SMD与贴片机

摘要：以典型的表面贴装元器件的发展及典型贴片机为例，针对表面贴装元器件的贴装和贴片机作简要论述，希望对SMT设备使用厂家的选型有一定的参考价值。

SMD and Chip mounter
SunHongBiao GaoHong Jingxiulian
Abstract : The paper takes the development course of typical surface mount devices(SMD) and typical chip mounters as an example, Describing the SMD mounting and chip mounters in brief, it is expected that there will be some reference value to the plants which use SMT equipments 。
Keywords : SMT SMD chip mounter mount

表面组装技术（SMT）之所以在电路组装生产中高速发展以及被广泛采用，原因在于它所具备的众多优点。其中之一是组装密度高，这里的组装密度就涉及到表面组装元器件（SMD）的小型化及高集成化：其二是具有良好的自动化生产性，在采用表面贴装技术的电路板组装工艺中，虽然各工序如：焊膏印刷、再流焊接等具有相同的重要性和各自特有的复杂度和难度，但由于其中贴片工序所牵涉到的问题较明显的表面化，以及贴片机设备中投资比例大的缘故，贴片工艺往往是吸引较多注意力的项目。满足不同的SMD贴装是贴片机的首要功能。本文仅就SMD与贴片机的关系作一简要论述。
1.SMD的发展进程。
随着SMT技术在计算机、通信、军事、仪器仪表及消费类电子产品中的不断应用，SMT已成为90年代电子工业的支柱产业。电子产品向便携式/小型化、网络化和多媒体方向迅速发展，这种市场需求向电路组装技术提出了相应的要求。而满足电子产品市场需求的重要对策是提高电路组装的功能密度，这就导致了SMD在形态上向两个相反的方向发展，即小型化和大型化。小型化指的是贴装元件的小型，它经历了以下的进程：3225→3216→2520→2125→1608→1005，甚至是0603。而大型化是由于IC芯片功能增加导致I/O端子数增加，从而使IC封装尺寸增大。为满足高密度组装的要求，器件大型化的实质是IC封装的高度集化、高功能化、多引线化和细间距化。从表1中看到从1984年到1997年IC的集成度的提高速度。
表1
孙红飚，男，1968年出生，1989年毕业于长春光学精度机械学院，工学学士，从事SMT专用设备产品设计、生产、市场运作至今。
2.最新SMD及特点
贴装QFP的引脚间距从1.27mm~0.635mm~0.5mm~0.4mm~0.3mm向细间距发展，引脚间距的不断缩小，I/O数不断增加，封装体积也不断加大。但由于受器件引线框架加工速度的限制，一般认为QFP间距极限是0.3mm，这就大大限制了高密度封装的发展。因此，美国的一些公司就把注意力集中在开发和应用比QFP优越的BGA（Ball Grid Array）上，BGA技术的优点是可增加I/O数和间距，消除QFP技术的高I/O数带来生产成本和可靠性问题。
表2.封装尺寸为0.8inch2时，QFP和BGA的I/O数比较
表3.I/O数为300的QFP与BGA封装尺寸比较
而随着对BGA的要求进一步提高，作为BGA的升级，更新的CSP（chip size Package）封装形式出现，实际上CSP与BGA无本质差别，只是锡球直径和球中心距缩小了，更薄了，这样在相同封装尺寸时可有更多的I/O数，使组装密度进一步提高，安装要求和BGA基本相同。
作为IC的不同的封装形式，COB（Chip on Board）裸芯片以及Flip Chip的总体产量增长率很高。勿庸置疑，未来的SMT设计中，会有更多的BGA、CSP、COB及Flip Chip封装形成出现，以满足更高、更密、更全的电子产品需求。
3.贴片机的功能
随着SMD技术的不断深入发展，不同的SMD的外形尺寸与封装形式对专用设备的要求也就不同，而SMT组装设备中的贴片机技术随着SMD技术的发展在不断提高。
我们知道，自动贴片机的功能在于“在不对元件和基板造成任何损伤的情况下，完整和稳固地快速拾取正确的元件，并快速准确地把所有的元件贴放在指定的位置上”，也就是我们现在所追求的无损伤、高速、高精度、高可靠性。通常我们将贴片工序称之为“瓶颈”环节，因为高速与高精度往往是相互矛盾的，焊膏印刷及再流焊接一次就可完成整个PCB的印刷及焊接，而贴片机往往需要对SMD一片一片的贴装，贴片机所具有的技术性能直接会影响生产效率及质量。
4.早期贴片机的特点
表面组装技术应用初期，SMD的封装形式比较单一，主要是针对阻容元件的片式化，而它的封装尺寸也比较大（≥1608）,集中使用在高频头的生产中，为满足这一需求，松下MQ系列及三洋318等高速贴片机应运而生，贴片速度达到10000片/小时以上，这样大大提高了生产效率，同时由于此类SMD的成本较低，允许一定的丢片、飞片等损耗，尺寸较大，对于贴装精度的要求也就不高，此类贴片机功能比较单一。
