(shè)計(CAD或EDA)時編制的檢查程序進行比較,檢查的精度取決于光學系統(tǒng)的分辨率和檢查程序設(shè)定的參數(shù)。這種方法用設(shè)計數(shù)據(jù)代替DRC方法中預定的設(shè)計原則,具有明顯的優(yōu)越性,但其采集的數(shù)據(jù)量較大,對系統(tǒng)的實時性反映能力有較高的要求。,51,SMT焊接質(zhì)量標準 可靠的電氣連接:焊面3/4在焊盤上 足夠的機械強度 光潔整齊的外觀,52,AOI系統(tǒng),AOI系統(tǒng)用可見光(激光)或不可見光(X射線)作為檢測光源,光學部分采集需要檢測的電路板圖形,由圖像處理軟件對數(shù)據(jù)進行處理、分析和判斷,不

11、僅能夠從外觀上檢查電路板和元器件的質(zhì)量,也可以在貼片焊接工序以后檢查焊點的質(zhì)量,53,AOI功能,AOI被安排在電路板組裝工藝過程中的不同位置,能夠完成不同的功能: 將AOI系統(tǒng)放在錫膏印刷機后面,可以用來檢測錫膏印刷的形狀、面積甚至包括錫膏的厚度。 把AOI系統(tǒng)放在高速貼片機之后,可以發(fā)現(xiàn)元器件的貼裝缺漏、種類錯誤、外形損傷、極性方向錯誤,包括引腳(焊端)與焊盤上錫膏的相對位置。 將AOI系統(tǒng)放在多功能貼片機后面,可以檢查窄間距、多引腳的集成電路貼片誤差,甚至從元器件表面印制的標記識別集成電路的品種是否正確。 將AOI系統(tǒng)放在再流焊之后,可以檢查焊接品質(zhì),發(fā)現(xiàn)有缺陷的焊點。,54,5.2.2

12、 X射線檢測設(shè)備(AXI),組裝有PLCC、SOJ、BGA、CSP和FC等集成電路的電路板,在焊接完成以后,由于焊點在芯片的下面,依靠人工目檢或AOI系統(tǒng)都無從發(fā)現(xiàn)焊接缺陷,因此,用X射線(x-ray)檢測就成為判斷這些器件焊接質(zhì)量的主要方法,55,5.2.3 在線檢測(ICT)設(shè)備與方法,ICT是在線測試技術(shù)的縮寫,有時也指在線測試儀器。ICT是在大批量生產(chǎn)電子產(chǎn)品的生產(chǎn)線上的測試技術(shù),所謂“在線”,具有雙重含義:第一,ICT通常在生產(chǎn)線上進行操作,是生產(chǎn)工藝流程中的一道工序;第二,它把電路板接入電路,使被測產(chǎn)品成為檢測線路的一個組成部分,對電路板以及組裝到電路板上的元器件進行測試,判斷組裝

13、是否正確、焊接是否良好或參數(shù)是否正確。,56,ICT分為靜態(tài)測試和動態(tài)測試,靜態(tài)ICT只接通電源,并不給電路板注入信號,一般用來測試復雜產(chǎn)品在產(chǎn)品的總裝或動態(tài)測試之前首先保證電路板的組裝焊接沒有問題,以便安全地轉(zhuǎn)入下一道工序以前把靜態(tài)ICT測試叫做通電測試; 動態(tài)ICT在接通電源的同時,還要給被測電路板注入信號,模擬產(chǎn)品實際的工作狀態(tài),測試它的功能與性能。顯然,動態(tài)在線測試對電子產(chǎn)品的測試更完整,也更復雜,因此一般用于測試比較簡單的產(chǎn)品。,57,58,測試針床和頂針示意圖,59,ICT技術(shù)參數(shù), 最大測試點數(shù) 可測試的元器件種類 測試速度 測試元器件參數(shù)的范圍 測試電壓、電流、頻率 電路板尺寸

14、,60,ICT測試原理, 電阻測試 RU/I 電容量測試 電感量測試 二極管測試。正向測試二極管時,加入一正向電流,硅二極管的正向壓降約為0.6V0.7V;若加一反向電流,二極管的壓降會很大。 三極管測試,分三步測試三極管。 跳線測試。 測試集成電路,61,ICT編程(選學內(nèi)容,建議學生自學),電阻元件編程:在“T”欄輸入“R”;在“Part name”處輸入元件圖號,如R1;在“Ideal”欄輸入標稱值,如R1是1k;在“Pin1”、“Pin2”輸入其引腳相對應的針號;“%”、“T+”、“T-”欄輸入該電阻的誤差范圍,“W”欄輸入測試方法“I”(普通測試方法),如果電阻在電路中與一個電解電容

