现代的制造商,不论是在什么地方,也不论业务模式,一向重视更换产品时平台式机器能够迅速重新配置的能力──针对新的产品进行优化的能力。
在SMT生产制造中,把贴片机分为高速贴片机和灵活的微间距贴片机,现在,这种模式逐渐为平台的方法所取代。由于使用平台型机器,整条生产线有很多共同性,可以经济地扩大或者缩小生产能力。设备销售商对主要部件的接口进行了标准化,包括贴装头、进料器和用于对正的照相机。在更换产品时,把这些部件换下来,有可能对某些元件的贴片能力重新进行优化。例如,针于贴装微间距BGA或者QFP这类较大元件,对贴装头进行优化,在贴0402和0201这类较小的无源元件时,性能就不那么好。从进料器中拾取较大元件的参数,与从进料器中拾取很小的无源元件的参数是不一样的。在对正和贴片时,要求的性能也是不同的。
这两种元件的发展是不同的:用于系统芯片(SoC)设计的大型FPGA需要用更多的硅,需要更多的输入/输出,因而封装尺寸更大、更大的栅格阵列、更多的引脚。而对于无源元件,最小无源元件是01005。有些人认为,一个贴装头不能同时满足所有这些各不相同的要求。但是,由于这个原因,装配厂只好在机器之间和生产线之间更换贴装头和元件,为新产品将工具改装,对机器作很大的改变。
利用现代的传感系统、包含闭环控制算法的软件技术,以及电气伺服驱动系统和气动控制技术,设备设计人员可以实现以前人们认为不能实现的功能。现在,我们可以做出能够满足所有贴装要求的贴装头。由于省去了更换部件所需要的大量时间,提高了设备的使用率,按排进度和进行优化也不再是很复杂的了。也不需要把暂时不用的元件从生产线上拆下来,存放起来。交换元件次数越少,机械的磨损就越小,可能的损坏也就越少。工厂不必过多地依靠有经验的员工来改装设备。
这么灵活的贴装头究竟是由哪些技术构成的呢?拾取机构要能够适应元件厚度、尺寸大小等这些变化,还要适应进料器的变化。在元件拾取后,元件对正的校准也很重要,对于很小的元件,这是个挑战。在这些难题中,有一部分可以通过多吸嘴贴装头的主轴的精密的伺服传动系统来解决。这样,贴装系统就可以准确地知道在拾取期间主轴探针在什么时候在进料器里接触到元件,而且,还可以知道在贴片期间元件什么时候与印刷电路板接触。机器可以在生产时和在进料器补料/贴片期间自动地告诉每个高度上的进料器,从而保证主轴处于拾取的最佳高度。这样可以在拾取期间减小对元件的冲击,把冲击力减少到最小并且延长吸嘴的使用寿命。机器能够自动地适应在元件和送料带/卷轴输入时的变化。
一个需要解决的难题是如何才能同时保证小元件的拾取性能和贴片性能,从而在拾取过程中保证吸嘴对准元件。在元件和吸嘴之间维持一个充足的真空力,防止元件从吸嘴上掉下来,这点是很重要的。有一种贴装头系统使用了适合0402和0201元件的自动进料器的学习功能,其中 使用了一种向下看的照相机,可以在拾取之前在进料器里找到元件。这种系统在生产开始时和在进料器补充元件期间工作,保证吸嘴探针在第一次拾取时自动与元件对正。在第一次拾取之后,通过自动拾取更新功能,每个进料器根据实时找到的元件不断地调节拾取位置。这样,保证在拾取过程中吸嘴准确地对准元件,同时,根据传送带输入的变化进行调整。
利用专用阀门,可以加快真空装置在拾取元件和元件贴装时的切换速度。这样,就可以以最大的速度对芯片级封装(CSP)、芯片级封装(WSP)、μBGA和金属电极无铅表面元件(MELF)进行贴片,同时,它与每个主轴里已获得专利权的真空装置有效地结合起来(图1)。
在贴装边缘较长的元件时,需要使用视野较大的照相机,但是,它对分辨率的要求并不高。而较小的元件的贴装,特别是0201和01005这类元件,则恰恰相反。最好的办法是用两台照相机——每台照相机的视野和分辨率都配合得很好。数字照相机技术和高速图像识别软件与适当的高速数据传送技术有效地结合起来,可以实现尺寸很小的双分辨率成像技术。
对于小元件和大元件,在拾取之后,元件移动时的允许最大加速度和移动速度也不一样。对于SMD无源器件和大型微间距半导体封装,提高驱动系统速度来保持很高的贴片速度,是有限制的。缩短操作过程时间这个办法,可以把重点放在缩短用于定位的稳定时间。有一种已经获得专利权的马达技术,它的稳定时间较短——在55ms内主轴便可以到位。这样可以提高贴装头的贴片速度,不论是什么样的元件,都可以缩短整个贴片的操作过程。与传统的直流马达相比,这项技术需要的运动件较少,可以提高利用率,减少维护工作。
模块化主轴可以很快地更换,而且还允许从生产线上拿下来进行维修保养,因此机器不会中断生产。现有的贴装头和综合型主轴是做在一起成为一个整体,在进行全面的保养时,不仅机器要停下来,还要把贴装头拆下来。对于大多数现代的贴装头来说,保养的要求通常都不高。然而,由于是用积本式设计,可以很快地更换元件,用户可以把主轴从生产线上拆下来进行保养,不会中断生产。
结论
把这些技术结合起来,出现了一种贴装头方案,它可以用于各种元件的贴装,包括高速芯片贴装,也包括QFP的安装。具有自适应功能、更灵活而且更加精确的贴装头,可以让将来的装配受益,它可以缩短转换时间,适应高速、多变的生产需要。