表面貼裝技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

摘??要??表面貼裝技術(shù)自80年代以來(lái)以在電子工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展，本文對(duì)其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)作了初步分析。
關(guān)鍵詞??表面貼裝技術(shù);計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng);貼片機(jī);波峰焊;回流焊;表面貼裝元器件
Developing Trend of Surface Mount Technology
Xian??fei
(Jinglun Electronic Co.,Ltd,Wuhan??430223,China)
????Abstract??Surface Mount Technology has been developed quickly and got wide application????????in electronic industry since 1980,the article analyeses the developing trend of Surface Mount Technology.
????Keywords Surface Mount Technology; CIMS; Mounter; Wave soldering; Air soldering; Surface Mount Device
????隨著電子產(chǎn)品向便攜式/小型化、網(wǎng)絡(luò)化和多媒體方向迅速發(fā)展，表面貼裝技術(shù)（Surface Mount Technology，簡(jiǎn)稱SMT）在電子工業(yè)中正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，并且在許多領(lǐng)域部分或全部取代了傳統(tǒng)電子裝聯(lián)技術(shù)。SMT的出現(xiàn)使電子裝聯(lián)技術(shù)發(fā)生了根本的、革命性的變革。在應(yīng)用過(guò)程中，SMT正在不斷地發(fā)展與完善,本文將就SMT發(fā)展的部分熱門(mén)領(lǐng)域進(jìn)行概括介紹。
????????????????????????????SMT生產(chǎn)線的發(fā)展
SMT生產(chǎn)線是面對(duì)高產(chǎn)能、高質(zhì)量大規(guī)模電子裝聯(lián)生產(chǎn)，SMT生產(chǎn)線是生產(chǎn)的基礎(chǔ)，目前其有如下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：
1.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）的應(yīng)用
目前電子產(chǎn)品正向著更新快、多品種、小批量的方向發(fā)展，這就要求SMT的生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間盡可能短，為達(dá)到這個(gè)目標(biāo)就需要克服設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)與生產(chǎn)環(huán)節(jié)聯(lián)系相脫節(jié)的問(wèn)題，而CIMS的應(yīng)用就可以完全解決這一問(wèn)題。CIMS是以數(shù)據(jù)庫(kù)為中心，借助計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)把設(shè)計(jì)環(huán)境中的數(shù)據(jù)傳送到各個(gè)自動(dòng)化加工設(shè)備中，并能控制和監(jiān)督這些自動(dòng)化加工設(shè)備，形成一個(gè)包括設(shè)計(jì)制造、測(cè)試、生產(chǎn)過(guò)程管理、材料供應(yīng)和產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)管理等全部活動(dòng)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。
