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SMT贴片技术发展及业界课题
  2024-01-24      226

  SMT贴片技术发展及业界课题                            ---薛廣輝

前言:随着电子产品深入融合进入人类日常生活、工作,PCBA制程技术也逐渐成为基础工业之不可或缺的一环。如果说一个城市是否有电子产品研发制造产业是衡量一个城市是否具备工业先进性的指标,SMT工厂的多寡与先进与否便是此指标的代言人。SMT主流程包含锡膏印刷、元件贴装、回流焊接三大工序,锡膏印刷品质检查、贴片品质检查、焊点品质检查则是在线的配套工艺,离线的配套工艺还有锡膏检验&存储、钢板设计验收存储、刮刀技术、PCB&PCBA清洗技术、首件检查技术、自动仓储与自动补料技术、温度监控测试技术、产品自动转运技术、信息化主动调度技术、氮气技术、压缩空气技术等。SMT三大主流程工序中,元件贴装是至为关键的,也是价值最高的设备。本文就为读者阐述当今业界元件贴装技术的痛点&难点&解决方案、贴片技术发展方向及进度、贴片技术与焊接品质的直接关系&管理盲区。

当今业界先进的元件贴装技术

元件贴装技术以小步稳健前行为主调,各设备制造商在细节上均有用心雕琢,提升PCBA行业之生产效率及生产品质。随着便携式产品快速深度融入人们日常生活,电子产品不但需满足轻薄短小的尺寸需求,同时需满足性能提升、操作简单、人性化之需求。另一条发展路线则相反,如高频通讯基站基地台,尺寸反而较原有服务器增大。这种大者更大,小者愈小的趋势看似矛盾,但同样都推动贴片技术的发展。要求设备高效、稳定、高精度的工作,同时还要求降低对操作者、维护者技能的依赖,降低设备故障率、降低维护保养成本及时间。与此同时要求设备性价比更高,更加智能化,可喜的是,设备制造商做到了。当今业界先进的元件贴装技术,仅以笔者所知、所用整理如下供业界同仁参考

1最小元件贴装能力,当今大批量产的元件英制01005(公制0402),部分设备具备英制008004(公制0201)元件贴装能力

2裸芯片贴装能力,几家头部贴片设备都具备裸芯片贴装能力,供料方式有Wafer直接供料-4寸 6寸 8寸 12寸Wafer均可以Tray盘模式供料,也可以使用DDF供料。

3元件贴装位置精度,当今业界贴片机最高贴装精度+5um

4元件贴装轻柔能力,当前业界最轻柔贴装压力0.3N,确保吸取贴装不损伤元件

5元件识别能力-透明件、异形件识别技术是部分贴片机的技术难题,优秀的贴片机可以识别透明件如玻璃元件,反光件及异形器件。

6元件吸取能力,当前业界贴片机可以吸取最小元件公制0201(英制008004),最大抓取10cm器件。

7 元件规格测量能力,首件生产时,设备抓取Chip元件,测量其规格值,确保物料正确再贴装

8设备智能化之防元件方向错误能力,设备抓取元件后识别元件方向,如果元件供料方向错误,设备自动识别并调整到正确方向贴装,确保贴装正确

9 设备智能化之防元件接料错误、供料错误能力,如设备自动侦测接料口,对接料物料吸取自动测量其规格是否正确

10 设备保养、维护简易化,如贴片头部整体快速拆卸

11 设备功能灵活化 头部可灵活更换如贴片头 点胶头更换,灵活应对制程需求

12 设备供料能力智能化,散装连接器、吸塑盘连接器供料方案。随着人工成本的节节攀升,基础员工招聘、培养、管理难度增加,众多产品设计采用通孔回流焊工艺取代传统的通孔插装焊接制程,来料袋装、吸塑盘状耐高温器件采用通孔回流焊时供料技术成为一大课题,元件编带技术会增加物料成本,同时需频繁换盘。柔性供料技术为业界解决此课题贡献卓绝。

13 可吸取、抓取元件规格扩大化,部分工控、汽车电子元件尺寸大,笔者见到某企业10cm高连接器可以正常贴装焊接,省却了Reflow前插件人员,同时也确保了通孔回流焊品质。需要说明的是,该产品使用波峰焊无法满足透锡高度需求,因器件&PCB通孔热容量巨大,波峰焊、选择焊、手工焊均无法满足生产品质要求

14 贴装力度可选化,单针插装压接端子,最大力可达10KG,省却后续压接工艺,此工艺在汽车电子领域有成熟应用

15 人工智能化,双面板自动化布设支撑顶针,避免了人工布设支撑异常导致的损件、板弯等。此技术在当今业界已经成熟应用

元件贴装制程的痛点&难点

虽然SMT元件贴装技术成熟,但对于大多数PCBA工厂而言,资源都是受限的。笔者将各企业日常生产过程中遇到的问题汇整如下以供诸君参考,以加入新设备评估之考量范畴,避免设备购置后出现技术瓶颈:

1贴片机可以抓取的元件高度有限,超出高度范围的元件不能贴装,虽然来料为标准的卷装或Tray装,生产只能人工手摆

2贴片机无法有效识别元件定位柱,导致贴装不到位;无法识别金属壳体元件金属Kink脚,导致贴装不到位;无法识别通孔插装端子倾斜度,导致贴装不到位,生产使用人工手插

3异形元件物理中心与物理重心不重合,导致贴装不到位

4元件带Kink脚,贴装头压力不足,贴装时压力超标死机,生产采用人工Reflow前手摆

5相机识别能力不足,引脚或端子尺寸0.1mm以下无法识别

6透明、反光元件无法识别

7玻璃体元件、超重元件吸取后转角度不到位(打滑 旋转角度)

8吸嘴配置不到位,异形元件吸取漏真空

9BGA锡球氧化 大小球无法有效识别,导致BGA虚焊、HiP

10表贴滤波器(如底部5个焊盘)本体切割偏差,贴装识别不出来

11二极管 三极管贴装反白

12 电阻 滤波器等贴装反白

13 大尺寸连接器无法识别,无分段识别能力

14 镍片贴装时异常,人工处理后重复贴装,出现双贴片异常

15 裸芯片Wafer无法供料,必须厂商改为Reel后才能吸取

16 但尺寸连接器无法供料,来料为吸塑盘模式或袋装模式

17 异形吸嘴兼容性差,异形物料无法使用,如Nozzle bank不支持异形吸嘴

18 超薄元件吸取损件,最小吸取力过大,无非接触吸取功能

19 最小贴装力2N, 易损元件贴装破损

20 QFN类元件,Tray物料某一物料反向无法有效识别拦截

21 生产线改供料方式,如卷装改为Tray装,供料方向变化,贴装出现方向错误,设备无法有效识别拦截

22 散料如袋装料、短截料无法供料

23 卷装料包装材料静电管控不严格,供料时物料被料膜带走

24 料膜过长,需人工剪切处理

25 车间环境不佳,超微料吸嘴易堵塞等

以上这些是行业当下部分企业元件贴装困扰,因篇幅所限,后续会一一对此说明并给出有效解决方案,欢迎持续关注后续文章。欢迎业界同仁撰稿分享解决方案及心得体会

焊点不良与元件贴装的关系

对于PCBA业者而言,即便购置了合适的贴片机,也未必就能确保贴装焊接正常,获的良好的焊接效果。究其缘由,多半归咎于PCBA是综合技术,不是单一因素决定的结果。如笔者在某工厂遇到的案例:

某产品过Reflow后,麦克风出现断环、气泡超标现象,检查Reflow温度曲线正常;检查锡膏回温、搅拌、添加、使用正常;检查确认锡膏印刷品质正常;检查麦克风来料品质正常,检查PCB来料品质正常;Reflow前AOI确认贴装位置准确……焊接不良出现的原因是什么呢?

  

麦克风焊点断环 麦克风焊点气泡超标

  

麦克风锡膏印刷正常 麦克风锡膏印刷正常

选取Reflow前贴装完成待进Reflow产品,X-ray观察如图,显示为锡膏挤压过度。锡膏挤压过度,Reflow后部分焊锡无法收回,导致锡珠、异物甚者影响麦克风杂音、破音,钢板开孔设计已经无法再缩小,制程上无法通过缩小焊锡膏量克服此问题。X-ray检查确认为麦克风贴装高度太低所致,调整贴装高度及贴装压力,麦克风焊接正常。

  

麦克风贴装挤压过度 麦克风贴装挤压过度

由此可知,PCBA制程是综合性管理,非单一因素决定结果,但每个环节都尽量做到完美,才可以最大限度确保产品最终品质。元件贴装就是其中关键一环。

贴片机技术发展趋势及理想方向

技术发展的最大驱动力是市场需求,贴片机的市场需求可以分为三大类:第一类为小尺寸便携式、穿戴式电子产品生产模式;第二类是多品种小批量、制样生产模式;其它第三类包括大尺寸产品、工控产品、汽车电子、医疗电子、军工航天产品、仪表产品等。三类需求的侧重点不同,对于贴片机技术发展需求也不尽相同。根据行业实际需求如提高生产效率、降低生产运营成本,产业实际应用痛点、难点,整合产业发展趋势需求等多重因素,汇整贴片机技术发展趋势如下:

第一类贴片机技术发展趋势应包含但不限于以下内容:

1.1更小的设备体积,更高的贴片效率—提高企业单位厂房面积内价值产出

1.2可贴装元件尺寸更小如公制0201—因应可穿戴、便携产品需求

1.3裸芯片贴装能力:更轻柔的裸芯片贴装力如0.2N;灵活的裸芯片供料能力,降低裸芯片贴装成本及物料采购难度;高解析度的元件识别能力

1.4新供料及接料,设备可以自动测量元件规格值与期望值是否一致,避免上错料或接错料—大批量生产,错料带来的影响是灾难性的

1.5物料可以全自动供料或接料,不需要人员作业—这是当今业界共同的课题,是SMT减员增效的聚焦所在

1.6元器件识别能力提高,透明器件、反光器件、吸光元件、金色元件等

1.7设备保养维护简单,如快速更换头部、模组化相机、模组化吸嘴更换等

1.8设备操作简单,人员可快速入手

1.9设备头部功能可变换如点胶头、贴装头可快速更换

1.10支持信息化、智能化、无人化:下线供料台车自动送到制定位置、备料完毕之台车自动上机、设备自动换线、设备自动摆放支撑顶针、设备自动换吸嘴并检测吸嘴、设备自动接料,废料带自动清理、首件贴装后贴片机自动检测贴装精度并跟踪改善、对精密器件自动定时确定贴装品质、支持所有信息化系统需求等

第二类:多品种小批量及制样生产模式贴片机技术,理想功能应包含但不限于以下内容

2.1一台贴片机可以供应数百种物料

2.2兼容卷装料、管装料、Tray装料、散料、短截料、异形料、吸塑盘供料等

2.3一台贴片机可以贴装所有尺寸元件—吸嘴尺寸兼容性强大,如01005到100mmx100mm

2.4强大的上料系统:上料时Feeder或Tray或短截料Tray轨道号绑定物料料号,供料时设备自动寻找所需物料位置并吸取贴装

2.5设备可以自动摆放支撑顶针

2.6设备可以自动侦测板子变形并补偿

2.7设备巨大强大的异形吸嘴兼容性

2.8设备具备自动测量物料规格值能力,FAI时&定时测定每种物料规格是否与BOM一致

2.9设备保养维护包养简单

2.10设备操作简单

2.11产品尺寸兼容性大

2.12设备复合能力强大:点胶、点锡膏、贴片、插件、测量、影像处理等

理想的多品种小批量生产模式:一台贴片机可以贴装所有尺寸及各种形状元件;供料方式不限;供料不需要依照上料表供料,Feeder位置随便放置,设备都可以找到正确的物料;多个产品物料同时架设在贴片机上,设备自行识别并拾取所需物料进行贴装,避免换线转产,共用料处理;Chip件等物料可以自动测量实际值与需求值是否一致;不限制物料供料方向,设备可以识别物料,自动调整物料到正确角度贴装等

第三类:理想的第三类生产模式贴片机应具备以下功能

3.1设备可贴装产品尺寸大

3.2设备可贴装元件尺寸阈值大:公制0201到150mmx150mm

3.3设备具备灵活取料方式:吸取、抓取、侧吸、内撑、吸取+抓取等

3.4大的插装力如最大10KG力

3.5可以贴装元件高度大

3.6可以贴装较重元件

3.7卷装、Tray装、吸塑盘装、管装、散料等均可以兼容

3.8可以自动上料、自动接料

3.9自动测量元件实际值与规格值是否一致,防止上错料&接错料

3.10元件识别能力强大,可以识别透明元件、金色凸点及引脚、反光元件、异形元件

3.11有极性物料极性识别,即使员工供料方向错误,设备可以自行识别元件极性并旋转角度调整,正确贴装

3.12设备自动换线,自动摆放支撑顶针,自动换吸嘴,自动换物料台车、自动侦测物料位置

3.13设备依据设定自动检测贴装品质并调整

3.14保养维护简单

3.15兼容点胶、贴片、插件、压接功能

3.16支持所有信息化需求

3.17基础员工操作简单

3.18提供实物照片,设备自动生成元件资料库并给出合理的物料识别方案

理想与现实虽然存在一定距离,但部分功能在某些场景及设备上已经崭露头角,相信功能强大的贴片设备距离我们正越来越近。

后记与技术支持

篇幅所限,言未尽意之处,愿与同仁另行深度讨论。欢迎诸位先贤才俊,闲暇之时梳理工作过程中的心得体会,串珠成链,以供同侪、后辈参阅学习。笔者愿尽绵薄之力审稿定向,尚有一字师之功,幸矣!

笔者联系方式:微信号:xue1262107032, 邮箱:Sunny9588@126.com

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