15、器并聯(lián)(如圖5.22(a)所示),則因測試方法“I”的測試時間很短,電容器充電需要一定時間,將會出現(xiàn)測試誤差,只要將“W”欄中的“I”改為“V”,再加一定的延時時間“dms”,如20ms,則測試結(jié)果就與實際值相同了。,62,隔離點,測量電阻時,有時因為電路關(guān)系,需增加一隔離點,如圖5.22(b)所示:電阻R1和R2、R3并聯(lián),當在頂針1、2位測試R1的阻值時,測試結(jié)果不是1k,而是500。這是由于從1號頂針位流入的電流I有一部分流入了R2、R3支路了。要解決這一問題,可以選擇在3號位增加一頂針“3”,使“3”號頂針的電位和1號頂針的電位相等。那么,R2、R3支路就不會使1號頂針的電流分流,測試

16、結(jié)果也就準確了?!?”號頂針就叫隔離點。編程對地“G”處填入“Y”,表示啟動隔離功能。在“G1/4G5”處填入“3”,表示“3”是隔離點。,63,電容測試,電容類元件有兩種測試方法。容量100nF以下的小電容,用交流(AC)測試。在“T”填入“C”,“Part name”填入元件圖號,“Ideal”填入標稱容量,在“Pin1”、“Pin2”填入引腳的對應測試針號,“W”填入“A”,即AC測試方法,“Freq”填入測試頻率(默認為30kHz),“%”、“T+”、“T-”填入相應的誤差值,其他按默認值。 大容量的如電解電容器,在“W”填入“D”,即DC測試方法,“Dms”填入適當?shù)难訒r時間,如30

17、,表示延時30ms。,64,65,測試針床,66,產(chǎn)品測試,錄像,67,4. ICT編程與調(diào)試,返回,68,5.2.4 飛針測試儀,飛針測試儀是一種高精度的移動探針測試設(shè)備,通常用在專業(yè)印制板生產(chǎn)廠檢測多層板的金屬化孔質(zhì)量,或在電子產(chǎn)品制造廠檢測高密度組裝的SMT產(chǎn)品焊接質(zhì)量。作為小批量產(chǎn)品的高端檢測設(shè)備,它的工作原理是,在固定在測試架上的印制板兩側(cè),用快速移動的成對探針同時移動到同一位置上,測量電路的連接狀態(tài)(電阻)。 與ICT測試方法相比,飛針測試儀避免了為小批量產(chǎn)品專門制作昂貴的測試針床,只需要根據(jù)產(chǎn)品特性編程或直接輸入電路板的CAD或EDA設(shè)計文件。,69,70,5.2.5 清洗工藝、

18、清洗設(shè)備和免清洗焊接方法,71,5.2.6 SMT生產(chǎn)線的設(shè)備組合與計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS),中、小型SMT自動生產(chǎn)流水線設(shè)備配置平面圖,72,計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS,Computer Integrated Manufacturing System),是將設(shè)計工程、管理工程、生產(chǎn)工程有機地連接到一起的系統(tǒng)工程,也叫做計算機綜合生產(chǎn)系統(tǒng)。它是利用現(xiàn)代的信息技術(shù)、自動化技術(shù)與制造技術(shù),通過計算機軟硬件,將企業(yè)的經(jīng)營、管理、計劃、產(chǎn)品設(shè)計、加工制造、銷售服務等環(huán)節(jié)和人力、財力、設(shè)備等生產(chǎn)要素有機地集成起來,以形成適用于小批量、多品種生產(chǎn)需求并能實現(xiàn)總體高效益的智能化制造系統(tǒng)。,73,SM

19、T的CIMS系統(tǒng)示例模型,74,5.3 SMT工藝品質(zhì)分析,SMT的工藝品質(zhì),主要是以元器件貼裝的正確性、準確性、完好性以及焊接完成之后元器件焊點的外觀與焊接可靠性來衡量。 SMT的工藝品質(zhì)與整個生產(chǎn)過程的每一環(huán)節(jié)都有密切關(guān)聯(lián)。,75,用因果分析法(魚刺圖)分析SMT工藝品質(zhì),76,5.3.1 錫膏印刷品質(zhì)分析,焊膏的印刷是再流焊質(zhì)量的關(guān)鍵。有三個因素會影響焊膏印刷:焊膏、模板與印刷。 焊膏:窄間距器件的焊接質(zhì)量與焊膏合金粉末的顆粒形狀有關(guān),焊膏的粘度與成分也必須選用適當。 模板:錫膏模板的開孔設(shè)計、模板厚度與模板加工制作方式,將對焊膏印刷的外形質(zhì)量起決定作用。 印刷:印刷用刮刀的材質(zhì)與形狀,

