SMT贴片机技术与贴片机关系讲解

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　　贴片技术与贴片机关系讲解

　　

　　（一）X-Y 与Z轴

　　

　　X-Y 定位系统是评价贴片机精度的主要指标，它包括传动机构和伺服系统；贴片速度的提高意味着X-Y 传动机构运行速度的提高而发热，而滚珠丝杆是主要的热源，其热量的变化会影响贴装精度，最新研制的X-Y 传动系统在导轨内设有冷却系统；在高速机中采用无磨擦线性马达和空气轴承导轨传动，运行速度做得更快。

　　

　　西门子贴片机是采用同步带－直线轴承驱动，该系统运行噪声低，工作环境好。

　　

　　X-Y 伺服系统（定位控制系统）

　　

　　由交流伺服电机驱动，并在传感器及控制系统指挥下实现精确定位，因此传感器的精度起关键作用。位移传感器有园光栅编码器、磁栅尺和光栅尺。

　　

　　1． 园光栅编码器园光栅编码器的转动部位上装有两片园光栅，园光栅由玻璃片或透明塑料制成，并在片上镀有明暗相间的放射状铬线，相邻的明暗间距称为一个栅节，整个园周总栅节数为编码器的线脉冲数。铬线的多少也表示精度的高低。其中一片光栅 固定在转动部位作指标光栅，另一片则随转动轴同眇运动并用来计数，因此指标光栅与转动光栅组成一对扫描系统，相当于计数传感器。园光栅编码器装在伺服电机中，它可测出转动件的位置、角度及角加速度，它可以将这些物理量转换为电信号舆给控制系统。编码器能记录丝杆的放置数并将信息反馈给比较器，直至符合被线性量。该系统抗干扰性强，测量精度取决于编码器中光栅盘上的光栅数及溢珠丝杆导轨的精度。

　　

　　2.磁栅尺

　　

　　由磁栅尺和磁头检测电路组成，利用电磁特性和录磁原理对位移进行测量。磁栅尺是在非导磁性标尺基础上采用化学涂覆或电镀工艺在非磁性标尺上沉积一层磁性膜（一般10～20um）在磁性膜上录制代

　　

　　表一定年度具有一定波长的方波或正弦波磁轨迹信号。磁头在磁栅尺上移动和读取磁恪，并转变成电信号输入到控制电路，最终控制AC伺服电机的运行。磁栅尺的优点是制造简单、安装方便、稳定性高、量程范围大，测量精度高达1～5um，贴片精度一般在0.02mm。

　　

　　3.光栅尺

　　

　　由光栅尺、光栅读数头与检测电路组成。光栅尺是在透明下班或金属镜面上真空沉积镀膜，利用光刻技术制作均匀密集条纹（每毫米100～300 条），条纹距离相等且平等。光栅读数头由指示光栅、光源、透镜及光敏器件组成，光栅尺有相同的条纹，光栅尺是根据根据物理学的莫尔条纹形成原理进行位移测量，精度高达0.1～1um，其定位精度比磁栅尺还要高1～2 个数量级。光栅尺对环境要求比较高，特别是防尘，尘埃落在光尺上会引起贴片机故障。上述三种测量方法仅能对单轴向运动位置的偏差进行检测，而对导轨的变形、弯曲等因素造成的正交或旋转误差却无能为力。

　　

　　4.Y 轴方向运行的同步性

　　

　　新型贴片机X轴运行采取完全同步控制回路的双AC伺服电机驱动系统，将内部震动降至最低，从而保证了Y 轴方向同步运行，其速度快、口音低、贴片头运行流畅轻松。

　　

　　5.X-Y 运动系统的速度控制

　　

　　调整机运行速度高达 150mm/s，瞬时的启动和停止都会产生震动和冲击。最新的X-Y 运动系统采用模糊控制技术，运行过程中分三段控制“慢－－快――慢”（“S”型）从而使运动变得柔和，也有利于贴片精度的提高，降低噪音。

