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第5章电子组装设备与组装生产线
 

  第5章电子组装设备与组装生产线._幼儿读物_幼儿教育_教育专区。第5章电子组装设备与组装生产线章 电子组装设备与组装生产线 高等教育出版社 《电子产品制造工艺》第二版配套课件 引入:SMT技术概述 1、 SMT技术的发展 SMT,Surface Mounting Technology,也称 表面装配技术、表面组装技术 通孔插装技术:THT,Through-Hole mounting Technology。 2 顺德职业技术学院 肖文平 2、SMT的发展历经了三个阶段: ⑴ 第一阶段(1970~1975年) 这一阶段把小型化的片状元件应用在混合电路 (我国称为厚膜电路)的生产制造之中。 ⑵ 第二阶段(1976~1985年) 这一阶段促使了电子产品迅速小型化、多功 能化;SMT自动化设备大量研制开发出来 。 3 ⑶ 第三阶段(1986~现在) 主要目标是降低成本,进一步改善电子产品的 性能-价格比; SMT工艺可靠性提高 。 4 3. SMT的装配技术特点 表面安装技术和通孔插装元器件的方式相比, 具有以下优越性: ⑴ 实现微型化。 ⑵ 信号传输速度高。 ⑶ 高频特性好。 (5)有利于自动化生 产,提高成品率和生 产效率。 ⑹ SMT技术简化了电 子整机产品的生产工 序,降低了生产成本。 5 (4) 材料成本低。 5.1 SMT电路板组装工艺 方案与组装设备 6 1. 表面装配元器件的特点 (1)SMT元件引脚距离短,目前引脚中心间距最 小的已经达到0.3mm。 (2) SMT元器件直接贴装在印制电路板的表面, 将电极焊接在与元器件同一面的焊盘上。 7 8 顺德职业技术学院 肖文平 2. 表面装配元器件的种类和规格 从结构形状分类,有薄片矩形、圆柱形、扁平异 形等; 从功能上分类为 无源元件(SMC,Surface Mounting Component) 有源器件(SMD,Surface Mounting Device) 机电元件三大类 9 表面安装元件电阻、电容 10 顺德职业技术学院 肖文平 表面贴装电感器 11 顺德职业技术学院 肖文平 ② 表面安装钽电容器 正极 正极 钽质电容(Tantalum Capacitor) 钽质电容(Tantalum Capacitor) 表面安装钽电容器的外型都是矩形,按两头的 焊端不同,分为非模压式和塑模式两种。 12 ⑷ 表面安装电感器 贴 片 电 感 贴 片 电 感 排 13 表 面 安 装 电 感 器 14 无源元件SMC SMC包括片状电阻器、电容器、电感器、滤波器 和陶瓷振荡器等。 15 长方体SMC是根据其外形尺寸的大小划分成几个 系列型号 。欧美产品大多采用英制系列,日本产 品大多采用公制系列,我国还没有统一标准,两 种系列都可以使用。 16 典型SMC系列的外形尺寸(单位:mm/inch) 公制/英制 型号 3216/1206 2012/0805 1608/0603 1005/0402 0603/0201 L W a b T 3.2/0.12 1.6/0.06 0.5/0.02 0.5/0.02 0.6/0.024 2.0/0.08 1.25/0.05 0.4/0.016 0.4/0.016 0.6/0.016 1.6/0.06 0.8/0.03 0.3/0.012 0.3/0.012 0.45/0.018 1.0/0.04 0.5/0.02 0.2/0.008 0.25/0.01 0.35/0.014 0.6/0.02 0.3/0.01 0.2/0.005 0.2/0.006 0.25/0.01 1inch=1000mil;1inch=25.4mm,1mm≈40mil。 