CIMS能為企業(yè)帶來(lái)非常顯著的經(jīng)濟(jì)效益：提高產(chǎn)品質(zhì)量、設(shè)備有效利用率和柔性制造能力，大大縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期和投入市場(chǎng)時(shí)間等等。正因?yàn)镃IMS具有這么多優(yōu)點(diǎn)，所以可以預(yù)見(jiàn)得到CIMS在SMT生產(chǎn)線中的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛。
2.SMT生產(chǎn)線正向高效率方向發(fā)展
高生產(chǎn)效率是衡量SMT生產(chǎn)線的重要性能指標(biāo)，SMT生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率體現(xiàn)在產(chǎn)能效率和控制效率。產(chǎn)能效率指的是SMT生產(chǎn)線上各種設(shè)備的綜合產(chǎn)能。為了提高產(chǎn)能效率，一些 SMT生產(chǎn)線的回流爐后都配上了全自動(dòng)的連線測(cè)試儀，這樣，在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中都可杜絕人為因素的干擾，大幅度提高產(chǎn)品生產(chǎn)速度，從而提高生產(chǎn)效率；還有些SMT生產(chǎn)線正從傳統(tǒng)的單路連線生產(chǎn)向雙路連線生產(chǎn)方式發(fā)展，在減少占地面積的同時(shí)，提高生產(chǎn)效率?？刂菩拾ㄞD(zhuǎn)換和過(guò)程控制優(yōu)化及管理優(yōu)化，控制方式上已從傳統(tǒng)的分步控制方式向集中在線優(yōu)化控制方向發(fā)展，生產(chǎn)板轉(zhuǎn)換時(shí)間越來(lái)越短。目前國(guó)外很多企業(yè)都在使用生產(chǎn)管理軟件對(duì)整個(gè)SMT生產(chǎn)線實(shí)行集中在線控制管理，可對(duì)各個(gè)設(shè)備的生產(chǎn)工藝參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)，確保每臺(tái)機(jī)器工作在正常狀況下，大幅度提高生產(chǎn)線管理效率和生產(chǎn)效率。
3.SMT生產(chǎn)線向“綠色”環(huán)保方向發(fā)展
為了保護(hù)地球生態(tài)環(huán)境，SMT生產(chǎn)線的環(huán)保問(wèn)題正受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注，符合環(huán)保要求的“綠色”生產(chǎn)線將是21世紀(jì)SMT發(fā)展趨勢(shì)。
?????????????????????? SMT設(shè)備的發(fā)展
SMT生產(chǎn)線是由SMT設(shè)備構(gòu)成的，目前SMT設(shè)備的發(fā)展正向著高效、靈活、智能、環(huán)保等方向發(fā)展。
絲印設(shè)備
在傳統(tǒng)的錫膏印刷過(guò)程中，錫膏長(zhǎng)時(shí)間暴露在開(kāi)放環(huán)境下是引起印刷缺陷的重要原因。而MPM“流變泵”印刷頭是解決上述問(wèn)題的最新突破。與錫膏在開(kāi)放的環(huán)境中滾動(dòng)不同，“流變泵”中的焊膏被裝在密封的印刷頭中，只有開(kāi)孔錫膏才與網(wǎng)板接觸，標(biāo)準(zhǔn)錫膏封裝夾筒不斷地通過(guò)壓力來(lái)充填焊膏，并提供動(dòng)壓力，使錫膏進(jìn)入開(kāi)孔。這一“流變泵”技術(shù)從根本上消除了影響錫膏印刷的最大變量因素，使用戶無(wú)需考慮印刷時(shí)間歇或機(jī)器工作時(shí)間等情況，從而得到滿意的效果。絲印機(jī)制造行業(yè)的另一巨頭DEK也采用了與此相類(lèi)似的技術(shù)，可以看出將錫膏由開(kāi)放環(huán)境轉(zhuǎn)入封閉環(huán)境將會(huì)是絲印設(shè)備的一個(gè)發(fā)展方向。
此外隨著模塊化高速貼片機(jī)的應(yīng)用，以及一條生產(chǎn)線多臺(tái)高速貼片機(jī)的連接，貼片速度將不再是瓶頸，而印刷錫膏可能成為新的瓶頸所在。因?yàn)橛∷⒁箦a膏滾動(dòng)，而速度太快錫膏不可能滾動(dòng)起來(lái)，因此，如何在印刷速度上作文章將是以后一個(gè)重要話題。DEK公司推出了新設(shè)計(jì)的刮刀，它不在是單一的平面設(shè)計(jì)，而多角度組合以達(dá)到高速印刷時(shí)錫膏能滾動(dòng)前進(jìn)，但效果如何，還有待實(shí)踐的檢驗(yàn)。
