第3章SMT生产设备与治具教学材料

第3章SMT生产设备与治具3.1涂敷设备3.1.1印刷设备及治具1.印刷机的基本结构无论哪种印刷机，其基本结构都是由机架、印刷工作台、模板固定机构、印刷头系统以及其他保证印刷精度而配备的其他选件CCD、定位系统、擦板系统、2D及3D测量系统等。3.1涂敷设备（1）机架稳定的机架是印刷机保持长期稳定性和长久印刷精度的基本保证。（2）印刷工作台印刷工作台包括工作台面、基板夹紧装置、工作台传输控制机构。（3）印刷头系统印刷头系统由刮刀（不锈钢、橡胶、硬塑料）、刮刀固定机构（浮动机构）、印刷头的传输控制系统组成。（4）PCB视觉定位系统PCB视觉定位系统是修整PCB加工误差用的。为了保证印刷质量的一致性，使每一块PCB的焊盘图形都与模板开口相对应，每一块PCB印刷前都要使用视觉系统定位。（5）滚筒式卷纸清洁装置。3.1涂敷设备3．印刷用治具——模板金属模板（stencil），又称漏板、钢板、钢网，它是用来定量分配焊膏，是保证焊膏印刷质量的的关键治具。模板就是在一块金属片上，用化学方式蚀刻出漏孔或用激光刻板机刻出漏孔，用铝合金边框绷边，做成适应尺寸的金属板。聚酯或丝网框架全金属模板柔性金属模板图3-8全金属和柔性金属模板示意图3.1涂敷设备金属模板的开孔方法：金属模板的开孔方法主要有化学腐蚀法，激光切割法，电铸法三种。①化学腐蚀法（ChemicalEtched）：化学腐蚀法制造模板是最早采用的方法，常常用于锡磷青铜或不锈钢模板的制作。钢网PCB焊盘3.1涂敷设备②激光切割法（LaserCut）：激光切割法兴于20世纪90年代，它利用电脑控制或YAG激光发生器，像光绘绘图仪一样直接在金属模板上切割窗口，这种方法尺寸精度高、窗口形状好、工序简单、周期短、孔壁较光洁等优点。钢网PCB焊盘3.1涂敷设备③电铸法（Electro-formed）：电铸法是用加成方法制造钢网的技术，一般采用镍为钢网材料，它是通过电铸使金属电沉积在铸模上制成的。其制作过程是：在一块平整的基板上，通过感光的方法制作窗口图形的复像（模板窗口图形为硬化的聚合感光胶，又称芯钢网），将芯钢网放入电解质溶液中，芯钢网作电源负极，镍做正极，经过数小时后，在芯钢网上电沉积出坚固的金属镍层，然后将它们分离形成所需钢网，将其胶合到网框上就形成了电铸钢模板，其形状和粗糙度与芯模几乎完全一样镍网PCB焊盘⑵金属模板的开口设计①开口形状模板开口通常为矩形、方形、圆形三种。矩形开口比方形和圆形开口具有更好的脱模效率。②开口尺寸设计为了控制焊接过程中出现焊料球或桥接等焊接缺陷，模板开口的尺寸通常情况下比焊盘图形尺寸略小。③模板宽厚比/面积比

⑶金属模板的厚度模板的厚度直接关系到印刷后的焊膏量，对电子产品焊接质量影响也很大，通常情况下，如果没有BGA，CSP，FC等器件存在，模板厚度一般取0.15mm就可以了，但随着电子产品小型化，电子产品组装技术愈来愈复杂，为实现BGA，CSP，FC与PLCC，QFP等器件共同组装，甚至是和通孔插装元器件共存，模板的尺寸再也不能唯一固定了。①普通模板②局部减薄（Step－Down）模板③局部增厚（Step－Up）模板

3.1.2点涂设备点胶机是用途广泛的点涂设备，可注滴包括瞬间胶（快干胶）、红胶、黄胶、环氧树脂、硅胶、厌氧胶（螺丝胶）、防焊剂、锡浆、润滑油、焊膏等产品。1．点胶头点胶头根据分配泵的不同可分为时间/压力式、螺旋泵式、活塞泵式、喷射泵式四种。时间-压力螺旋泵线性正相位移泵喷射阀泵3.1.2点涂设备2．点胶机的常规技术参数点胶量的大小点胶压力（背压）针头大小针头与PCB板间的距离胶水温度胶水的粘度固化温度曲线气泡3.2贴片设备3.2.1贴片机的基本结构主要是由机架、PCB传送机构及支撑台、X，Y与Z/Ө伺服、定位系统、光学识别系统、贴片头、供料器、传感器和计算机操作系统等组成。1．贴片头系统贴片头固定式单头多头固定式旋转式水平旋转/转塔式垂直旋转/转盘式图3-15贴装头的种类3.2贴片设备旋转式多头片头的旋转过程中，供料器以及PCB也在同步运行。图3-18垂直旋转贴片头的结构示意图和外观