17 常用典型SMC电阻器的主要技术参数 3216 2012 1608 1005 系列型号 10~10M 阻值范围(Ω) 0.39 ~10M 2.2~10M 1~10M 允许偏差(%) ±1,±2, ±1, ±2,±2,±5 ±2,±5 ±5 ±5 1/10 1/16 1/16 额定功率 (W )1/4,1/8 最大工作电压 200 150 50 50 (V) 工作温度范围/ -55~+125/7 55~+125/ -55~+125/ -55~+125/ 70 70 70 额定温度(℃) 0 18 SMD分立器件 SMD分立器件包括各种分立半导体器件,有二 极管、三极管、场效应管,也有由两、三只三 极管、二极管组成的简单复合电路。 ⑴ SMD分立器件的外形尺寸 19 SMD分立器件的外形尺寸 20 3、包装 片状元器件可以用三种包装形式提供给用 户:散装、管状料斗和盘状纸编带。 21 SMT元器件的包装 22 顺德职业技术学院 肖文平 5.1.1 锡膏涂敷工艺和锡膏印刷机 1、锡膏 2、SMT所用的粘合剂(红胶)。用于SMT组装的固化胶 粘合剂,在110℃~130℃的温度下很快固化; 可经260℃以上的高温焊接。 23 顺德职业技术学院 肖文平 电子产品的SMT生产工艺 两种装配方案 1、纯SMT元件装配 24 顺德职业技术学院 肖文平 2、插件元件与SMT混合装配 25 顺德职业技术学院 肖文平 1、网板印锡膏、回流焊工艺 制作钢网 印锡膏 贴元件 回流焊 进行其他加工 26 顺德职业技术学院 肖文平 2、粘胶固化—波峰焊接工艺 27 顺德职业技术学院 肖文平 SMT生产设备 1、印刷机 2、贴片机 3、回流焊机 28 顺德职业技术学院 肖文平 ① 制作焊锡膏丝网 29 30 图5.2 漏印模板印刷法的基本原理 ②丝网漏印焊锡膏 手动刮锡膏 31 自动刮锡膏 32 自动刮锡膏 33 5.1.2 SMT元器件贴片工艺和贴片机 34 自动贴片机以日本、欧美和韩国的品牌为主, 主要有:FUJI(富士)、SIEMENS(西门子)、 UNIVERSAL(环球)、PHILIPS(飞利浦)、 PANASONIC(松下)、YAMAHA(雅马哈)、CASIO (卡西欧)、SONY(索尼)、SAMSUNG(三星)等。 可以分为高速机(通常贴装速度在5Chips/s以上)与 中速机,一般高速贴片机主要用于贴装各种SMC元件和较 小的SMD器件(最大约25mm×30mm);而多功能贴片机 (又称为泛用贴片机)能够贴装大尺寸(最大 60mm×60mm)的SMD器件和连接器(最大长度可达 150mm)等异形元器件。 保证贴片质量三个要素:贴装元器件的正确性、贴装位 置的准确性和贴装压力(贴片高度)的适度性。 35 ③ 贴装SMT元器件 小型贴片机 36 2 SMT生产设备 37 SMT元器件贴片机的类型 38 自动贴片机的主要结构 自动贴片机相当于机器人的机械手,能按照事先编制好的 程序把元器件从包装中取出来,并贴放到电路板相应的位 置上。 贴片机的基本结构包括设备本体、片状元器件供给系统、 电路板传送与定位装置、贴装头及其驱动定位装置、贴片 工具(吸嘴)、计算机控制系统等。为适应高密度超大规 模集成电路的贴装,比较先进的贴片机还具有光学检测与 视觉对中系统,保证芯片能够高精度地准确定位。 39 40 图5.7 贴片机的贴装精度 图5.8 元器件贴装偏差 41 (4) SMT焊接设备 再流焊 42 SMT自动生产线 ? SMT自动生产线 顺德职业技术学院 肖文平 5.1.3 SMT涂敷贴片胶工艺和点胶机 ? 把贴片胶涂敷到电路板上的工艺俗称“点胶”。常用 的方法有点滴法、注射法和印刷法。 45 顺德职业技术学院 肖文平 自动点胶机的工作原理示意 46 顺德职业技术学院 肖文平 贴片胶的固化 ? 