貼裝設(shè)備
貼片機(jī)是SMT生產(chǎn)線中最關(guān)鍵的設(shè)備，它往往占了整條生產(chǎn)線投資額的一半以上，因此貼片機(jī)的發(fā)展更能引起人們的關(guān)注。目前貼裝機(jī)的發(fā)展正向著高速、高精度、智能化、柔性制造系統(tǒng)（FMS）、多功能等方向發(fā)展。
1．新型貼片機(jī)為了更好地提高生產(chǎn)速度，除了對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，減少震動(dòng)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性外，還采用了以下一些新技術(shù)：
“飛行對(duì)中”技術(shù)
這項(xiàng)技術(shù)最早由美國(guó)QUAD公司開(kāi)發(fā)并采用，它把CCD圖象傳感器直接安裝在貼裝頭上，一起運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了在拾起器件后，在運(yùn)動(dòng)到印制電路板貼裝位置的過(guò)程中對(duì)器件進(jìn)行光學(xué)對(duì)中，使細(xì)腳距IC的貼片速度提高了5倍，打破了細(xì)腳距IC的貼片瓶頸。
雙路輸送結(jié)構(gòu)
雙路輸送貼片機(jī)在保留傳統(tǒng)單路貼片機(jī)的性能下，將PCB的輸送、定位、檢測(cè)等設(shè)計(jì)成雙路結(jié)構(gòu)，這種雙路結(jié)構(gòu)的貼片機(jī)其工作方式可分為同步方式和異步方式。同步方式運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，完成二塊大小相同的印制板的器件貼裝；異步方式運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)一塊印制板在進(jìn)行器件貼裝時(shí)，另一塊印制板則完成傳送、基準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)、壞板檢查等步驟。這兩種方式均能縮短貼裝機(jī)的無(wú)效工作時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。
自動(dòng)吸嘴轉(zhuǎn)換功能
由于傳統(tǒng)的貼片機(jī)貼裝頭部的吸嘴唯一，因此在吸取大小不同的器件時(shí)需經(jīng)常到吸嘴站(Nozzle Station)更換吸嘴，使無(wú)效工作時(shí)間增加，從而造成生產(chǎn)效率的降低。為了解決這一矛盾，日歐一些公司新型貼片機(jī)的貼裝頭部作了改進(jìn)，如采用轉(zhuǎn)盤(pán)和復(fù)式吸嘴結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)盤(pán)結(jié)構(gòu)指的是貼片機(jī)的貼裝臂上安裝有轉(zhuǎn)盤(pán)，其中包含有各種不同類(lèi)型的吸嘴，在貼裝頭移動(dòng)過(guò)程中自動(dòng)更換所需吸嘴，無(wú)需增加額外時(shí)間，并且在一個(gè)拾放過(guò)程中可以同時(shí)吸取多個(gè)元器件，降低了貼裝臂來(lái)回運(yùn)動(dòng)的次數(shù)，從而提高貼片機(jī)工作效率。這種機(jī)器可以通過(guò)增加貼裝臂數(shù)目來(lái)提高速度，具有較大靈活性，像SIMENS的HS-50就含有四個(gè)這樣的貼裝頭，可實(shí)現(xiàn)每小時(shí)貼5萬(wàn)片元件。復(fù)式吸嘴結(jié)構(gòu)指的是貼裝頭采用了同軸兩個(gè)大小不同吸嘴，當(dāng)吸取較小元件時(shí)，小吸嘴伸出；當(dāng)吸取較大元件時(shí)，大吸嘴伸出。這種結(jié)構(gòu)也可以實(shí)現(xiàn)吸嘴自動(dòng)轉(zhuǎn)換，如松下公司的MSH3就采用了這種結(jié)構(gòu)。
