1.2 贴装技术与贴片机

1.2.1 贴装技术

贴装技术是表面组装技术中的必不可少的基本技术之一，是从英文名称“Pick and Place”（拾取和放置）演变而来的，因而有些资料现在仍然称其为拾放技术。贴装技术的英文名称还有“Chip Mounter”（片式元件安装）和“Component Mounter”（元件安装），以及“Chip Placement”（片式元件安放）和“Component Placement”（元件安放），与现在通用的中文名称“贴装技术”或“贴片技术”比较吻合。

1.贴装技术特点

将物品或机器零部件快速、准确地放置到规定位置，是工业系统中各种制造和装配常见的一个工序或运行流程。例如，在半导体集成电路封装中，在半导体封装技术中将已经制造完成的芯片从划片薄膜上取下，放置到引线框架或封装衬底（基板）上的设定位置上，以便进行下一步引线键合或其他互连工序，称为装片（Die Attaching），实际也是一种贴装技术。由于在封装技术中，芯片外形和拾取性能相对变化不大，就装片工序相对于其他复杂而精确度要求很高的工序来说并不是技术关键，而且装片通常是和键合机组合为一种设备，因而在封装技术中，贴装的重要性远不如组装技术。但是这两种贴装技术、工艺要求和设备原理实质上是一样的，只不过封装技术中的装片从设备精确度到工艺要求都要比组装技术高。近年来，随着高密度高精度组装技术的发展，封装技术和组装技术界线开始模糊，组装技术开始与封装技术交叉融合，封装级精确度的贴片机开始应用于组装技术。“装片”与“贴片”如图1.8所示。

就贴装技术本身的工作原理和要求而言，实际上是相当简单的。用一定的方式把SMC/SMD（表面贴装元件和表面贴装器件）从它的包装中取出并贴放在印制板的规定的位置上。但是在工业系统迄今很少有其他工艺要求可以与SMT中的贴装技术相比。贴装对象（SMC/SMD）的几何尺寸和形状、表面性质和重量的范围，贴装速度及贴装准确度的要求，与其工作原理相比有天壤之别。贴装元器件多样性如图1.9所示。

贴装技术的特点如下所述。

（1）贴装对象——表面贴装元器件

① 表面贴装元器件的种类：几乎涵盖了传统电子元器件的全部。图1.9所示仅是其中一部分。

② 表面贴装元器件的体积：以片式元件为例，常用的片式电阻从6.14mm3（3216）～0.0096mm3（0402），相差约640 倍。如果与不同种类的相比，例如，表面贴装变压器或接插件，相差成千上万倍数。

③ 表面贴装元器件的顶面材料：陶瓷、金属及各种塑料等多种表面平整度和光洁度各不相同的材料。

（2）贴装速度

由于一块电路板上少则几种、几十个元器件，多则几十或几百种，数百到数千个元器件，而这些元器件只能一个一个地贴装，因此为了提高效率，目前每个元器件贴装的时间已经缩短到0.06 s左右（片式元件），已经几乎达到机械结构运动速度的极限。

（3）贴装精确度

由于组装密度不断提高，以及0.3/0.4 节距IC和0402 元件的应用，对贴装精确度要求越来越高。采用机、光、电和软硬件综合技术，使现在贴装精确度已经可以达到3 Sigma下75 μm的精度，一部分细小元件和细节距IC贴装精确度甚至要求4 Sigma下50 μm或更高。元件与元件、元件与器件之间的距离达到0.1mm的量级，意味着SMT贴装精确度指标已经与封装技术要求在一个水平线上。

（4）贴装承载电路板

承载贴装元器件的电路板与贴装技术相关的主要是几何尺寸和板厚方向的刚度。电路板的面积从最小可以不足1 cm2，最大超过4000 cm2，而决定电路板板厚方向的刚度的厚度尺寸，其变化范围则从小于0.5mm到超过6mm（刚性板）。

由于在SMT贴装技术中，从表面贴装元器件到承载电路板种类、几何尺寸及影响贴装的参数众多，贴装精确度已经达到纳米数量级，而贴装速度则接近机械运行的极限，因而贴装技术对设备要求非常高。可以毫不夸张地说，贴装技术是表面组装技术关键，而作为表面贴装设备的贴片机，在贴装技术中的决定性作用是其他技术无法比拟的。