SMD多种封装形式的出现，如SOP、PLCC、QFP等，对贴装机的功能就有了更深的要求，这时，IC的引线间距一般为1.27mm，更细达到0.635mm，IC封装尺寸相对阻容元件大许多,贴装精度上有了一定的要求,单纯的高速贴片机就不适合此类SMD的贴装。比较典型的中速、中等精度的贴片机大量推入市场，如Tescon公司的FA-301，Celmacs产的SMT-8400等贴片机，此类贴片机的速度一般为4000-8000片/小时，贴装精度最高可达到±0.1mm，三个贴装头满足不同的SMD拾取，QFP采用特殊的贴片头，为提高IC的贴装精度，还配备了机械对中定心台，此类贴片机具有多功能、柔性好等特点，就是当前最流行的中（高）速、高精度贴片机的雏形。但由于其定心爪及定心台均采用机械定心，其定心精度就大大削弱，同时对IC引线不可避免造成损伤；Z轴气缸驱动有可能对SMD、PCB造成过大冲击等。
5.当今流行贴片机的技术特点
表面组装技术发展到今天，表面贴装阻容元件尺寸甚至达到1005及0603，IC封装中QFP引脚细间距化（0.5mm、0.3mm）IC集成化提高，更新的封装形式如BGA、CSP、COB、Flip Chip的存在，对组装的要求也就进一步提高。为满足市场需求，专用设备生产厂家推出了一批更适合于上述SMD封装形成的贴片机。针对1005元件尺寸小、贴装精度高等特点，专门配备了1005元件贴装头如YAMAHA的YVL88及Tescon的Point-307等。在老式贴片机中,由于采用了机械爪作元件的对中定位,常被怀疑为造成元件损坏的原因,随着近年来对“无接触式”光学对中的开发，这一问题已经逐步消除。在减小贴装头对元件器件及PCB基板冲击力方面作了大量改进，交流伺服电机和凸轮并用进行片状元件的定位控制和Z轴控制，大大提高了对这一精度的控制，目前贴片机甚至采用实际、同时测量的方法来控制力度。如飞利浦公司的ACM型贴片机等。贴片精度是贴片机中最主要的参数之一，CSP和Flip Chip的推出以及产品更高的微型化，工业界中对精度的要求也日益增高。贴片技术发展到现在，元件的对中是以光学技术为主，在常用的三种光学技术（CCD、Line-sensor、激光）中，以CCD技术为最佳，目前的CCD硬件性能都具备相当的水平，在CCD硬件开发方面前些时候开发了“背光”（Back--lighting）及“反射光”（Front--linting）技术，以及可编程的照明控制，以更好的应付各种不同的元件贴装需求。目前，大多数高精度贴片机都采用了全视觉系统，它与传统的夹持系统比较具有以下优点：a）视觉系统能捕获SMD引脚端子的状况。b)机械夹持系统的中心往往受SMD接触状态的影响，而全视觉系统无此影响。C)机械夹持头精度会随时间而变化，全视觉系统保证有明确的精确度。针对BGA,为了直接识别BGA下面的焊盘而采取了照射各方向来的扩散光,对球形的焊盘进行摄像。一照射直接光，就摄入了BGA下的表面图案和散热孔的图象。图像处理时，首先利用渗透光粗略地对元件四周进行定位。接着，利用焊盘本身的反射光进行识别。检查全部焊盘和位置偏移后，贴到线路板上，用于处理包括细间距FLIP CHIP在内的各种类封装型式的高性能SMD贴片系统，至少要备有两部元件摄像机与普通摄像机相比FLIP CHIP摄像机必须采用不同的照明方法并要有更高的分辨率。采用全视觉系统的贴片机的贴装精度甚至达到±0.05左右。
可以看到，目前的贴片机是在牺牲了速度的情况下保证高精度贴装的。而为了提高贴装速度，生产厂家采取了很多对策。通过机架和贴片头驱动系统的改进-如采用“工”字形构架，三马达驱动系统等。因为“工”字构架，三马达平衡驱动力系统保持机架的重心在运动中不变而达到同时保有“速度”与“精度”性能。通过减少基板定位和处理时间也是提高贴片速度的有效方法之一。其改进方法有：进板、出板同时进行；采用双仃板系统；采用双轨道（一轨贴片、一轨送板）；采用分段短距离渐进式，配合板定位、贴片同时进行。通过采用不同贴片方式提高生产速度，如YAMAHA采用双头同时独立贴片，西门子与环球公司以双头交替贴片，飞利浦公司采用多头同时拾取元件、采取双边贴片头以缩短拾取元件时间而进行多板同时贴装等手段。以上这些手段的使用，不同程度的提高了贴装速度。
6.结束语
总之，随着SMD技术的不断发展，它对贴片技术的要求也愈来愈高。目前市场上较多的贴片机如YAMAHA YV系列、西铁成A531、天龙MT系列、松下CM95R、西门子ACM、CASIO的YCM系列贴片机等,种类繁多,风格各异,但所追求的目标是一致的----更快、更准、多功能。因此，高速、高精度、高可靠性、优越的扩展性、灵活性（柔性），将成为贴片机的发展方向。
参考文献：
1.宣大荣编《表面组装技术》北京：电子工业出版社（P113-131）
2.刘春光《引进SMT生产线存在的问题与建议》、《第三届表面贴装技术与片式元器件研讨会论文集》（P13-18）
3.薛竞成《表面贴装的自动贴片技术趋势》、'98上海国际电子生产设备暨微电子工业高级研讨会（P1-10）

录入时间:2007-10-10 来源：网络