第3章SMT生產設備與治具教學材料

第3章SMT生產設備與治具3.1涂敷設備3.1.1印刷設備及治具1.印刷機的基本結構無論哪種印刷機，其基本結構都是由機架、印刷工作臺、模板固定機構、印刷頭系統(tǒng)以及其他保證印刷精度而配備的其他選件CCD、定位系統(tǒng)、擦板系統(tǒng)、2D及3D測量系統(tǒng)等。3.1涂敷設備（1）機架穩(wěn)定的機架是印刷機保持長期穩(wěn)定性和長久印刷精度的基本保證。（2）印刷工作臺印刷工作臺包括工作臺面、基板夾緊裝置、工作臺傳輸控制機構。（3）印刷頭系統(tǒng)印刷頭系統(tǒng)由刮刀（不銹鋼、橡膠、硬塑料）、刮刀固定機構（浮動機構）、印刷頭的傳輸控制系統(tǒng)組成。（4）PCB視覺定位系統(tǒng)PCB視覺定位系統(tǒng)是修整PCB加工誤差用的。為了保證印刷質量的一致性，使每一塊PCB的焊盤圖形都與模板開口相對應，每一塊PCB印刷前都要使用視覺系統(tǒng)定位。（5）滾筒式卷紙清潔裝置。3.1涂敷設備3．印刷用治具——模板金屬模板（stencil），又稱漏板、鋼板、鋼網(wǎng)，它是用來定量分配焊膏，是保證焊膏印刷質量的的關鍵治具。模板就是在一塊金屬片上，用化學方式蝕刻出漏孔或用激光刻板機刻出漏孔，用鋁合金邊框繃邊，做成適應尺寸的金屬板。聚酯或絲網(wǎng)框架全金屬模板柔性金屬模板圖3-8全金屬和柔性金屬模板示意圖3.1涂敷設備金屬模板的開孔方法：金屬模板的開孔方法主要有化學腐蝕法，激光切割法，電鑄法三種。①化學腐蝕法（ChemicalEtched）：化學腐蝕法制造模板是最早采用的方法，常常用于錫磷青銅或不銹鋼模板的制作。鋼網(wǎng)PCB焊盤3.1涂敷設備②激光切割法（LaserCut）：激光切割法興于20世紀90年代，它利用電腦控制或YAG激光發(fā)生器，像光繪繪圖儀一樣直接在金屬模板上切割窗口，這種方法尺寸精度高、窗口形狀好、工序簡單、周期短、孔壁較光潔等優(yōu)點。鋼網(wǎng)PCB焊盤3.1涂敷設備③電鑄法（Electro-formed）：電鑄法是用加成方法制造鋼網(wǎng)的技術，一般采用鎳為鋼網(wǎng)材料，它是通過電鑄使金屬電沉積在鑄模上制成的。其制作過程是：在一塊平整的基板上，通過感光的方法制作窗口圖形的復像（模板窗口圖形為硬化的聚合感光膠，又稱芯鋼網(wǎng)），將芯鋼網(wǎng)放入電解質溶液中，芯鋼網(wǎng)作電源負極，鎳做正極，經過數(shù)小時后，在芯鋼網(wǎng)上電沉積出堅固的金屬鎳層，然后將它們分離形成所需鋼網(wǎng)，將其膠合到網(wǎng)框上就形成了電鑄鋼模板，其形狀和粗糙度與芯模幾乎完全一樣鎳網(wǎng)PCB焊盤⑵金屬模板的開口設計①開口形狀模板開口通常為矩形、方形、圓形三種。矩形開口比方形和圓形開口具有更好的脫模效率。②開口尺寸設計為了控制焊接過程中出現(xiàn)焊料球或橋接等焊接缺陷，模板開口的尺寸通常情況下比焊盤圖形尺寸略小。③模板寬厚比/面積比

⑶金屬模板的厚度模板的厚度直接關系到印刷后的焊膏量，對電子產品焊接質量影響也很大，通常情況下，如果沒有BGA，CSP，F(xiàn)C等器件存在，模板厚度一般取0.15mm就可以了，但隨著電子產品小型化，電子產品組裝技術愈來愈復雜，為實現(xiàn)BGA，CSP，F(xiàn)C與PLCC，QFP等器件共同組裝，甚至是和通孔插裝元器件共存，模板的尺寸再也不能唯一固定了。①普通模板②局部減?。⊿tep－Down）模板③局部增厚（Step－Up）模板