2. 贴装技术的内容

贴装技术主要包括贴装工艺和贴装设备两个部分，如下所示。

1.2.2 贴装工艺

贴装工艺从贴装方式来说，有3 种工艺方式：手工方式、半自动方式和全自动方式。尽管现在电子组装自动化程度越来越高，但是在研发部门、实验室和科研机构，手工方式和半自动方式仍然具有实际价值，即使规模化的组装工厂，目前也不能完全取消手工方式，在全自动生产线上有时也可以看到使用手工贴装的个例。

无论采用哪一种工艺方式，基本工序都是一样的，即：印制板装载、传送和对准，元器件“出现”在设定的拾取位置上，拾取元器件，元器件检查和定位对准，贴放元器件，印制板传送离开工作区域。

1.手工贴装

手工贴装是采用镊子夹持或用真空吸笔将元器件从包装中拾取，贴放到印制电路板的规定位置，如图1.10（a）和（b）所示。早期曾经使用的手动贴片机贴装，由于没有机器定位和贴装控制机构，虽然使用了所谓的贴片机，实际上仍然属于“手工贴装”的范畴。镊子夹持只适合片式元件和部分双列引线的集成电路，以及部分异型元件，对QFP封装集成电路，必须使用真空吸笔，对于一些细间距集成电路还必须使用放大镜。手工贴装的速度、正确性和准确性完全取决于操作者的技术水平和责任心，因此这种方式既不可靠，效率也很低。对于BGA和CSP等IC封装及1005以下的片式元件，采用手工贴装方式已经是捉襟见肘，很难保证贴装质量了。

2.半自动贴装

在以前的SMT资料中是没有“半自动贴装”这个贴装方式的，在实际生产中也确实很少看到这种方式，但是在实验室和科研机构中确实存在这种介于自动贴装和手工贴装之间的方式。所谓半自动贴装方式，指使用简单的机械定位控制的贴装机构，或虽然具有较先进的定位、检测和贴装机构，但不能组成自动流水线功能的贴装方式。

半自动贴装方式由于具有机器定位对准机构，摆脱了手工贴装的局限，不但效率和可靠性提高，而且可以贴装各种元器件，甚至最新的IC封装和片式元件，因而在科研工作和企业的产品研发试制中具有不可或缺的作用。一部分企业针对这种需求新开发的贴装机构具有很高的精确度和元器件适应能力，同样属于高科技产品。

图1.11是用于产品研发、实验室和科研的半自动贴装设备。

3.全自动贴装

全自动贴装是采用全自动贴装设备完成全部贴装工序的组装方式，是目前规模化生产中普遍采用的贴装方法。在全自动贴装中，从印制板装载、传送和对准，把元器件移动到设定的拾取位置上，拾取元器件，元器件检测和定位对准，贴放元器件，直到将印制板传送离开工作区域的全过程，均由全自动机器完成而无须人工干预，贴装速度和质量主要取决于贴装设备的技术性能及其应用和管理水平。

全自动贴装过程是现代自动化、精密化和智能化工业技术综合应用的结晶。在全自动贴片机中，应用精密机械、高速高精度视觉检测与控制、智能化检测与运动控制及计算机数字控制等现代机—光—电一体化的综合高技术，实现贴装速度与准确性和生产效率与灵活性的不断提升和日趋完善。

全自动贴装工艺是表面贴装技术中对设备依赖性最强的一个工序，整个SMT生产线的产能、效率和产品适应性，主要取决于贴装工序，在全自动贴装中贴片机设备起决定性作用。但是这绝不意味着设备决定一切，有了先进的设备不等于有先进的工艺和管理，更不等于自然可以实现高效率、高质量和高产能。如同一个体格健全、精力充沛的人，如果没有相应的智商和情商，不可能取得事业的成功一样。

1.2.3 贴片机组成及其工作流程

1.什么是贴片机

贴片机是现在业内对贴装设备的通称，早期人们按照贴装的基本功能把贴装设备称为拾取—放置设备（Pick-and-Place Equipment）或放置设备（Placement Equipment），也有人称为元件安装机（Chip Mounter或Component Mounter以及Chip Placement和Component Placement）。流行于20世纪80-90年代前后的专门用于贴装片式元件（Chip）的转塔式高速贴片机，贴装速度达到36000 片 / h（通常用cph表示）以上，又被称为射片机（Chip Shooter）。

