贴片机结构及原理分析

贴片机结构及原理分析随着SMC小型化、SMD多引脚窄间距化和复合式、组合式片式元器件、BGA、CSP、DCA（芯片直接贴装技术）、以及表面组装的接插件等新型片式元器件的不断出现，对贴装技术的要求越来越高。近年来，各类自动化贴装机正朝着高速、高精度和多功能方向发展。采用多贴装头、多吸嘴以及高分辨率视觉系统等先进技术，使贴装速度和贴装精度大大提高。目前最高的贴装速度可达到0.06S/Chip元件左右；高精度贴装机的重复贴装精度为0.05-0.25mm;1可编辑版

多功能贴片机除了能贴装0201(0.6mm*0.3mm)元件外,还能贴装SOIC(小外型集成电路)、PLCC（塑料有引线芯片载体）、窄引线间距QFP、BGA和CSP以及长接插件（150mm长）等SMD/SMC的能力。2可编辑版此外，现代的贴片机在传动结构（Y轴方向由单丝械向双丝杠发展）；元件的对中方式（由机械向激光向全视觉发展）；图像识别（采用高分辨CCD）；BGA和CSP的贴装（采用反射加直射镜技术）；采用铸铁机架以减少振动，提高精度，减少磨损；以及增强计算机功能等方面都采用了许多新技术，使操作更加简便、迅速、直观和易掌握。

3可编辑版第一章

贴装机结构及系统组成

●SMT贴装机是计算机控制，集光、电、气及机械为一体的高精度自动化设备。其组成部分主要有机体、元器件供料器、PCB承载机构、贴装头、器件对中检测装置、驱动系统、计算机控制系统等。

●机体用来安装和支撑贴装的各种部件，因此，它必须具有足够的刚性才能保证贴装精度。供料器是能容纳各种包装形式的元器件、并将元器件传送到取料部位的一种储料供料部件，元器件以编带、棒式、托盘或散装等包装形式放到相应的供料器上。PCB贴装承载机构包括承载平台、磁性或真空支撑杆，用于定位和固定PCB。4可编辑版第二章

贴装机的工艺特性

精度、速度和适应性是贴装机的3个最重要的特性。精度决定贴装机能贴装的元器件种类和它能适用的领域，精度低的贴装机只能贴装SMC和极少数的SMD，适用于消费类电子产品领域用的电路组装。而精度高的贴装机，能贴装SOIC和QFP等多引线细间距器件，适用于工业电子设备和军用电子装备领域的电路组装。速度决定贴装机的生产效率和能力。适应性决定贴装机能贴装的元器件类型和能满足各种不同贴装要求；适应性差的贴装机只能满足单一品种的电路组件的贴装要求，当对多品种电路组件组装时，就须增加专用贴装机才能满足不同的贴装要求。

5可编辑版2．贴装头及其组成

贴装头的基本功能是从供料器取料部位拾取SMC/SMD，并经检查、定心和方位校正后贴放到PCB的设定位置上。它安装在贴装区上方，可配置一个或多个SMD真空吸嘴或机械夹具，θ轴转动吸持器件到所需角度，Z轴可自由上下将器件贴装到PCB安装面。贴装头是贴装机上最复杂和最关键的部件，和供料器一起决定着贴装机的贴装能力。它由贴装工具(真空吸嘴)、定心爪、其它任选部件(如粘接剂分配器)、电器检验夹具和光学PCB取像部件(如摄像机)等部分组成。根据定心原理区分，典型的贴装头有3种。

6可编辑版定位固定方法有定位孔销钉、边沿接触定位杆及软件编程定位等。贴装头用于拾取和贴装SMC/SMD。器件对中检测装置接触型的有机械夹爪，非接触型的有红外、激光及全视觉对中系统。驱动系统用于驱动贴片机构X-Y移动和贴片头的旋转等动作。计算机控制系统对贴装过程进行程序控制。

7可编辑版第三章

贴装机支撑系统

机架是机器的基础，所有的传动、定位、传送机构均牢固地固定在它上面，大部分型号的贴片机及其各种送料器也安置在上面，因此机架应有足够的机械强度和刚性，图3-1为贴装机结构示意图。目前贴片机有各种形式的机架，大致可分为两类。