3.1.2點涂設備點膠機是用途廣泛的點涂設備，可注滴包括瞬間膠（快干膠）、紅膠、黃膠、環(huán)氧樹脂、硅膠、厭氧膠（螺絲膠）、防焊劑、錫漿、潤滑油、焊膏等產品。1．點膠頭點膠頭根據(jù)分配泵的不同可分為時間/壓力式、螺旋泵式、活塞泵式、噴射泵式四種。時間-壓力螺旋泵線性正相位移泵噴射閥泵3.1.2點涂設備2．點膠機的常規(guī)技術參數(shù)點膠量的大小點膠壓力（背壓）針頭大小針頭與PCB板間的距離膠水溫度膠水的粘度固化溫度曲線氣泡3.2貼片設備3.2.1貼片機的基本結構主要是由機架、PCB傳送機構及支撐臺、X，Y與Z/?伺服、定位系統(tǒng)、光學識別系統(tǒng)、貼片頭、供料器、傳感器和計算機操作系統(tǒng)等組成。1．貼片頭系統(tǒng)貼片頭固定式單頭多頭固定式旋轉式水平旋轉/轉塔式垂直旋轉/轉盤式圖3-15貼裝頭的種類3.2貼片設備旋轉式多頭片頭的旋轉過程中，供料器以及PCB也在同步運行。圖3-18垂直旋轉貼片頭的結構示意圖和外觀

2．供料器供料器（feeder），又稱喂料器，其作用是將片式的SMC/SMD按照一定的規(guī)律和順序提供給貼片頭以方便貼片頭吸嘴并準確拾取，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作的重要組成部分。⑴帶狀供料器⑵管狀供料器⑶散裝供料器⑷盤狀供料器3．貼片機的X、Y、Z/?軸的定位系統(tǒng)⑴X，Y定位系統(tǒng)⑵Z軸定位系統(tǒng)⑶Z軸的旋轉定位4．貼片機的傳感系統(tǒng)貼片機中安裝有多種傳感器，如壓力傳感器、負壓傳感器和位置傳感器。貼片機運行過程中，所有這些傳感器時刻監(jiān)視機器的正常運轉。⑴壓力傳感器⑵負壓傳感器⑶位置傳感器⑷圖像傳感器⑸激光傳感器⑹區(qū)域傳感器⑺貼片頭壓力傳感器3.2.2貼片機的技術參數(shù)在貼片機相關技術參數(shù)中，貼片精度，速度及適應性是貼片機的三個重要的特性。1.貼片機的貼片精度貼片精度是表征貼片機的一項重要指標。貼片精度是指貼片機X，Y導航運動的機械精度和Z軸旋轉精度，它可以由定位精度，重復精度和分辨率來表征。⑴定位精度定位精度是元器件貼裝后相對于印制板標準的目標貼裝位置的偏移量。⑵重復精度重復精度是描述貼片機重復地返回設定貼片位置的能力。⑶分辨率3.2.2貼片機的技術參數(shù)⑷過程能力指數(shù)Cp值與Cpk值過程能力指數(shù)是反映過程處于正常狀態(tài)時，所表現(xiàn)出來的保證產品質量的能力，并以數(shù)值定量的表達出來。貼片機的過程能力指數(shù)Cp值與Cpk值意義是指貼片機在正常工作狀態(tài)下滿足質量要求的貼片能力，并將其量化。Cp是指分布中心和公差中心重合時的過程能力指數(shù)。Cpk則是分布中心與公差中心不重合，出現(xiàn)偏移量，對過程能力指數(shù)進行的修正。2.貼片機的貼片速度貼片速度決定貼片機和生產線的生產能力，是整個生產線能力的重要限制因素。⑴貼裝周期貼裝周期是標志速度的最基本參數(shù)。