　　

　　6.Z 轴伺服、定位系统

　　

　　在泛用机中，支撑贴片头的基座固定在X 导轨上，Z 轴控制系统的形式有：

 

    　　1. 园光栅编码器――AC/DC 马达伺服

　　

　　2. 系统

　　

　　与 X-Y 伺服定位类似，采用园光栅编码器的AC/DC 伺服马达－濂珠丝杆或同步机构，马达可安装在侧位，通过齿轮转换机构实现吸嘴在Z 轴方向的控制。

　　

　　3. 圆筒凸轮控制系统

　　

　　在松下MV2VB型贴片机中，吸嘴Z 方向运动就是这类，贴片时在PCB装载台的配合下完成贴片程序。

　　

　　4.Z 轴的旋转定位

　　

　　早期采用气缸和挡块来实现，只能做到 0、90 度控制，现在的贴片机已直接将微型脉冲马达安装在贴片头内部，以实现旋转方向高精度控制。MSR 型的分辨率为0.072 度/脉冲，它通过高精度的诣波驱动器（减速比为30:1），直接驱动吸嘴装置，由于诣波驱动器具有输入轴与输出轴同心度高、间隙小、振动低等优点，故放置方向分辨率高达0.0024 度/脉冲。

　　

　　（二）光学对中系统

　　

　　指贴片机在吸取元件时要保证吸嘴吸在元件中心。

　　

　　原理：贴装头吸取元件后，CCD 摄像机对元器件成像，并转化成数字图象信号，经计算机分析出元器件的几何中心和几何尺寸，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X、Y、O 的误差，并及时反馈给控制系统进行修正，以保证元器件引脚与焊盘重合。

　　

　　组成：光源、CCD、显示器以及数模转换与图像处理系统组成。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 转换成数字量，经图像系统处理后再转换为模拟图像，最后由显示器瓜出来。

　　

　　CCD 的分辨率：灰度分辩率和窨分辩率灰度值分辩率是利用图像多级高密度来表示分辩率，机器能分辨给定点的测量光强度，所需光强度越小则其分辩率就越高，一般采用256级灰度值（人眼处理的灰度值仅在50～60 左右）。

　　

　　空间分辩率是指 CCD 分辩精度的能力，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，分辨精度越高。

　　

　　通常在分辩率高的场合下，CCD 能见到的视野小，而大视野的情况下分辩率较低，故在高速、高精度的场合下装有两种不同视野的CCD。

　　

　　CCD 的光源

　　

　　为了配合贴片机贴好 BGA、CSP 之类的器件，在以往元件照明（周围、同轴）基础上增加了BGA照明。BGA 照明是LED 比以往更加水平。

　　

　　光学系统的作用：

　　

　　（1） 对 PCB 的位置的确认，识别定位标志，

　　

　　（2） 通过BUS 反馈计算机，

　　

　　（3） 计算出贴片机原点位置误差，

　　

　　（4） 反馈给运动控制系统

　　

　　（5） 对元器件的确认：元件外形、元件中心、元件引脚的共面性和形变

　　

　　在 PCB 设计时还增加了小范围几何位置识别，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飞行对中技术――在运动中就将位置校正好

　　

　　CCD 安装在贴片头上，用此方法 QFP 的贴装速度由原来的0.7s 下降到0.3s;

　　

　　CCD 采用悬挂式安装，有利于 SMC/SMD 运动中校正位置。

　　

　　（三）贴片头

　　

　　固定式贴片头――通用型贴片机

　　

　　（1） 吸嘴的真空系统：吸片时必须达到一定的真空度方能判别拾起元件是否正常，（2） 当元件侧立或因元件“卡带”时会发出报警信号。

　　

　　（2） 吸嘴的软着陆：贴件时吸嘴会根据元件与 PCB 接触的瞬间产生的反作用力，（4） 在压力传感器的作用下实现软着陆，（5） 又称为Z 轴的软着陆  

  　　（3） 吸嘴的材料与结构：陶瓷材料、金刚石

　　