8可编辑版9可编辑版第四章

贴装机传动系统

一．

传送机构与支撑台传送机构就是图3-1中的轨道，它的作用是将需要贴片的PCB送到预定位置，贴片完成后再将SMA送至下道工序。

传送机构是安放在轨道上的超薄型皮带线传送系统。通常皮带轮安置在轨道边缘，皮带线通常分为A，B，C三段，并在B区传送部位设有PCB夹紧机构，在A，C区装有红外传感器，更先进的机器还带有条形码阅读器，它能识别PCB的进入和送出，记录PCB数量，如图4-1和4-2所示。10可编辑版第五章

贴装机光学对中系统

贴片机的对中是指贴片机在吸取元件时要保证吸嘴吸在元件中心，使元件的中心与贴片头主轴的中心线保持一致，因此，首先遇到的是对中问题。早期贴片机的元件对中是用机械方法来实现的（称为“机械对中”）。当贴片头吸取元件后，在主轴提升时，拨动四个爪把元件抓一下，使元件轻微地移动到主轴的中心上来，QFP器件则在专门的对中台进行对中，如图5-1所示。11可编辑版12可编辑版这种对中方法由于是依靠机械动作，因此速度受到限制，同时元件也易受到损坏，目前这种对中方式已不再使用，取而代之的是光学对中。1.光学定位系统原理贴装头吸取元器件后，CCD摄像机对元器件成像，并转化成数字图像信号，经计算机分析出元器件的几何尺寸和几何中心，并与控制程序中的数据进行比较，计算出吸嘴中心与元器件中心在

ΔX，ΔY和Δθ的误差，并及时反馈至控制系统进行修正，保证元器件引脚与PCB焊盘重合，如图5-2所示。13可编辑版2．光学系统的组成

光学系统由光源、CCD、显示器以及数模转换与图像处理系统组成，即CCD在给定的视野范围内将实物图像的光强度分布转换成模拟电信号，模拟电信号再通过A/D转换器转换为数字量，经图像系统处理后再转换为模拟图像，最后由显示器反应出来

14可编辑版3．CCD的分辨率

光学系统采用两种分辨率——灰度值分辨率和空间分辨率。

灰度值分辨率是利用图像多级亮度来表示分辨率的方法，机器能分辨给定点的测量光强度，所需光强度越小，则灰度值分辨率就越高，一般采用256级灰度值，它具有很强的精密区别目标特征的能力。而人眼处理的灰度值仅在50～60左右，因此机器的处理能力远高于人眼的处理能力。

15可编辑版空间分辨率是指CCD分辨精度的能力，通常用像元素来表示，即规定覆盖原始图像的栅网的大小，栅网越细，网点和像元素越高，说明CCD的分辨精度越高。采用高分辨率CCD的贴片机其贴装精度也较高。

但通常在分辨率高的场合下，CCD能见到的视野小（Frame），而大视野的情况下则分辨率较低，故在高速/高精度贴片机中装有两种不同视野的CCD。在处理高分辨率的情况下采用小视野CCD，在处理大器件时则使用大视野CCD。

16可编辑版4．CCD的光源为了配合贴片机贴好BGA和CSP之类的新型器件，在以往的元件照明（周围、同轴）基础上增加了新型的BGA照明。所谓的BGA照明是LED比以往更加水平，早期的照明装置能同时照亮焊球与元件底部，故难以将它们区别开来，改进后的照明系统，当LED点亮时，仅使BGA元件的焊球发出反光，从而能够识别球删的排列，增加可信度

17可编辑版5．光学系统的作用

贴片机中的光学系统，在工作过程中首先是对PCB的位置确认。当PCB输送至贴片位置上时，安装在贴片机头部的CCD，首先通过对PCB上所设定的定位标志的识别，实现对PCB位置的确认。所以通常在设计PCB时应设计定位标志

CCD对定位标志确认后，通过BUS反馈给计算机，计算出贴片原点位置误差（ΔX、ΔY），同时反馈给运动控制系统，以实现PCB识别过程

18可编辑版在对PCB位置认后，接着是对元器件的确认，包括：

（1）元件的外形是否与程序一致；

（2）元件中心是否居中；

（3）元件引脚的共面性和形变。

在SMD迅速发展的情况下，引脚间距已由早期的1.27mm过渡到0.5mm和0.3mm等，这样仅靠上述两个光学确认还不够，因此在PCB设计时还增加了小范围几何位置确认，即在要贴装的细间距