它是指從拾取元器件開始，經過檢測、貼放到PCB上再返回拾取元器件位置時所用的時間。⑵貼裝率貼裝率是指一小時內貼裝元器件的數(shù)量，單位是cph。3.2.3貼片設備的選型貼片機選型時應注意的幾個關鍵技術問題：貼片機類型分為四種類型：動臂式、復合式、轉盤式和大型平行系統(tǒng)。2.機器視覺系統(tǒng)機器視覺系統(tǒng)是顯著影響元件組裝的第二個因素，機器需要知道電路板的準確位置并確定元件與板的相對位置才能保證自動組裝的精度。3.送料送料動臂式機器可支持多種不同類型的供料器，如帶狀、盤狀、散裝、管狀等。4.靈活性機器靈活性是我們在選購設備時要考慮的關鍵因素。3.3焊接設備3.3.1回流爐回流爐是SMT組裝中的主要焊接設備。焊接是SMT最關鍵的工序之一，設備的性能對焊接質量有直接影響，尤其是當前無鉛焊接由于溫度高、潤濕性差、工藝窗口小等特點，無鉛回流爐的選擇應更謹慎。1．回流爐種類回流爐的種類有很多，對PCB整體加熱的有熱板回流爐、紅外回流爐、熱風回流爐、紅外熱風回流爐、氣相回流爐等；對PCB局部加熱的有激光回流爐、聚焦紅外回流爐、熱氣流回流爐等。2．強制對流式熱風回流爐的基本結構主要由爐體，加熱系統(tǒng)、PCB傳輸系統(tǒng)，溫度控制系統(tǒng)，強制對流系統(tǒng)，冷卻裝置，排風裝置，廢氣回收裝置和計算機控制裝置組成。3.3焊接設備⑴加熱系統(tǒng)標準爐最高溫度可達350°C，適應無鉛工藝要求。⑵PCB傳輸系統(tǒng)PCB傳輸系統(tǒng)通常有鏈式和網(wǎng)頁式兩種。⑶冷卻系統(tǒng)冷卻通常有風冷和水冷兩種方式。一般情況下選擇風冷即可，但無鉛氮氣保護焊接要求較快的冷卻速率，因此選擇水冷。⑷助焊劑廢氣回收裝置為了適應環(huán)保要求，不讓助焊劑揮發(fā)物直接排到大氣中；為了使得廢氣在爐中的凝固不影響到熱風流動，因此助焊劑廢氣需要回收。3.回流爐的技術指標⑴溫度控制精度：應達到±0.1～0.2℃（溫度傳感靈敏器）；⑵傳輸帶橫向溫差：要求±5℃以下；⑶溫度曲線測試功能：如果設備無此配置，應另購溫度曲線采集器；⑷最高加熱溫度：一般為300～350℃，如果考慮無鉛焊料或金屬基板，應選擇350℃以上，上、下加熱器應有獨立控溫系統(tǒng)。⑸加熱區(qū)數(shù)量和長度：加熱區(qū)數(shù)量越多、加熱區(qū)長度越長，越容易調整和控制溫度曲線。一般中小批量生產選擇4～5溫區(qū)，加熱區(qū)長度1.8m左右即能滿足要求。⑹傳送帶寬度：應根據(jù)最大和最小PCB尺寸確定。⑺傳送帶運行要平穩(wěn)，傳送帶震動會造成移位、吊橋、冷焊等缺陷。3.3.2波峰焊接機波峰焊接機就是將熔融的液態(tài)焊料，借助泵的作用，在焊料槽液面形成特定形狀的焊料波，插裝了元器件的PCB置于傳動鏈上，經某一特定角度以及一定的浸入深度穿過焊料波峰，而實現(xiàn)焊點焊接的焊接設備。1.波峰焊接機基本結構波峰焊接機一般都具有傳輸系統(tǒng)、助焊劑的涂覆系統(tǒng)、PCB預熱系統(tǒng)、焊錫鍋、冷卻系統(tǒng)、光電控制系統(tǒng)、以及鏈條上的夾爪清潔系統(tǒng)和空氣壓縮系統(tǒng)，此外還具有污濁空氣排放系統(tǒng)以及焊料的控溫系統(tǒng)，在波峰焊接機導軌傳輸系統(tǒng)上有一些光電傳感器，主要是控制ＰＣＢ的焊接過程，高端的波峰焊接機還具有充氮系統(tǒng)。