SMT技術(shù)，松下貼片機(jī)技術(shù)探討
雖然通常認(rèn)為是相當(dāng)近期的一項(xiàng)發(fā)展，印刷電路板(PCB, printed circuit board)自從五十年代早期就已經(jīng)有了。從那時(shí)起，對(duì)越來越小、越來越輕和越來越快速的電子產(chǎn)品的需求就一直推動(dòng)著電子元件、PCB和裝配設(shè)備技術(shù)朝著SMT的方向發(fā)展。
　　對(duì)SMT*早的普遍接受是發(fā)生在八十年代早期，那時(shí)諸如Dynapert MPS-500和FUJI CP-2這些機(jī)器進(jìn)入市場(chǎng)。在那時(shí)，1206(3216)電阻與電容是*流行的貼裝元件。可是在一兩年內(nèi)，1206即讓路給0805(2125)作為SMT貼裝的*普遍的元件包裝。
　　在這個(gè)期間，機(jī)器與元件兩者都迅速進(jìn)化。在機(jī)器變得更快更靈活的同時(shí)，0603 (1608) 元件開始發(fā)展。在這時(shí)，許多裝配機(jī)器制造商走回研究開放(R&D, research and development)實(shí)驗(yàn)室，重新評(píng)估用于接納這些更新、更小元件的設(shè)備中的技術(shù)。更高分辨率的相機(jī)與更小的真空吸嘴就在這些元件帶給裝配設(shè)備的變化之中。
　　0402(1005)包裝的出現(xiàn)在PCB裝配的各方面都產(chǎn)生了進(jìn)一步的挑戰(zhàn)。在機(jī)器發(fā)展方面，真空吸嘴變得更小和更脆弱。新的重點(diǎn)放在元件的送料器(feeder)上面，它作為需要改進(jìn)的一個(gè)單元，為機(jī)器更準(zhǔn)確地送出零件。
　　隨著0402元件的出現(xiàn)，工藝挑戰(zhàn)又增加到那些需要為成功的元件貼裝而探討的問題之中。錫膏(solder paste)印刷變得更加關(guān)鍵 - 模板(stencil)厚度與錫膏網(wǎng)孔是越來越重要的工藝考慮因素。這種貼裝所需要的技術(shù)也涉及重要的新成本。
　　這些因素的結(jié)合造成在電子工業(yè)歷史中*慢采用的一種新包裝形式?？傆?jì)，幾乎將近五年時(shí)間，0402包裝才在工業(yè)中達(dá)到廣泛的接受 - 并且在今天還有許多裝配工廠從來不貼裝一顆0402片狀。
　　現(xiàn)在，進(jìn)入了0201。
　　在過去一年半時(shí)間里，0201貼裝已經(jīng)是整個(gè)工業(yè)內(nèi)討論的一個(gè)關(guān)鍵主題。由于尺寸、重量和功率消耗的需求，許多OEM電路板裝配商需要將甚至更小的元件和技術(shù)結(jié)合到其產(chǎn)品中去。合約制造商(CM, contract manufacturer)也必須具備新的技術(shù)，以保持裝配工藝*新和為客戶提供完整的服務(wù)范圍。對(duì)于機(jī)器制造商，其挑戰(zhàn)是開發(fā)在一個(gè)動(dòng)態(tài)的技術(shù)變化的時(shí)代中更加抵抗陳舊過時(shí)的裝配設(shè)備。
0201貼裝的挑戰(zhàn)
　　0201元件的貼裝比其前面的元件介入更具挑戰(zhàn)性。主要原因是0201包裝大約為相應(yīng)的0402尺寸的三分之一。
　　原先可以接受的機(jī)器貼裝精度馬上變成引進(jìn)0201的一個(gè)局限因素。另外，傳統(tǒng)的工業(yè)帶包裝(taping)規(guī)格對(duì)于可靠的0201貼裝允許太多的移動(dòng)，而工藝控制水平也必須提高，以使得0201貼裝成為生產(chǎn)現(xiàn)實(shí)。
