“量体裁衣”合理配置SMT生产线

 

SMT发展非常迅猛。进入20世纪80年代SMT技术已成为国际上最热门的新一代电子组装技术，被誉为电子组装技术一次革命。作为“世界工厂”的中国，目前SMT生产线的保有量不下上万条，是名副其实的SMT生产大国。但由于SMT投资大、技术性强，对于很多初涉这一领域的国内企业来说，面对型号众多的SMT生产设备如何选型建线，仍是一个复杂而艰难的工作。


     1 SMT设备中贴片机的选择最为关键

 
    一般SMT生产工艺包括焊膏印刷、贴片和回流焊3个步骤，所以要组成一条完整的SMT生产线，必然包括实施上述工艺步骤的设备。特别是贴片机，往往会占到整条生产线投资的60％以上，所以贴片机的选择最为关键。


    1.1 贴片机


    (1)贴片机分类


    目前生产贴片机的厂家众多，结构也各不相同，但按规模和速度大致可分为大型高速机(俗称“高档机”和中型中速机(俗称“中档机”)，其他还有小型贴片机和半自动／手动贴片机。一部大型机的价格一般为中型机的3-4倍。生产大型高速贴片机的厂商主要有Panasonic、Siemens、F呻、Universal、Assembleon(安必昂)、Hitachi(原三洋)等；生产中型中速贴片机的厂商主要有Juki、Yamaha、Samsung、Mirae、Mydata等。其中Panasonic、Siemens、Fuji贴片机的市场占有率最高，号称贴片机市场的“三驾马车”。$Page_Split$


    无论对于大型机厂商还是对中型机厂商来说，所推荐的SMT生产线一般由2台贴片机组成：一台片式Chip元件贴片机(俗称高速贴片机)和一台IC元件贴片机(俗称高精度贴片机)，这样各司其责，有利于贴片机发挥出最高的贴片效率。但现在情况正发生着改变，由于很多厂商都推出了多功能贴片机，使SMT生产线只有一台贴片机成为可能。一台多功能贴片机在保持较高贴片速度的情况下，可以完成所有元件的贴装，减少了投资，这种贴片机颇受中小企业、科研院所的青睐。典型机型有Siemens的P5系列、Panasonic的MSF。


    (2)贴片机结构


    目前贴片机结构大致可分为四种类型：动臂式(又称“拱架式”)、复合式、转塔式和大型平行系统。


    动臂式机器是最传统的贴片机，具有较好的灵活性和精度，适用于大部分元件，高精度机器一般都是这种类型，但其速度无法与其它类型相比。不过元件排列越来越集中在有源部件上，比如有引线的QFP(Quad flat package，四边扁平封装器件)和BGA(Ball grid darray，球栅阵列器件)，安装精度对高产量有至关重要的作用。复合式、转盘式和大型平行系统一般不适用于这种类型的元件安装。动臂式机器分为单臂式和多臂式，单臂式是最早先发展起来的现在仍然使用的多功能贴片机。在单臂式基础上发展起来的多臂式贴片机可将工作效率成倍提高，如美国Universal公司的GSM2贴片机就有两个动臂安装头，可交替对一块PCB进行安装。动臂式机器的结构如图1所示。绝大多数贴片机厂商均推出了采用这一结构的高精度贴片机和中速贴片机，例如Universal公司的GSM系列、Assembleon公司的ACM、Hitachi公司的TIM-X、Fuji公司的QP-341E和XP系列、Panasonic公司的BM221、Samsung公司的CP60系列、Yamaha公司的YV系列、Juki公司的KE系列、Mirae公司的MPS系列。$Page_Split$

 

 

    复合式机器是从动臂式机器发展而来，它集合了转塔式和动臂式的特点，在动臂上安装有转盘，像Siemens的Siplace80S系列贴片机，有两个带有12个吸嘴的转盘，如图2所示。Universal公司也推出了采用这一结构的贴片机Genesis，有两个带有30个吸嘴的旋转头，贴片速度达到60000片／h。从严格意义上来说，复合式机器仍属于动臂式结构。由于复合式机器可通过增加动臂数量来提高速度，具有较大灵活性，因此它的发展前景被看好，例如Siemens的HS60机器就安装有4个旋转头。