在涂敷贴片胶的位置贴装元器件以后,需要固化 贴片胶,把元器件固定在电路板上。固化贴片胶 可以采用多种方法,比较典型的方法有三种: ? ·用电热烘箱或红外线辐射(可以用再流焊设备), 对贴装了元器件的电路板加热一定时间; ? ·在粘合剂中混合添加一种硬化剂,使粘接了元器 件的贴片胶在室温中固化,也可以通过提高环境 温度加速固化; ? ·采用紫外线 顺德职业技术学院 肖文平 SMT工艺流程小结 48 顺德职业技术学院 肖文平 完整的 SMT工艺 总流程 49 顺德职业技术学院 肖文平 5.2 与SMT焊接有关的检测设备与工艺方法 生产厂家在大批量生产过程中,检测SMT电路板的 焊接质量,广泛使用自动光学检测(AOI)或自动X 射线检测(AXI)技术及设备。 ? 采用电性能测试的方法,通过在线检测(ICT)仪或 飞针测试仪等自动化检测装置对焊接质量进行判断。 ? 50 顺德职业技术学院 肖文平 5.2.1 自动光学检测设备(AOI) DRC法是用给定的设计规则来检查电路图形,它能 从算法上保证被检测电路的正确性,统一评判标准, 帮助制造过程控制质量,并具有高速处理数据、编 程工作量小等特点,但它对边界条件的确定能力较 差。 ? 图形识别法是用已经储存在计算机里的数字化设计 图形与实际产品的图形相比较,按照完好的电路样 板或计算机辅助设计(CAD或EDA)时编制的检查 程序进行比较,检查的精度取决于光学系统的分辨 率和检查程序设定的参数。这种方法用设计数据代 替DRC方法中预定的设计原则,具有明显的优越性, 但其采集的数据量较大,对系统的实时性反映能力 有较高的要求。 ? 顺德职业技术学院 肖文平 51 ⑴ 可靠的电气连接:焊面3/4在焊盘上 ⑵ 足够的机械强度 ⑶ 光洁整齐的外观 52 AOI系统 ? AOI系统用可见光(激光)或不可见光(X射线)作 为检测光源,光学部分采集需要检测的电路板图形, 由图像处理软件对数据进行处理、分析和判断,不仅 能够从外观上检查电路板和元器件的质量,也可以在 贴片焊接工序以后检查焊点的质量 53 顺德职业技术学院 肖文平 AOI功能 AOI被安排在电路板组装工艺过程中的不同位置,能 够完成不同的功能: ? ① 将AOI系统放在锡膏印刷机后面,可以用来检测 锡膏印刷的形状、面积甚至包括锡膏的厚度。 ? ② 把AOI系统放在高速贴片机之后,可以发现元器 件的贴装缺漏、种类错误、外形损伤、极性方向错误, 包括引脚(焊端)与焊盘上锡膏的相对位置。 ? ③ 将AOI系统放在多功能贴片机后面,可以检查窄 间距、多引脚的集成电路贴片误差,甚至从元器件表 面印制的标记识别集成电路的品种是否正确。 ? ④ 将AOI系统放在再流焊之后,可以检查焊接品质, 发现有缺陷的焊点。 ? 顺德职业技术学院 肖文平 54 5.2.2 X射线检测设备(AXI) ? 组装有PLCC、SOJ、BGA、CSP和FC等集成电路的 电路板,在焊接完成以后,由于焊点在芯片的下面, 依靠人工目检或AOI系统都无从发现焊接缺陷,因此, 用X射线(x-ray)检测就成为判断这些器件焊接质 量的主要方法 55 顺德职业技术学院 肖文平 5.2.3 在线检测(ICT)设备与方法 ? ICT是在线测试技术的缩写,有时也指在线测试仪器。 ICT是在大批量生产电子产品的生产线上的测试技术, 所谓“在线”,具有双重含义:第一,ICT通常在生 产线上进行操作,是生产工艺流程中的一道工序;第 二,它把电路板接入电路,使被测产品成为检测线路 的一个组成部分,对电路板以及组装到电路板上的元 器件进行测试,判断组装是否正确、焊接是否良好或 参数是否正确。 56 顺德职业技术学院 肖文平 ICT分为静态测试和动态测试 静态ICT只接通电源,并不给电路板注入信号,一般 用来测试复杂产品——在产品的总装或动态测试之 前首先保证电路板的组装焊接没有问题,以便安全地 转入下一道工序——以前把静态ICT测试叫做通电测 试; ? 