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通孔结构元件的贴装按压技术研究
  2020-12-29      53

作者 :  肖海/曾纪超                                       职务:SMT高级工程师

公司:  海能达通信股份有限公司

引言:美日以及欧洲的SMT技术发展起步比较早,技术也一直属于领先地位,目前在国内市场上占主导地位的主要贴片机均为国外品牌,如西门子、松下、JUKI、Sony等。而国内SMT技术发展起步较晚,起点低,与国际顶尖技术还存在差距。但由于新的片式元器件及其封装方式在不断变化,例如 BGA, FC, COB, CSP等大量涌现,在生产中不断更新和推广应用,对贴片机的要求也越来越高。因为结构元件的管脚分布的特殊性,目前国内外市场上贴片机设备针对结构件元件采用贴片机进行贴装,往往设备精度只能保证结构元件贴装进去,无法保证元件按压精度,本文重点就Siplace系列通孔结构元件贴装按压技术进行详细分析讲解。

一、拱架式贴片机的工作原理

1、Siplace系列贴片机工作原理

复合式机器是从拱架式机器发展而来,它集合了转塔式和拱架式的特点,在动臂上安装有转盘带有旋转头或者附带线性贴装头,元件送料器、基板(PCB)是固定的,贴片头(安装多个真空吸料嘴)在送料器与基板之间来回移动,将元件从送料器取出,经过对元件位置与方向的调整影像识别正常后贴放于基板上。

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Siplace

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拱架式

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垂直旋转

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垂直线性

二、贴片机的视觉系统结构说明

1、俯视摄像机安装在贴片头上,用来在电路板上搜寻目标(称作基准),以便在贴装前将电路板置于正确位置。
2仰视摄像机用于在固定位置检测元件,一般采用CCD 技术。在贴装之前,元件必须移过摄像机上方,以便做视觉对中处理。由于贴片头必须移至送料器收集元件,摄像机安装在拾取位置(从送料处)和贴装位置(板上)之间,视像的获取和处理便可在贴装头移动的过程中同时进行,从而缩短贴装时间。CCD技术具备了“背光”(Back-Lighting)及“前光”(Front-Lighting)技术(如下图),以及可编程的照明控制,以更好应付各种不同元件贴装的需要。例如阻容类等简单元件从后面照明,视觉系统仅识别本体轮廓就可可靠对中。相反,QFP 等密引脚元件最好是前光照明,将完整的分布在包装体四周的引脚显示出来,以便视觉系统可靠识别对中。BGA 在元件底面有可见的走线,可能混淆视觉系统,这些元件要求侧面照明系统。它将从侧面照明锡球,而不是底面的走线,因此视觉系统可检查锡球分布,正确地识别元件。

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3、头部摄像机直接安装在贴片头上,一般采用line-sensor 技术,在拾取元件移到指定位置的过程中完成对元件的检测,这种技术又称为“飞行对中技术”,它可以大幅度提高贴装效率。该系统由两个模块组成:一个模块是由光源与镜头组成的光源模块。光源采用发光二极管(LED)与散射透镜,光源透镜组成光源模块。另一个模块为接受模块,采用LineCCD 及一组光学镜头组成接受模块。此两个模块分别装在贴片头主轴的两边,与主轴及其它组件组成贴片头。

三、贴片机取料和贴装步骤

PCB从丝印机传输到贴片机-安装物料到送料器里,供料器输送元件到贴装头取料位置-

通过电脑软件,监视器、鼠标控制设备-影象校验PCB是否在正确的贴装位置,识别PCB基准点-拾取元件-相机抓取元件的图象,同程序种元件描述进行比较-检查元件正确后纠正贴装位置-把元件贴装到PCB上-重复以上步骤贴装所有元件-机器输出PCB。

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四、贴片机贴装按压背景与研究过程思路

原有技术是通孔结构元件贴装完毕靠人工通过肉眼进行按压通孔结构元件多个管脚的对称中心,因人员手臂力量力度不一致,造成按压的受力不均,容易使按压定位产生偏移和误差,定位精准度非常差。而且按压时间过长会使前端贴片设备处于等待停滞状态,容易造成元器件产品的损伤、浮高、空焊等问题,影响产品的质量,也造成了SMT生产效率低下,达不到SMT技术高精度、高速度的市场需求

要怎样实现利用贴片的取料&贴装工作来对已经贴装好的通孔结构元件通过吸嘴进行按压,

步骤1:提供至少一个基板,首先贴片机将通孔结构元件贴装于基板上,通孔结构元件如像USB的复合插件物。

步骤2:离线程序内创建一虚拟元件库,虚拟元件库中预存有虚拟元件资料,虚拟元件资料包括虚拟元件的虚构属性信息、封装信息、图形信息。

步骤3:通过贴片机的PCB相机定位装置确定通孔结构元件的按压中心位置,通孔结构元件的中心位置为通孔结构元件多个管脚的对称中心。

步骤4:选取与通孔结构元件相适应的吸嘴,吸嘴与气压系统连接,调节气压系统,使吸嘴中的气压与环境大气压一致,通过吸嘴进行拾取虚拟元件的动作。

步骤5:通过贴片机的识别装置识别吸嘴的吸嘴头,校正吸嘴头的位置和角度,移动吸嘴到结构元件的中心位置上方,调节气压系统,使吸嘴中的气压大于环境大气压,通过气压负荷实现对结构元件的按压。