贴片机是整个SMT生产设备中价值比重最大、技术含量最高、对整个组装生产能力和效率影响最大的电子制造设备。SMT组装生产线的选择和配置，关键是在贴片机。

2.贴片机组成

贴片机实际上是一种精密的工业机器人，它充分发挥现代精密机械、机电一体、光电结合，以及计算机控制技术的高技术成果，实现高速度、高精度、智能化的电子组装制造设备。根据组装技术要求和制造厂商设计理念，人们推出不同功能、不同用途、不同档次的的贴片机。但无论哪一种贴片机都由以下5个主要部分组成。

（1）机械系统

• 机架机壳：它是贴片器的“骨架”和“皮肤”，支撑着所有的传动、定位和传送等机构，保护机器各种机械电气硬件。

• 传动机构：它的作用是将PCB送到预定位置，贴片完成后再将它传至下道工序。

• 伺服定位系统：它的功能一是支撑贴片头，确保贴片头精密定位；二是支撑PCB承载平台并实现PCB在X-Y方向移动。该系统决定机器的贴片精度。

（2）识别与监控系统

• 识别系统：在工作过程中，对识别对象（PCB、供料器和元件）的贴装性能和位置进行确认。

• 监控传感器：贴片机中装有多种型式的传感器，如压力传感器、负压传感器和位置传感器等，它们像贴片机的眼睛一样，时刻监视机器的正常运转。传感器应用的越多，则表示贴片机的智能化水平越高。

（3）贴片头系统

贴片头是贴片机关键部件，它拾取元件后能在校正系统的控制下自动校正位置，并将元器件准确地贴放到指定的位置。

（4）供料器系统

将SMC/SMD按照一定规律和顺序提供给贴片头以供准确地拾取，因此在贴片机占有较多的数量和位置。

（5）计算机软硬件系统

它是贴片机的控制与操作系统，指挥着贴片卓有成效地运行。

3.贴片机的工作流程

贴片机通过吸取—位移—定位—放置等功能，在不损伤元器件和印制电路板的情况下，按照组装工艺要求，将SMC/SMD元件快速而准确地贴装到PCB所指定的焊盘位置上，基本流程如下所述。

① 待贴装的PCB进入传送轨道，在轨道入口处的传感器发现PCB，系统通知传送带电机工作，将PCB送入下一位置。

② PCB进入工作区起点，传送装置将PCB送入贴片位置，在即将到位时触发贴装位置的传感器，系统控制相应机构使PCB停留在预定贴装位置上。机械定位装置工作，将PCB固定在预定位置。夹紧装置工作，将PCB夹紧固定，避免PCB移动。

③ PCB定位装置工作，确定PCB的位置是在预定的位置上，否则对PCB的位置坐标参照系统坐标系进行修正。

④ 按照程序设定对加工光学判别标志点（Mark）进行检查，确定PCB位置。

⑤ 包装在专用供料器中的元器件按照程序设定的位置被运送或准备到预定的位置。

⑥ 贴片头吸嘴移动到拾取元件位置，真空打开，吸嘴下降吸取元件。

⑦ 通过真空压力传感器或光电传感器检测是否吸到元件。

⑧ 通过摄像头或光电传感器检测元件高度（垂直方向）。

⑨ 通过摄像头或光电传感器检测元件转角（水平方向），并识别元件特征，然后读取元件数据库中预先设置的元件特征值，将实际值与检测值相比较，从而对元件特征进行判断。当特征值不符时则判别拾取元件错误，重新拾取。如相符则对元件目前的中心位置和转角进行计算。

⑩ 将错误的元件抛到废料收集盒中。

⑪ 按照程序设定，通过贴片头的旋转调整元件角度；通过贴装头的移动，或PCB的移动调整X/Y方向坐标到程序设定的位置，使元件中心与贴装位置点重合。

⑫ 吸嘴下降到预先设定的高度，真空关闭，元件落下，完成贴装。

⑬ 从⑤步开始循环，直到贴装完毕。

⑭ 贴片部分移动到卸载位置，将贴装好的PCB传送到卸载轨道。卸载轨道开始位置的传感器被触发，控制系统通知传送带电机工作，将PCB送入下一位置，直到送出机器。

上述基本流程如图1.12所示。