1.波峰焊接機基本結構⑴助焊劑涂覆系統(tǒng)目前，常見的助焊劑涂覆方法有發(fā)泡式、波峰式、噴霧式。⑵焊料波峰發(fā)生器焊料波峰發(fā)生器是液態(tài)焊料產生和形成波峰的部件，是關系到波峰焊接機性能的核心部件。焊料波峰發(fā)生器的形式有兩類：機械泵和電磁泵。機械泵又分為離心泵式、螺旋泵式和齒輪泵式三種類型；電磁泵又分為直流傳導式、單相交流傳導式以及單相交流感應式和三相交流感應式。⑶PCB傳輸系統(tǒng)PCB傳輸機構主要有鏈條式、皮帶式、彈性指爪式等，包括夾具框架以及框架循環(huán)回收的閉合傳送鏈條、升降小車、移載機構等。⑷其它2.波峰焊接機主要技術參數(shù)⑴PCB寬度，一般最大為350～400mm；⑵PCB傳輸速度，一般為0～1.8m/min；⑶導軌傾角，一般為3°～7°；⑷預熱區(qū)長度，一般為1800mm；⑸預熱區(qū)數(shù)量，一般為2～4個；⑹預熱區(qū)溫度，一般為室溫～250℃；⑺焊錫鍋容量，一般為350～800kg；⑻焊錫鍋最高溫度，一般為350℃；⑼控溫方式和溫度控制精度，一般用PID，溫度控制精度為±2℃；⑽助焊劑流量，一般為10～100ml/min；⑾冷氣發(fā)生系統(tǒng)，通常為－10℃～－20℃。3.選擇性波峰焊接機選擇性波峰焊接機用于局部通孔元件的焊接。傳統(tǒng)波峰焊工藝是PCB的焊接面完全浸入液態(tài)焊料中，而在選擇性波峰焊中，僅有部分特定區(qū)與焊料接觸。由于PCB是一種不良的熱傳到介質，因此選擇性波峰焊時不會加熱熔化鄰近元器件和PCB區(qū)域的焊點。選擇性波峰焊設備的工作原理為：在由電路板設計文件轉換的程序控制下，小型波峰焊錫槽和噴嘴移動到電路板需要焊接的位置，順序、定量的噴涂助焊劑并噴涌焊料波峰，進行局部焊接。

3.3.3焊接用治具1.回流焊接用PCB治具回流焊接用PCB治具是將不規(guī)則PCB按一定工藝要求，固定在治具上進行焊接的治具。2.波峰焊接用PCB治具波峰焊接用PCB治具是將PCB固定在治具上，將不需要進行波峰焊接的部分進行遮蔽、或防止較大面積PCB在進行波峰焊時變形的治具。3.柔性PCB用治具柔性PCB焊接用治具是將柔性PCB按一定工藝要求，固定在治具上進行焊接的治具。4.特殊PCB用治具特殊PCB用治具是將有特殊要求的PCB按一定工藝要求，固定在治具上進行焊接的治具。3.4檢測設備常見的檢測方法有目視檢查、非接觸式檢測和接觸式檢測三大種。目視檢查主要采用放大鏡、雙目顯微鏡、三維旋轉顯微鏡、投影儀等；非接觸式檢測主要采用自動光學檢測AOI（AutomaticOpticalInspection）、自動X射線檢測AXI（AutomaticX-RayInspection）；接觸式檢測主要采用在線測試ICT（InCircuitTest）、飛針測試FlyingProbeTest、功能測試FT（FunctionalTest）等。3.4.1自動光學檢測儀1．AOI工作原理AOI檢測的基本原理是通過人工光源LED燈光，光學透鏡和CCD照射被測物，把光源反射回來的量與已編好程的標準進修比較、分析和判斷。2．分析算法不同AOI軟、硬件設計各有特點，總體看來，其分析、判斷算法可分為兩種，即設計規(guī)則檢驗DRC和圖形識別法。