　　旋转式多头――高速机

　　

　　（1） 水平旋转/转塔式（松下、三洋、富士）

　　

　　有 16 个贴片头，每个头上有4～6 个吸嘴，可以吸放多种大小不同的元件，16 个头只能做水平方向旋转，贴片头从一号位从送料器吸件在运动过程中完成校正、测试直到完成贴片（2） 垂直旋转/转盘式贴片头（西门子）旋转头上有 12 个吸嘴，工作时每个吸嘴都吸取元件，并在CCD 处调整角误差，吸嘴中均装有真空传感器。通常此类贴片机安装有二组或四组旋转头，其中一组在吸件，另一组在贴片，然后交换功能。

　　

　　组合式贴片头――安必昂 FCM 型贴片机

　　

　　由16 个独立贴征头组合而，每小时可贴9.6 万片，但每个贴片头只贴6000 个，因此精度高、故障率低、噪音低。

　　

　　供料器

　　

　　通常有带状（TAPE）、管状（STICK）、秀状（WAFFLE）和散料传感器――用得越多，表示其智能化水平越高

　　

　　（1） 压力传感器――监视压力变化

　　

　　（2） 负压传感器――由负压发生器和真空传感器组成（贴片头），

　　

　　（3） 出现吸不到元器件或吸不

　　

　　（4） 住元器件时，它能及时报警

　　

　　（5） 位置传感器――PCB 的传输定位及计数、贴片头和工作台运动检测、辅助机构的运动

　　

　　（6） 图像传感器――PCB 位置、器件尺寸的图像信号。CCD 图像传感器

　　

　　（7） 激光感器――差别元件脚 的共面性（识别缺陷），当反射光束与发射光束年度相同时。器件共面性合格

　　

　　（8） 区域传感器――利用光电原理监控运行空间以保护贴片头的安全

　　

　　（9） 元件检查――包括供料器供料以及元件的型号与精度检查

　　

　　（10） 贴片头压力传感器――通过霍尔压力传感器及伺服

　　

　　（11） 电机的负载特性实现，有效防止立碑，无此传感器则会出现成错位及飞片现象

　　

　　计算机控制系统

　　

　　使用 Windows 可通过因特网与机器制造商进行联系，维修工程师能很快判断故障原因。

　　

　　贴片机的技术参数

　　

　　1. 基本参数：PCB 尺寸、贴片速度、贴片精度、标准8mm 供料器数量、贴装元件尺寸、机器动力参数（电压、气压、功率）

　　

　　2. 技术参数解析

　　

　　贴片精度：

　　

　　定位精度（Placement Accuracy）－实际贴片位置与设定贴片位置的偏差 X、Y、重复精度 Replacability－描述贴片机重复地返回贴片位置的能力，贴片精度通常以之代替，与中心的离散度

　　

　　分辨率（Resolution）－指贴片机机械位移的最小当量，它取决于伺服电机和轴驱动机构上的哉线性编码器的分辨率实际生产中的贴片精度/贴片准确度贴片精度除了重复精度外，还应包括PCB/焊盘定位误差、焊盘尺寸误差、PCB 光绘误差（CAD）以及片式元器件制造误差贴片机的过程能力指数

　　

　　Cp/CpkCp＝T/B＝（Tu－Tl）/6q=(Tu-Tl)/6S T 为公差范围;上限和下限的中心为公差中心（设计中心）Tm，分布中心u，公差中心和分布中心重合时u＝Tm，过程无偏移;不重合时出现偏移量，此时应对过程能力指数的计算进行修正。修正后的过程能力指数记为Cpk，Cpk＝（1-k）Cp对贴片机来说为单向偏差，Cpk＝Zmin/3q1.33<Cpk<=2 能力因素充足1<=Cpk<=1.33 能力因素尚可1>Cpk能力因素欠缺

　　

　　贴片速度：实际贴片速度通常为理论贴片速度的65%~70%