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标准化和模块化技术在SMT产线及周边非标设备中的应用
  2021-08-03      438

杨涛1李奇1顾复1顾新建2

1.浙江大学工程师学院,浙江杭州 3100152.浙江大学机械工程学院,浙江杭州 310027

摘要:本文介绍了SMT设备发展及其标准化和模块化概况,阐述了标准化和模块化方法及SMT周边非标设备发展的驱动力。结合SMT周边非标设备的标准化和模块化设计实践,展望了未来行业发展趋势,以此表达了作者自己的见解,供大家参考。

关键词:SMT表面贴装技术、标准化和模块化技术、SMT周边非标设备、行业趋势

1.引言

1963年飞利浦公司生产出第一片表面贴装集成电路,表面贴装技术(SMTSurface Mount Technology)随之诞生,20世纪70年代印刷机、自动贴片机、回流焊等系统设备被用到生产线上,20世纪80~90年代SMT设备随着消费电子产品一起迅猛发展[[1]]SMT是指通过一定的工艺、设备、材料将表面安装器件(SMDSurface Mounted Devices)贴装在印制电路板(PCBPrinted Circuit Board)或铝基板等其他基板表面,再通过回流焊等工艺,形成组件电路板 (PCBAPrinted Circuit Board Assembly)的系列过程[[2]]SMT是电子行业里最流行的一种技术和工艺,一条SMT产线一般包含上板机、锡膏印刷机、锡膏检查设备(SPISolder Paste Inspection)、贴片机、回流炉、AOI等设备,如图1

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1  SMT产线

上板机的作用是实现PCB自动上料;锡膏印刷机将焊膏或贴片胶印到PCB的焊盘上;贴片机则将表面安装器件准确的安装到PCB的固定位置上;SPI检测锡膏印刷质量,如锡膏是否偏移、是否有高度偏差等;回流炉的作用是将锡膏融化,让器件与PCB粘合在一起;AOIPCBA的贴片和焊接质量进行检测,如贴片是否有漏件、错件、立碑等不良现象[[3]]。经过50多年的发展,SMT设备逐步向标准化、模块化、敏捷化、柔性化、快速反应、智能化等方向发展。

2  SMT设备的标准化和模块化

所谓标准化是指为在一定范围内获得最佳秩序,对现实问题或潜在问题制定共同使用和重复使用的条款的活动(GB/T2000.1-2002)。标准化的主要作用在于改进产品、过程或服务的适用性,并促进技术合作。模块化是对产品中的相同或相似的模块进行识别、分类、定义、规范,建立通用模块的过程。在模块化的基础上,使用配置设计和变型设计方法对模块进行组合或变型,可以设计出低成本、高质量、并能快速满足用户多样化和个性化需求的定制产品。标准化和模块化是在制造精细化、技术深度化、需求多样化、应用集成化的融合驱动下,以用户需求为导向进行的技术创新。

广义上来讲模块是组成上一层系统的、可组合/替换/变型的单元。模块按照通用性可分为通用模块和专用模块:通用模块是指在产品族中被多个产品所采用的模块;专用模块是指在产品族中只被个别产品所采用的模块,是该产品为了满足特定的需求而使用的模块[4]。按产品组成结构可以将模块分为不同层级,如图2SMT产线的模块自上而下可分为整线、工站、组件、零件等不同层级和粒度的模块。

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2不同层次的模块化

各个层级的模块介绍如下:整线是指可完成系列制造工序、能生产出组件电路板、由各个不同功能的工站组成的整条生产线;工站是指具有独立结构、能完成制造过程中单个工序的机台,如锡膏印刷机、SPI、贴片机、回流炉等。不同功能的工站可组成不同功能的生产线;组件是构成工站的基本单元,一个工站通常由不同的组件构成,如贴片机由机架组件、轨道、悬臂、Feeder、贴装头等组成。组件不具备独立功能,但可以通过同一类型的不同系列组件,构成不同配置的工站,满足客户不同的需求;零件是构成组件的基本元素。

尽管SMT线工站级的设备制造厂家多种多样,但不同设备间有统一的SMEMASurface Mount Equipment Manufactures Association,表面组装设备制造商协会)接口及通信协议、统一的对接轨道。设备通过统一的接口进行不同的组合,可以配置成能满足不同需求的线体。如图3,不同功能的工站和不同数量的工站组成了不同生产工艺和不同生产生产效率的SMT产线,这是模块化技术在工站级的应用。