　　雖然這些障礙非常大，但它們遠(yuǎn)不是不可克服的。當(dāng)然，它們需要全體的決心，因?yàn)閷?duì)0201貼裝所必須的技術(shù)獲得要求大量的資金和*高管理層對(duì)研究開發(fā)(R&D)的許諾。
可靠的0201貼裝的關(guān)鍵
　　在FUJI，進(jìn)取的R&D計(jì)劃已經(jīng)產(chǎn)生了使所有的電路裝配機(jī)器以100%速度兼容0201的能力，*低的吸取可靠性為99.90%，目標(biāo)的吸取可靠性為99.95%，和*低的貼裝可靠性為99.99%。在一開始，設(shè)計(jì)的每個(gè)方面都得到評(píng)估其對(duì)一個(gè)完整的0201方案的能力，還有緊密相關(guān)的機(jī)器元件參數(shù)的單一元素的結(jié)合證明對(duì)達(dá)到成功是關(guān)鍵的。這些參數(shù)包括：
·元件送料器工作臺(tái)。R&D計(jì)劃得出結(jié)論，精密定位料車(carriage)工作臺(tái)的能力 - 和作出極小的調(diào)整來補(bǔ)償料帶 (tape) 的不** - 是達(dá)到元件吸取可靠性高于99.95%的關(guān)鍵因素。
　　為了達(dá)到這個(gè)，送料器(feeder)工作臺(tái)必須精密加工，以保證單個(gè)送料器的可重復(fù)定位，并且使用雙軌線性移動(dòng)導(dǎo)軌與一個(gè)高分辨率半封閉循環(huán)的伺服系統(tǒng)相結(jié)合。該設(shè)計(jì)允許作出很小的調(diào)節(jié) - 基于由視覺系統(tǒng)判斷的吸取精度結(jié)果。這保證元件盡可能地靠近中心吸取。
·元件送料器。送料器必須制造達(dá)到極緊的公差，以保證吸取位置維持可重復(fù)性，不管元件高度和大量的可能元件位置的變化。用于定位和將送料器鎖定在位置上的機(jī)構(gòu)必須耐用和精密，還要保持用戶友好。另外，用于制造送料器的材料必須強(qiáng)度高、重量輕，以允許人機(jī)工程上的操作，同時(shí)保證元件料帶(carrier tape)的精密、可重復(fù)的送出。
·送料器驅(qū)動(dòng)鏈輪。驅(qū)動(dòng)鏈輪在機(jī)器定位元件料帶的能力中起關(guān)鍵作用。驅(qū)動(dòng)鏈輪輪齒的形狀、錐度和長度重大地影響送料器定位料帶的能力。其它因素也作了調(diào)查研究，比如驅(qū)動(dòng)鏈輪的直徑和料帶與鏈輪接觸的數(shù)量等。對(duì)基本的鏈輪設(shè)計(jì)所作的改變得到定位精度的改進(jìn)，比較早的設(shè)計(jì)在X方向提高20%，Y方向提高50%。
·吸取頭。在適當(dāng)?shù)剡M(jìn)給元件之后，下一步是將元件吸取在真空吸嘴上，并把它帶到電路板上。真空吸嘴(nozzle)需要順應(yīng)以吸收在吸取與貼裝元件期間的沖擊，補(bǔ)償錫膏高度上的微小變化，并且減少元件破裂的危險(xiǎn)。為了這些原因，吸嘴必須能夠在其夾具內(nèi)移動(dòng)。
　　材料選擇、材料硬度、加工公差和熱特性都必須理解，以構(gòu)造一個(gè)可靠的吸取頭。吸嘴必須在其夾具(holder)內(nèi)自由移動(dòng)，而不犧牲精度(圖一)。