AOI在使用中的主要問題有以下幾個方面：⑴多錫、少錫、偏移、歪斜的工藝要求標準界定不同，容易導致誤判；⑵電容容值不同而規(guī)格大小和顏色相同，容易引起漏判；⑶字符處理方式不同，引起的極性判斷準確性差異較大；⑷大部分AOI對虛焊的理解發(fā)生歧義，造成漏判推諉；⑸存在屏蔽圈、屏蔽罩遮蔽點的檢測問題；⑹無法對BGA、FC等倒裝元件不可見的焊點進行檢測；⑺多數(shù)AOI編程復雜、繁瑣且調整時間長，不適合科研單位、小型OEM廠、多規(guī)格小批量產品的生產單位；⑻多數(shù)AOI產品檢測速度較慢，少數(shù)采用掃描方法的AOI速度較快，但誤判漏判率更高；⑼有些分辨率較低的AOI不能做OCR字符識別檢測。3.4.2自動X射線檢測儀X射線，具有很強的穿透性，是最早用于各種檢測場合的一種儀器。X射線透視圖可顯示焊點厚度、形狀及質量的密度分布。這些指標能充分地反映出焊點的焊接質量，包括開路、短路、孔、洞、內部氣泡以及錫量不足，并能做到定量分析。工作平臺II探測器樣品X-Ray發(fā)射管顯示屏旋轉的X射線探測頭3.4.3在線針床檢測儀在線測試ICT是通過對在線元器件的電性能及電氣連接進行測試來檢查生產制造缺陷及元器件不良的一種測試手段。1．ICT的基本組成針床式在線測試系統(tǒng)由計算機控制系統(tǒng)、測量子系統(tǒng)、信號激勵子系統(tǒng)、信號管理及開關轉換系統(tǒng)和測試接入夾具五個子系統(tǒng)，以及用戶界面、被測電路組件等組成。2.ICT誤判分析ICT雖然功能強大，但仍然存在一定的誤判。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：⑴ICT無法測試部分包括：記憶體IC（EPROM、SRAM、DRAM……）；并聯(lián)大10倍以上大電容的小電容；并聯(lián)小20倍以上小電容的大電容；單端點只線路斷線；D//L，D無法測量；IC的功能測試。⑵治具未校正好。⑶壓床壓入量不足，探針壓入量應以1/2-2/3為佳。⑷經過免洗程序的的PCB板上有殘留松香導致探針接觸不良。⑸PCB板定位柱松動，造成探針接觸部位偏離焊盤。⑹治具探針不良損壞。⑺零件庫牌變化（可放寬11％，IC可重新標識）。⑻ICT本身具有某些故障，影響測量精度。3.4.4飛針檢測儀3.4.4飛針檢測儀飛針測試儀是對在線針床測試儀的一種改進。飛針測試儀采用兩組或兩組以上的可在一定測試區(qū)域內運動的探針取代不可動作的針床，同時也增加了可移動的探針驅動結構，采用各類結構的馬達來驅動進行水平方向的定位和垂直方向測試點接觸。通常飛針測試儀有4個頭共8根測試探針，最小測試間隙為0.2mm。工作時根據(jù)預先編排的坐標位置程序移動測試探針到測試點處，與之接觸，各測試探針根據(jù)測試程序對裝配的元器件進行開路／短路或元件測試。試儀實際測試圖。

圖3-47飛針測試儀實際測試圖3.4.5功能測試儀功能測試儀通常包括三個單元：加激勵、收集響應并根據(jù)標準組件的響應評價被測組件的響應。大多數(shù)功能測試都有診斷程序，可以鑒別和確定故障。但功能測試儀價格都比較昂貴。1.功能測試原理功能測試一般是通過被測板的對外接口對它進行測試，測試原理如圖3-48所示，測試裝備本身提供各種激勵信號源，通過接口激勵被測板，同時測試裝備接收