2．新型貼片機(jī)發(fā)展的另一重要趨勢(shì)就是高精度，目前正采取如下措施，以適應(yīng)窄間距、新型器件對(duì)貼裝精度的要求，主要改進(jìn)有：（1）采用了高分辨率的線性編碼器閉環(huán)系統(tǒng)。（2）采用智能服務(wù)系統(tǒng)提高了服務(wù)性能和縮短了調(diào)整時(shí)間，減輕主機(jī)負(fù)荷，提高貼裝可靠性。（3）改進(jìn)了機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，采用高分辨率的線性掃描攝象機(jī)，并對(duì)圖象進(jìn)行灰度處理，提高圖象處理精度，進(jìn)一步提高了貼裝機(jī)的精度等級(jí)。（4）采用溫度補(bǔ)償功能，降低環(huán)境對(duì)貼裝超細(xì)間距IC的影響。
3．由于現(xiàn)在的生產(chǎn)制造環(huán)境千變?nèi)f化，為了適應(yīng)這一情況，新型貼片機(jī)正向柔性制造系統(tǒng)（FMS）方向發(fā)展。如日本富士公司一改貼裝機(jī)的傳統(tǒng)概念，將貼裝機(jī)分為控制主機(jī)和功能模塊機(jī)，可以根據(jù)用戶的不同需要，由控制主機(jī)和功能模塊機(jī)柔性組合來(lái)滿足用戶的需要。模塊機(jī)有不同的功能，針對(duì)不同元器件的貼裝要求，可按不同精度和速度進(jìn)行貼裝，以達(dá)到較高的使用效率，當(dāng)用戶有新的要求，可以根據(jù)需要增加新的功能模塊機(jī)。
4．多功能也是貼片機(jī)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。由于這類(lèi)貼片機(jī)兼具高速機(jī)和高精度機(jī)的特點(diǎn)，貼裝元器件的范圍覆蓋了高精度機(jī)和高速機(jī)，它能解決無(wú)論是高速機(jī)還是高精度機(jī)引起的瓶頸問(wèn)題。因而較普通機(jī)器具有更大的靈活性，只需一臺(tái)多功能機(jī)器就可取代高速機(jī)十中速高精度機(jī)的配置，從而降低整條線的成本，減少占地面積。多功能貼片機(jī)正受到越來(lái)越多中小企業(yè)的青睞。
5．高速貼片機(jī)模塊化。旋轉(zhuǎn)頭的設(shè)計(jì)經(jīng)歷了近十年的發(fā)展壯大，在高速機(jī)行列中獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，但隨著速度進(jìn)一步提高，從理論上講，傳統(tǒng)的單軸多頭的旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)已走到了盡頭，它的速度是受電機(jī)及控制部件速度、精度限制的。目前的發(fā)展趨勢(shì)是模塊化設(shè)計(jì)，一臺(tái)貼片機(jī)由多個(gè)相同的模塊組成，而每個(gè)模塊內(nèi)部實(shí)現(xiàn)高速化（有單頭多模組及旋轉(zhuǎn)多模組組成），如PHILIPS和SIMENS是這方面的典型代表。PHILIPS的FCM機(jī)器采用單頭多模組方式，速度高達(dá)8萬(wàn)片/小時(shí)，SIMENS的HS-50機(jī)器采用旋轉(zhuǎn)頭多模組，速度達(dá)5萬(wàn)片/小時(shí)。其實(shí)這種設(shè)計(jì)可以簡(jiǎn)單理解為多模組同時(shí)進(jìn)行相同的貼片工作，這樣綜合速度指標(biāo)就可以達(dá)到更高的水平。
6．貼裝機(jī)的另一發(fā)展方向是智能化，這就為CIMS用于SMT生產(chǎn)線打下技術(shù)基礎(chǔ)。
焊接設(shè)備
再流焊接設(shè)備正向著高效、多功能、智能化發(fā)展，其中有具有獨(dú)特的多噴口氣流控制的再流焊爐、帶氮?dú)獗Ｗo(hù)的再流焊爐、帶局部強(qiáng)制冷卻的再流焊爐、可以監(jiān)測(cè)元器件溫度的再流焊爐、帶有雙路輸送裝置的再流焊爐、帶中心支撐裝置的再流焊爐等。除了上述這些新型再流焊爐外，智能化再流爐也已經(jīng)出現(xiàn)了，其調(diào)整運(yùn)轉(zhuǎn)由內(nèi)置計(jì)算機(jī)控制，在Window視窗操作環(huán)境下可很方便使用鍵盤(pán)或光筆輸入各種數(shù)據(jù)，又可迅速地從內(nèi)存中取出或更換再流焊工藝曲線，節(jié)省調(diào)整時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。智能化再流焊爐的許多機(jī)構(gòu)的運(yùn)作，例如：回流爐自動(dòng)啟動(dòng)和停止，在規(guī)定時(shí)間選定存儲(chǔ)的再流焊工藝曲線，自動(dòng)調(diào)整加熱區(qū)設(shè)置，啟動(dòng)再流焊爐，到時(shí)關(guān)閉。鏈?zhǔn)絺魉蛶挾茸詣?dòng)調(diào)節(jié)，與加工印制板尺寸相匹配，通氮工藝與常規(guī)空氣再流焊工藝變換等功能的自動(dòng)設(shè)置都不必人工操作，全由計(jì)算機(jī)程序控制。智能化再流焊爐的出現(xiàn)，給SMT焊接工藝增添了新的活力，也為CIMS進(jìn)入到SMT生產(chǎn)線中創(chuàng)造了條件。