 

 


    转塔的结构如图3所示。转塔式机器由于拾取元件和贴片动作同时进行，使得贴片速度大幅度提高。这种结构的高速贴片机在我国的应用也很普遍，不但速度较高，而且历经十余年的发展技术已非常成熟，如F呻公司的CP842E机器贴装速度可达到0．068s／片。但是这种机器由于机械结构所限，其贴装速度已达到一个极限值，不可能再大幅度提高。该机型的不足之处是只能处理带状料。 转塔式机器主要应用于大规模的计算机板卡、移动电话、家电等产品的生产上，这是因为在这些产品当中，阻容元件特别多、装配密度大，很适合采用这一机型进行生产。相当多的台资、港资电子组装企业以及国内电器生产商都采用这一机型，以满足高速组装的要求。生产转塔式机器的厂商主要有Panasonic、Hitachi、Fuji。$Page_Split$

 

 

    大规模平行系统使用一系列小的单独的贴装单元。每个单元有自己的丝杆位置系统，安装有相机和贴装头。每个贴装头可吸取有限的带式送料器，贴装PCB的一部分，PCB以固定的间隔时间在机器内步步推进。单独地各个单元机器运行速度较慢。可是，它们连续的或平行的运行会有很高的产量。如Philips公司的FCM机器有16个安装头，实现了0．0375s／片的贴装速度，但就每个安装头而言，贴装速度在0．6s／片左右，仍有大幅度提高的可能。这种机型也主要适用于规模化生产，需要指出的是，由于各种原因这种机型在我国电子行业中的市场占有率较前3种机型要小许多。生产大规模平行系统式机器的厂商主要有Philips，Fuji公司也推出了采用这一结构的QP-132型超高速贴片机，整机贴装速度高达13．3万片／h，堪称业界第一。


    复合式、转塔式和大型平行系统属于高速贴装系统，一般用于小型片状元件安装。转塔式机器也被称作“射片机”(Chip shooter)，因为它通常用于组装片式电阻电容。另外，此类机器具有高速“射出”的能力。因为无源元件，即“芯片”以及其他引线元件所需精度不高，射片机组装可实现较高的产能。高速机器由于结构较普通动臂式机器复杂许多，因而价格也高出许多，在选择设备时要考虑到这一点。$Page_Split$


    试验表明，动臂式机器的安装精度较好，安装速度为5×103-20×103个／h元件(cph)。复合式和转塔式机器的组装速度较高，一般为20×103-50×103个／h。大型平行系统的组装速度最快，可达50×103-100×103个／h。


    1．2 印刷机


    与贴片机的情况不同，印刷机的生产厂商要少许多，主要有美国的MPM、英国的DEK、日本的Minami、Hitachi、德国的EKRA，特别是前两家，市场占有率较其它厂商高出许多。印刷机可分为半自动和全自动两种，半自动不能与其他SMT设备连接，需要人为干预(例如传送板子)，但结构简单、价格便宜(仅相当于全自动机型的1／10-1／5)，适合科研院所使用，典型机型DEK的248。全自动印刷机可连进SMT生产线里，无须人为干预，自动化程度高，适用于规模化生产。如英国DEK公司的DEK265 INF INITY型印刷机就是一种具有伺服压力控制系统的全自动印刷机。印刷参数可用计算机数字化设置，丝网和基板的标记可用其视觉系统自动识别对准，其印刷重复定位精度可达±0．004mm、印刷循环周期为8s。其他较典型机型有MPM的UP3000系列、Minami的MK系列、EKRA的X5。


    需要指出，在传统的焊膏印刷过程中，影响印刷效果的最大变量之一是放置在模板上的焊膏品质不断地变化；焊膏中助焊剂的蒸发；焊剂中的低沸点溶剂的蒸发；锡球在开放的环境中氧化及焊膏在印刷暂停时可印性变差等。另外，随着焊膏的使用，刮刀推动的焊膏量减少，从而引起漏印，或者由于过多的焊膏粘在刮刀上而引起网孔不能完全填满。解决这个问题的办法是将焊膏放在一个容器里，采用自动焊膏涂敷系统，就可以保证焊膏适时适量地加到模板上。另外，使用带有涂敷系统的容器还可减少焊膏在操作者面前的暴露程度，并且使设备和其它工具尽量保持干净。目前MPM和DEK公司都开始采用这一新技术，MPM称之为“流变泵”，DEK称之为“ProFlow”。$Page_Split$