2．供料器供料器（feeder），又称喂料器，其作用是将片式的SMC/SMD按照一定的规律和顺序提供给贴片头以方便贴片头吸嘴并准确拾取，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作的重要组成部分。⑴带状供料器⑵管状供料器⑶散装供料器⑷盘状供料器3．贴片机的X、Y、Z/Ө轴的定位系统⑴X，Y定位系统⑵Z轴定位系统⑶Z轴的旋转定位4．贴片机的传感系统贴片机中安装有多种传感器，如压力传感器、负压传感器和位置传感器。贴片机运行过程中，所有这些传感器时刻监视机器的正常运转。⑴压力传感器⑵负压传感器⑶位置传感器⑷图像传感器⑸激光传感器⑹区域传感器⑺贴片头压力传感器3.2.2贴片机的技术参数在贴片机相关技术参数中，贴片精度，速度及适应性是贴片机的三个重要的特性。1.贴片机的贴片精度贴片精度是表征贴片机的一项重要指标。贴片精度是指贴片机X，Y导航运动的机械精度和Z轴旋转精度，它可以由定位精度，重复精度和分辨率来表征。⑴定位精度定位精度是元器件贴装后相对于印制板标准的目标贴装位置的偏移量。⑵重复精度重复精度是描述贴片机重复地返回设定贴片位置的能力。⑶分辨率3.2.2贴片机的技术参数⑷过程能力指数Cp值与Cpk值过程能力指数是反映过程处于正常状态时，所表现出来的保证产品质量的能力，并以数值定量的表达出来。贴片机的过程能力指数Cp值与Cpk值意义是指贴片机在正常工作状态下满足质量要求的贴片能力，并将其量化。Cp是指分布中心和公差中心重合时的过程能力指数。Cpk则是分布中心与公差中心不重合，出现偏移量，对过程能力指数进行的修正。2.贴片机的贴片速度贴片速度决定贴片机和生产线的生产能力，是整个生产线能力的重要限制因素。⑴贴装周期贴装周期是标志速度的最基本参数。它是指从拾取元器件开始，经过检测、贴放到PCB上再返回拾取元器件位置时所用的时间。⑵贴装率贴装率是指一小时内贴装元器件的数量，单位是cph。3.2.3贴片设备的选型贴片机选型时应注意的几个关键技术问题：贴片机类型分为四种类型：动臂式、复合式、转盘式和大型平行系统。2.机器视觉系统机器视觉系统是显著影响元件组装的第二个因素，机器需要知道电路板的准确位置并确定元件与板的相对位置才能保证自动组装的精度。3.送料送料动臂式机器可支持多种不同类型的供料器，如带状、盘状、散装、管状等。4.灵活性机器灵活性是我们在选购设备时要考虑的关键因素。3.3焊接设备3.3.1回流炉回流炉是SMT组装中的主要焊接设备。焊接是SMT最关键的工序之一，设备的性能对焊接质量有直接影响，尤其是当前无铅焊接由于温度高、润湿性差、工艺窗口小等特点，无铅回流炉的选择应更谨慎。1．回流炉种类回流炉的种类有很多，对PCB整体加热的有热板回流炉、红外回流炉、热风回流炉、红外热风回流炉、气相回流炉等；对PCB局部加热的有激光回流炉、聚焦红外回流炉、热气流回流炉等。2．强制对流式热风回流炉的基本结构主要由炉体，加热系统、PCB传输系统，温度控制系统，强制对流系统，冷却装置，排风装置，废气回收装置和计算机控制装置组成。3.3焊接设备⑴加热系统标准炉最高温度可达350°C，适应无铅工艺要求。⑵PCB传输系统PCB传输系统通常有链式和网页式两种。⑶冷却系统冷却通常有风冷和水冷两种方式。一般情况下选择风冷即可，但无铅氮气保护焊接要求较快的冷却速率，因此选择水冷。