20、刮印的速度、壓力與模板的間隙以及模板的清洗,都會影響印刷質(zhì)量。,77,錫膏印刷不良導致的品質(zhì)問題,錫膏不足(局部缺少甚至整體缺少)將導致焊接后元器件焊點錫量不足、元器件開路、元器件偏位、元器件豎立; 錫膏粘連將導致焊接后電路短接、元器件偏位; 錫膏印刷整體偏位將導致整板元器件焊接不良,如少錫、開路、偏位、豎件等; 錫膏拉尖易引起焊接后短路。,78,5.3.2 SMT貼片品質(zhì)分析,SMT貼片常見的品質(zhì)問題有:漏件、側(cè)件、翻件、偏位、損件等。,79,5.3.3 SMT再流焊常見的質(zhì)量缺陷及解決方法,再流焊的品質(zhì)受諸多因素的影響,最重要的因素是再流焊爐的溫度曲線及錫膏的成分參數(shù)?,F(xiàn)在常用的高性能再流

21、焊爐,已能比較方便地精確控制、調(diào)整溫度曲線。相比之下,在高密度與小型化的趨勢中,焊膏的印刷就成了再流焊質(zhì)量的關(guān)鍵。 有時,再流焊設(shè)備的傳送帶振動過大,也是影響焊接質(zhì)量的因素之一。,80,典型SMT焊點的外觀,81,典型SMT焊點的外觀:有末端重疊部分,82,SMT常見焊點缺陷及其分析,83,豎件,84,錫橋,85,無末端重疊部分,86,5.4 電子產(chǎn)品組裝生產(chǎn)線,5.4.1 生產(chǎn)線的總體設(shè)計 5.4.1.1 生產(chǎn)線的總體設(shè)計是一項系統(tǒng)工程設(shè)計 建設(shè)生產(chǎn)線系統(tǒng),不僅要按照產(chǎn)品的工藝要求及其相應的約束條件,合理安排生產(chǎn)過程的不同階段、環(huán)節(jié)、工序,使其在時間、空間上平衡銜接、緊密配合,構(gòu)成一個協(xié)調(diào)的

22、整體,生產(chǎn)出社會需要的產(chǎn)品,同時還應該滿足有關(guān)安全性、可行性、可靠性、可維修性等的一系列目標。這是一項綜合技術(shù)的創(chuàng)造性工作,需要進行總體的調(diào)度、綜合的優(yōu)化和有條不紊的組織管理,才能完成這項工作。,87,生產(chǎn)線系統(tǒng)設(shè)計各階段的任務,88,某計算機廠生產(chǎn)線系統(tǒng)設(shè)計的基本方案,89,生產(chǎn)線初步設(shè)計階段的工作,某計算機廠生產(chǎn)線系統(tǒng)平面布置簡圖,90,幾種典型生產(chǎn)線,手工插裝生產(chǎn)線,91,波峰焊生產(chǎn)線,92,小型產(chǎn)品組裝、調(diào)試生產(chǎn)線,93,大型產(chǎn)品組裝生產(chǎn)線,94,5.4.2 電子整機產(chǎn)品制造與生產(chǎn)工藝過程舉例,整機裝配順序,95,5.5新一代電子組裝技術(shù)簡介,96,5.5.1 基片, 陶瓷基片 約束芯板基片。約束芯板基片由42號合金、包鋼鉬、瓷化殷鋼等材料制成。約束芯板基片具有強度大、體積輕的特點。 塑性層基片。塑性層基片采用增加塑性層的方法制成,在環(huán)氧玻璃基片上涂上環(huán)氧樹脂層。 環(huán)氧玻璃基片。環(huán)氧玻璃基片由環(huán)氧樹脂和玻璃纖維組成的復合材料制成。由于玻璃纖維質(zhì)地堅硬、環(huán)氧樹脂塑性好,所以環(huán)氧玻璃基片具有強度高的特點。,97,5.5.2 厚/薄膜集成電路技術(shù),厚/薄膜集成電路,是以膜的形態(tài)在絕緣基板上形成的一種集成電路,膜集成電路與半導體集成電路不同,它只能集成無源元件。按膜的厚度和形成工藝的不同,分為

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