实现上述方法的贴片机首选为多功能贴片机,多功能贴片机包括:基板传送装置、元器件供料装置、贴装头、贴装头驱动装置、识别装置、影像定位装置、控制装置,其中,基板传送装置向多功能贴片机传送需要贴装结构元件的基板,供料装置向贴装头提供结构元件,

贴装头由贴装头驱动装置驱动而旋转至任意角度,贴装头的表面上排列有可旋转的多个吸嘴,步骤4中,将结构元件贴装于基板上时,吸嘴通过气压系统对吸嘴内部空间吸气,制造吸嘴内部的真空环境,减小气体压强,进而把结构元件吸起来;步骤5中,吸嘴通过气压系统对吸嘴内部空间充气,制造吸嘴内部的高压环境,增大气体压强,结构元件在气压负荷作用下受到向下的压力,通过控制贴装力实现对结构元件的按压,需要根据结构元件的体积、重量等外形特征调整贴装力。识别装置,用于识别吸嘴上所吸附的各个结构元件的形状、尺寸和位置状态,还识别吸嘴的吸嘴头;识别装置包含三大核心部分:样本图像数据库的建立、待识别图像的规格化处理和匹配处理;建立样本图像数据库主要是特征提取,将待识别的图像变换成与样本图像相匹配的规格;匹配处理是比较样本图像与待识别图像之间的特征相似度、完成匹配算法的过程。影像定位装置,用于定位结构元件的中心位置。

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相机工作原理

控制装置,对多功能贴片机的各个部分的运行进行控制。

吸嘴吸附结构元件,利用贴装头将该结构元件的位置状态调整为与基板上的与该结构元件相对应的贴装位置的贴装要求相一致,并将该结构元件贴装在基板上的与该结构元件相对应的贴装位置上,从而实现将结构元件贴装于基板上;利用贴片机创建一虚拟元件库,虚拟元件库中预存有虚拟元件资料;选取与结构元件相适应的吸嘴,吸嘴与气压系统连接,并通过吸嘴进行拾取虚拟元件的动作;由于吸嘴上没有吸附元件,贴片机的识别装置只能对吸嘴的吸嘴头进行识别,识别后校正吸嘴头的贴装位置和角度,将吸嘴移动到结构元件的中心位置上方,自动调节气压系统,通过气压系统对吸嘴内部空间充气,制造吸嘴内部的高压环境,增大气体压强,结构元件在气压的作用下受到向下的压力,实现对结构元件的按压。

多功能贴片机的贴装是通过X、Y、Z、R多轴运动完成整个元件的吸取、图像识别、贴装过程。利用多功能贴片机先将结构元件贴装在基板上,再通过构建虚拟元件,模拟贴片机的拾取贴装过程,使吸嘴准确定位至结构元件的中心位置上方,调整与吸嘴相连的气压系统中的气压,使吸嘴中的气压大于环境大气压,通过气压负荷实现对结构元件的按压。对元件的按压需要设置合适贴片力,一般机器默认为2N.但是可以修改,不过要针对不同的机器贴片头和相应软件的处理能力进行修改,否则设置可能无效. 设置范围:Siplace 通常为2N-10N 

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吸嘴按压中心

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构建虚拟元件

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元件测量通过

五、不同的贴装力设置对通孔结构件按压的影响


1、按压良率运行分析

根据DOE试验分别进行贴装力、运行速度对元件按压良率的分析,贴装力、运行速度作为自变量进行研究,以单项运行10万为验证数据。

表1为DOE试验计划表

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2、按压良率方差&残差图分析


      
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方差分析中贴装力0.001<α(0.05)所有贴装力影响较大.残差值分布为常态分布,且残差值为恒量.

3、按压良率的主效应图&等值线图分析

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从主效应图上表明不同的参数类别对元件按压效果稳定性的影响式不一样的,贴装力影响较大,元件的外形特点与贴装力影响

等值线图中看出贴装力在5-6N,运行速度在20-80g(Gravitational acceleration以内效果最好。我们将这个过程作为通孔结构元件的按压规格参数范围。

六、总结与展望

通过贴装按压力对通孔结构件的影响的研究,找到了知道工程调试的方法与技术,通过DOE验证,充分的证明了利于贴片机的取料&贴装过程来对结构元件的按压效果是有效的,采用贴装头按压有以下几个优点1、效率高、质量轻。针对标准压力贴装特点要求,贴装头采用真空负压的吸嘴直接接触元件的表面,吸嘴孔的大小与元件的外形尺寸相匹配

2、冲击力低。通过测力传感器单元,既保证了按压不会对所贴装的元件造成损坏。3、定位精准;固定在工作台上的对中照相机,合格的器件在检测的同时测量并计算出器件中心相对于吸嘴中心的偏差值及贴装位置的转角角度值,通过摄像机之间的坐标转换得到贴装器件和贴装位置的精确偏差值,并在贴装过程中自动修正,通过PCB定位相机定位从而完成精确的按压工作。这对未来完善贴片机功能升级,消除制程变异,提供贴装工艺稳健性等有巨大的意义。

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