动态ICT在接通电源的同时,还要给被测电路板注入 信号,模拟产品实际的工作状态,测试它的功能与性 能。显然,动态在线测试对电子产品的测试更完整, 也更复杂,因此一般用于测试比较简单的产品。 ? 57 顺德职业技术学院 肖文平 58 顺德职业技术学院 肖文平 测试针床和顶针示意图 59 顺德职业技术学院 肖文平 ICT技术参数 ⑴ 最大测试点数 ? ⑵ 可测试的元器件种类 ? ⑶ 测试速度 ? ⑷ 测试元器件参数的范围 ? ⑸ 测试电压、电流、频率 ? ⑹ 电路板尺寸 ? 60 顺德职业技术学院 肖文平 ICT测试原理 ⑴ 电阻测试 R=U/I ? ⑵ 电容量测试 ? ⑶ 电感量测试 ? ⑷ 二极管测试。正向测试二极管时,加入一正向电 流,硅二极管的正向压降约为0.6V~0.7V;若加一反 向电流,二极管的压降会很大。 ? ⑸ 三极管测试,分三步测试三极管。 ? ⑹ 跳线测试。 ? ⑺ 测试集成电路 ? 61 顺德职业技术学院 肖文平 ICT编程(选学内容,建议学生自学) ? 电阻元件编程:在“T”栏输入“R”;在“Part name”处输 入元件图号,如R1;在“Ideal”栏输入标称值,如R1是1kΩ; 在“Pin1”、“Pin2”输入其引脚相对应的针号;“%”、 “T+”、“T-”栏输入该电阻的误差范围,“W”栏输入测试 方法“I”(普通测试方法),如果电阻在电路中与一个电解电 容器并联(如图5.22(a)所示),则因测试方法“I”的测试时间 很短,电容器充电需要一定时间,将会出现测试误差,只要将 “W”栏中的“I”改为“V”,再加一定的延时时间“dms”, 如20ms,则测试结果就与实际值相同了。 62 顺德职业技术学院 肖文平 隔离点 ? 测量电阻时,有时因为电路关系,需增加一隔离点,如图 5.22(b)所示:电阻R1和R2、R3并联,当在顶针1、2位测试R1 的阻值时,测试结果不是1kΩ,而是500Ω。这是由于从1号顶 针位流入的电流I有一部分流入了R2、R3支路了。要解决这一 问题,可以选择在3号位增加一顶针“3”,使“3”号顶针的 电位和1号顶针的电位相等。那么,R2、R3支路就不会使1号 顶针的电流分流,测试结果也就准确了。“3”号顶针就叫隔离 点。编程对地“G”处填入“Y”,表示启动隔离功能。在 “G1/4~G5”处填入“3”,表示“3”是隔离点。 63 顺德职业技术学院 肖文平 电容测试 电容类元件有两种测试方法。容量100nF以下的小电 容,用交流(AC)测试。在“T”填入“C”, “Part name”填入元件图号,“Ideal”填入标称 容量,在“Pin1”、“Pin2”填入引脚的对应测试 针号,“W”填入“A”,即AC测试方法,“Freq” 填入测试频率(默认为30kHz),“%”、“T+”、 “T-”填入相应的误差值,其他按默认值。 ? 大容量的如电解电容器,在“W”填入“D”,即 DC测试方法,“Dms”填入适当的延时时间,如30, 表示延时30ms。 ? 64 顺德职业技术学院 肖文平 65 测试针床 66 产品测试 录像 67 4. ICT编程与调试 返回 68 5.2.4 飞针测试仪 飞针测试仪是一种高精度的移动探针测试设备,通常 用在专业印制板生产厂检测多层板的金属化孔质量, 或在电子产品制造厂检测高密度组装的SMT产品焊 接质量。作为小批量产品的高端检测设备,它的工作 原理是,在固定在测试架上的印制板两侧,用快速移 动的成对探针同时移动到同一位置上,测量电路的连 接状态(电阻)。 ? 与ICT测试方法相比,飞针测试仪避免了为小批量产 品专门制作昂贵的测试针床,只需要根据产品特性编 程或直接输入电路板的CAD或EDA设计文件。 ? 