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3 SMT线工站级模块化应用

SMT线的核心设备贴片机经过不断发展,已经成为行业标准设备,更注重设计的标准化和模块化,如日本富士公司采用模块化设计技术将qp242e贴片机分为控制主机和功能模块机,模块机有不同的功能,可以根据用户的不同需要,由控制主机和功能模块机柔性组合来满足用户需要;美国环公司将贴片机的主机做成标准设备,让其配备统一的标准机平台和通用的用户接口,通过不同模块的配置可以实现用户新的功能要求,如在点胶机到贴片机的功能互换时,只需要将点胶组件与贴片组件互换[2]。贴片机主体不变,通过更换卷带式FeederJEDEC制式料盘供料器或吸嘴这些组件级、零件级的模块,可兼容多种来料方式、多种形状物料的贴装,这些选配模块与主体的接口统一,为SMT快速换线提供了保障。

3  SMT周边设备及发展驱动力

伴随电路板制造工艺的发展,SMT周边自动化设备逐步丰富,如PCBA镭雕机、辅料贴装设备、在线FCT设备、在线点胶设备、在线分拣装盒机、自动拔帽盖机等。在传统的ETOEngineering to Order,面向订单设计,设计只有在收到客户订单后才能确定;接到订单后,才开始进行设计,组织采购和生产)开发模式下,这些设备多为根据实际需要量身设计并制造的非标设备非标设备具有专机专用、设备异常率高、小批量、多品种、多功能、开发周期短、设备制造调试周期长、模型图纸复用率低、设备复制性低、制造成本高的特点[[4]]

在一些企业,电子产品种类繁多,电子元器件种类上千,PCBA种类更是上万,SMT产线需要经常切换订单。电路板制造工艺也多种多样,如图4是几种不同的SMT周边制造工艺,对于每个单独工艺,设备要求一样,但不同的工序组合形成不同工艺,就需要设备能够任意组合形成不同的产线来满足不同的需求。

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4 几种SMT周边工艺

SMT产线标准设备价格昂贵、生产效率高,换线时间在10分钟之内。如果一条线体生产电路板的UPHUnits Per Hour,单位每小时产能)是1200pcs,配套的在线FCT测试机的换线时间2小时的话,一天一次换线的产能损失高达20%。这样由于SMT周边设备影响整线的稼动率,带来产能损失,会给生产按时、按量交付带来很大压力。这些多工艺按需组合、生产快速切单的实际需求是技术发展的原动力,推动SMT周边的非标设备向搭积木式方向发展。

4  SMT周边非标设备设计的标准化和模块化

这种搭积木式需求的解决方案可以通过标准化和模块化技术实现。定制的SMT周边非标设备要与SMT产线标准设备对接,必须遵循其行业通用的规范和参数进行接口设计:如双轨设备一、四轨为定轨,二三轨自动可调;轨道高度900mm;板边3mm;轨道允许通过器件最大高度25mm;配置SEMEMA接口并按其协议进行通信。依照这些规范参数,设备就具备了能在任意位置接入产线的条件,但这不是充分条件,设备设计还需综合考虑对接设备的节拍匹配性、有无干涉,用户使用习惯、维护方便性,不同行业对于设备的特殊要求等。

SMT周边非标设备模块化设计可以借鉴其它产品的模块化设计方法。模块化设计需具备三个基本条件:可复用的模块;对模块进行有序管理的模块库;模块化设计平台;并包含两个过程:设备标准化和模块化过程;基于订单的模块化设备设计过程。如图5和图6所示:

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5 基于订单的非标设备模块化设计过程

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6 模块化平台和模块化设计

设备标准化和模块化过程是将设备划分和设计可复用的通用模块的过程,具体包括:

1)分析、归纳客户需求,在历史生产情况和市场预测的基础上,按照系统工程思想,考虑不同设备、零部件中的结构、功能、制造过程的相似性和差异性,考虑包含规划、设计、加工装配、维护保养、用户使用的设备全生命周期过程,将复杂的整线/工站/组件/零件分解成通用化、系列化、易于组合和变型的、能快速重用的模块,并对模块的变型范围进行标准化。

2)根据可靠性、稳健性、安全性、冗余性、通用性、输入输出耦合性原则做好具备通用性和协调性的接口设计。

3)建立模块化平台,其由不同复用模块、模块接口、各模块连接规则、模块设计及引用规范、模块的主模型及图档、模块说明文档等构成,它为模块化设计提供了系统支持;该平台需要根据设计、制造、使用反馈进行持续的更新和维护。

基于订单的模块化设备设计过程是面对订单时,选择合适的模块或者对某些模块进行变型设计,即可完成一款满足客户定制功能的设备。

设备的模块化设计可以满足快速换型和不同应用场景的要求。一般来说与具体产品相关的组件均为专用模块,如FCT测试机的测试针床、在线分板机的分板工装和吸具。对于模块化通用设备,更换这些组件即可生产不同产品。这些组件的设计也可以改变传统的一体式的死连接,采用配备电气接口的快换模块、转拇指型夹紧器(如图7中)、磁性连接、卡扣连接等快换结构来实现设备的快换性。