波峰焊在混裝工藝中應(yīng)用廣泛，其新發(fā)展有：（1）過(guò)程控制電腦化。這使得整機(jī)可靠性大為提高，操作維修簡(jiǎn)便，人機(jī)界面友好。（2）環(huán)保方向發(fā)展。由于ODS的禁用和VOC的限用，PCB焊后的清洗問(wèn)題，變得越來(lái)越緊迫和嚴(yán)重。目前出現(xiàn)的SMT波峰技術(shù)與免清洗技術(shù)的結(jié)合，產(chǎn)生了當(dāng)前的超聲噴霧和氮?dú)獗Ｗo(hù)等機(jī)型，這些新機(jī)型的出現(xiàn)順應(yīng)了保護(hù)地球生態(tài)環(huán)境的呼聲和要求。（3）釬料波峰動(dòng)力技術(shù)方面的發(fā)展。隨著感應(yīng)電磁泵技術(shù)理論研究的深入和應(yīng)用技術(shù)的完善，感應(yīng)電磁泵技術(shù)將逐漸替代機(jī)械泵技術(shù)，成為未來(lái)釬料波峰動(dòng)力技術(shù)的主流。（4）PCB傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展。由于PCB進(jìn)入波峰的傾角，是影響焊接效果的一個(gè)重要因素，而傾角大小的取舍又是與整機(jī)外型尺寸大小相關(guān)連的，既要整機(jī)外型小，又要傾角大，這一對(duì)矛盾只有通過(guò)采用曲線漸變異軌和機(jī)械手可變傾角結(jié)構(gòu)來(lái)加以調(diào)和。瑞士epm的Eleven機(jī)器人型波峰焊接機(jī)正是上述結(jié)構(gòu)的典型應(yīng)用。（5）惰性氣體保護(hù)技術(shù)。在設(shè)備上采用惰性氣體（例如氮?dú)猓┍Ｗo(hù)技術(shù)，將釬料槽和波峰上釬料完全與空氣隔絕，從根本上消除釬料氧化現(xiàn)象的發(fā)生。
?????????????????????????? 表面貼裝元器件的發(fā)展??????????????????
隨著電路安裝密度的提高，表面貼裝元器件（Surface Mount Device,簡(jiǎn)稱SMD）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的過(guò)孔插裝元器件已成為必然趨勢(shì)。目前SMD在形態(tài)上正向著兩個(gè)相反的方向上發(fā)展，即小型化和大型化。小型化指的是SMD的外形尺寸越來(lái)越小，如片狀電阻電容，它經(jīng)歷了以下發(fā)展歷程：3225→3216→2520→2125→1608→1005,目前最新出現(xiàn)的尺寸是0603（即長(zhǎng)0.6mm,寬0.3mm），日本等國(guó)已經(jīng)將0603類(lèi)型的元件用于DVD、移動(dòng)電話等產(chǎn)品的生產(chǎn)中，極大提高了電路板組裝密度，縮小了產(chǎn)品的體積。而大型化是指由于IC芯片功能增加導(dǎo)致I/O端子數(shù)增加，從而使IC封裝尺寸增大。為滿足高密度組裝的要求，器件大型化的實(shí)質(zhì)是IC封裝的高集成化、高功能化、多引線化和細(xì)間距化。為了適應(yīng)目前電路安裝密度越來(lái)越高的要求，一些新型元器件(如FC、BGA、CSP等)紛紛出現(xiàn)。隨著這些新型元器件的出現(xiàn)，一些新技術(shù)、新工藝也必將產(chǎn)生，從而極大地促進(jìn)了表面貼裝技術(shù)的發(fā)展。
?????????????????????? SMT工藝材料的發(fā)展
常用的SMT工藝材料包括：條形焊料、膏狀焊料、助焊劑、稀釋劑和清洗劑等。出于保護(hù)地球環(huán)境的目的，其正向著免清洗和無(wú)鉛型發(fā)展，如歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家正開(kāi)展無(wú)鉛焊料的研究，并取得了較快的進(jìn)展，相信在不久就會(huì)進(jìn)入生產(chǎn)實(shí)用階段。