QFP位置上再增加元器件图像识别标志，确保细间距器件贴装准确无误。19可编辑版6．CCD安装位置

目前大部分贴片机中，CCD均固定安装在机器座上。贴片头吸嘴吸取元件后先移至

CCD上确认，以修正ΔX、ΔY和Δθ，再将元器件贴放到指定位置，这种办法比较传统。随着细间距的IC大量使用，花费在器件光学对中的时间也越来越长，如贴装l..27间距IC速度高达每小时10000片，但贴装0.5rnm间距

IC速度仅为1000～2000片/时，即速度下降到1/10～l/5；随着电子产品复杂程度的提高，细间距IC的应用已越来越广泛，

第六章

喂料器供料器协（feederer）的作用是将片式元器件SMC/SMD按照一定规律和顺序提供给贴片头以便准确方便地拾取，它在贴片机中占有较多的数量和位置，它也是选择贴片机和安排贴片工艺的重要组成部分，随着贴片速度和精度要求的提高，近几年来供料器的设计与安装，愈来愈受到人们的重视。根据SMC/SMD包装的不同，供料器通常有带状（Tape）、管状（stick）、盘状（waffle）和散料等几种。1．带状供料器

（l）带状包装

在第二章中曾介绍了SMC/SMD的包装，其形式之一就是带状包装，在贴片生产中占有较大的比例。常见的元件有电阻、各种电容以及各种SIOC。带状包装由带盘与编带组成，类似电影拷贝，如图6-1所示。根据材质不同，有纸编带，塑料编带及黏结式塑料编带，其中纸编带包装与塑料编图6-1带状包装外形结构

带的器件，可用同一种带状供料器，而黏结式塑料编带所使用的带状供料器的形式有所不同，但不管哪种材料的包装带，

均有相同的结构。

纸编带外型结构尺寸如图6-2所示。纸编带由基带、底带和盖带组成，其中基带为纸，而底带和盖带则是塑料薄膜。基带上布有小元孔，又称同步孔，两孔之间的距离称为步距，是供带状送料器上棘轮传动时的定位孔。矩形孔是装载元器件的料腔，用来装载不同尺寸的元件。W是带宽，带宽现已有标准化尺寸，有8mm，12mm，16mm，24mm和32mm。用来装载0603以上尺寸元件的同步孔步距均为4mm，而小于0603尺寸的包装带上的同步孔孔距则为2rnm，故定购供料器时应加以区别。图6-2纸带外形结构与尺寸

塑料编带由基带、盖带和底带组成，均为塑料，同步孔及带宽与纸带类似。黏结式编带常用于包装尺寸大一些的器件，如SIOC等，包装的元器件依靠不干胶粘合在编带上，但编带上有一个长槽元孔，供料器上的专用针形销将元件顶出，以便使元器件在与黏结带脱离时被贴片机的真空吸嘴吸住，黏结式编带的外型如图6-3所示。

图6-3黏结式编带结构

（2）供料器的运行原理编带安装在供料器上的外型如图6-4所示。从图中可以看出，编带轮固定在供料器的轴上，编带通过压带装置进人供料槽内。上带与编带基体通过分离板分离，固定到收带轮上，编带基体上同步孔装入同步棘轮齿上，编带头直至供料器的外端。供料器装入供料站后，贴片头按程序吸取元件并通过“进给滚轮给”手柄一个机械信号，使同步轮转一个角度，使下一个元件送到供料位置上。更先进的供料器具有“清洁”功能，在带仓打开时，还能瞬时实现对元件的“清洁”，去除元件上“污染物”，供料器增加元件的可焊性。上层带通过皮带轮机构将上层带收回卷紧，废基带通过废带通道排除到外面，并定时处理。20可编辑版目前先进的贴片机采用飞行对中技术，实现在

QFP等器件吸起来后，在送至贴片位置之前，即在运动中就将位置校正好，因此大大节约了器件的对中速度。飞行对中的技术有下列几种形式：

（1）CCD安装在贴片头上，这是Qllad贴片机最先采用的方法，用此方法QFP的贴装速度由原来的0.7s下降到0.3s。（2）CCD采用悬挂式安装，有利于

SMC/SMD运动中校正位置。2