69 顺德职业技术学院 肖文平 70 顺德职业技术学院 肖文平 5.2.5 清洗工艺、清洗设备和免清洗焊接方法 71 顺德职业技术学院 肖文平 5.2.6 SMT生产线的设备组合与计算机集成制造 系统(CIMS) ? 中、小型SMT自动生产流水线 顺德职业技术学院 肖文平 计算机集成制造系统(CIMS,COMPUTER INTEGRATED MANUFACTURING SYSTEM) ? 是将设计工程、管理工程、生产工程有机地连接到一 起的系统工程,也叫做计算机综合生产系统。它是利 用现代的信息技术、自动化技术与制造技术,通过计 算机软硬件,将企业的经营、管理、计划、产品设计、 加工制造、销售服务等环节和人力、财力、设备等生 产要素有机地集成起来,以形成适用于小批量、多品 种生产需求并能实现总体高效益的智能化制造系统。 73 顺德职业技术学院 肖文平 SMT的CIMS系统示例模型 74 顺德职业技术学院 肖文平 5.3 SMT工艺品质分析 SMT的工艺品质,主要是以元器件贴装的正确性、 准确性、完好性以及焊接完成之后元器件焊点的外观 与焊接可靠性来衡量。 ? SMT的工艺品质与整个生产过程的每一环节都有密 切关联。 ? 75 顺德职业技术学院 肖文平 用因果分析法(鱼刺图)分析SMT工艺品质 76 顺德职业技术学院 肖文平 5.3.1 锡膏印刷品质分析 ? 焊膏的印刷是再流焊质量的关键。有三个因素会影响 焊膏印刷:焊膏、模板与印刷。 焊膏:窄间距器件的焊接质量与焊膏合金粉末的颗粒 形状有关,焊膏的粘度与成分也必须选用适当。 ? 模板:锡膏模板的开孔设计、模板厚度与模板加工制 作方式,将对焊膏印刷的外形质量起决定作用。 ? ·印刷:印刷用刮刀的材质与形状,刮印的速度、压 力与模板的间隙以及模板的清洗,都会影响印刷质量。 ? 77 顺德职业技术学院 肖文平 锡膏印刷不良导致的品质问题 锡膏不足(局部缺少甚至整体缺少)——将导致焊 接后元器件焊点锡量不足、元器件开路、元器件偏位、 元器件竖立; ? 锡膏粘连——将导致焊接后电路短接、元器件偏位; ? 锡膏印刷整体偏位——将导致整板元器件焊接不良, 如少锡、开路、偏位、竖件等; ? 锡膏拉尖——易引起焊接后短路。 ? 78 顺德职业技术学院 肖文平 5.3.2 SMT贴片品质分析 ? SMT贴片常见的品质问题有:漏件、侧件、翻件、 偏位、损件等。 79 顺德职业技术学院 肖文平 5.3.3 SMT再流焊常见的质量缺陷及解决方法 ? 再流焊的品质受诸多因素的影响,最重要的因素是再 流焊炉的温度曲线及锡膏的成分参数。现在常用的高 性能再流焊炉,已能比较方便地精确控制、调整温度 曲线。相比之下,在高密度与小型化的趋势中,焊膏 的印刷就成了再流焊质量的关键。 有时,再流焊设备的传送带振动过大,也是影响焊接 质量的因素之一。 ? 80 顺德职业技术学院 肖文平 典型SMT焊点的外观 81 典型SMT焊点的外观:有末端重叠部分 82 顺德职业技术学院 肖文平 SMT常见焊点缺陷及其分析 83 顺德职业技术学院 肖文平 竖件 84 顺德职业技术学院 肖文平 锡桥 85 顺德职业技术学院 肖文平 无末端重叠部分 86 顺德职业技术学院 肖文平 5.4 电子产品组装生产线 生产线的总体设计是一项系统工程设计 ? ? 建设生产线系统,不仅要按照产品的工艺要求及其相 应的约束条件,合理安排生产过程的不同阶段、环节、 工序,使其在时间、空间上平衡衔接、紧密配合,构 成一个协调的整体,生产出社会需要的产品,同时还 应该满足有关安全性、可行性、可靠性、可维修性等 的一系列目标。这是一项综合技术的创造性工作,需 要进行总体的调度、综合的优化和有条不紊的组织管 理,才能完成这项工作。 