    1．3 回流焊炉


    回流焊接设备正向着高效、多功能、智能化发展，其中有具有独特的多喷口气流控制的回流焊炉、带氮气保护的回流焊炉、带局部强制冷却的回流焊炉、可以监测元器件温度的回流焊炉、带有双路输送装置的回流焊炉、带中心支撑装置的回流焊炉等。除了上述这些新型回流焊炉外，智能化再流焊炉也已经出现了，其调整运转由内置计算机控制，在Window视窗操作环境下可很方便使用键盘或光笔输入各种数据，又可迅速地从内存中取出或更换回流焊工艺曲线，节省调整时间，提高了生产效率。智能化回流焊炉的许多机构的运作，例如：回流炉自动启动和停止，在规定时间选定存储的回流焊工艺曲线，自动调整加热区设置，启动回流焊炉，到时关闭。链式传送带宽度自动调节，与加工印制板尺寸相匹配，通氮工艺与常规空气回流焊工艺变换等功能的自动设置都不必人工操作，全由计算机程序控制。智能化回流焊炉的出现，给SMT焊接工艺增添了新的活力。


    回流焊炉的主要厂家有美国BTU、Heller、德国ERSA、SEHO、荷兰的SOLTEC及日本ANTOM等公司。回流焊炉国内厂家也可制造，例如劲拓、创益等，尽管在功能性、稳定性、温控精度上与国外先进水平有些差距，但性能完全可以满足需求，价格也要便宜很多。



    2 组线设计不可盲目求大求全


    在建立SMT生产线时要根据企业的投资能力，产量的大小，线路板的贴装精度要求等因素，制定合理的引进计划。选择设备时应“量体裁衣”，切不可盲目地求大求全，以免造成不必要的浪费。根据不同用户的需求，笔者设计了几种建线方案，仅供参考(未加说明均为一台)：


    方案一：多功能SMT生产线。DEK248半自动印刷机、SiemensF5多功能贴片机、劲拓GS-800回流焊炉、熊猫精机传送机构。评价：该生产线尽管只采用1台Siemens F5多功能贴片机，但可贴装近乎所有元件，另外为压缩开支，回流焊炉和传送机构均可采用国产设备，印刷机为半自动。预计总投资在250万元左右。该生产线适合批量不大、品种较多的小型企业和科研院所。$Page_Split$


    方案二：中速SMT生产线。YAMAHA YVP-Xg全自动视觉印刷机、YAMAHA YVl00Xg片式Chip元件贴片机、YAMAHA YV88Xg高精度贴片机、Vitronics Sohec XPM 820N回流焊炉。评价：典型的中速贴片线配置方案，适合中小型企业规模化生产，预计总投资在300-400万元。


    方案三：高速SMT生产线。DEK265 INFIN-ITY全自动视觉印刷机、Universal公司的4797高速转塔贴片机、Universal公司的Advantis高精度贴片机、Nutek传送机构、Heller 1800EXL回流焊炉。评价：经典的高速贴片线配置方案，适合大中型电子企业规模化生产，预计总投资在700-900万元。


    方案四：超高速SMT生产线。MPM的UP3000全自动视觉印刷机、Panasonic公司的HTl22高速转塔贴片机三台(或Fuji公司的CP842E高速转塔贴片机)、Universal公司的Advantis高精度贴片机二台、Nutek传送机构、Vitronics Sohec公司的XPM2-SERIES回流焊炉。评价：典型的“三高两泛”配置，适合大型电子企业某单一产品的大规模生产，例如手机、电脑板卡等等，预计总投资在1500-1800万元。



    3 评估确保设备性能符合要求

    当购买SMT设备时，按适当的标准评估设备是很重要的，评估应围绕拟购设备的各方面能力展开，确保设备性能符合要求。我们以SMT设备中最关键的贴片机评估为例，以下是对某型高精度贴片机进行评估的一览表。分四个方面：PCB处理、元件范围、元件送料器和贴放要求。见表1—表4。