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研发类企业产业化PCBA 组装工艺探索(二)
  2022-06-07      541

浙江大华智联有限公司 技术总监  刘传习

贴片机结构

1. 基板传输系统:传输导轨,PCB入、停止、搬出功能。

2. PCB定位系统:工作平台,PCB的固定、支撑、解除固定。

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3. 器件供料系统:供料平台和供料器贴片器件的供给功能。

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4. 视觉识别系统:PCB相机、元件相机,中心获取补偿功能。

5. 贴装控制系统:贴装头,取料、X/Y/R/Z轴移动、贴装功能。

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6. CPU控制系统:控制箱驱动、伺服、视觉、计算机控制卡。

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贴片机工作原理

1. 贴片机作用:将电子元器件按正确的位置、角度放到PCB上。

2. 贴片机编程:贴片动作需要程序指令。编制程序需要BOM、坐标文件、极性指示。

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贴片机加工能力(不同型号贴片机有差异)

1. PCB尺寸:L50*W50mm~L510*W460mm,T=05~4.0 mm。

2. 元件尺寸:03015mm~W55*L100mmH=15mm。

3. 最小间距03mm,最小电极尺寸017mm。

4. 元件类型:Chip/SOT/PT/SOP/QFP/BGA/DFN/CON等等。

5. 包装方式:编带(TapeReel)、Tray、管装(一般不推荐)。

6. 物料种类:编带按8mmFeeder,20~100种,Tray15种,可以多台贴片机组合,提高物料安装种类。

7. 贴片速度:理论点数20000~200000CPH,实际效率在45%~75%之间,可以多台贴片机组合提高生产效率。

元器件种类

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贴片元器件尺寸

元件尺寸公英制换算(0.12英寸=120mi1、0.08英寸=80mi1)

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器件贴装对可制造性设计要求

1. PCB尺寸符合贴片机加工能力尺寸不足需要拼板,拼板尺寸不能>贴片机的规格要求。

2. 元器件选择符合贴片机加工能力,优先选型常规类型,降低精度要求 加大工艺窗口。 

3. PCB焊盘设计符合IPC-SM-782要求,器件封装与焊盘设计封装需要完全匹配。

4. PCB设计需要明确丝印标识出位置号、正负极、极性,或提供图纸标 不能有歧义。 

5. 需要提供正确的BOM坐标文件、图纸(PCB丝印不清楚必须提供)。

BOM清楚表达元件品名、封装尺寸、物料规格参数属性、用量、位置号。

坐标文件需要有X、Y、R、位置号、封装尺寸、B/T层别。

图纸需要清晰指示出位置号、正负极、极性标志(第1脚),极性符号要 与器件一致。 

6. 物料包装方式是编带Tray,不推荐管装。B、C类物料必须有备损;引脚器件共面性。 

7. 为提高生产效率,贴片元件数量较少的推荐适当拼板。 

8. PCB设计器件最小间隙大于0.3mm。

炉前AOI:AOI自动光学检查,通过CCD 摄像机抓取图像,再经处理即经过专门的智能化应用软件(根据像素分布,亮度和颜色等信息,转成数字化信号)转变成我们所需的信息。AOI 系统测试过程主要通过待测元件的图像与标准图像的比对来判断元件是否OK,包括元件的尺寸、角度、偏移量、位置及字符等,主要针对以下不良:错件、缺件、极反、偏移。将不良拦截在焊接前,避免不良贴装器件进入回流焊后增加维修成本与报废风险。

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炉前AOI内部结构                                                    炉前AOI设备整体图

回流焊

回流焊是英文Reflow Soldering的直译,是通过熔化印刷到印制板焊盘上的锡膏,实现表面组装元器件焊端或引脚与印制板焊盘之间机械与电气连接的焊接。

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回流焊接的方式

a)红外线焊接

b)红外+热风(组合) 

c)气相焊(VPS)

d)热风焊接 目前常用方式 

e)热型芯板(很少采用)