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7 快换接口

如图8上所示的智能平台是按照模块化、智能化、通用化、柔性化的设计理念,应用模块化设计思想将设备分为主体、供料模块、工作模块,所有接口的机械、电气设计完全标准化。选配不同的供料模块如卷料供料器、散料供料器、供膜feederTray盘供料器等,加上不同的工作模块如夹取头、点胶头、吸取头、激光头、贴膜头等,组合在本体上即可形成不同功能的设备。设备间通过标准接口及协议可组成个性化产线(如图8)


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8 智能平台的模块化设计

5  行业发展展望

随着自动化生产的发展和精益制造的深入,制造业对低成本、高质量、高效的、快速实现的自动化生产模式的需求越来越强烈。由于非标设备的小批量定制特性,其利润都在30%以上,而标准设备的利润可控制在10%以内。非标设备需要定制化性,一般设备公司能承诺的交期都在2.5个月以上,并且进厂后的调试周期也比较长,标准设备采购交期可以控制在1.5个月内。如何低成本、快速、低风险的开发导入SMT周边非标设备,是供需双方同时面临的挑战。审视SMT标准设备发展历程,标准化机台模块化组合的设计理念值得参考借鉴[4]

1)标准化和模块化可以缩短项目周期:设计、制造复用成熟模块成果,以及开展并行工程都有助于缩短项目周期。

2)标准化和模块化可以降低项目成本:设备成本一般由材料成本、人工成本、利润和税几部分组成。项目周期的缩减,其设计、装配、调试人员所需工时相应减少,人工成本因此降低。标准化的批量零件制造成本也会降低。另外,复用已有的成熟模块,可以避免未知问题带来的风险成本和修改成本。

3)标准化和模块化可以实现设备和产线的不同层次的配置优化:不同模块或设备可组成不同功能、性能的设备或产线。

4)标准化和模块化可增强设备的互换性和快换性:一个模块出现问题,可以对模块进行整体更换,加快设备维修速度,通过模块更换也可以实现快速换线,降低由于设备停机造成的产能损失。

5)标准化和模块化可以提升设备的可靠性和稳定性:模块化设计中的一项重要原则是尽可能使用已有模块,这些模块经过批量的验证,具有较高的使用可靠性。

6)标准化和模块化可以促进经验的沉淀和传承:标准制定是对技术、经验、知识的提炼、凝固和保存过程,可以使重复性事物具备复制性,保证了非标设计、制造、维护在不同时间、空间和对象的执行结果都一致。这些知识经验的传承可以促进员工业务技能和工作效率的提升。

当然设备标准化和模块化并不是一个独立的过程,而是一个需考虑设备模块化粒度、设备全生命周期及全产业链的系统性过程,是一个包含层次维、时间维、产业维的三维结构。因企业或行业的发展程度不同,标准化和模块化能做到的程度也不同。但是在进行标准化和模块化时需要有系统观和全局观,在时间上考虑规划、设计、制造、运维的全生命周期,空间上考虑包含物料、产品、包装、物流、工艺、设备、制造的全产业链。标准化和模块化设备设计,需要产品研发的DFXDesign for X,面向产品生命周期各环节的设计)协同,也需要上游的物料、物料包装进行标准化,全产业链联动、闭环优化,综合考虑成本和交期。因为标准化和模块化用料成本增高,同时可能会带来制造成本的降低,从全生命周期来看整体成本也是能降低的。现在电子行业各厂家物料来料包装各异,对于异形插件自动化带来很大难度,制造现状多为人工作业,可以作为一个面向产业链的大标准化和模块化的一个切入点。只有通过业务需求拉动,行业龙头企业引领技术发展,产业链联动,多企业协同,逐步形成企业标准、行业标准,制造业的自动化和柔性化才会逐步成熟。

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9 标准化和模块化三维模型

参考文献:


[1]国家自然科学基金资助面上项目(51775493);宁波市科技创新2025重大专项(2019B10030)

[1]]张子川.浅谈SMT技术发展[J].天津市电视技术研究会2014年年会论文集

[2]]刘星星.许雪娟.表面组装技术SMT及其工艺探讨[J].信息通信,2015(1):284

[3]]杨卓伟.浅谈SMT[J].科学咨询(科技·管理),2016 (49):52-53.

[4]]周永华,周景吉,赵敬,黄建瑞.非标自动化物流设备标准化、模块化发展需求及重要意义研究[J].无线互联科技,2017(8):85-86.

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