87 顺德职业技术学院 肖文平 生产线系统设计各阶段的任务 任务、要求及约束条件 要求及条件的分析 确定系统基本方案 总体设计 功能分析 初步设计 技术要求分配 确定系统总体方案 分系统的设计 详细设计 子系统及零部件设计 方案设计 样机的试制试验 顺德职业技术学院 肖文平 88 某计算 机厂生 产线系 统设计 的基本 方案 89 顺德职业技术学院 肖文平 生产线初步设计阶段的工作 ? 某计算机 厂生产线 系统平面 布置简图 90 顺德职业技术学院 肖文平 几种典型生产线 ? 手工插装 生产线 顺德职业技术学院 肖文平 波峰焊生产线 顺德职业技术学院 肖文平 小型产品组装、调试生产线 顺德职业技术学院 肖文平 大型产品组装生产线 顺德职业技术学院 肖文平 5.4.2 电子整机产品制造与生产工艺过程举例 ? 整机装 配顺序 95 顺德职业技术学院 肖文平 5.5新一代电子组装技术简介 常规电子(THT)组装技术 表面安装技术 电 子 组 装 技 术 厚/薄膜集成电路技术 新一代 电子组 装技术 多芯片组件技术 半导体集成技术 顺德职业技术学院 肖文平 96 5.5.1 基片 ⑴ 陶瓷基片 ? ⑵ 约束芯板基片。约束芯板基片由42号合金、包钢 钼、瓷化殷钢等材料制成。约束芯板基片具有强度大、 体积轻的特点。 ? ⑶ 塑性层基片。塑性层基片采用增加塑性层的方法 制成,在环氧玻璃基片上涂上环氧树脂层。 ? ⑷ 环氧玻璃基片。环氧玻璃基片由环氧树脂和玻璃 纤维组成的复合材料制成。由于玻璃纤维质地坚硬、 环氧树脂塑性好,所以环氧玻璃基片具有强度高的特 点。 ? 97 顺德职业技术学院 肖文平 5.5.2 厚/薄膜集成电路技术 ? 厚/薄膜集成电路,是以膜的形态在绝缘基板上形成 的一种集成电路,膜集成电路与半导体集成电路不同, 它只能集成无源元件。按膜的厚度和形成工艺的不同, 分为厚膜集成电路和薄膜集成电路两种。 98 顺德职业技术学院 肖文平 5.5.3 载带自动键合(TAB)技术 与板载芯片(COB)技术相同,载带自动键合(TAB, Tape Automated Bonding)技术也是将IC裸片贴 到基片上。图5.39(a)是TAB的示意图。 ? 与COB相比,TAB技术的主要优点是它在印制板上的 断面形状比较低。TAB所用引线较短,引线%以上,这就使TAB在电气性能方面, 尤其是在高频下优于COB。 ? 99 顺德职业技术学院 肖文平 5.5.4 倒装芯片(FC)技术 ? 倒装芯片(FC,flip chip)技术,是将芯片倒置后 直接安装在基片上,互连介质是芯片和基片上的焊区, 图5.39(b)是具有代表性的基片上倒装芯片的示意图。 消除了键合引线和封装,倒装芯片技术的组装密集比 COB和TAB都高。 ? 100 顺德职业技术学院 肖文平 5.5.5 MCM封装 ? 在还不能实现把多种芯片集成到单一芯片上、达到更 高的集成度之前,可以将高集成度、高性能、高可靠 的CSP芯片和专用集成电路芯片组合在高密度的多层 互联基板上,封装成为具有各种完整功能的电子组件、 子系统或系统。可以把这种封装方式简单地理解为集 成电路的二次集成,所制造的器件叫做多芯片组件 (MCM),它将对现代计算机、自动化、通信等领 域产生重大的影响。 101 顺德职业技术学院 肖文平 5.5.6 大圆片规模集成电路(WSI)技术 ? 将电路板、子系统乃至整个系统的电路集成在一片大 面积硅基片上,无疑是最理想的组装技术。大圆片规 模集成电路(WSI,wafer scale integration)正是 基于这种设想而诞生的一种多芯片组件组装技术。它 主要采用冗余设计、激光修整以及混合集成等方法来 达到组装要求。WSI技术的发展非常迅速,它与另一 种先进的组装技术——三维(3D)叠装技术相结合, 在神经网络计算机的研究领域中发挥了重要的作用。 102 顺德职业技术学院 肖文平

 
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