⑷助焊剂废气回收装置为了适应环保要求，不让助焊剂挥发物直接排到大气中；为了使得废气在炉中的凝固不影响到热风流动，因此助焊剂废气需要回收。3.回流炉的技术指标⑴温度控制精度：应达到±0.1～0.2℃（温度传感灵敏器）；⑵传输带横向温差：要求±5℃以下；⑶温度曲线测试功能：如果设备无此配置，应另购温度曲线采集器；⑷最高加热温度：一般为300～350℃，如果考虑无铅焊料或金属基板，应选择350℃以上，上、下加热器应有独立控温系统。⑸加热区数量和长度：加热区数量越多、加热区长度越长，越容易调整和控制温度曲线。一般中小批量生产选择4～5温区，加热区长度1.8m左右即能满足要求。⑹传送带宽度：应根据最大和最小PCB尺寸确定。⑺传送带运行要平稳，传送带震动会造成移位、吊桥、冷焊等缺陷。3.3.2波峰焊接机波峰焊接机就是将熔融的液态焊料，借助泵的作用，在焊料槽液面形成特定形状的焊料波，插装了元器件的PCB置于传动链上，经某一特定角度以及一定的浸入深度穿过焊料波峰，而实现焊点焊接的焊接设备。1.波峰焊接机基本结构波峰焊接机一般都具有传输系统、助焊剂的涂覆系统、PCB预热系统、焊锡锅、冷却系统、光电控制系统、以及链条上的夹爪清洁系统和空气压缩系统，此外还具有污浊空气排放系统以及焊料的控温系统，在波峰焊接机导轨传输系统上有一些光电传感器，主要是控制ＰＣＢ的焊接过程，高端的波峰焊接机还具有充氮系统。1.波峰焊接机基本结构⑴助焊剂涂覆系统目前，常见的助焊剂涂覆方法有发泡式、波峰式、喷雾式。⑵焊料波峰发生器焊料波峰发生器是液态焊料产生和形成波峰的部件，是关系到波峰焊接机性能的核心部件。焊料波峰发生器的形式有两类：机械泵和电磁泵。机械泵又分为离心泵式、螺旋泵式和齿轮泵式三种类型；电磁泵又分为直流传导式、单相交流传导式以及单相交流感应式和三相交流感应式。⑶PCB传输系统PCB传输机构主要有链条式、皮带式、弹性指爪式等，包括夹具框架以及框架循环回收的闭合传送链条、升降小车、移载机构等。⑷其它2.波峰焊接机主要技术参数⑴PCB宽度，一般最大为350～400mm；⑵PCB传输速度，一般为0～1.8m/min；⑶导轨倾角，一般为3°～7°；⑷预热区长度，一般为1800mm；⑸预热区数量，一般为2～4个；⑹预热区温度，一般为室温～250℃；⑺焊锡锅容量，一般为350～800kg；⑻焊锡锅最高温度，一般为350℃；⑼控温方式和温度控制精度，一般用PID，温度控制精度为±2℃；⑽助焊剂流量，一般为10～100ml/min；⑾冷气发生系统，通常为－10℃～－20℃。3.选择性波峰焊接机选择性波峰焊接机用于局部通孔元件的焊接。传统波峰焊工艺是PCB的焊接面完全浸入液态焊料中，而在选择性波峰焊中，仅有部分特定区与焊料接触。由于PCB是一种不良的热传到介质，因此选择性波峰焊时不会加热熔化邻近元器件和PCB区域的焊点。选择性波峰焊设备的工作原理为：在由电路板设计文件转换的程序控制下，小型波峰焊锡槽和喷嘴移动到电路板需要焊接的位置，顺序、定量的喷涂助焊剂并喷涌焊料波峰，进行局部焊接。

3.3.3焊接用治具1.回流焊接用PCB治具回流焊接用PCB治具是将不规则PCB按一定工艺要求，固定在治具上进行焊接的治具。2.波峰焊接用PCB治具波峰焊接用PCB治具是将PCB固定在治具上，将不需要进行波峰焊接的部分进行遮蔽、或防止较大面积PCB在进行波峰焊时变形的治具。3.柔性PCB用治具柔性PCB焊接用治具是将柔性PCB按一定工艺要求，固定在治具上进行焊接的治具。4.特殊PCB用治具特殊PCB用治具是将有特殊要求的PCB按一定工艺要求，固定在治具上进行焊接的治具。3.4检测设备常见的检测方法有目视检查、非接触式检测和接触式检测三大种。