回流焊的过程

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1. 预热:PCB和元器件预热,减少热冲击。

2. 热型芯板(很少采用) 恒温:助焊剂溶解,清洗焊盘、元件、 锡粉表面氧化物,挥发过多助焊剂;PCB温度和元件显度达到均衡。

3. 回流:锡膏中金属成份熔化润湿元件Lead,开始形成合金层。

4. 冷却:温度快速降低到熔点以下,形成固态焊点。

回流焊设备能力

1. 温度稳定性+5℃偏差,可调精度1℃或0.1℃。

2. 温区数量有 上下8温区、10温区、12温区。

3. 温差范围相邻温区、上下温区可设置的最大温差,不会串温。

4. 热补偿能力对于吸热量大的PCBA或使用载具过炉,对温度的迅速补偿及恒温能力。

5. 轨道平行能力能够允许的宽带误差范围。

6. 轨道及网带的传输温度性传输平稳、无抖动。

7. 炉膛的密封性能回流焊向外部的散热情况,外壳温度。

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回流焊接对可制造性设计要求

1. PCB基材选择要能耐265℃以上温度要求:

2. 所有贴片器件耐温要求能够达到265℃、5秒。

3. 温湿度敏感器件要求真空或防潮保存,如IC、LED灯等(level3 level 4)。

4. PCB表面处理方式,PAD宽度小于0.2mm、BGA PAD直径小于0.5mm。

5. 0201及以下焊盘不适用喷锡工艺推荐化金、OSP工艺。

6. PCB PAD间大于0.15mm。

7. 重量大、高度偏高的元器件在PCB设计上推荐放到TOP面。

8. PAD表面不能有VIA孔,元器件的PAD尺寸需要对称。

9. PCB设计元件库PAD的内间距符合IPC-SM-782标准。

10. PAD为大的接地焊盘需要分割花式或十字连接。

炉温曲线测试

目前热风回流焊工艺的行业普遍依赖于两个技术:炉温测试仪和实时监测系统。

人工炉温测试

即传统的炉温测试方法,即生产停线人工测试炉温,包含人、测温仪、测温板(耗材)、测温线(耗材),正常12小时测试一次,一次20分钟(不包含异常情况)。

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目前使用炉温测试仪行业内比较常用的做法,距离上次测试的时间越长,  曲线越有可能超出制程规则,越来越多的用户意识到目前周期性曲线测试的局限性,采样是定期的,不代表全部的过程控制数据,一旦炉温超出范围,那在下一次测试之前所生产的产品都是可能有缺陷的。

智能炉温测试系统

目前SMT车间大部分生产数据已经接入到MES系统中去,而在回流炉数据收据这部分不能完全关联到每一块PCB板的数据,对于未来的工业4.0,数据的开放完整性是必要的一个环节,在回流炉这部分需要加强对每片PCB板的炉温数据监控,以及在炉温发生异常的时候需要及时的反馈警报数据,自动响应停止相应送板操作,防止大批量不良品的产生,对于大批量生产的问题的发生起到预警作用。

智能炉温测试系统免除定期的人工温度曲线测试,每次更换产品时只需调出程序,点击运行就会自动测试炉温曲线,减少停线时间。每个机种只需测量一次基准曲线,后续系统会自动测量每一个产品的温度曲线,节省测温板,测温线及人工,降低生产成本。当生产开始后,该系统就会不间断的,实时记录每一个产品的温度曲线,就可以在生产过程中提前捕捉到可能导致超标的数据,以避免生产出有缺陷的产品。

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智能炉温测试系统功能特色

1. 精简炉温测试人员。

2. 减少测温板和测温线的报废。

3. 降低炉温测试时SMT的停线时间。

4. 搭配工业4.0,可实现每片板的Profile 实时记录。

智能炉温测试系统示意图

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炉温区热电偶线管的分布

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智能炉温测试系统含有内置高精度的热电偶探管,分为2组探管,总共30个测温点,即30个热电偶。探管安装在轨道上,再汇总连接到自用炉温测试系统的数据处理模块上。入口处感应器探测到产品进入后炉子后开始记录数据,并把处理好的数据传送到电脑。

30个测温点数据实时可查看,链速实时监测,生产时可直接查询到有疑问的温区的回流炉内部空气点的温度。

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100%持续实时监测并记录每一片通过回流炉的PCB板产品的炉温曲线,并自动判断此PCB板是否符合制程工艺要求。

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只需一次母线Profile,即可免除定期验证曲线测试,减少了人工需求,节约验证时间,提高生产效率。

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记录每一片通过回流炉的PCB炉温曲线,警告文件分类统计,History历史数据管理:可按产品工艺缺陷分类查询到相应信息,并可生成自动报表导出。

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生产期间自动报警------包含炉温报警、链速报警、制程报警、条形码丢失报警、CPK报警。(自动分析产生的报警时间,事件类型,事件发生位置)。