·吸嘴軸裝配。吸嘴軸(nozzle shaft)也是一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)元素 - 通過保持整個(gè)吸嘴與軸裝配直接對(duì)中，消除了過壓(overdrive)現(xiàn)象。過壓是由于當(dāng)貼裝頭上下運(yùn)動(dòng)是所產(chǎn)生的慣性造成的。如果吸嘴和軸不在一條直線，就產(chǎn)生一點(diǎn)抖動(dòng)(whip) - 或過壓。過壓造成定位精度的變化，它決定于運(yùn)動(dòng)速度、吸嘴重量和元件重量。通過消除過壓，直接對(duì)中減少與元件吸取和貼裝有關(guān)的負(fù)面因素的數(shù)量(圖二)。
·吸嘴設(shè)計(jì)。吸嘴設(shè)計(jì)上的變化對(duì)于允許接納0201元件是一個(gè)很重要的因素。為了吸取 0.5x0.25 mm 的元件，吸嘴必須有不大于 0.40mm 的外徑。這樣形成一個(gè)長而細(xì)的吸嘴軸，彎曲脆弱但還必須保持精度以維持吸取的高可靠性。從直線軸到錐形設(shè)計(jì)的改變?cè)黾游鞆?qiáng)度，并允許吸嘴抵抗彎曲(圖三)。
·基體結(jié)構(gòu)。所有機(jī)械在運(yùn)行期間都產(chǎn)生振動(dòng)?；w框架設(shè)計(jì)是減少產(chǎn)生振動(dòng)和諧波共振的速度與運(yùn)動(dòng)效應(yīng)的關(guān)鍵**步。通過使用鑄鐵基礎(chǔ)框架和藝術(shù)級(jí)結(jié)構(gòu)技術(shù)，振動(dòng)與諧波共振可在機(jī)器內(nèi)減少到可控制水平，這樣，負(fù)面影響可以應(yīng)付。
達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)
　　通過所有六個(gè)關(guān)鍵因素，可靠的0201貼裝的障礙已經(jīng)消除。因此，R&D的焦點(diǎn)已經(jīng)轉(zhuǎn)向更新、更小的元件，0201不再認(rèn)為是前緣的元件包裝技術(shù)。
　　對(duì)于0201元件貼裝，現(xiàn)在接受的工藝窗口是在3 Σ 時(shí)大約75µm 的X 和75µm 的Y。為了達(dá)到 6 Σ 的貼裝可靠性，X與Y的公差必須減少到50µm。*新的高速貼裝設(shè)備具有66µm的等級(jí)，實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)偏差大約為35~45µm。隨著0201元件變得更加廣泛地使用和制造工藝變緊，可達(dá)到提高的準(zhǔn)確性。
　　供應(yīng)商之間的元件尺寸差別對(duì)0201進(jìn)料和貼裝都產(chǎn)生挑戰(zhàn)。散裝進(jìn)料(bulk feeding)正在開放之中，應(yīng)該在2001年可以得到。
　　雖然機(jī)器現(xiàn)在具備這個(gè)能力，但只有一小部分使用者將準(zhǔn)備在未來12~24個(gè)月內(nèi)邁出使用0201貼裝的步伐。這類似于球柵陣列(BGA, ball grid array)和0402元件的引入，在裝配這個(gè)環(huán)境里，機(jī)器的能力超前于工藝狀態(tài)。
前面的挑戰(zhàn)
　　雖然0201元件的貼裝現(xiàn)在是新貼裝設(shè)備的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)特性，還需要作另外的工作來改進(jìn)終端用戶的整體工藝。在機(jī)器制造商、元件供應(yīng)商、電路板制造商、模板工廠和錫膏制造商之間的關(guān)系需要加強(qiáng)，以形成一個(gè)更加無縫的(seamless)開發(fā)過程。*終結(jié)果將是對(duì)該工藝的統(tǒng)一的理解，以及將使*終用戶受益的更好的工作關(guān)系，特別是通過使新的生產(chǎn)技術(shù)更快和更有效的結(jié)合。