目视检查主要采用放大镜、双目显微镜、三维旋转显微镜、投影仪等；非接触式检测主要采用自动光学检测AOI（AutomaticOpticalInspection）、自动X射线检测AXI（AutomaticX-RayInspection）；接触式检测主要采用在线测试ICT（InCircuitTest）、飞针测试FlyingProbeTest、功能测试FT（FunctionalTest）等。3.4.1自动光学检测仪1．AOI工作原理AOI检测的基本原理是通过人工光源LED灯光，光学透镜和CCD照射被测物，把光源反射回来的量与已编好程的标准进修比较、分析和判断。2．分析算法不同AOI软、硬件设计各有特点，总体看来，其分析、判断算法可分为两种，即设计规则检验DRC和图形识别法。AOI在使用中的主要问题有以下几个方面：⑴多锡、少锡、偏移、歪斜的工艺要求标准界定不同，容易导致误判；⑵电容容值不同而规格大小和颜色相同，容易引起漏判；⑶字符处理方式不同，引起的极性判断准确性差异较大；⑷大部分AOI对虚焊的理解发生歧义，造成漏判推诿；⑸存在屏蔽圈、屏蔽罩遮蔽点的检测问题；⑹无法对BGA、FC等倒装元件不可见的焊点进行检测；⑺多数AOI编程复杂、繁琐且调整时间长，不适合科研单位、小型OEM厂、多规格小批量产品的生产单位；⑻多数AOI产品检测速度较慢，少数采用扫描方法的AOI速度较快，但误判漏判率更高；⑼有些分辨率较低的AOI不能做OCR字符识别检测。3.4.2自动X射线检测仪X射线，具有很强的穿透性，是最早用于各种检测场合的一种仪器。X射线透视图可显示焊点厚度、形状及质量的密度分布。这些指标能充分地反映出焊点的焊接质量，包括开路、短路、孔、洞、内部气泡以及锡量不足，并能做到定量分析。工作平台II探测器样品X-Ray发射管显示屏旋转的X射线探测头3.4.3在线针床检测仪在线测试ICT是通过对在线元器件的电性能及电气连接进行测试来检查生产制造缺陷及元器件不良的一种测试手段。1．ICT的基本组成针床式在线测试系统由计算机控制系统、测量子系统、信号激励子系统、信号管理及开关转换系统和测试接入夹具五个子系统，以及用户界面、被测电路组件等组成。2.ICT误判分析ICT虽然功能强大，但仍然存在一定的误判。主要体现在以下几个方面：⑴ICT无法测试部分包括：记忆体IC（EPROM、SRAM、DRAM……）；并联大10倍以上大电容的小电容；并联小20倍以上小电容的大电容；单端点只线路断线；D//L，D无法测量；IC的功能测试。⑵治具未校正好。⑶压床压入量不足，探针压入量应以1/2-2/3为佳。⑷经过免洗程序的的PCB板上有残留松香导致探针接触不良。⑸PCB板定位柱松动，造成探针接触部位偏离焊盘。⑹治具探针不良损坏。⑺零件库牌变化（可放宽11％，IC可重新标识）。⑻ICT本身具有某些故障，影响测量精度。3.4.4飞针检测仪3.4.4飞针检测仪飞针测试仪是对在线针床测试仪的一种改进。飞针测试仪采用两组或两组以上的可在一定测试区域内运动的探针取代不可动作的针床，同时也增加了可移动的探针驱动结构，采用各类结构的马达来驱动进行水平方向的定位和垂直方向测试点接触。通常飞针测试仪有4个头共8根测试探针，最小测试间隙为0.2mm。工作时根据预先编排的坐标位置程序移动测试探针到测试点处，与之接触，各测试探针根据测试程序对装配的元器件进行开路／短路或元件测试。试仪实际测试图。

图3-47飞针测试仪实际测试图3.4.5功能测试仪功能测试仪通常包括三个单元：加激励、收集响应并根据标准组件的响应评价被测组件的响应。大多数功能测试都有诊断程序，可以鉴别和确定故障。但功能测试仪价格都比较昂贵。1.功能测试原理功能测试一般是通过被测板的对外接口对它进行测试，测试原理如图3-48所示，测试装备本身提供各种激励信号源，通过接口激励被测板，同时测试装备接收