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实时CPK,自动SPC------提供产品规格和生产同时产品的质量趋势。

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炉后AOI:AOI自动光学检查:将通过编程预先制作好的检查参数和检查时照相机所拍摄的元件图像按照检查逻辑进行处理。如果检查结果在检查参数所规定的标准范围之内,则判定为合格品,如果在标准范围以外,则判定为不合格。程序来源Bom和贴片坐标,贴片坐标之外一切物体均不在检测范围内。

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AOI测试流程

光从顶部照射下来到正常焊点时反生镜面反射光线不能进入镜头,表现为暗色;

当焊点假焊时焊点似平面如上图左边所示光线会进入镜头表现为亮色,所以可以用这种特征来测试焊点的焊接情况,这就是测试焊点的原理

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RGBW灯光原理折射与反射检测原理

但AOI 不能检测电路问题,同时对不可见焊点的检测也无能为力。

X-RAY:X射线,X光检测设备,使用高压加速电子来释放X射线,射线穿透PCB板并留下图像。因电子产品日趋精密化,底部焊盘封装类器件日益增多,需采取专用X光相关设备进行检测。

技术人员通过图像的亮度观察PCB板焊点的灰阶,可检测以下缺陷:PCB电路断开、IC虚焊、BGA短路少锡虚焊,THT通孔上锡不足等。

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 X-RAY设备                           X-RAY取像原理

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BGA成像               QFN成像              旋转平台后BGA成像

综上结合SMT工艺生产特点,研发人员在设计布局时需要考虑是否预留有足够的工艺边,一般要求有3-5mm,设计时拼版采取几拼版,与手机布局有区别的是一般不宜采取阴阳板布局,个别器件选型时考虑器件重量,第二面回流时会有器件掉落风险,器件选型时需要考虑是否可以批量生产,需要烧录器件是否有合适封装,譬如来料是卷带封装烧录后是不可能再封装回去的;

四、前加工/THT/手焊工艺

为满足产品插件物料的插装方式、跨度、管脚长度等工艺要求,需提前通过人工或设备对插件物料进行加工。

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电阻类;主要包括色环电阻,碳膜电阻,水泥电阻,热敏电阻,压敏电阻,电阻排,可变电阻等。电容类;主要包括电解电容,陶瓷电容,钽电容,独石电容,纸质电容,可变电容等。电感类;主要包括电感,磁珠,变压器,线圈等。晶体管类;主要包括二极管,三极管,发光二极管,场效应管,TVS管,气体放电管等。晶体类;主要包括晶体,晶振等。集成电路类;按封装方式分可分为BGA,SOJ,QFP,PLCC,SOP,PGA,DIP等,其中插装的IC以DIP为主;接插件类;主要包括连接器件,I/O接口,插针,接线端子;其他;如散热片,拨位开关,继电器,间隔柱,电池等

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高精度在线式分板机

适用于FR4邮票孔分板,双台面,可同时进行PCB板的上下料和分板切割,采用高精度大理石平台,三轴直线电机全闭环控制,可前后道对接产线其他工序,机械手全自动上下料,具备视觉AI算法技术,实现分板前切割程序自动制作,分板后切割效果自动检测,自动化程度高。

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异形自动插件机

设备特点,贴装精度:±0.04mm 。贴装速度:IC元件4200 CPH,最大器件高度:55mm,基板尺寸:410*560mm,可识别元件尺寸:英制0201~50mm,夹头或吸嘴数量:6个,采用激光+影像识别元件,可完成DIMM/PCI大型排插等多pin 元件的高速精准插入,配有MRF/MAF/STICK FEEDER,MTS以及振动盘供料器。

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THT炉前AOI:AOI自动光学检测:具有深度学习功能的智能光学检测设备。

适用于PCBA生产的THT线的在线AOI解决方案,使用在THT波峰焊前,能有效保证THT段手插件炉前目检工位操作人员大部分工作。使THT段生产车间可以有效提高产线品质,减少人工成本和焊后维修不良成本等。可拦截缺陷包括:错位、反向、少件、偏移、错件、多件等。可根据条码至SPC追溯测试数据,操作简便。

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   THT炉前AOI测试界面

设备具有自我学习能力,能够应用于绝大多数器件的错位、反向、少件等检测参数学习。学习结果可直观命名为器件料号或类型,可以更快速的应用于编程作业中,提升编程速度。

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深度学习学习结果

(未完待续......)

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